HCl替代H2SO4作為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂再生劑的優(yōu)勢(shì)

龔志洋(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限公司煤制油分公司，寧夏 銀川 750411)

0 引言

陽(yáng)床作為化工生產(chǎn)中除鹽水去除陽(yáng)離子重要裝置，再生劑的使用種類(lèi)直接影響陽(yáng)床的運(yùn)行周期和產(chǎn)水指標(biāo)[1]。在配置再生劑的過(guò)程中，不同的再生劑安全性和可操作性不同，尤其是對(duì)制水量超過(guò)2 500 m3/h除鹽水裝置，采用安全有效的再生劑在保證員工操作安全和提高裝置的使用壽命方面具有重要意義。

1 再生劑使用情況和現(xiàn)狀

國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限公司煤制油分公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“煤制油分公司”)的除鹽水裝置陽(yáng)離子交換床、混合離子交換床、透平凝液混合離子交換床、工藝凝液混合離子交換床陽(yáng)樹(shù)脂使用的再生劑為濃度98%的硫酸，主要由煤制油罐區(qū)通過(guò)管道送入除鹽水裝置酸堿儲(chǔ)存間備用[2]。大檢修后期除鹽水裝置需要提前開(kāi)車(chē)時(shí)，可能會(huì)遇到罐區(qū)部分裝置仍不具備投運(yùn)條件的問(wèn)題，此時(shí)硫酸供應(yīng)會(huì)短缺。同時(shí)用硫酸做再生劑極易產(chǎn)生硫酸鈣沉淀，積累速度較快，可能對(duì)離子交換床的運(yùn)行產(chǎn)生不可逆影響，一旦不易溶的硫酸鈣堵塞了樹(shù)脂孔道并導(dǎo)致其板結(jié)，只有更換新樹(shù)脂一種選擇。另外，硫酸鈣沉淀對(duì)水帽的堵塞問(wèn)題，也無(wú)法忽視。鑒于以上原因，公司計(jì)劃將再生劑更換為鹽酸，鹽酸的再生方式簡(jiǎn)便、自用水耗較低、再生耗時(shí)相對(duì)較低，這些優(yōu)勢(shì)使鹽酸成為樹(shù)脂再生的最佳選擇。

2 離子交換床基本情況

煤制油分公司需要用酸做再生劑的離子交換床數(shù)量多，樹(shù)脂使用量大，考慮到硫酸做再生劑產(chǎn)生的硫酸鈣沉淀，會(huì)對(duì)離子交換床的運(yùn)行產(chǎn)生不可逆影響，硫酸鈣容易堵塞樹(shù)脂孔道并導(dǎo)致其板結(jié)，更換再生劑很有必要。煤制油分公司需要用酸做再生劑的離子交換床基本情況如表1所示。

表1 酸再生的離子交換床數(shù)據(jù)

2.1 鹽酸再生與硫酸再生優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

鹽酸再生與硫酸作為再生劑各有優(yōu)劣，但鹽酸再生整體優(yōu)于硫酸再生。鹽酸再生法較硫酸再生法在安全、設(shè)備腐蝕性等方面不具備優(yōu)勢(shì)，但如果從工藝角度考慮，其簡(jiǎn)便的再生方式、較低的自用水耗、相對(duì)較低的再生耗時(shí)，都使鹽酸成為樹(shù)脂再生的最佳選擇。而硫酸雖然因原始設(shè)計(jì)完善，在安全與設(shè)備腐蝕上具有優(yōu)勢(shì)，但是其極易產(chǎn)生硫酸鈣沉淀，積累速度較快，可能對(duì)離子交換床的運(yùn)行產(chǎn)生不可逆影響，一旦不易溶的硫酸鈣堵塞了樹(shù)脂孔道并導(dǎo)致其板結(jié)，只有更換樹(shù)脂一種選擇。另外，硫酸鈣沉淀對(duì)水帽的堵塞問(wèn)題，也無(wú)法忽視。

2.2 鹽酸再生劑對(duì)下游水處理裝置的影響

(1)含鹽廢水處理裝置進(jìn)水氯離子設(shè)計(jì)值為582.3 mg/L，對(duì)裝置反滲透產(chǎn)水總管以及濃水總管氯離子檢測(cè)均未超出設(shè)計(jì)值，按照反滲透4倍濃縮推斷綜合調(diào)節(jié)水罐出水氯離子在300～500 mg/L之間，未超出設(shè)計(jì)值。

(2)考慮蒸發(fā)器氯離子在小于設(shè)計(jì)值52 941 mg/L的條件下，產(chǎn)生鹽鹵中的氯離子含量越高，外送至廠外蒸發(fā)塘?xí)r蒸發(fā)結(jié)晶鹽效果越好，氯化鈉結(jié)晶效果要優(yōu)于硫酸鈉結(jié)晶效果。

3 鹽酸再生劑的再生原理與應(yīng)用

3.1 靜態(tài)再生

陽(yáng)離子交換樹(shù)脂再生劑進(jìn)行靜態(tài)再生，首先會(huì)受到浸泡時(shí)間的干擾，將10 mL的失效陽(yáng)樹(shù)脂和濃度5%的30 mL的HCl再生液混合，對(duì)各個(gè)浸泡時(shí)間樹(shù)脂呈現(xiàn)出的再生度進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)再生液用量相同的條件下，如果浸泡時(shí)間不足4 h，那么時(shí)間將會(huì)是樹(shù)脂再生度非常關(guān)鍵的影響元素，當(dāng)浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，再生度也會(huì)因此而提高[3]。然而在檢測(cè)中需要注意，浸泡時(shí)間大于4 h，那么再生度會(huì)在浸泡時(shí)間因素的干擾下延緩增長(zhǎng)速度，樹(shù)脂再生度增長(zhǎng)到最高也只有64%。

其次應(yīng)分析再生液用量這一因素的影響。試驗(yàn)檢測(cè)中在濃度5%的20 mL、30 mL、50 mL的HCl再生液中，摻加10 mL的失效陽(yáng)樹(shù)脂，隨后檢測(cè)各個(gè)再生液用量條件下的樹(shù)脂再生度數(shù)據(jù)。浸泡時(shí)間相同時(shí)，濃度為5%的HCl再生液用量比3倍樹(shù)脂體積小，此時(shí)再生液提高幅度十分明顯。若是相同濃度的再生液用量超過(guò)3倍樹(shù)脂體積，此時(shí)再生液提高幅度不是非常顯著，樹(shù)脂再生度最高值僅為64%[4]。

最后，靜態(tài)再生形式會(huì)帶來(lái)直觀的影響。同樣將10 mL失效陽(yáng)樹(shù)脂和濃度5%的30 mL的HCl再生液混合，采取靜態(tài)浸泡這種方式，浸泡時(shí)間為30 min，浸泡之后再使用除鹽水進(jìn)行沖洗，直到?jīng)_洗到中性為止。沖洗之后摻加10 mL 5%的HCl，同樣浸泡30 min，沖洗到中性之后循環(huán)上述流程3次，再檢測(cè)陽(yáng)樹(shù)脂再生度，對(duì)比一次性摻加30 mL濃度為5%的HCl靜態(tài)浸泡樹(shù)脂再生度。經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)如果再生液用量一致，反復(fù)浸泡再生這一方式，顯現(xiàn)樹(shù)脂再生度一般會(huì)比一次浸泡再生度高，然而樹(shù)脂再生度也只為65%。

3.2 動(dòng)態(tài)再生

在陽(yáng)離子交換樹(shù)脂再生劑使用中采用動(dòng)態(tài)再生方法，陽(yáng)離子樹(shù)脂交換柱內(nèi)徑經(jīng)過(guò)檢測(cè)可確定為23 mm，隨之測(cè)定樹(shù)脂高度是200 mm，一般樹(shù)脂體積是83 mL，通過(guò)不同使用量的5%的HCl進(jìn)行動(dòng)態(tài)順流再生，將流速控制在3～5 m/h之間，再生結(jié)束之后使用除鹽水展開(kāi)動(dòng)態(tài)沖洗，直至達(dá)到中性狀態(tài)，檢測(cè)交換柱最上層與最下層的陽(yáng)樹(shù)脂再生度。發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)再生這種方式在應(yīng)用過(guò)程中，當(dāng)再生液用量增加之后，樹(shù)脂再生液也會(huì)隨之提高。5%的HCl再生液用量已經(jīng)超過(guò)3倍的樹(shù)脂體積，此時(shí)再生度漲幅開(kāi)始減緩，樹(shù)脂再生度同樣在此時(shí)達(dá)到97.8%左右，相比靜態(tài)再生方法效果更加顯著。

4 技改方案

從出水水質(zhì)和制水周期考慮，使用鹽酸的用戶多于使用硫酸的用戶，結(jié)合鹽酸與硫酸的優(yōu)缺點(diǎn)比較，結(jié)合國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)烯烴一分公司將硫酸再生變更為鹽酸再生的運(yùn)行實(shí)際，很好地規(guī)避硫酸鈣對(duì)樹(shù)脂的影響，使用鹽酸再生離子交換樹(shù)脂利大于弊。

4.1 增加酸儲(chǔ)罐與加酸管線

除鹽水現(xiàn)場(chǎng)酸堿間內(nèi)設(shè)置室內(nèi)酸儲(chǔ)罐2臺(tái)，每臺(tái)容積為10 m3。由于使用鹽酸再生，用酸量大，一次進(jìn)酸量只能保證1～1.5天的生產(chǎn)使用，出現(xiàn)緊急情況將無(wú)法保證正常生產(chǎn)使用。根據(jù)工藝再生需求，鹽酸儲(chǔ)罐最低庫(kù)存應(yīng)能滿足7臺(tái)離子交換床同時(shí)失效再生的鹽酸消耗。按照每臺(tái)床體再生消耗鹽酸2.6 t計(jì)算，新增2臺(tái)15 m3的室外鹽酸儲(chǔ)罐。同時(shí)加酸管線，保證滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)再生劑的用量，同時(shí)降低了工人操作的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 增加系統(tǒng)防腐措施

增加鹽酸再生系統(tǒng)防腐措施，針對(duì)鹽酸再生安全性問(wèn)題，員工要做好安全監(jiān)護(hù)措施。同時(shí)，再生間、離子交換間增加通風(fēng)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

采取體外靜態(tài)再生這種方法處理失效樹(shù)脂，對(duì)應(yīng)的再生度一般比較低，最高只能達(dá)到65%。如果再生已經(jīng)到達(dá)一定程度，再將浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)增加再生液用量、再生次數(shù)，也不會(huì)從本質(zhì)上影響再生度。相比較之下動(dòng)態(tài)再生這種方式在應(yīng)用過(guò)程中，樹(shù)脂再生度超出靜態(tài)再生，而且再生液用量超出3倍的樹(shù)脂體積之后，經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂再生度高達(dá)98%，與在線氫電導(dǎo)率檢測(cè)需求一致。所以，陽(yáng)離子交換樹(shù)脂再生劑使用可以優(yōu)先采取動(dòng)態(tài)再生方法，以滿足氫交換柱用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的實(shí)際需求。

此外，通過(guò)分析硫酸、鹽酸作為再生劑的利弊，綜合考慮后將再生劑由硫酸改為鹽酸，再經(jīng)過(guò)實(shí)踐分析，發(fā)現(xiàn)鹽酸作為再生劑的應(yīng)用顯著提高了工作效率，在應(yīng)用效果上也降低了工人操作的風(fēng)險(xiǎn)，保了操作過(guò)程中的員工人身安全，也切實(shí)提高了出水水質(zhì)和制水周期。