Ионообменные процессы

Общие сведения. В ионообменных процессах осуществляется избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из растворов с помощью ионитов.

Отличие ионообменных процессов от обычных адсорбционных состоит в том, что обмен ионами, происходящий между ионитами и раствором, обычно связан с протеканием гетерогенной химической реакции между ионитом и химическими соединениями, находящимися в водном растворе.

В процессе ионного обмена, по аналогии с адсорбцией, происходит перемещение вытесняющих ионов из раствора к поверхности ионита и вытесняемых ионов — от этой поверхности в раствор (внешняя диффузия), а также перемещение тех же ионов внутри зерен ионита (внутренняя диффузия).

Однако иногда гетерогенная химическая реакция двойного обмена, протекающая на поверхности раздела твердой и жидкой фаз, является наиболее медленной стадией ионообменного процесса, лимитирующей скорость процесса в целом.

В настоящее время процессы ионообменной сорбции находят все более широкое применение в промышленности. В частности, путем ионного обмена производятся умягчение и обессоливание воды, очистка различных растворов, улавливание и концентрирование ценных металлов из разбав­ленных растворов, разделение смесей веществ и т.д. В ряде случаев ионный обмен может успешно кон­курировать по технико-экономиче­ским показателям с процессами рек­тификации, экстракции и др. Этому способствует простота аппаратурного оформления процессов ионного об­мена.

Устройство ионообменников и схе­мы ионообменных установок. В про­изводственной практике широко рас­пространены ионообменные установ­ки периодического дей­ствия с неподвижным слоем иони­та (рис. XVII-7). Ионообменный аппарат состоит из цилиндрического корпуса 1 и опорной решетки 2, на которой расположен слой гранули­рованного ионита 3. Для более рав­номерного распределения раствора по площади поперечного сечения аппарата и предотвращения уноса мелких частиц ионита имеются рас­пределительные устройства 4 и 5 в виде труб, снабженных колпачками или щелями для прохода раствора. Иногда в качестве распределитель­ного устройства используют подушку (высотой не более 200 мм) из инерт­ного зернистого материала, например гравия, насыпаемого на решетку 2.

Полный цикл работы аппарата складывается из следующих стадий:

1) собственно ионообмена;

2) отмывки ионита от механических примесей,

3) регенерации ионита;

4) отмывки ионита от регенерирующего раствора.

На первой стадии обрабатываемый раствор поступает через распреде­лительное устройство 4, проходит сквозь слой ионита сверху вниз и уда­ляется через распределительное устройство 5. На второй стадии через устройство 5 подается под давлением промывная вода, которая проходит сквозь слой ионита снизу вверх и удаляется через распределительное устройство 4. Для регенерации отработанного ионита через распредели­тельное устройство 6 (насосом 7 из бака 8) в аппарат поступает регенери­рующий раствор, который движется, таким образом, сквозь слой ионита в том же направлении, что и обрабатываемый раствор на первой стадии процесса.

В качестве регенерирующих растворов при очистке воды используют растворы солей (например, хлористого натрия), а также растворы различ­ных кислот и щелочей (серной кислоты, едкого натра и др.), причем в неко­торых ионообменных аппаратах исходный и регенерирующий растворы движутся в противоположных направлениях. При этом степень очистки повышается, так как обрабатываемый раствор, приближаясь к выходу из слоя ионита, взаимодействует с лучше отрегенерированной частью этого слоя.

По окончании стадии регенерации производят тщательную отмывку ионита от регенерирующего раствора водой, которая проходит сквозь слой в направлении сверху вниз. После этой завершающей стадии цикл работы аппарата начинается снова.

Работа ионообменных установок в ряде случаев может быть интенси­фицирована при использовании движущегося или кипящего слоя ионита, способствующего повышению скорости сорбции и лучшему использованию ем­кости ионита.

Ионообменные колонны периодическо­го действия с неподвижным и взвешен­ным слоем могут применяться (как и обычные адсорберы) в виде батареи колонн в ионообменных установках непрерыв­ного действия.

Ионообменные колонны непрерывного действия могут работать с движущимся и кипящим слоем ионита. Для проведе­ния непрерывных процессов ионообмена в кипящем слое возможно использование ступенчатопротивоточных аппаратов с ситчатыми тарелками и переливными устрой­ствами по типу адсорбера, показанного на рис. XVII-5. В этом аппарате жидкость протекает снизу вверх со скоростью, большей скорости начала псевдоожижения частиц ионита. На каждой тарелке ионит находится во взвешенном состоянии, через переливные патрубки он "перетекает" на нижерасположенные тарелки и с нижней тарелки непрерывно отводится на регенерацию.

При проведении непрерывного процесса становится возможным отдель­ные его стадии (ионообмен, регенерацию и отмывку ионита) осуществлять в отдельных аппаратах.

В промышленной практике непрерывную ионообменную сорбцию из пульп в кипящем слое ионита проводят с помощью нескольких после-до­вательно соединенных полых колонн с пневматическим перемешиванием (рис XVII-8). В каждой колонне осуществляется интенсивная циркуляция пульпы посредством сжатого воздуха, подавае­мого в центральную трубу 1, которая работает по принципу эрлифта. Эрлифтное устройство 2 прилагается также для транспорти­рования ионита от ступени к ступени. Унос мелких зерен ионита с пуль­пой предотвращается с помощью сетки 3. Хотя каждый из аппаратов работает в режиме, близком к идеальному смешению, при достаточном числе последовательных ступеней (колонн) в установке достигается высо­кая степень насыщения ионита. Установки такого типа отличаются про­стотой устройства.

Ионообменные аппараты при работе установок с химически активными средами снабжают внутренними антикоррозионными покрытиями (гумми­рование, различные полимерные материалы, перхлорвиниловые лаки и др.).

ЛЕКЦИЯ 10

XVIII. СУШКА

1. Общие сведения

2. Устройство сушилок

3. Специальные виды сушки и типы сушилок

Общие сведения

Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (напри­мер, уменьшить слеживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.

Влагу можно удалять из материалов механическими способами (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более полное обезвоживание достигается путем испарения влаги и отвода образующихся паров, т.е. с помощью тепловой сушки.

Этот процесс широко используется в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевыми механическими способами (например, фильтрованием), а окончательное — сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

В химических производствах, как правило, применяется искус­ственная сушка материалов в специальных сушильных установках, так как естественная сушка на открытом воздухе — процесс слишком длительный.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузион­ным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообмена).

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают сле­дующие виды сушки:

1) конвективная сушка — путем непосредственного сопри­косновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);

2) контактная сушка — путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3) радиационная сушка — путем передачи тепла инфракрасным лучами;

4) диэлектрическая сушка — путем нагревания в поле токов высокой частоты;

5) сублимационная сушка — сушка в замороженном состоя­нии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной, но своеобразие процесса заставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.

Последние три вида сушки применяются относительно редко и обычно называются специальными видами сушки.

Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в кон­такте с влажным газом (в большинстве случаев воздухом). При конвек­тивной сушке влажному газу (являющемуся сушильным агентом) при­надлежит основная роль в процессе. Поэтому изучение свойств влажного газа необходимо при рассмотрении процессов сушки и их расчетах.

Устройство сушилок

Конструкции сушилок очень разнообразны и отличаются по ряду признаков: по способу подвода тепла (конвективные, контактные и др.);

- по виду используемого теплоносителя (воздушные, газовые, паровые);

- по величине давления в сушильной камере (атмосферные и вакуумные);

- по способу организации процесса (периодические и непрерывные);

- по взаимному направлению движения материала и сушильного агента в конвективных сушилках (прямоток, противоток, перекрестный ток).

Это крайне затрудняет обобщающую классификацию сушилок. Ниже мы ограничимся рассмотрением групп сушилок, которые находят приме­нение (или перспективны для применения) в химической технологии, объединенных по способу подвода тепла и состоянию слоя высушиваемого материала (неподвижный, перемешиваемый и т.д.).