离子交换器的设计计算
(整理)离子交换设备技术要求及基本构建
一、离子交换器水质要求为了防止树脂污染，进人离子交换器处理的原水水质应符合国家环保水质检测标准。
强碱阴树脂在运行中易被原水中的有机物和阳离子交换树脂的氧化降解产物污染。
有机物对强碱阴树脂污染程度与有机物的含量及种类有关，也与水中有机物和总阴离子的比值有关。
耗氧量指标是27℃，KMn04作氧化剂，氧化4h测得的O2值。
A＜0.004，不用除有机物措施。
A=0. 004~0. 008，复床系统中采用大孔树脂。
A=0. 008~0. 001 5，用活性炭或C1型树脂预处理。
A>0. 015采用加氯氧化分解和活性炭吸附处理。
例如设计水质A为A=【耗氧量Mg02 /L】/【总阴离子量mg/L】=0. 016 3>0. 015因此，在澄清池出水投加氧化剂的基础上，还需增加活性炭吸附处理。
二、硬水软化(一)钠离子交换系统原水与钠离子交换器出水按比例混合，适用于对硬度要求不高的用户。
为第一级钠离子交换器出水硬度达不到要求时，可串联第二级钠离子交换器构成二级钠离子交换系统。
第一级钠离子交换器可采用顺流再生或逆流再生;采用逆流再生出水水质可达到二级出水水质，因此通常不设置二级钠离子交换器。
二级钠离子交换器的交换剂层高度在1. 2~1. 5m左右，流速小于50m/h，采用顺流再生。
(二)钠离子交换系统工艺数据三、脱碱对于高碱度(如碱度大于2mmol/L)的原水，若只进行Na离子软化处理作为蒸汽锅炉给水时，在高温下发生如下分解和水解反应2NaHC03==Na2C03 + CO2↑+H20Na2 C03+H20=2NaOH+C02↑+H20发生上述反应后，将导致锅炉水中游离OH-增加，总碱度升高。
蒸汽中COZ浓度增加，造成蒸汽和冷凝水系统的酸腐蚀和锅水系统中的碱腐蚀。
低压力锅炉需要按照补充水率计算锅炉连续排污率(蒸汽压力小于或等于它2. 5MPa时，锅炉排污率不宜大于10%蒸汽压力大于2. 5 MPa时，锅炉排污率不宜大于5%及校核相对碱度(NaOH/溶解固形不大于0. 2)，以防止锅炉金属苛性脆化。
混合离子交换树脂设备设计计算
混合离子交换树脂设备设计计算
首先，选择合适的离子交换树脂类型至关重要。
树脂种类多样，常见
的包括阴离子交换树脂和阳离子交换树脂。
在选择树脂类型时，需要考虑
到要处理的水质成分以及所需的水质要求。
比如，如果水中有硬度成分
（如钙、镁），则可以选择阴离子交换树脂来去除这些离子。
其次，计算树脂床体积是设备设计中的重要步骤。
树脂床体积的计算
涉及到水处理量、树脂颗粒大小和操作压力等因素。
常见的计算方法是根
据树脂的交换容量来估算树脂床体积。
交换容量是指树脂能够吸附或释放
离子的能力，可以通过实验测定或根据供应商提供的数据进行估算。
树脂
床体积的计算公式如下：
总树脂体积=（水处理量x泛离子浓度）/（交换容量x床体使用效率）其中，水处理量是指设备每小时处理的水量；泛离子浓度是指水中所
有离子的总浓度；床体使用效率是指树脂床体的使用率，一般取0.6-0.8最后，估算树脂使用寿命也是设计计算的重要内容。
树脂的使用寿命
取决于树脂的交换容量以及所处理水质的成分和浓度。
使用寿命的估算可
以通过实验研究得出，也可以根据经验数据进行估算。
一般来说，使用寿
命可以通过树脂床体体积和水处理量的比值得出，如下所示：使用寿命（小时）=树脂床体总体积/水处理量
需要注意的是，使用寿命只是一个估计值，实际使用中可能会受到不
同因素的影响，比如水质波动、树脂老化等。
综上所述，混合离子交换树脂设备设计计算涉及选择合适的树脂类型、计算树脂床体积和估算树脂使用寿命。
这些计算和估算将有助于设计和选
择合适的设备，以满足水处理的要求。
钠离子交换器再生周期计算方法及硬度片剂使用方法
钠离子交换器再生周期计算方法及硬度片剂使用方法钠离子交换器再生完全至下一次失效的产水量，与树脂的工作交换容量、树脂填充量、原水的硬度及软化器的工作状况有关。
周期产水量需在运行中监测，一般的估算方法如下：周期产水量（m3）＝有效树脂填充量（L）×树脂工作交换容量（mol/L）÷全硬度（mg/L CaCO3）×50 再生周期＝周期产水量÷额定出水量树脂工作交换容量(mol/L)钠离子的处理的原理及树脂再生耗盐量离子交换器是离子交换反应的载体由骨架和活性基团两部分组成，通过离子交换反应，交换基团中的可游动离子和水中同性离子进行交换，从而将水中的绝大部分离子除去，使水质达到脱盐提纯的目的。
钠离子交换器应用：离子交换技术广泛用于锅炉用水，中央空调水质软化、除盐、高纯水制取、工业废水处理、重金属回收等方面，其应用范围主要有电力、电子、化工、冶金、环保、生物、医药、食品、酒厂、轻工、纺织等行业。
钠离子交换器特点：离子交换法是去除水中的钙、镁等结垢离子的传统工艺，它具有工艺成熟、投资少、适用性强、离子交换树脂可再生等优点。
本公司生产的离子交换器分为阳床、阴床、混床、和纳离子交换器等，并可以根据不同的用途和不同的水质而设计各类型的离子交换工艺流程。
离子交换树脂是一种聚合物，带有相应的功能基团。
一般情况下，常规的钠离子交换树脂带有大量的钠离子。
当水中的钙镁离子含量高时，离子交换树脂可以释放出钠离子，功能基团与钙镁离子结合，这样水中的钙镁离子含量降低，水的硬度下降。
硬水就变为软水，这是软化水设备的工作过程。
当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后，树脂的软化能力下降，可以用氯化钠（盐）溶液流过树脂，此时溶液中的钠离子含量高，功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合，这样树脂就恢复了交换能力，这个过程叫作“再生”。
水的软化方法有：①加热法；②石灰苏打法：用石灰降低暂时硬水硬度，用烧碱（苏打）降低非碳酸盐硬水的硬度；③离子交换法：用离子交换剂除去钙镁离子，目前家用“净水器”多采用这种方法。
离子交换设备
1．树脂用量和罐体积
交换罐中树脂的吸附量为：
Q1=Vq×106
式中 Q1——交换罐中树脂对生物产品的总吸 附量，单位； V——树脂装填量，m3；
q——单位体积树脂对生物产品的吸附量， 单位/mL。
溶液中的生物产品被树脂的吸附量为：
Q2=V1(c1—c2)· 106=Fτ(c1—c2)· 106
固定床有单床、多床、复床及混合床。
（1）单床 （2）复床 （3）混合床
离子交换设备
单柱 联
双柱串
根据溶液进入交换柱（罐）的方向又
有正吸附和反吸附两种。
连续流动床是指溶液及树脂以相反方
向连续不断流入和离开交换设备，一 般也有单床、多床之分。
（一）离子交换 设备的结构
1．常用离子交换罐
二、离子交换树脂的理化性能
1．颗粒度
大多数商品树脂多制成球形，以提高机械
强度和减少流体阻力，其直径在0.2～ 1.2mm（70～16目）之间。
粒度过小，堆积密度大，容易产生阻塞。
粒度过大，强度下降，装填量少，内扩散
时间延长，不利于有机大分子的交换。
2．交换容量
交换容量是表征树脂交换能力的重要参数，其表 示方法有质量交换容量（mmol/g 干树脂）和体积 交换容量（mmol/ml树脂）。 工作交换容量：在一定的应用条件下树脂表现出 来的交换量 再生交换容量：树脂在指定的再生剂用量条件下 再生后的交换容量。 再生交换容量=（0.5~1.0）交换容量； 工作交换容量=（0.3~0.9）再生交换容量。 工作交换容量与再生交换容量之比称为离子交换 树脂利用率。
解吸液浓度比较高，故一般采用前一种方法 较好，
但由于溶液的线速度相应增加，则流体阻力
逆流再生强酸阳离子交换树脂设计计算
项 目 小正洗流速(10～15) 小正洗时间（5～10） 小正洗水量 小正洗管流速(～2) 小正洗管径 正洗流速(10～15) 正洗水耗（1～3） 正洗水量 正洗管流速(～2) 正洗时间 正洗管径 再生耗除盐水 再生耗清水 自用水率 再生时间 单台阳床再生一次排放废水量 正常运行全部阳床日排放酸性废水总量
20.7
18.7 1000 55 3.186 1.231.154 2% 1.0083
全部交换器内树脂
2.06 2382
4.13 按两倍再生计量
4.5
1.51 30
45.2
36.915 10 15 17.66 2.00 111.80 10 15 17.66 2.00 111.80 5 62 1.99 35.33 1.50 91.29 34.533 5 30 17.66 2.00 79.06
单 位 m/h min m3 m/s mm m/h 3 m /m3R m3 m/s min mm m3 m3 % h m3 m3/d
数
值
备
注
15 10 17.66 2.00 136.93 15 2 26.85 2.00 15.20 136.93 52.20 79.83 3.13% 2.96
134.09 111.52
逆流再生强酸阳离子交换器
项 目 单台设备出力 阳床运行流速（20～30） 阳床直径(计算) 阳床直径(选定) 核定阳床运行流速 周期运行时间(选定) 强阳树脂工作交换容量(800-900) 再生酸耗（50～55） 总阳离子 阳床树脂层高(计算) 阳床树脂层高(选定) 强酸阳离子交换树脂量(H型,湿态) 强酸阳离子交换树脂总量(Na型,湿态) 核定周期运行时间 浓酸浓度 浓酸比重 再生稀酸浓度(1.5～3%) 稀酸比重 一次再生浓酸体积 一次再生浓酸重量 酸计量箱所需体积(计算) 酸计量箱体积(选定) 单台阳床日耗浓酸液 酸液贮存天数(15～30) 浓酸贮存总量 再生稀酸量 小反洗流速（5～10） 小反洗时间（15） 小反洗水量 反洗管流速(～2) 小反洗管径 反洗流速（5～10） 反洗时间（15） 反洗水量 反洗管流速(～2) 反洗管径 进酸流速(<5) 进酸时间 浓酸流量 稀酸进酸流量 酸管流速(～1.5) 进酸管径 进酸耗水量 置换流速(<5) 置换时间(～30) 置换水量 置换管流速(～2) 置换管径 单 位 3 m /h m/h m m m/h h 3 mol/m R g/mol mmolH+/L m m m3 t h ％ t/m3 ％ 3 t/m m3 kg m3 3 m /个 m3/d d m3 t m/h min m3 m/s mm m/h min m3 m/s mm m/h min 3 m /h m3/h m/s mm m3 m/h min m3 m/s mm 数 值 146 23 2.84 3.00 备 注
离子交换柱设计计算公式
离子交换柱设计计算公式离子交换柱设计计算公式（1）计算交换柱处理负荷 G=Q（C—Cp）G—处理负荷 mol/hQ—处理水量 m3/hC—进水浓度mol/m3Cp—出水浓度mol/m3（2）计算所需树脂的总体积▽＝ＧＴ／ＥＯ▽＝树脂总体积m3T＝树脂再生周期hEO＝工作交换容量mol/m3（3）设计离子交换柱的直径D＝√（４Q/πV）D—离子交换柱直径mV—处理液在柱内流速m/h（4）计算离子交换柱高度h=4▽/(D2π)3.3.1h—树脂层高度mＨ—离子交换柱高度m Ｈ＝h(1+α)α—树脂清洗时膨胀率可按４０％－５０％考虑（5）离子交换再生液的计算再生剂的用量Ｍ＝q0E0▽M—再生剂的用量gQ0—再生剂耗量g/mol▽—饱和树脂的体积m3再生液的体积▽I=M／Ci▽I—在一定浓度下的再生液的体积LCi—再生液中所含再生剂的浓度g/l整个处理过程发生的化学反应（Na型阳离子交换柱）去除 2R—COONa＋M2+←→（R—COO）2M＋2Na+式中 M2=Ni2+,Cu2+,Zn2+,Pb2+,Co2+等再生（R—COO）2M＋2HCl←→2R—COOH＋MCl2转型 R—COOH＋NaOH←→R—COONa＋H2O采用弱酸双阳柱全饱和流程离子交换柱应去除的金属离子的物质的量，考虑到出水中金属离子的含量比较少（Cp≈0）Ni2+（220mg/L）物质的量浓度为C （1/2Ni2+）=7.48mmol/L Cu2+ (80mg/L)物质的量浓度为C （1/2Cu2+）=2.52mmol/LCo2+ (20mg/L)物质的量浓度为C （1/2Co2+）=0.59mmol/LFe3+ (10mg/L) 物质的量浓度为C （1/3Fe3+）=0.19mmol/LPb2+ （10mg/L）物质的量浓度为C （1/2Pb2+）=.1.035mmol/L Zn2+ (20mg/L) 物质的量浓度为C （1/2Zn2+）=.0.62mmol/L 合计 12.435mmol/L每日应去除金属离子负荷为G=Q（C—Cp）=700m3/d×(12.435—0)mmol/L=8704.5mol/d3.3.2计算Na型阳离子交换树脂交换塔所需树脂的体积，该弱酸阳树脂工作交换容量E0=1500mol/m3,决定树脂再生周期T=2d,所需树脂的体积▽＝ＧＴ／Ｅ0=(8704.5mol/d×2d)/1500mol/m3=11.606m3计算交换塔尺寸设交换塔直径D=1800mm(1.8m) 则树脂层厚度为h=4▽/(D2π)=(11.606m3×4)/(π×1.82)=4.6ma—考虑反冲洗时树脂的膨胀率α=50℅ 所以交换塔高Ｈ＝h(1+α)=4.6×（1+50℅）=6.84m采用2柱串联，则每柱的树脂深度为6.84/2=3.42m3.3.3计算交换塔阳树脂再生时的耗酸量，查表得HCL的再生剂耗量为 q0=50g/mol再生一次所需的酸量（M）为：Ｍ＝q0E0▽=50g/mol×1500mol/m3×11.606m3=870450g表见标注1如配成5％浓度的盐酸，查表得每升含盐酸质量51.2g，即浓度Chcl=51.2g/L.故所需5％的盐酸再生液体积：▽HCL=M/CHCL=870450g/(51.2g/l)=17000L再生周期为12h。
离子交换计算书
2--3 1--2
7.63 11.45
Ca2+ 阳 Mg2+
Na+
进 0.15 mg/l
0.06 mg/l 1.23 mg/l
水 0.01 meq
0.01 meq 0.05 meq
离 K+
0 mg/l
0 meq
NH4+ 子 Ba2+
Total
mg/l
mg/l 1.44
0 meq
0 meq 0.07 meq
阴树脂工作交换容
量
eq/m3 300
二、 设备计算
设备直径φ= 工1800
个
1
个
1
三、 树脂填量的计算
阳树脂层高
mm 500
阴树脂层高
mm 1300
单台阳树脂体积量 m3
单台阴树脂体积量 m3
1.27 3.31
四、 再生周期的计算 阳树脂再生周期 阴树脂再生周期 计算结果 混床再生周期
5
置换
m3
正洗阳树脂水量
m3
正洗阴树脂水量
m3
单台交换器总耗量 m3
耗水量占进水量的比
例
%
七 耗气量计算 设计条件
空气压力p=
kg/cm2 1
空气强度q= 混合时间t=
Nm3/m2 min 3 min 1.5
空气流量Q=
Nm3/mi n
单台交换器空气耗量 m3
12.72 7.63 16.54 51.21 0.47
阳树脂再生周期 天 阴树脂再生周期 天
混床再生周期
天
2.54 6.62 2.04 4.63
3.79 4.92
3.79
第六章、离子交换
1、混床装置及再生方式
（1）装置 设有上部进水、中间排水、底部配水、进
酸管、进碱管等。
（2）再生 ❖ 再生之前利用阴树脂、阳树脂的湿真密度不同
进行反洗分层。 ❖ 再生方式有：
❖ 体内再生：体内同时再生、体内分别再生 ❖ 体外再生
2、混床交换器设计计算 物料平衡关系式为：
Fh阳EOP阳 QTC Fh阴EOP阴＝QTC
2、操作过程 （1）交换 （2）反洗 作用：
松动树脂，使再生液分布均匀 去除树脂中的杂质、碎粒、气泡
反洗强度：3L/m2·s 反洗时间15-20min （3）再生 （4）正洗 作用：将残留在树脂中的再生液冲洗干净 正洗时间：40-60min
3、评价 优点：设备简单、操作容易 缺点：
强酸阳离子交换树脂采用001×7 再生剂为盐酸，浓度4%-10% 物料平衡关系式为：
F1h1EOP1 QT C C Na＋ ＋2 Ca2＋ ＋2 Mg2＋
（2）弱碱阴离子交换器
F2h2EOP2 QT (Cl－ ＋2 SO42 )
3、强酸－脱气－弱碱－强碱系统 该系统适用于原水有机物含量较高、强酸阴离
（2）强碱阴离子交换器
强碱阴离子交换树脂采用201×7 再生剂为NaOH，浓度4%-10% 物料平衡关系式为：
F2h2 EOP2
QT2 (
A
HCO3
CO2
)
44
A Cl－＋2 SO42 ＋HCO3 SiO2
2、强酸－弱碱－脱气系统 强酸－弱碱－脱气系统适用于无除硅要求的场合。 （1）强酸阳离子交换器
≤0.01meq/L，再生剂耗量较少。 适用：进水总硬度＜10meq/L，且碱度较低。
2、H－Na离子交换脱碱软化系统
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离子交换器的设计计算
1、交换器直径：
F=Q/(T×N×V）
F---交换器截面积（m2）；
Q---产水量(T/D);
T---工作时间（H/D）
N---交换器台数；
V-交换流速(M/H).
2、交换器高度: H=Hp+Hr+Hs+Ht（米）
Hp---交换器下部排水高度，一般为0.3—0.7m;
Hr---交换剂层高度，一般在1.0—2.0之间选择。
Hs---反洗膨胀高度,树脂层高50%左右。
Ht---顶部封头高度。
3、交换器连续工作时间：
t=V r×Eg/《q×(H1-H2)》 (小时)
V r---交换剂体积；
q---交换器流量；
Eg---交换剂的工作交换容量，一般阳树脂取1000mol/m3。
H1---原水中硬度，mmol/L.
H2---出水残留硬度，mmol/L.
4、再生剂用量：G z=V r×Eg×Bz/（1000×ε）
Gz---再生剂用量；
Bz---再生剂实际耗率，g/mol.
ε---再生剂纯度，对NaCL,可取0.95。
常用再生剂的实际耗率
顺流再生逆流再生
再生剂：NaCL ;HCL NaCL ; HCL
耗率：120-150 ;60-90 70-90; 30-60混合离子交换器设计计算：
Q=3.14R2×V
Q--混床的处理能力；单位m3/h
R--混床的半径;单位m
V--过滤流速，一般普通混床20-30m3/h
精致混床30-40m3/h
抛光混床40-60m3/h
取石英砂10-12m/h；
V=3.14R2×H×1000
V--树脂的体积；单位kg
R--混床的半径;单位m
H--树脂的有效高度；单位m
注：树脂总装高不小于1m
阴阳离子交换树脂比例（阳：阴=1:1.3-2）混床的再生周期：
阳树脂再生周期=（单台阳树脂体积/阳树脂工作交换容量）/(工作设备数量）/（阳离子含量）
阴树脂再生周期=（单台阴树脂体积/阴树脂工作交换容量）/(工作设备数量）/（阴离子含量）
阴阳树脂的再生周期中取较小值作为混床的再生周期
水管管径和流量的关系：
Q=3.14×(D/2)2×V×3600
Q--流量；m3/h
D--管道径；m
V--水在管中的流速;m/s
无压力是V取1.5m/s；有泵提供压力时V取2.5m/s
交换器再生条件的计算：
1）利用计量箱液位差进行计算
耗用30%浓度再生剂重量 = 计量箱截面积×计量箱液位差×30%浓度再生剂密度
2）利用再生剂流量进行计算
耗用30%浓度再生剂重量 = 再生剂流量×进再生剂时间×30%浓度再生剂密度
3）利用再生液的浓度进行计算
耗用30%浓度再生剂重量 = 喷射器工作水流量×再生液浓度÷30%×进再生剂时间
再生液浓度的计算方法主要有：
1）用计量箱液位下降速度进行计算
再生液浓度（%）= 液位下降高度（m）×计量箱截面积（m2）×再生剂密度×30%÷喷射器工作水流量（m3/h）×10
2）用再生剂流量计进行计算
再生液浓度（%）= 再生剂流量（m3/h）×30%×密度÷喷射器工作水流量（m3/h）×10
现场交换器再生条件的确定
1，阳床再生条件
1）阳床再生用酸量的计算
① 阳床正常再生时耗用浓度为30%的盐酸重量的计算
用酸重量 = 树脂体积×树脂平均工交容量×36.5×再生剂比耗÷0.3÷1000000
= 3.2m3×1200 mol/m3×36.5g/mol×1.25÷0.3÷1000000 = 0.58（吨）
② 阳床大反洗后再生周期耗用浓度为30%的盐酸重量的计算
用酸重量= 2×正常再生用酸量= 2×0.58 = 1.16吨采用1.2吨
2）阳床的进酸时间的计算
① 阳床正常再生时再生液浓度 = 3.5%
再生时工作水流量 = 7.2m3/h
按再生液浓度 = 3. 5%计算，浓度为30%的盐酸的流量= 7.2×3.5%÷0.3 = 0.84吨/小时
阳床再生总进酸重 = 0.58吨
总进酸时间= 0.58÷0. 84×60 = 41分钟
在固定进酸量为0.58吨时，当采用不同再生液浓度时的进酸时间也应作必要的调整：
实测浓度 % 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 进酸时间分钟 45 44 43 41 40 每分钟进酸量顿 0.013 0.013 0.0135 0.014 0.0145
② 阳床大反洗后周期再生液浓度 = 5%
再生工作水流量 = 7.2m3/h
按再生液浓度 = 5%计算，浓度为30%的盐酸的流量= 7.2×5%÷0.3 = 1.20吨/小时
阳床大反洗后周期再生总进酸重 = 1.2吨
总进酸时间= 1.2÷1.2×60 = 60分钟
不同再生液浓度时的进酸时间调整为：
实测浓度 % 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 进酸时间分钟 67 65 64 63 61 60 每分钟进酸量顿 0.018 0.0185 0.019 0.019 0.02 0.02 2，阴床再生条件
1）阴床的用碱量计算
阴床弱碱树脂及强碱树脂的总体积 = 4.8m3
阴床弱碱树脂及强碱树脂的平均工交容量设定为700mol/m3
总用碱重量 = 树脂体积×树脂平均工交容量×40×再生剂比耗÷0.3÷1000000
= 4.8m3×700 mol/m3×40g/mol×1.20÷0.3÷1000000 = 0.54（吨）
2）阴床根据再生液浓度计算两步进碱的时间
① 阴床悬浮进碱时间计算
悬浮进碱的再生液浓度设定 = 1.2%
工作水流量 = 6m3/h
按再生液浓度 = 1.2%计算，浓度为30%的液碱的流量= 6×1.2%÷0.3 = 0.24吨/小时悬浮进碱时间按60分钟计算
悬浮进碱重量 = 0. 24 吨
进碱时间按再生液浓度的调整为：
实测浓度 % 1.0 1.1 1.2 1.3
进碱时间分钟 72 65 60 55
每分钟进碱量吨0.003 0.004 0.004 0.0045
② 阴床逆流进碱时间的计算
逆流进碱再生液浓度设定为2.6%
工作水流量 = 6m3/h
按再生液浓度 = 2.6%计算，浓度为30%的液碱的流量= 6×2.6%÷0.3 = 0.52吨/小时逆流进碱重量 = 总碱量－悬浮进碱时已进的碱液重量 = 0.54－0.24 = 0.30吨
逆流进碱时间= 0.30÷0.52×60 = 35分钟
进碱时间按再生液浓度的调整为：
实测浓度 % 2.3 2.4 2.5 2.6
进碱时间分钟 39 38 36 35
每分钟进碱量吨 0.008 0.008 0.0085 0.0085。