-
全自动软水器设计指导手册
（附设计公式）
目录
一、
1.
2.
3.
4.
总述
.
..
..................................................
....
1
锅炉水处理监督管理规则
.
......................................
1
离子交换树脂内部结构
.
...............................
.........
1
钠离子交换软化原理及特性
:
....................................
2
水质分析测试内容
.
.................................
...........
2
?PH
值
(Potential of
Hydrogen)
................................
2
?
总溶解固体
(TDS --TOTAL DISSOLVED
SOLIDS)
..................
2
?
铁含量
(IRON)
.......
.......................................
2
?
锰
...............
.........................................
3
?
硬度值
(HARDNESS)
...
.......................................
3
?
碱度
..............
........................................
3
?
克分子
(mol)
........
.......................................
3
?
当量
..............
........................................
4
?
克当量
.............
.......................................
4
?
硬度单位
............
......................................
4
?
我国江河湖泊水质组成
......................................
6
二、
全自动软水器
.
................................................
6
三、
影响软水器交换容量的因素
.
....................................
8
1.
流速
(gpm/ft
，
m/h)
.
.........................................
..
8
2.
水与树脂的接触时间
：
（
gpm/ft3
）
...............................
8
3.
树脂层的高度
.
................................................
9
4.
进水含盐量
.
.................................................
10
5.
温度
.
..
..................................................
...
12
6.
再生剂质量
(NaCl)
.
...........................................
12
7.
再生液流量
.
.................................................
13
8.
再生液浓度
.
.................................................
14
9.
再生剂用量
.
.................................................
15
10.
树脂
.
..
..................................................
..
15
四、
自动软水器设计
.
< br>.............................................
15
1.
软水器设备应遵循的标准
.
.....................................
15
2.
全自动软水器主要参数计算
.
...................................
16
1)
反洗流速的计算
:
........
.................................
16
2)
系统压降计算
............................................
16
3.
软水器设计计算步骤
.
.........................................
16
计算示例
.
....................................
.......................
18
软化水系统设计手册
一、
总述
1.
锅炉水处理监督管理规则
第三条
锅炉及水处理设备的设计、制
造、检验、修理、改造的单位，锅炉
及水处理药剂、树脂的生产单位，锅炉房设计单位，
锅炉水质监测
单位、锅炉水处理技术服务单位及锅炉清洗单位必须认真执行本规
则。
第九条
锅炉水处理是保证锅炉安全经济运行的重要措施，不应以化学清洗
代替
正常的水处理工作。
第十条
生产锅炉水处理设备、
药剂和树脂的
单位，
须取得省级以上
(
含省级
)
安全监察结构注册登记后，才能生产。
第十一条
未经注册登记的锅炉水处理设备、
药剂和树脂，
不得生产、
销售、
安装和使用。
第十四条
锅炉水处理设备出厂时，至少应提供下列资料
:
1.
水处理设备图样
(
总图、管道系统图等
);
2.
设计计算书
;
3.
产品质量证明书
;
4.
设备安装、使用说明书
;
5.
注册登记证书复印件。
第三十六条
对违反本规则的单位和个人，有下列情况之一者，安全监察机
构有权给予通报批评、限
期改进，暂扣直至吊销资格
(
对持证的单位
和个人
)
的处理。
2.
离子交换树脂内部结构
离子交换树脂的内部结构可以分为三个部分：
1)
高分子骨架
由交联的高分子聚合物组成，
如交联的聚苯烯、
聚丙烯酸等；
2)
离子交换基团
它连在高分子骨架上，带有可交换的离子
(
称为反离子
)
的
离子官能团
[
如
-SO
3
N
a
、
-COOH
、
-N(CH
3
)
3
Cl]
等，或带有极性的非离子型
官能团
[
如
-N(CH
3
)2
、
-N(CH
3<
/p>
)H
等
]
；
3)
孔
它是在
干态和湿态的离子交换树脂中都存在的高分子结构中的孔
(
凝<
/p>
胶孔
)
和高分子结构之间的孔
(
毛细孔
)
。
离子交换树脂的内部结构如下图中的左图所示，
离子交换基团的结构如下
图的右图所示。
顺流再生：交换流速
20-30m/h
，反洗流速
12~15m/h
，吸盐流速
4-6m/h
（逆
1.4-2m/h
）
1
?
软化水系统设计手册
3.
钠离子交换软化原理及特性
:
钠离子交换软化处理的原理是：
原水
通过钠型阳离子交换树脂，使水中的硬度成份
Ca
2+
、
Mg
2+
与树脂中<
/p>
的
Na
+
相交换
从而吸附水中的
Ca
2+
、
Mg
2+
使水得到软化。
如以
Raa
代表钠型树脂，其交换、再
生过程如下：
2RNa+Ca
2+
=R<
/p>
2
Ca+2Na
+
R
2
Ca+2NaCl
=2RNa+CaCl
2
除去水中的硬度，碱度不变，
TDS
变化不大，氯
根有所增加
4.
水质分析测试内容
主要包括
: PH
，
< br>TDS
，总硬度和铁含量及类型
?PH
值
(Potential of
Hydrogen)
PH
是氢离子浓
度的负对数，表示溶液是酸性还是碱性。
PH
以
0
到
14
的尺标度量，以
7.0
为中点或中和点。
PH
值尺标
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
酸性
中性
碱性
观察上面坐标，我们可得出结论
:6.0
比中性仅
“
< br>酸性略强
”
，但考虑到上
面的科
学定义，
PH
每下降一个整数，溶液的酸度增加
10
倍。因此
PH4.0
的<
/p>
酸性是
PH7.0
的
1000
倍
;
反之，
PH10.0
的碱性是
PH7.0
< br>的
1000
倍。
?
总溶解固体
(TDS --TOTAL DISSOLVED
SOLIDS)
溶解于水中的所有矿物质总体称作总溶解固体
(TDS)
。
TDS
< br>可通过加各
种阳离子或各种阴离子求得
(
阳离子和阴离子配对数
)
。
例如
:
钙
=21GPG(359.1mg/l)
氯
=16GPG(237.6mg/l)
镁
=9GPG(153.9mg/l)
硫酸根
=4GPG(68.4mg/l)
钠
=13GPG(222.3mg/l)
碳酸根
=23GPG(393.3mg/l)
总阳离子
=43GPG(735.3mg/l)
总阴离子
=43GPG(735.3mg/l)
总溶解固体
(TDS)=43GPG(735.3mg/l)
注意：
TDS
，总阳离子数
和总阴离子数必须相等。
溶解固体总量的
90%
以上是以下六种矿物质：
阳离子：
Ca
2+
，
< br>Mg
2+
，
Na
+
阴离子：
Cl
-
，
SO
4
2-
，
CO
3
-
< br>注：
Ca
2+
和
Mg
2+
是两种硬性矿物质的主要离子。
GPG---
格令
/
加仑
铁含量
(IRON)
铁约占地壳的
5%
，也是最常见的水问题之一。
当铁暴露于空气、氯气中或受热时，从相对无害的二价状态转变到
令人
讨厌的三价状态：
FeO+2H
2
CO
3
→
Fe
(HCO
3
)
2
+H
2
O
4Fe(HCO
3
)
2
+O
2
+2H
2
O
→
4Fe(OH)
3
+8CO
2
当铁与某些嗜铁细菌一起存在时，问题变得更为严
重，细菌消耗铁以维
持生命，最终死亡，留下淤渣可堵塞水管和阀门。
< br>
三种主要嗜铁细菌：
Gallionella
(
盖氏铁柄杆菌属
)
Crenothrix
(
铁细菌属
)
Leptothrix
(
汗毛菌属
)
2
软化水系统设计手册
?
锰
锰是一种稀有的金属，它的化学、物理性能均与铁非常相似。锰通过与
铁类似的反应进入水中，并以类似的方式被氧化：
MnO
+ 2H
2
CO
3
→
Mn(HCO
3
)
2
+
H
2
O
2+
Mn
+O
2
+
2H
2
O
→
2MnO
2
+ 4H
+
二氧化锰
(MnO
2
)
在低达
0.05
PPM(0.05mg/L)
的水平
上就会引起黑色污
污。情况既然如此，可以想象
2PPM(2m
g/L)
的浓度将会怎样。
?
硬度值
(HARDNESS)
1)
水在大气中凝聚，
溶解空气中的二氧化碳，
形成弱酸
H
2
O+CO
2
→
H
2
CO
3
2)
该酸随雨落地，流过土壤到达
岩床，溶解石灰、中和，同时变硬
H
2
CO
3
+CaCO
< br>3
→
Ca(HCO
3
)
2
H
2
+Mg
CO
3
→
Mg(HCO
3
)
2
3)
钙，镁形成硬性水垢
CaCl
2
氯化钙
MgCl
2
氯化镁
CaSO
4
硫酸钙
MgSO
4
硫酸镁
4)
硬性物质引起的问题是多重的，
最常
见的是硬垢，反应水
“
硬化
”
现
象的方程式如下：
Ca(HCO
3
)
2
< br>→加热→
CaCO
3
+H
2
O+CO
2
?
碱度
水的碱度是指水中能够接受
[H
+
]
离子与强
酸进行中和反应的物质含量。
碱度是表示水中
CO
3
2-
，
HCO
3
-
，
OH
-
及其它一些弱酸盐类的总和。
在水中碳酸氢盐与氢氧化物不能同时存在：
< br>HCO
3
-
+OH
-
=CO32-+H2O
因此，水中的碱度以五种形式存在
:
1)HCO
3
-
2)CO
3
2-
3)OH
-
4)HCO
3
-
+CO
3
2-
5)CO
3
< br>2-
+OH
-
碱度对锅炉运行影响
碱度对锅炉的腐蚀，主要是苛性脆化腐蚀，是由水中
NaOH
造成。苛性
脆化腐蚀会使金属晶粒间发生裂纹。其后果轻者使锅炉不能使用，重
者发生
锅炉爆炸，造成严重后果。
NaHCO
3
→
NaOH + CO
2
Na
2
CO
3
+ H
2
O
→
2NaOH +
CO
2
?
克分子
(mol)
定义：
一定重量的物质，
在数值上等于他的分子量，
单位
用克表示
.
这个
量就称为一个克分子。
如水的分子量为
18
，而
18
克水就是
1
克分子水。
１克分子的水含有的分子数为：
6.02X10
23
国际上规定：物质体系所包含的结构粒子
(
如原子、分子、离子、电子、光子等
)
数
目与
12
克碳<
/p>
(C
12
)
中的
原子数目相等，则这体系的量为摩尔，符号
mol
。
3
软化水系统设计手册
?
当量
<
/p>
定义：
当量表示元素相互化合时它们之间的重量关系。各种元素相
互化
合时，其重量比等于他们的当量比。
元素的当量＝原子量
/
化合价
<
/p>
化合物的当量＝化合物的分子量
/
正
(
或负
)
价总数<
/p>
如
:
钙的当
量
=
原子量
/
化合价
=40.078/2=20.039
?
克当量
定义
：一定量的物质在数值上等于它的当量，单位以克表示，
这个量
就称为该物质的
1
个克当
量。
如：钙的当量为
20.039
，
而
20.039
克
的钙就等于
1
克当量
?
硬度单位
1
升水中含有的钙、镁离子的总毫克分子数
(mmol/L)
。<
/p>
1
升水中含有的钙、镁离子的总毫克当
量数
(meq/L)
。
1
升水中含有的
1/2
钙、
1/2
镁离子的总毫克分子数。
即：以氢离子为基本单位的物质的量浓度
(
氢摩尔浓度
)
(
在数值上
?
钙、
?
镁离子的总毫克
分子数等于钙、镁离子的总毫克当量数
)
< br>以
CaCO
3
摩尔质量来表示的
1
升水中含有钙、
镁离子的摩尔总数。
表示
方法为
ppm(
< br>以
CaCO3
计
)
如
: CaCO3
的分子量为
100
其可接受或提供
1mol[H+]
的
摩
尔质量为
50
。
硬度为
2[
H+]mmol/L
浓度，可表示为
2×
50=100ppm(
以
CaCO3
计
)
例：水质分析结果为
Ca
2+
=42.4mg/L
，
< br>Mg
2+
=25.5mg/L
用上面４种方试表示其硬度
(1)4
2.4/40.07+25.5/24.3=1.058+1.049=2.107mmol/L
(2)42.4/20.03+25.5/12.15=4.22meq/L
(3)4.22mmol/L(?Ca
2+
?Mg
2+
)
(4)4.22×
50=211ppm(
以
< br>CaCO3
计
)
1
升水中含有的钙、
镁离子总量等于
17.1ppm
(
以
CaCO
3
计）
定义为一个
格令
/
加仑
(gr/gallon)
。
Cv
和
Kv
是什么
?
?
Cv
是
温度为
60
华氏度时
,
流体通过一阀门时压力损失
1 psi
状态下的流量
(
单位为
gpm ).
?
Kv
是温度为
20
< br>摄氏度时
,
流体通过一阀门时压力损失
1
Bar
状态下的流量
(
单位为
m
3
/hr ).
?
以上系数所涵盖的系统不受气蚀的影响
.
?
数据来源为
:
在实验室状态下
,
在不同的流量情况
下进行多次实验获得
,
同时记录下不同
流量下的压力损失
.
?
Cv
和
Kv
的相互转换
:
Cv = 1.16 Kv
Kv = 0.853
Cv
4
软化水系统设计手册
?
主要用作计算阀门在不同流量状态下的压力损失
.
DP =
?
gpm
< br>?
?
?
Cv
?
?
2
(
单位
psi)
?
m
3
?
hr
?
(
单
位为
Bar)
DP =
?
?
Kv
?
?
?
?
?
2
gpm
?
Cv
=
m
3
Kv
=
DP
hr
DP
?
事例
1
:
一阀门
Cv = 6.5 ,
压力损失为
1
psi
时的流量为
6.5 gpm.
当流量为
25
gpm
时
,
压力损失为
: DP = (25/6.5)?
= 14.8
psi
?
事例
2:
两软水器在流量为
15
gpm
时
,
将产生的压力损失为
< br>
3 psi.
计算流量为
25
gpm
时
的压差
DP
为多少
?
?
Syst. Cv = (gpm/
√
DP) =
(15/
√
3) = (15/1.732) = 8.66
?
At 25 gpm, DP =
(gpm/Cv)
2
=
(25/8.66)
2
= 8.3 psi
工作能力的表达
:
10
吨
软化器意思
:
一软化器的产水量为
10 m?
/hr
= 10 x (4.4) = 44
gpm
线性流速的表达
:
10
gpm/ft?
(x) 2.33 = 23.3 m/h
,
中国采用的线性流速为
20
到
30 m/h (4.3 to
8.6 gpm/ft?
)
体积流速的表达
:
7.481
gpm/ft?
= 1 BV/min
加盐量
:
15
lbs/ft?
(x) 16 = 240 grams/liter of
resin
树脂量
:
1
ft?
(x) 28.3 = 28.3 liters of resin
树脂的交换能力
:
30
Kgr/ft?
(x) 2.29 = 68.7 grams
CaCO3/liter of resin
总硬度
:
171 ppm =
171 mg/l = 171 grams/m?
= 10
grains/gallon
在中国锅炉锅炉给水应用中<
/p>
,
可以接受的硬度泄露
:
0.03
Meq/l
或
0.03
Meq/l
(x)
50
=
1.5
mg/l(
以
CaCO
3
计
)
水压
:
30
psig (x) 0.00689 = 0.207 Mega Pascals
事例
:
TH = 100
mg/l,
去除的硬度容量
=
68.7 grams = 68700 mg
软水量
= (68700
mg)/(100 mg/l) = 687 L
或
(68.7 g)/(100 g/
m?
) = 0.687 m?
?
NaCl
?
日晒盐
48 - 50% void volume
69 lbs/.
?
矿盐
41% void volume
76 lbs/.
?
Rust
Rem. Pellets
48 - 52% void volume
70 lbs/.
?
NaCl
和
KCl
数据
(At
20?
C or 68?
F)
?
1
加仑水溶解盐量
: 3 lbs. of NaCl
?
I
加仑
NaCl
饱和溶液中
: 2.6 lbs. of NaCl
?
1
加仑水的溶解盐量
: 2.8
lbs. Of KCl
?
1
加仑<
/p>
KCl
饱和溶液中
:2.5 lbs. of KCl
5
软化水系统设计手册
?
我国江河湖泊水质组成
成分
Ca
Mg
Na
+K
HCO
3
SO
4
Cl
含盐量
-
2-
-
+<
/p>
+
2+
2+
含量
，
mg/L
珠江
18.0
1.1
16.1
34.8
7.3
110.2
长江
28.9
9.6
8.6
128.9
13.4
4.2
193.6
黄河
39.1
17.9
46.3
162.0
82.6
30.0
377.9
黑龙江
11.6
2.5
6.7
54.9
6.0
2.0
83.7
闽江
2.6
0.6
6.7
20.2
4.9
0.5
35.5
塔里木河
107.6
841.5
10265.0
117.2
6052.0
14368.0
31751.3
松花江
12.0
3.8
6.8
64.4
5.9
1.0
93.9
某些淡水湖泊、水库水质组成
成分
Ca
Mg
Na
+K
HCO
3
SO
4
Cl
含盐量
-
2-
-
+<
/p>
+
2+
2+
含量
，
mg/L
南湖
（武汉）
18.9
1.83
17.9
70.7
15.8
13.7
138.7
洪湖
（湖北）
22.4
3.17
11.4
75.3
10.3
4.55
127.12
某些地下水水质组成
含量，
mg/L
石家庄井水
82.9
19.8
16.2
219.6
37.3
哈尔滨井水
78.2
12.8
23.5
317.2
8.0
天津井水
8.0
3.7
317.0
464.0
48.0
湖南某井水
2.8
1.6
5.3
9.8
9.0
立新城水库藏（长春）
20.5
5.61
3.17
79.9
5
7.1
121.3
成分
Ca
Mg
Na
+K
HCO
3
SO
4
2-
-
+
+
2+<
/p>
2+
以上资料摘自“工业水处理技术”
二、
全自动软水器
全自动软水器就是将软
水器运行及再生的每一个步骤实现自动控制，并采
用时间，
流量
或感应器等方式来启动再生。
通常一个全自动软水器的循环过程由
下列具体步骤组成。
1.
运行
原水在一定的压力，流量下，流经装有离子交换树脂的容器（软水器）
< br>树脂中所含的可交换离子
Na
++
，与水中的阳离子（
Ca
++
，
Mg
++
，
Fe<
/p>
++
，
…
等）<
/p>
进行离子交换，使容器出水的
Ca
++<
/p>
，
Mg
++
含量
达到我们的要求。我们把一个
软水器所具有的离子交换的能力以工作交换容量表示，
其单位可用
（
moI
，
eq
，
ppm
，
us grains
等表示）
2.
反洗
6
软化水系统设计手册
树脂失效后，在
进行再生之前先用水自下而上的进行反洗，反洗的目的
有两个，一是通过反洗，使运行中
压紧的树脂层松动，有利于树脂肪颗粒与
再生液充分接触，二是清除运行时在树脂表层积
累的悬浮物及树脂表面的悬
浮物同时一些碎树脂颗粒也可随着反洗水排出，这样，交换器
的水流阻力不
会越来越大，为了保证反洗时完整树脂不被冲走，在设计软水器时，应在树
脂层上留有一定的反洗空间，反洗强度越大要求的反洗空间就越大，通常设
计
选
用
50%
的
树
脂
层
< br>高
度
作
为
反
洗
膨
胀
高
度
。
它
适
应
的
反
洗
流
速
为
12m/h(5
gpm/ft2)(
进水温度为
10
摄
氏度
)
反洗的好坏直接影响再生效果
(
图
-1)
。
3.
再生
再生液在一定浓度，流量下流经失效的树脂层，将树脂还原再生，使其
< br>恢复原有的交换能力（影响再生效果的因素，再后面会专门阐述）
4.
置换
在再生液进完后，
交换器膨胀空间及树脂层中还有尚未参与再生
交换的
盐液，为了充分利用这部分盐液，采用小于或相当与再生液流速的清水进行
清洗，目的是不使清水与再生液混合。一般清洗水量为树脂体积的
0.
5-1
倍。
5.
正洗
目的是清除脂层中残留的再生废液，
通常以正常运行流速清洗至
出水合
格为止。
6.
盐箱补水
向盐箱注入溶解再生所需盐
耗量的水。通常即
1m
3
水溶解
360kg
盐（
1
加
仑水溶解
3
磅盐，浓度为
26.4%<
/p>
）
。
为了保证
盐箱中的盐液浓度能达到饱和，首先应保证溶解时间不小于
6
小
时，其次是必须保持盐液箱中，盐平面始终高于水平面。通俗的讲，盐液
箱要做到见盐不
见水。
7
软化水系统设计手册
三、
影响软水器交换容量的因素
1.
流速
(
gpm/ft
，
m/h)
通常流速越
大离子交换所需要的工作层越大，树脂有效利用率会下降，但设备产
水能力会提高。反之
流速越小所需的工作层越少，树脂利用率增加，但设备产水能力下
降。过小的流速会造成
原水只与树脂表面离子进行交换，水不能进入树脂内部。树脂表
面通常仅提供
20%
的交换容量。
树脂里面能提供
80%
交换容量。
合理的交换流速对提高
设备产水能力及交换能力是非常重要的，一般建议运行流速控制在（中国
2
0-30m/h
，美
国
4-10pm/
ft2
）小型装置可适当提高（图
-2
）
。
交
换
示
意
图
交换示意图
R-Na,R
2
-Ca
R-Na
R
2
-Ca
R-Na,R
2
-Ca
R-Na
理想状态下的交换
示意
R
2
-Ca
R-Na,R
2
-Ca
R
2
-Ca
10%
R-Na
,R
2
-Ca
R-Na
R
2
-Ca
R-Na,R
2
-Ca
R-Na
交换流速为
10m/h
90%
R
2
-Ca
R-Na,R
2
-Ca
R
2
-Ca
20%
R-Na,R
2
-Ca
R-Na
R
2
-Ca
80%
R-Na,R
2
-Ca
R-Na
R
2
-Ca
R-Na,R
2
-Ca
R
2
-Ca
2.
水与树脂的接触
时间：
（
gpm/ft3
）
水与树脂的接触时间越长，交换越充分，但相对单位树脂的产水能力下降
，接触
的时间越短，交换越充分，单位树脂的交换能力下降，而单位树脂的产水能力提高
。因
此合理的接粗时间对于软化器的经济运行非常重要。一般建议
1.0-5.0gpm/ft3
树脂或
8-4bv/h
。
（每小时流量为树脂装载量的八至四十倍）
（图
-3
）
用线性流速与空间流速的区别
v =
25m/h
Q=25m
3
/h
t = 4.8
v = 25m/h
Q=30m
3
/h
(q=15m
3
/h/m
3
)
1m
2
3
v
=15m/h
Q=50m
/h
t =2.4min
t = 4min
F=2m
2
2m
2M
3
树脂
1m
2M
3
树脂
8
Q=30m
3
/h
q=15m
3
/h/m
3
v =30m/h
t =
4min
-
-
-
-
-
-
-
-
-
上一篇：产品数据管理(PDM)与产品全生命周期管理(PLM)
下一篇：软化器设计计算书