可拆换离子交换器的结构设计

阮杰 林天宇 晋利群

上海阿波罗股份有限公司 上海 201499

引言

离子交换器作为净化工行业化水处理的净化处理设备，在热电站、核工业、化工、轻工业、锅炉、防治、医药、生物等水处理中应用广泛。离子交换器的关键净化成分为阴、阳两种离子交换树脂，互相充分均匀地混合在一个净化元件内，对流体中的离子进行交换、脱除。本文介绍的离子交换器由汲水装置、设备筒体、滑轨、底座、净化元件、紧固机构、支撑机构组成。在实际应用中通常会涉及设备的密封、设备的安装、净化元件的更换、净化的效率等问题，本文主要介绍了不同问题的解决方案和相应的结构设计，以及该设备的运行基本原理。

1 工作原理

本文中介绍的离子交换器为混合离子交换器，关键的净化部分为净化元件，分为上净化元件和下净化元件两个部件，均可以进行拆卸替换。净化元件中的内外筒体中间的区域填充了混合阴、阳离子树脂，起到对水体的去离子化作用，达到了保持水体纯净的功能。为提升净化效率和净化效果，采用的方式为使用汲水装置吸入后，将需净化的水压入净化元件进行过滤，滤过后的洁净水体通过底部的底座开孔重新回到水池中。池水过滤的路线如图1工作原理示意图（箭头为池水流经方向）展示，从汲水装置上端开口处吸入水池中需净化的水体，汲水装置中的电机和泵保证了足够的压力使池水可以通过上净化元件的入口处进入净化元件，元件中的内外筒体上均是满布了大小一致的孔洞，可以在不漏出树脂污染水体的同时保证了池水可以在滤过后通过。池水从上净化元件的内筒体流经混合阴、阳离子树脂，首次过滤后从外筒体的孔洞流出，池水继续向下流动，由上净化元件支撑部分的空隙流过进入下净化元件区域，从下净化元件的外筒体进入，流经混合阴、阳离子树脂，再次滤净后从内筒体的孔洞流出，洁净水体汇流至一处向下流出元件底部的开孔及底座开孔，流至最下面的底座，经由底座上的各处出水口重新回到水池中。

图1 工作原理示意图

2 关键问题及设计分析

2.1 密封性

由于考虑到整体设备的净化效果，进入离子交换器的池水应按图1工作原理示意图的流向所示充分流经净化元件的阴、阳离子树脂，需严格密封池水流经的设备连接组合部分等可能产生间隙的地方。本文中介绍的离子交换器主要讨论三处密封：汲水装置与设备筒体的密封、设备筒体与底座的密封、上净化元件的密封。

2.1.1 汲水装置与设备筒体的密封。离子交换器的首端入口为汲水装置，与之相接的即为设备筒体，为保证整体设备是一个密封环境，与外界池水的接触交流只有进口处的汲水装置与作为出口的底座出水口，故汲水装置与设备筒体的密封尤为关键。为此特设计密封法兰作为连接汲水装置和设备筒体的部件，工作原理如图2密封法兰结构及组装示意图。密封法兰上端加工出台阶用于放置汲水装置，汲水装置底部有开密封槽用于放置密封圈，与密封法兰的平滑台阶面形成密封。密封法兰下端为法兰结构，与设备筒体上的法兰相适配。

图2 密封法兰结构及组装示意图

密封法兰的下底面及设备筒体法兰的上表面均加工平滑，使两个法兰通过螺栓，螺母固定后可以产生一个紧密贴合的密封面以达到密封的作用。

汲水装置压在密封法兰上施加一个向下的压紧力，使汲水装置密封槽内的密封垫可以产生一个较好的密封性。关于密封垫类型、密封槽类型对应不同的压紧力下产生的密封性能，进行了试验如图3压紧力与密封类型的关系图。分别试验了4种情况：①汲水装置底面和密封法兰台阶均开密封槽，密封圈采用O形圈；②汲水装置底面和密封法兰台阶均不开密封槽，密封圈采用平垫圈；③汲水装置底面开密封槽，密封法兰台阶不开槽，密封圈采用O形圈；④水装置底面开密封槽，密封法兰台阶不开槽，密封圈采用平垫圈。

经过多组试验的对比，发现相较O形圈，平垫圈在本设备该结构中的表现良好，结合开槽的形式从稳定性方面考虑，采用了第四种密封方式，汲水装置底面开密封槽，密封法兰台阶不开槽，密封圈采用平垫圈（即图3中方块代表的折线）。

图3 压紧力与密封类型的关系

2.1.2 设备筒体与底座的密封。离子交换器的末端出口为底座，和与之相接的设备筒体形成一个密封的整体，故需在底座与设备筒体间进行密封。同时经过上净化元件下来的池水需保证其能通过下净化元件的树脂区域，再从元件中间的腔体下来，而不是从下净化元件与底座之间的间隙中流出，故需对下净化元件与底座部分进行一个密封，从而提升净化效果。

设备筒体下端和底座的上端均为法兰结构，且两者适配。两法兰的接触表面均加工平滑，使两个法兰通过螺栓，螺母固定后可以产生一个紧密贴合的密封面以达到密封的作用，如图4设备筒体与底座密封示意图所示。

下净化元件与底座的密封依靠的是底座法兰上一处密封环结构，可以与下净化元件底部的密封槽进行密封，同样的此处的密封槽内放置了平垫圈以保证此处的密封性，平垫圈的固定方式为使用工业胶水粘连在下净化元件的密封槽内，此方式也方便后续更换净化元件的时候同时更新密封圈，如图4设备筒体与底座密封示意图所示。

图4 设备筒体与底座密封示意图

为使底座密封环的密封性更加充分的发挥，需对下净化元件增加一个压紧力，压紧力通过上、下净化元件之间的4个弹簧传递，弹簧是焊接固定在下净化元件的上盖板上的，保证其不脱落，如图1工作原理示意图中展示的弹簧结构。此结构的优点一方面在更换元件的时候可以更方便地取出上净化元件，另一方面传递给上净化元件的压紧力可以通过弹簧传递至下净化元件。

2.1.3 上净化元件的密封。上净化元件位于设备筒体内，其入水口位于汲水装置出水口的正下方，为保证从汲水装置吸入的池水可以直接进入上净化元件，需对上净化元件与汲水装置通路之间增加密封装置。本文介绍的离子交换器采用的结构为密封环结构，如图5汲水装置与上净化元件的密封示意图。

图5 汲水装置与上净化元件的密封示意图

密封环结构与汲水装置为焊接固定一体，整体为一个完整的环保证池水仅向下流动。与密封环相接的地方为上净化元件的上盖板，盖板上表面加工出了可以放置密封垫圈的密封槽，同时需保证槽的宽度比密封环稍大，且可增加导向倒角方便安装。由于此处的密封与上方汲水装置、密封法兰之间的密封均为硬密封，故密封环处的密封垫圈应选择由弹性更好的材料制成的平垫圈，且厚度必须更加厚，以保证此处的密封垫可以产生更大的形变量，同时使两处密封能够达到不泄漏的要求。

2.2 关键部件的可更换性

离子交换器的主要功能部分为阴、阳离子树脂。离子树脂按照正常的使用操作，其使用寿命是比较长的，但是因为由于池水中含有杂质等，而这些杂质会对树脂造成污染，然后导致离子树脂的使用性能下降，滤水质量变差等现象。有些污染是不完全可逆的，比如使树脂发生了氧化反应，其使高分子链产生断裂，结构遭到破坏，即使进行复苏，树脂也较难以回到原来的使用性能了[1]。故关键部件——净化元件需具有可更换性、可拆换性，这能使得整体设备的使用寿命大大提升。

在本设备离子交换器中阴、阳离子树脂是填充在净化元件中的，上下两个净化元件均为单独的部件，元件的上盖板上均有加工出中心通孔，通孔的下方为中空的腔体，一方面是用作滤水时水流的通道，另一方面则是为了使用专用工具进行起吊更换的用途，如图6净化元件起吊示意图。

图6 净化元件起吊示意图

进行拆换操作时，使用专用工具——外径三爪吊具沿着汲水装置顶端的法兰外沿凸起进行起吊，将汲水装置取下。而后使用专用工具——内径三爪吊具，通过勾住上净化元件上盖板上面开孔的内沿起吊，沿着设备筒体垂直取出即可；下净化元件也以同样的方式取出[2]。

取出后的净化元件可以取下上盖板上进料口的进口塞，即可进行进换料的操作，平时运行过程中进口塞是旋紧的状态，保证离子树脂不会进入设备内部污染水体。如图7净化元件所示。

图7 净化元件

2.3 整体设备安装的可操作性

本文介绍的离子交换器除了起功能作用的主体部分，还有起固定作用的滑轨部分、起支撑及调节整体高度作用的支撑机构以及提供整体压紧力的紧固机构。为提升在安装时的可操作性，各部件均进行了优化改进，保证现场安装时的便利性以及安装后的使用效果。

2.3.1 滑轨。本文介绍的离子交换器为安装在池壁上的形式，为了方便安装，同时考虑到运维便利，可以整体取出设备本体，故设计滑轨结构。滑轨结构由左右镜像的两件滑道以及汲水装置、设备筒体外相焊的滑板组成。如图8滑轨展示的侧视图与俯视图视角。

图8 滑轨

为保证在安装时，滑板能够顺利进入滑道并且可以无阻滞的滑到底部，滑道和滑板均设计了相对应的阶梯结构，整体为上宽下窄，有进入方便容错高，到位后不易振动产生异响的优点[3]。具体设计为滑道内的凹槽为三段阶梯厚度渐变，这样使两件滑道之间的宽度会有变化，对应了设备到位时相应位置的滑板宽度也有三种宽度。如图9滑轨结构所示。

图9 滑轨结构

由于该结构不是固定把死的结构，故在到了设备检修、发生故障或者设备迁移的时候可以随时整体取出，便于设备的运维和保养。

2.3.2 支撑机构。支撑机构是整个设备重量承受的结构，同时起了着安装时调整设备在水池中整体高度的作用。本文介绍的支撑机构为底部三角支撑的结构，结构简单、方便加工制造同时也方便运输。如图10支撑机构所示。

图10 支撑机构

2.3.3 紧固机构。紧固机构起的作用是提供压紧力，保证整体设备的稳固、为设备各处的密封系统增加压力使其可以更好地发挥密封性。本文介绍的结构可以拆分为两个部分，结构简单、方便运输，同时也可以根据现场实际条件进行合适的调整，以适应各种高度的水池均可以提供足够的压紧力。如图11紧固机构所示。

图11 紧固机构

具体的工作原理为两件有反向螺纹的丝杆螺母配合一根丝杆，其中一根丝杆螺母固定在水池边上，而另一根丝杆螺母则压紧在汲水装置上的压板（与汲水装置筒体相焊）上，通过旋转丝杆来使整体长度伸长或缩短，压紧力来自丝杆和丝杆螺母之间提供的摩擦力。

包装运输的时候该机构方便通过旋开丝杆来使其分开为两个机构，减少体积便于包装和运输。在现场安装的时候，分离的结构也可以准确地调节合适的压紧力。

3 结束语

在离子交换器结构设计的时候需充分考虑到设备的密封性能，可拆换性能，以及在加工制造，现场安装时候的可操作性、容错性。尤其是密封性能，池水的过滤效率除了进水效率和树脂的吸附效率等常规因素，控制流转过程中池水的外溢也是提升过滤效率的一种因素。同时由于树脂需不定期地进行更换，元件能便利的拆换也是必不可少的功能。本文就以上几点提供了一种设计思路。