大型離子交換器樹脂倒運專用工具的設計研究

摘 要：離子交換法有制水量大、成本低、設備操作簡單、維護方便等眾多優勢，所以目前廣泛用于如電廠、化工廠、制藥廠等的去離子水制備工作中。

關鍵詞：大型離子交換器；樹脂倒運；專用工具；分析；說明；綜述

1 現有導出樹脂工藝介紹、劣勢分析

離子交換器的內部檢修工作需要對將樹脂導出，但是由于樹脂本身的特性，在管道中與水混合能夠形成均勻的液態粗分散狀態具有較好流動性，一旦水源切斷，穩定狀態將很容易被破壞，樹脂迅速失去流動性并聚結成塊，最終堵塞輸送管道，此時再通水也無濟于事，樹脂難以清理，甚至只能破壞輸送管道以回收樹脂。樹脂全部導出后，交換器內檢修還需搭設檢修平臺，這就增加了限制容器內作業的危險性、對平臺的驗收步驟、作業難度，拆裝架子的過程還容易造成對離子交換器內部襯膠層的破壞，影響離子交換器使用壽命，對襯膠層的修補不但工期長，而且成本也較高。樹脂倒運管道目前都使用塑料彈性軟管，儲存占用面積大，使用時通過鐵絲綁緊，使用幾次之后被鐵絲綁的部分即會爛掉，連接上容易造成管道脫落及泄漏。

2 技術設計說明

2.1 樹脂倒運專用工具技術說明

本次樹脂倒運工具的改進主要包括兩個方面，一個是樹脂導出連接部件和連接方式的改進；另一個是對導出管道的以及導出工藝的改進。

2.1.1 連接部件及連接方式的說明

圖1-A部分說明，新工具連接部件A部分為蘭盤和變徑大小頭，根據不同離子交換器樹脂導出口的尺寸能夠更換A部分，靈活組裝工具。圖1-K1部分說明，A部分與K1部分連接方法為螺紋扣連接，這種連接方式方便，密封性好。K1部分為球型快關閥，之所以選擇使用球型快關閥是因為球閥不僅結構簡單、密封性能好，而且在一定的公稱通徑范圍內體積較小、重量輕、安裝尺寸小、全開后對介質的壓力降影響小（相同公稱通徑下僅次于蝶閥和閘閥），并且驅動力矩小，操作簡便、易實現快速啟閉。圖1-K2部分說明，K2部分與K1部分連接方法為螺紋扣連接，圖中所示閥門同樣是球閥，設計選擇的原因同K1所述，不作贅述。K2部分主要作用是外接水源，外界水源壓力應在0.2-0.25MPa之間為宜，當需要停止樹脂流出時，應先開啟K2部分的球閥，在關閉K1部分中的球閥，圖1-K2中的三通結構，銳角度數為45°，且銳角側有肋板加固，如此設計主要是保證工具的強度以及方便外界水源在剛進入輸送管道時形成旋流，方便水源將樹脂阻斷、加強水源與樹脂的混合狀態以及加強水源的推動力。圖1-KD部分的說明，KD型內扣式水袋接口有結構簡單、密封性能好、使用方便可靠，壽命長等優點，是目前主流的快速接口，也是國家標準件。

2.1.2 導出管道及連接方式的說明

導出管道選擇帶襯里水帶，它有承受壓力高、耐磨損、耐霉腐、不易滲漏、阻力小，經久耐用，也可任意彎曲折疊，隨意搬動，使用方便等優點。圖1中K2部分與外接水源管道的連接部分可以選擇圖1所示的防脫設計則管道可選擇普通增強網管，也可以選擇KD型內扣式水帶接口則管道選擇相應通徑的水帶軟管卷盤即可，由于外接水源通徑較小，且外接水源一般比較固定，所以沒有對這部分嚴格限制。

2.2 新工具及工藝的可行性計算（取值原則以求出本設計方案最大壓頭需求為標準）

2.2.1 由于液態粗分散狀態對于水量的界定是有誤差的，且不同類型的樹脂密度也不盡相同，所以樹脂和水的混合物在液態粗分散狀態下經過試驗測得密度約為1500-1750Kg/m3，上述數據來源主要是在實驗室通過對于各種不同類型的樹脂進行混水后實際稱量的統計結果。

2.2.2 新工具及工藝的可行性關鍵在于確定當打開K2閥門并關閉K1閥門后，由于管徑變化導致的壓力降能否保持樹脂和水的液態粗分散狀態并支持管道中的混合物克服管道的沿程阻力和自重達到樹脂儲存罐中。

（1）閥門切換后由于管徑擴大造成的壓力降計算

通常流體經孔板、突然擴大或縮小以及接管口等處，將產生局部壓力降可按下式計算：

其中：△PK-局部壓力降，kPa；K-阻力系數，無因次，通常取：K=0.5；KV-管件速度變化阻力系數，無因次；u-流體平均流速，m/s；ρ-流體密度，kg/m3。

注意，管件速度變化阻力系數KV=1-（d小/d大），根據實際生產需求取極限值即d小=d大。流速u根據目前工程中的樹脂導出速度一般控制在1.2-1.5m/s。將上述數據則代入公式（1）中，得出閥門切換后最大壓力降為：△PK=（0.5-0）*1.52*1750/2000≈0.98kPa。

（2）樹脂和水的混合物液態粗分散狀態需克服的自重計算

一般大型離子交換器上的上人孔或樹脂導入口高度h一般在2.5m-3.5m之間。則如公式（2）所示，需克服樹脂和水的液態粗分散狀態的自重H：

H=ρgh （2）

其中：g-重力加速度，9.81N/kg；其他符號含義同上文介紹。

將所有數據取高值代入公式（2）中，得到需克服樹脂和水的液態粗分散狀態的自重H=1750*9.81*3.5≈60kPa。

（3）樹脂和水的混合物經過圖1所示KD及其后倒運管道的壓力降計算

由于新的樹脂倒運工藝中所使用的KD型內扣式水帶接口和帶襯里的水帶軟管卷盤，輸送出口為離子交換器系開放式空間，全程流體速度近似不變，因此管道可理解為直管，且局部沿程阻力以及速度壓力降可忽略不計，則總壓力降記為△Pf。

流體在直管中的壓力降可用范寧（Fanning）方程式計算：

其中：△Pf-管道總摩擦壓力降，kPa；λ-摩擦系數，無因次，根據雷諾圖查得的DN25mm帶襯里的水帶軟管的摩擦系數λ=0.023；L-管道長度，m，根據實際生產需求一般L取值范圍在30-60m；D-管道內直徑，根據實際生產需求一般D取值范圍在0.025-0.065m；∑K-管件、閥門等阻力系數之和，無因次，且本模型中∑K=0。

將所有數據取高值代入公式（3）中，得到流體在直管中的沿程阻力△Pf=（0.023*60/0.025）*1.52*1.75/2≈109 kPa。

2.2.3 根據上述計算將處于液態粗分散狀態的樹脂和水混合物倒運至樹脂儲存罐內需要的最大總壓頭Wmax應滿足Wmax≥△PK+H+△Pf=169.98≈170kPa，即0.17MPa。本次設計的新樹脂倒運工具及工藝推薦0.2-0.25MPa的外接水源完全滿足實際要求，證明本設計方案是可行的。

3 結束語

新技術加入了外接水源接口，通過兩個快關球閥控制樹脂導出數量及外接水源流量，使得過樹脂工作更具有靈活性，避免了樹脂堵塞管道的問題；螺紋式可組裝結構，方便在各種尺寸設備上應用；新式的導出管道及快速接口，減小了管道的貯存空間，使組裝和延長管道十分的方便快捷，提高了檢修工具的管理水平和使用壽命，利于節能；新技術所有配件都為標準零件，因此有很好地推廣性和適應性。