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艾科浦超纯水制备

[导读]采用预处理 +2级反渗透 +EDI+混床工艺制备超纯水。实验结果证明,出水 Ca 2 +质量浓度小于 2 μg /L , Na +质量 浓度小于 5 μg /L , Si O 2 质量浓度小于 5 μg /L ,电阻率稳定在 17 MΨ· c m ,能满足生产要求。

随着科学技术的飞速发展,电子、电力、制药、食 品、化工、轻工、航空航天和冶金等行业对纯水的需 求量日趋增大,对纯水的水质要求也越来越高,尤其 是在油田伴生气洗涤过程中,对超纯水的出水水质 提出了更严格的要求。 油田伴生气是石油开采过程中所产生的副产 品,主要成分是甲烷。油田伴生气以往的处理方式 主要有 2种[ 1] : ①伴生气重新注入采油井中; ②伴生 气放空燃烧掉。前者由于增加了油气的开采成本, 后者更会造成一次性能源的极大浪费和环境污染, 所以这 2种方式正逐步被淘汰。随着科技水平迅速 提高与制造业的迅速发展,油田伴生气逐渐被人们 加工回收利用,但由于其成分复杂,在提纯过程中必 须需要高纯水喷射。目前超纯水制备多数采用反渗 透技术,但其处理效果不能满足某些特殊需要[2] , 而电渗析、离子交换技术作为普遍的水去离子手段, 具有操作简便、性能可靠、成本造价低、材料消耗少、 安全实用等优点。 本文中以反渗透、电去离子法(EDI ) [3-5] 和混 床为基础,采用自动电气控制,综合设计工作过程, 使其生产的去离子水在产量和质量上能满足生产的 要求。本文针对山东某石化公司对超纯水出水水质 要求,设计预处理系统 +2级 RO处理系统 +EDI 电 再生除盐系统 +抛光混床系统制备超纯水。

1 处理方案

1. 1 原水及出水水质指标 原水为地下采出水,硬度、电导率和 p H偏高, 详细水质检测指标见表 1。

1. 2 工作原理 该工艺先是采用石英砂过滤器去除水中的一部 分胶体、悬浮物和杂物质,二级反渗透膜法去除原水 中 95. 0%的溶解盐类和其他所有杂质[ 6] , 再采用 EDI 电去离子装置去除 RO产水中残余的盐分, 然后再经过抛光精混床,使最终出水电导率始终稳 定在 17 MΨ·c m以上, 钠、钾等一价离子可以除 去 99. 99%。

1. 3 工艺设计 本方案为山东某石油化工股份有限公司 3 m 3 /h 超纯水制备工艺,以石化公司地下水为水源,采用反 渗透系统 +EDI+混床工艺制备超纯水。为保证设 备的长期可靠稳定运行及产水水质稳定,必须在反 渗透系统前设置预处理系统,以满足后续反渗透系 统的进水指针,本工艺拟采用石英砂过滤器与保安 滤器作为预处理系统,以保证系统运行稳定。设计 工艺流程简图见图 1。

1. 4 工艺流程描述

1. 4. 1 预处理系统 预处理主要目的是去除原水中的悬浮物、胶体、 色度、浊度、有机物等妨碍后续工艺系统正常运行的 杂质。本方案由于原水为地下采出水,预处理系统 由石英砂过滤器和保安滤器组成。 石英砂过滤器[ 7]采用石英砂作为填料,去除水 中的杂质。石英砂过滤器通过优化滤料和过滤器的设计,实现了过滤器的自适应运行, 滤料对原水浓 度、操作条件、预处置工艺等具有很强的自适应性, 即在过滤时滤床自动形成上疏下密状态,有利于在 各种运行条件下保证出水水质,反洗时滤料充分散 开,清洗效果好。石英砂过滤器可有效去除水中的 悬浮物,并对水中的胶体、铁、有机物、农药、锰、细 菌、病毒等污染物有明显的去除作用。 保安过滤器的精度为 5 μm ,为防止石英砂过滤 器中未能完全去除或新产生的悬浮颗粒进入反渗透 系统,从而保护高压泵和反渗透膜。

1. 4. 2 反渗透系统[ 8-10 ] 反渗透是一种精密的膜法液体分离技术,它能 阻挡所有溶解性盐及相对分子质量大于 100道尔顿 的有机物,但允许水分子透过,反渗透复合膜脱盐率 一般大于 98%。它们广泛用于海水及苦咸水淡化, 锅炉给水、工业纯水及电子级超纯水制备,饮用纯净 水生产、废水处理及特种分离等过程。 本方案中反渗透系统( 表 3) 特点如下: ①RO装 置的设置为 2级, 2∶ 1排列,每列都设有取样阀,可随 时取样分析水质; ②RO膜组件的设计通量不大于各 膜组件制造厂商《导则》规定的最大通量值,并应选 择合理的设计通量,保证膜组件正常运行和合理的清 洗周期; ③RO装置各段给水及浓水进出水管均设有 接口及阀门,以便清洗时与清洗液进出管相连;④RO 组合架的设计满足厂址的抗震裂度要求和组件的膨 胀要求; ⑤RO装置应设有程序启停装置,停用后能延 时自动冲洗; ⑥RO系统所配仪器、仪表的性能、配置 及数量等将满足系统的安全、稳定、可靠运行之需要

1. 4. 3 EDI 系统[ 11-13 ] EDI ( 表 4) 是一种将离子交换技术、离子交换膜 技术和离子电迁移技术相结合的纯水制造技术。它 巧妙地将电渗析和离子交换技术相结合,利用两端电 极高压使水中带电离子移动,并配合离子交换树脂及 选择性树脂膜以加速离子移动去除速率,从而达到纯 化水的目的。在 EDI 除盐过程中,离子在电场作用下 通过离子交换膜被清除。同时,水分子在电场作用下 产生氢离子和氢氧根离子,这些离子对离子交换树脂 进行连续再生,以使离子交换树脂保持最佳状态。 经过二级反渗透后, 99%以上的离子已经被除

去,为进一步提高水质制造出超纯水,除去溶解在水 中的微量元素和 CO 2 等溶解性气体还必须经过 EDI 处理。 EDI 利用混合离子交换树脂吸附给水中的阴 阳离子,同时这些被吸附的离子又在直流电压的作 用下,分别透过阴阳离子交换膜而被去除的过程。 这一过程中离子交换树脂是被电连续再生的,因此 不需要使用酸和碱使其再生。 本方案 EDI 为北京 Gr a n t 公司制造,进一步对 RO纯水进行脱盐处理。本系统由 1只 CEDI 膜堆 和 1台高频开关电源组成,仪器自身有缺水保护和 漏电保护,安全可靠,产水量 3 m 3 /h 。

1. 4. 4 抛光精混床[ 14 ] 混床( 表 5) 就是把一定比例的阳、阴离子交换 树脂混合装填于同一交换装置中,对流体中的各种 离子进行交换、脱除。氢型阳离子交换树脂用于除 去水中的阳离子; 氢氧型阴离子交换树脂用于除去 水中的阴离子。由于阳树脂的密度通常比阴树脂密 度大,所以在混床内一般阴树脂在上面,而阳树脂在 下面。阳、阴树脂装填的比例为 1∶ 2,也有装填比例 为 1∶ 1. 5,可按不同树脂酌情考虑选择。本系统采 用同步再生式混床,其运行及整个再生过程均在混 床内进行,再生时树脂不需要移出设备以外,且阳、 阴树脂同时再生,因此所需附属设备少,操作简便。 本实验采用抛光树脂对前级 EDI 超纯水进一步深 度处理,以确保终端出水达到质量要求。

2 结果与分析 本工艺制备超纯水运行 1个月以来,出水水质好、 运行稳定,能很好地满足油田伴生气洗涤水的需求。 设备试运行 1个月,水样数据每天检测或记录 2次, 分别为上午 9点和下午 4点,共记录数据 60组。

2. 1 Ca 2 +、Na +去除效果研究 Ca 2+是形成结垢的主要因素, Na +过高会影响 超纯水水质,当超纯水喷射油田伴生气时,进而影响 天然气质量。 该工艺除盐系统包括一、二级反渗透、EDI 和抛 光精混床: 一级反渗透作为预脱盐装置,脱除水中大 部分的溶解盐类、颗粒、硬度、活性硅; 二级反渗透和 EDI 作为精脱盐装置,进一步脱除水中微量的溶解 盐类、硬度和 S i O 2,使整个系统的出水水质达到超 纯水出水水质要求; 抛光精混床作为第 3套工序,主 要起第 3重保障作用,保障出水水质满足油田伴生 气洗涤水质需要。

1—Ca 2 +; 2—Na + 图 2 Ca 2+、Na +去除效果 设备调试运行 1个月,每天采集数据 2次,分别 为上午 9点和下午 4点,共记录数据 60组,下面图 中运行时间均和图 2时间一致。 由图 2可知,刚运行时 Ca 2+和 Na +均偏高,原 因为设备刚运行时,各方面性能没有调节到最佳条 件。当设备运行 5天后, Ca 2+和 Na +浓度达到水质 要求指标。

2. 2 Si O 2 去除效果研究 硅在水中常以水合二氧化硅(S i O 2·H 2O) 的形 式存在,属于非离子态,很难去除,是反渗透膜面形 成结垢的 3种主要物质(Ca S O 4、Ca CO 3 和 S i O 2) 之 一。S i O 2 是洗涤水的 1项重要检测指标,在运行中 硅的含量被严格监测和控制。试验运行期间,对出 水硅含量进行了监测分析。

从图 4中可以看到,产水电导率在运行初期从 不足 16 MΨ ·c m逐渐稳定在 17. 7 MΨ ·c m以上,满 足生产需要(≥17 MΨ ·c m) 。 根据 1个月运行数据显示,出水水质各指标均 能满足洗涤水要求,满足生产需要水质指标。

3 结论 ( 1) 通过选择合理的工艺流程,以石英砂过滤 器和保安滤器为预处理手段,充分发挥了反渗透膜 的性能,增加了水回收率,降低了膜污染,使产水电 导率能够始终稳定在 17 MΨ ·c m以上。 ( 2) 运行结果表明, 预处理系统 +2级 RO+ EDI+刨光精混床工艺制备 3 m 3 /h超纯水,设备工 作性能可靠、出水水质稳定,可以很好满足油田伴生 气洗涤水水质要求。 ( 3) 超纯水生产给整个水处理行业的发展提供 了良好的商机,相关企业应以此为契机,及时生产或 引进行业配套的高水平材料、配件,以求与水处理行 业同步发展,成套设备生产企业应进一步提高工艺设计水平,提高设备的生产、安装水平,进而提高设 备投资效益,降低能耗,提高原水利用率。


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