改善阳床二次稀释水布水效果探讨

马 丽，向 伟，3，李伟刚，陈洪岩

（1 辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁阜新123000；2 辽宁省煤制天然气工程技术研究中心，辽宁阜新123000；3 辽宁省煤制天然气工程研究中心，辽宁阜新123000；4 辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司企业博士后科研基地，辽宁阜新123000）

大庆石化公司化肥厂化学除盐系统单个系列的水处理量为180～220 t／h。自2000年底将单室浮床改为双室双层浮床，采用逆流再生方式进行再生。再生过程中，阳离子交换器 （简称 “阳床”）出现弱树脂易结钙的现象。经查其二次稀释水系统是利用原单室浮床弱树脂自清洗系统的管线，再生时二次稀释水流量为27 t／h左右，而其管线管径较粗，布水效果不好。为此，本文对二次稀释水改进的措施进行了探讨，以求达到改善布水效果的目的。

1 装置概况

大庆石化公司化肥厂化学除盐系统共有3台双室双层阳床，采用并列方式连接，阳床内径2524 mm，是一种逆流再生离子交换器。上部装填的强树脂为001×7强酸性苯乙烯阳离子交换树脂，树脂高度2700 mm，体积12.5 m3。下部装填的弱树脂为D113弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，树脂高度800 mm，体积4.8 m3。阳床的设计出力为180～220 t／（h·台）。

2 阳床再生

2.1 再生原理

阳床在运行（除盐）过程中，水中的 K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋等阳离子与阳床内的阳离子交换树脂上处于游离态H＋离子进行交换，反应方程式如式（1）。

当阳离子交换树脂上的H＋离子被交换 “完了”之后，树脂失去了继续交换水中阳离子的能力，即树脂吸附达到了饱和状态。此时，通常称为阳床 （阳离子交换树脂）失效［1］。

阳床再生过程是基于离子交换树脂反应可逆性原理，即将一定浓度的酸液以一定流量进入失效的阳床内，利用酸液中的较高浓度的H＋离子将失效树脂上所吸附的K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋等阳离子置换出来，取而代之，使离子交换树脂重新获得交换水中阳离子的能力。酸液中的H＋离子与树脂上所吸附的K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋等阳离子的置换反应进行得越彻底，树脂获得交换水中阳离子能力越强。此时，阳床再生效果越好。

树脂的离子交换和再生过程，实际上是一种可逆的化学反应过程，如式 （2）、式 （3）。

大庆石化公司化肥厂除盐水装置阳床再生采用浓度为93%～98%的硫酸，经过稀释后输入浮床内对阳离子交换树脂进行再生。再生过程采用四步酸浓度再生法。虽然每步再生酸浓度变化不大，但仍不时出现弱酸性阳离子交换树脂结钙现象，大大影响了再生效果。如图1所示。

2.2 阳床再生过程结钙原因分析

2.2.1 结钙原理分析

离子交换树脂的离子交换和再生过程是一个可逆的化学反应过程。因此，阳床再生过程中再生溶液中硫酸必须达到一定范围，才能促使酸液中的H＋离子浓度达到一定范围，既而在浓度差作用下将失效树脂所吸附的阳离子置换出来。

图1 阳离子交换器基本构造

然而，由于强酸性阳离子交换树脂的交换容量一般为4.5 mmol／g，弱酸性阳离子交换树脂的交换容量为10.8 mmol／g，弱酸性阳离子交换树脂的交换容量较强酸性阳离子交换树脂高出2.4倍，再加上弱酸性阳离子交换树脂在离子交换除盐的最前部，其运行过程中吸附的Ca2＋、Mg2＋等离子数量最多。在再生过程中，若再生液中H＋浓度过高，弱酸性阳离子交换树脂表面的Ca2＋、Mg2＋迅速被置换出来，与再生液中SO结合生成CaSO等微溶物质，这些微溶物质将弱酸性离子交换树脂颗粒黏集成块，既产生结钙，且越集越多，阻碍了弱酸性离子交换树脂与再生液中H＋的置换，使再生效果大大降低。这些树脂块大量堵塞于滤帽上部，影响再生液的流速和流量，继而也对上部强酸性阳离子交换树脂的再生产生影响，导致整个阳床再生不合格。根据多年的运行经验，若同一个阳床经常出现再生结钙现象，其滤帽寿命缩短，碎树脂增多，局部流速过高，周期制水批量减少，出水水质也不够稳定。

2.2.2 二次稀释水

由于弱酸性树脂具有在高浓度H＋再生液下易结钙的弊端，于是单独为其设置了另一路稀释水管线，俗称阳床二次稀释水。从弱酸性阳离子交换树脂的结钙部位与二次稀释水分配试验进行对比发现：二次稀释水出现断流的部位树脂结钙较严重，成大块状，而二次稀释水未出现断流的部位则结钙较轻，由此判断由于二次稀释水分布不均引起部分弱酸性阳离子交换树脂结钙，继而影响整个弱酸性阳离子交换树脂层结钙［2］，见图1。

图2 现有二次稀释水分布管（单位：mm）

图3 改造后的二次稀释水分布管 （单位：mm）

进一步对二次稀释水布水管线进行检查，二次稀释水主管为DN150 mm的不锈钢管，二次分布管为DN 80 mm孔隙较密的网状管。当二次稀释水进入二次分布管后，由于分布管孔隙面积较来水面积大，虽来水具有一定压力，但仍无法避免水走近路的特性，离入口较近的分布管没有稀释水流出，继而造成二次稀释水分布不均，覆盖面不全，引起弱酸性阳离子交换树脂的结钙。如图2所示。

3 二次稀释水改造具体措施

为了让稀释水保持一定压力，布水均匀，在流量、流速一定的条件下，只要分布管孔隙面积小于主管路来水面积，即能使来水充满每根分布管。根据现有的二次稀释水系统布管情况，只需在原有支管内分别加上顶端盲死的带小孔的细管，用法兰连接做成夹套形式，即可起到限流的作用。共需0.90 m长细管6根、0.50 m长细管4根，细管上小孔的间距为0.1 m，总共需要小孔74个。如图3所示。

工业供水（0.8 MPa以下）流速为1.0 m／s，二次稀释水流量为27 t／h（0.0075 m3／s），根据A＝Q／u，A总管＝0.0075／1.0＝0.0075 m2。

上述措施虽可以降低弱酸性阳离子交换树脂结钙的可能性，但由于浮床的再生效果受再生液流量、流速、温度、浓度等多方面因素的影响，为提高浮床的再生效果，在上述改造的基础上，还必须摸索由于二次稀释水的变化而带来的再生液浓度、流速、温度等的调整量，才能最终保证浮床的再生效果。

4 结 论

本文针对大庆石化公司化肥厂除盐装置二次稀释水分布不均的弊端进行了分析和改进措施的探讨，期望能解决该装置的结钙问题。

［1］ 周本省.工业水处理技术 ［M］.第2版.北京：化学工业出版社，2011.

［2］ 化学工业部化工工艺配管设计技术中心.化工管路手册［M］.北京：化学工业出版社，1978.