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    技術支持

    離子交換樹脂柱的工作過程

    1、離子交換樹脂柱 
    離子交換樹脂是放置在樹脂柱中進行工作的,這有利于發揮它的功能,并便于再生。 
    國外糖廠樹脂柱的有效容積(裝載樹脂量)一般為3~10m3,直徑2.3~3.3m,高3.3~4m,樹脂床的高度0.6~2m。樹脂柱為立式圓筒形結構,兩端密封,能承受一定的工作壓力。它通常用鋼板焊接制成,內壁整體襯上耐酸、堿的橡膠層,小型樹脂柱可全用不銹鋼制造。 
    樹脂柱總高度約為樹脂層的兩倍,以備樹脂工作時體積膨脹和防止反洗時樹脂被沖走。如果樹脂的粒度較大,對通過液體的阻力較小,樹脂層可較高,并相應縮小柱體的直徑。但如樹脂粒度較細,對液體的阻力較大,則樹脂層不宜高,以免影響液體的通過,降低它的生產能力。有些裝載細顆粒樹脂的柱,樹脂層的高度只約0.8m,但它的工作周期時間亦較短。 
    樹脂柱的底部裝上細孔平板及篩網,樹脂放置在篩網之上。一種設計采用三層篩網,分別為60、20、10目,也有采用70目篩,以適應顆粒較小的樹脂。有些設計不用篩網,在底部裝設有大量微縫小孔的分配器,匯集從樹脂床流出的液體。在樹脂柱的頂部,裝有糖漿入料管及入料分配器,進入的糖漿經過它均勻分布,然后向下通過樹脂層,在底部集中排出。在樹脂層的上方還有另一套分配器,連接洗水管及再生溶液管,洗水與再生液分別從該處進入,從上向下通過樹脂層,到底部排出。底部分配器還連接反沖洗水管,當樹脂反洗時,從底部進水,均勻地沖動樹脂層,將樹脂中夾雜的懸浮物沖走,經頂部分配器排出。另在柱頂部接有壓縮空氣管,在開始入料前,開入壓縮空氣將樹脂顆粒略為壓緊,使形成樹脂床。樹脂柱底部亦接有壓縮空氣管,必要時可通過壓縮空氣反沖樹脂層,使其疏松,然后再開水管反洗樹脂。柱底部還有樹脂裝卸管。樹脂柱內全部附件及連接管路的材料均為不銹鋼,成分通常為 1Cr18Ni12Mo2Ti。樹脂柱的一種設計如右圖。 
    早期的樹脂柱亦有在底部用石英砂作為阻隔樹脂的介質(不用篩網),先放置一層15cm厚的從4~6mm 到6~11mm大小的石英塊,在它的上面再裝一層15cm 厚的從2.5×1.5mm 到3.5×1.5mm大小的石英砂,上面再裝樹脂。 
    樹脂柱最主要的規格參數是它裝載的樹脂量BV(Bed Volume,m3)。樹脂柱的處理能力與它的樹脂裝載量成正比。各種物料的流量和速率以BV或BV/h為計算單位。糖液通過樹脂層與樹脂接觸的時間為通過速度BV/h的倒數,如通過速度為3BV/h,則接觸時間為1/3小時;若樹脂層高1.2m ,則糖液通過樹脂層的流速為6cm/min(按樹脂柱橫截面計) 。 
    樹脂柱的工作是周期性的,工作效率不夠高。近年發展了多種連續工作的裝備,只用一個系統,樹脂在器內連續地緩慢地移動,流出器外與液體一起用低速泵輸送,經過循環管流回器內,在這個循環中順次進行各項操作;或者分為交換柱和再生柱,連續循環工作。具體的設計有多種,如Higgins系統Asahi系統和雙柱系統等。它們已較多地用在水處理和化工行業中,但在制糖工業中還用得較少。加拿大Macdonald等用小型模擬設備研究了連續離子交換系統在甜菜糖廠的應用,說明它的脫色效果更穩定,樹脂的效能可更充分地利用。
    2、離子交換樹脂柱的工作過程 
    樹脂柱在連續通入糖液時,樹脂逐漸吸附了色素和雜質,其性能就逐漸下降,流出糖液的色值逐漸升高。例如,兩種原來色值不同(725IU和2900IU)的糖液在分別通過兩種不同樹脂柱:苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂,通過不同BV數的糖液后的脫色率變化如下表。 
    通過糖液BV數 苯乙烯系樹脂 丙烯酸系樹脂
     原色值725 原色值2900 原色值725 原色值2900
    0 90 90 90 90
    10 84 60 84 75
    20 81 53 82 69
    30 79 46 81 67
    40 77 - 81 -
    它說明了,在糖液原色值較高時,樹脂性能下降得較快,能處理的糖液總量較少;淺色糖液的處理量則較大。這兩類樹脂初時的脫色率相同,但苯乙烯系樹脂的性能下降較快,而丙烯酸系樹脂下降較慢,即較耐污染。樹脂柱使用一定時間后,脫色效能不足,就要停下來再生。這個脫色工作時間一般為8~20小時;在處理低色值糖液時可延長到數十小時。停用后各種輔助工作和再生的時間需數小時。離子交換樹脂的具體使用過程如下: 
    (1〕預備工作 
    將樹脂與水混合一起傾入樹脂柱中,借助水的浮力使樹脂自然沉積,在柱內均勻堆積,密度一致。在準備使用前,先將水排凈,然后通入壓縮空氣,壓出余水,并將樹脂壓成“床”。再生后的樹脂亦要用無離子水浸泡,使用前排水和通壓縮空氣。 
    (2)入料 
    樹脂柱入料前,先開入約1BV的甜水浸潤樹脂層,隨后開入脫糖時回收的稀糖液及濃糖液,各需時10~15分鐘,控制流量速度約為2.5BV/h,使樹脂中糖液濃度逐漸升高。這個過程稱為上糖或甜化(sweetening)。然后再開入所處理的糖漿,并注意流出液的濃度和色值,當濃度達50~60oBx和色值符合要求時,即轉入正常脫色運行。 
    (3)正常運行 
    控制一定的入料速度,使流出糖漿色值符合指標規定。 
    入料流量速度的數值,視所處理原料的質量及所要求的脫色效果而定。對于已經過澄清處理的原糖回溶糖漿,一般控制 2~3BV/h;而對于白糖回溶糖漿,因其本身色值已較低,可用較大流速(如5BV/h);若流量過高,則脫色效果可能達不到要求。 
    在運行一段時間后,樹脂吸附積聚的雜質較多,脫色能力降低,流出糖液的色值逐漸升高,當達到限定數值時,即停用該柱而轉用其他備用樹脂柱。 
    (4)脫糖 
    在停止入料后,要將樹脂床中的糖汁盡量排出,這稱為脫糖(desweetening)開入前段回收的濃糖液將樹脂層中的脫色糖漿壓出,控制流速約2.5BV/h,處理約30分鐘。隨后開入稀糖液洗出濃糖液至貯箱備用。流速與時間同上。再以無離子水洗出稀糖液,供溶糖之用。約洗20分鐘,當洗出液低于濃度0.5oBx時可棄去。 
    (5)反洗 
    從樹脂柱底部開入70~80℃的軟水(汽凝水),以4~6BV/h的流速反方向沖洗樹脂層,使在工作時被壓緊的樹脂層松散,并自行按顆粒大小重新鋪排成床,增大顆粒之間的空隙,以便于下一步再生時,樹脂能與再生液充分接觸和進行反應。反洗還可將樹脂層中混雜的懸浮物沖走。這項操作通常需要數十分鐘,直至洗出液無明顯混濁為止。為防止反洗時樹脂被沖走而損失,反洗流速不可過大;洗出水通過簡單的隔篩(如曲篩或網袋)收回流失的樹脂。 
    樹脂反洗后進行再生。如果所處理的糖液含溶解性雜質不多,只是由于運行一段時間后,樹脂層被壓實,或被懸浮物阻塞而影響糖液通過,樹脂仍有較好的交換能力,則在反洗清除懸殊浮物并用無離子水浸漬一段時間后,仍可再入料工作,待下一次反洗后才進行再生,以減少再生劑用量。
    3、離子交換樹脂的再生 
    (1)常規的再生處理 
    離子交換樹脂使用一段時間后,吸附的雜質接近飽和狀態,就要進行再生處理,用化學藥劑將樹脂所吸附的離子和其他雜質洗脫除去,使之恢復原來的組成和性能。在實際運用中,為降低再生費用,要適當控制再生劑用量,使樹脂的性能恢復到最經濟合理的再生水平,通??刂菩阅芑謴统潭葹?0~80%。如果要達到更高的再生水平,則再生劑量要大量增加,再生劑的利用率則下降。 
    樹脂的再生應當根據樹脂的種類、特性,以及運行的經濟性,選擇適當的再生藥劑和工作條件。 
    樹脂的再生特性與它的類型和結構有密切關系。強酸性和強堿性樹脂的再生比較困難,需用再生劑量比理論值高相當多;而弱酸性或弱堿性樹脂則較易再生,所用再生劑量只需稍多于理論值。此外,大孔型和交聯度低的樹脂較易再生,而凝膠型和交聯度高的樹脂則要較長的再生反應時間。 
    再生劑的種類應根據樹脂的離子類型來選用,并適當地選擇價格較低的酸、堿或鹽。例如:鈉型強酸性陽樹脂可用10%NaCl溶液再生,用藥量為其交換容量的2倍(用NaCl 量為117g/L樹脂);氫型強酸性樹脂用強酸再生,用硫酸時要防止被樹脂吸附的鈣與硫酸反應生成硫酸鈣沉淀物。為此,宜先通入1~2%的稀硫酸再生。 
    氯型強堿性樹脂,主要以NaCl溶液來再生,但加入少量堿有助于將樹脂吸附的色素和有機物溶解洗出,故通常使用含10%NaCl + 0.2%NaOH的堿鹽液再生,常規用量為每升樹脂用150~200gNaCl,及3~4gNaOH。OH型強堿陰樹脂則用4%NaOH溶液再生。 
    樹脂再生時的化學反應是樹脂原先的交換吸附的逆反應。按化學反應平衡原理,提高化學反應某一方物質的濃度,可促進反應向另一方進行,故提高再生液濃度可加速再生反應,并達到較高的再生水平。 
    為加速再生化學反應,通常先將再生液加熱至70~80℃。它通過樹脂的流速一般為1~2BV/h。也可采用先快后慢的方法,以充分發揮再生劑的效能。再生時間約為一小時。隨后用軟水順流沖洗樹脂約一小時(水量約4BV),待洗水排清之后,再用水反洗,至洗出液無色、無混濁為止。 
    一些樹脂在再生和反洗之后,要調校pH值。因為再生液常含有堿,樹脂再生后即使經水洗,也常帶堿性。而一些脫色樹脂(特別是弱堿性樹脂)宜在微酸性下工作。此時可通入稀鹽酸,使樹脂pH值下降至6左右,再用水正洗,反洗各一次。 
    樹脂在使用較長時間后,由于它所吸附的一部分雜質(特別是大分子有機膠體物質)不易被常規的再生處理所洗脫,逐漸積累而將樹脂污染,使樹脂效能降低。此時要用特殊的方法處理。例如:陽離子樹脂受含氮的兩性化合物污染,可用4%NaOH溶液處理,將它溶解而排掉;陰離子樹脂受有機物污染,可提高堿鹽溶液中的NaOH濃度至0.5~1.0%,以溶解有機物。 
    近年國內研究用糖化鈣溶液對使用過的樹脂進行再生,再生液返回生產流程再用,不需要排放。免除了再生廢液處理的問題。 
    (2)特殊的再生處理 
    污染較嚴重的樹脂,可用酸或堿性食鹽溶液反復處理,如先用10%NaCl +1%NaOH堿鹽溶液溶解有機物,再用4%HCl 或分別用10%NaOH 及1%HCl溶解無機物,隨后再用10%NaCl+1%NaOH處理,在約70℃下進行。 
    如果上述處理的效果未達要求,可用氧化法處理。即用水洗滌樹脂后,通入濃度為0.5%的次氯酸鈉溶液,控制流速2~4BV/h,通過量10~20BV,隨即用水洗滌,再用鹽水處理。應當注意,氧化處理可能將樹脂結構中的大分子的連接鍵氧化,造成樹脂的降解,膨脹度增大,容易碎裂,故不宜常用。通常使用50周期后才進行一次氧化處理。由于氯型樹脂有較強的耐氧化性,故樹脂在氧化處理前應用鹽水處理,變為氯型,這還可避免處理過程中的pH值變化,并使氧化作用比較穩定。 
    (3)再生廢液的處置 
    糖廠用樹脂脫色,樹脂再生的廢液含有大量的色素和有機物,顏色很深。用原糖生產精糖時,每100噸糖的再生廢液量約為6~9m3。要經過處理才能排放(或循環),這也是一個難題。 
    Ionresin詳細研究了用化學方法處理再生液,使色素和其他有機物沉淀,除去雜質后再循環使用,減少排放,并充分利用其中的氯化鈉。由于再生液中色素的濃度比糖汁中高10倍以上,液體數量較小,沒有糖液的粘性,并能容許強烈的條件如強堿性和高溫等而無需顧慮糖的分解,用化學處理比較方便。再生液加入5~10%容積的石灰乳(濃度為含CaO100g/L),加熱到60℃并輕微攪拌,大量的有色物沉淀析出。再加入碳酸鈉或二氧化碳、磷酸鈉或磷酸并保持堿性,都可使較多的有色物沉淀。處理后的液體添加少量食鹽可返回作樹脂的初級再生液,其后再用新的鹽水再生。 
    對廢液的處理還研究過多種方法:用顆?;钚蕴课?,用次氯酸鈉、次氯酸鈣、氯氣或臭氧將它氧化,用超過濾或反滲透法分離它的有機物,或用粉狀樹脂吸附等。最近Guimaraes等研究用微生物將它的有色物降解,取得較好效果。

    4、離子交換樹脂的工作壽命 
    離子交換樹脂在使用較長時間后,由于吸附的雜質未能在再生時完全洗脫除去,性能就逐漸下降,每個工作周期所能處理的糖液量逐漸減少。一般在使用300~500周期后,其性能就不符合要求,需要更新(或轉作其他用途)。例如,一個日處理240噸原糖的煉糖廠,一級脫色使用丙烯酸樹脂(總量5m3 )。在使用不同周期數時,每個周期處理的糖液量及所達到的脫色率的平均值如下表。 
    周期次序 每周期處理糖液量BV  糖液脫色率%
    1~200 48 85
    201~300 45 84
    301~400 45 82
    401~450 45 79
    451~500 42 70
    501~550 34 61
    可見,樹脂在使用超過450周期后,處理能力及脫色率均明顯下降。按使用450周期計算,每m3樹脂處理的糖漿固溶物量約為14000噸。 
    另一煉糖廠規模為600~700/d,使用丙烯酸樹脂總量為12.5m3。每周期處理糖漿量為54BV(運行18小時,流速3BV/h),脫色率約80%。工作壽命為300周期。由此算出每m3樹脂處理糖漿固溶物量約為12,000噸。 
    無疑,樹脂的工作壽命在很大程度上決定于原料的色值及前面的清凈處理的效果。樹脂在長期使用過程中會有一些損失(破碎與流失),因此,長期連續運行的樹脂柱,每年約需補充5%。

     

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