Аппараты с плотным слоем ионита периодического действия

Аппараты с плотным (сплошным) неподвижным слоем ионита обычно называют ионитными фильтрами. Работа такого аппарата основана на фильтровании раствора через неподвижный слой ионообменной смолы. Отечественная промышленность выпускает стандартное ионообменное оборудование, в том числе фильтры диаметром от 1 до 3,4 м при общей высоте 5,3 м.

Для работы в агрессивных средах корпус аппарата внутри покрывают антикоррозионным материалом (полимерными лаками и т. п.). Ионитные фильтры достаточно эффективны (имеют малую величину ВЭТС) и обеспечивают большую производительность при соответствующем давлении раствора. Конструкция таких аппаратов проста, они надежны в работе. Однако эти аппараты имеют значительное гидравлическое сопротивление и непригодны для переработки растворов, содержащих взвеси. Для их работы необходимы также большие одновременные загрузки ионита, динамическая емкость которого в одиночном реакторе используется не полностью, поскольку «проскок» солей начинается до насыщения верхних фильтрующих слоев.

Загрузка ионита в фильтре пропорциональна его производительности и времени работы фильтра (рабочего цикла) и обратно пропорциональна динамической обменной емкости ионита и содержанию солей в растворе. Значительно выгоднее использовать ионообменные смолы с высокой динамической емкостью при непродолжительном рабочем цикле.

Эффективность работы ионитных фильтров обусловлена тем, что смола не перемешивается и ее объемное содержание поддерживается максимальным. Производительность фильтра зависит также от способа подачи раствора. При свободном слое ионита и подаче раствора снизу его максимальная скорость должна быть меньше скорости псевдоожижения и равна 1—5 м³/ч.

Для увеличения максимальной скорости создается дополнительная циркуляция отработанного раствора сверху вниз через слой ионита, лежащий выше дренажного устройства, служащего для вывода раствора. В результате этот слой давит с некоторой силой на основной слой смолы в фильтре, не позволяя последнему расширяться. При этом увеличение производительности не превышает 20—25 %. Сверху обычно устанавливают дополнительное дренажное устройство, которое преграждает путь поднимающемуся вверх иониту.

Наиболее распространенным и рациональным является фильтрование сверху вниз, что позволяет при соответствующем давлении раствора достигать высоких скоростей фильтрования, при которых удельная производительность возрастает до 150 м³/(м²∙ч). Дальнейшее увеличение скорости фильтрования ограничено резким ростом энергозатрат, разрушением смолы и уменьшением ее рабочей емкости.

Регенерация смолы в фильтрах осуществляется либо прямоточно, либо противоточно. При прямоточной схеме регенерирующий раствор подают в том же направлении, что и обрабатываемый. При этом чтобы получить достаточную степень очистки, надо использовать большое количество реагентов, в несколько раз превышающее стехиометрические. Сократить расход реагентов, т. е. увеличить тем самым коэффициент концентрирования, можно применяя для тех же аппаратов противоточную подачу, при которой поддерживается большая движущая сила процесса регенерации по всей длине аппарата.

Для эффективного проведения противоточной регенерации необходимо, чтобы ионит в фильтре не перемешивался, если подача регенерирующего раствора осуществляется снизу. Для этого используют следующие приемы:

1) загружают в фильтр смолу с широким фракционным составом;

2) вводят в пространство над смолой инертные упругие шарики или заполняют свободное пространство воздушными оболочками (рис. 3-а, в);

3) используют дополнительный поток воды или циркулирующего регенеранта сверху вниз через тонкий слой смолы (рис. 3-г);

4) подают сжатый воздух сверху вниз через тонкий слой смолы.

Иногда, чтобы более полно и с меньшим расходом кислоты (щелочи) отрегенерировать ионит, применяют выносную регенерационную колонну, которая может обслуживать несколько аппаратов, в которых осуществляется процесс сорбции. Этот способ особенно эффективен при регенерации фильтров смешанного действия.

 

 

Рисунок 3 - Аппараты (фильтры) периодического действия:

а, в — воздушная подушка; б — инертные шарики; г — подача блокирующего раствора (гидротаран).

 

Для уменьшения загрузки ионита необходимо либо более полное использование его динамической обменной емкости, либо сокращение времени рабочего цикла сорбция — регенерация. Это возможно только при полной автоматизации установки с использованием программированного управления при удельной производительности. 75-100 м³/м²∙ч. В промышленности используются также установки, состоящиеиз нескольких аппаратов. При этом первый аппарат после насыщения ионита подключают в конец схемы для регенерации, что позволяет более полно использовать динамическую емкость смолы и получать более концентрированные регенерационные растворы.

В установках по водоподготовке уменьшения загрузки и расхода реагентов можно добиться, используя последовательное включение фильтров с ионитом разной основности (кислотности). Фильтрование, как правило, ведут сверху вниз, при этом слой низкоосновной (слабокислотной) смолы размещают сверху, а высокоосновной (сильнокислотной) – снизу (рис. 4). Такое расположение ионита связано с тем, что высокоосновные (сильнокислотные) иониты обладают меньшей емкостью, чем низкоосновные (слабокислотные).

При обессоливании воды широкое применение нашли фильтры со смешанным слоем ионита (смесь катионита и анионита) (рис. 5). Использование катионита и анионита в одном фильтре связано с необходимостью их разделения при регенерации. Иониты смешанного слоя могут регенерироваться как внутри фильтра, так и вне его. При внутренней регенерации аппарат (фильтр) имеет дополнительную внутреннюю дренажную систему, расположенную на границе раздела слоев (рис. 5, в).

При применении ферромагнитных материалов, представляющих собой катионит (или анионит) с осажденным на нем железом в виде магнитных оксидов, отделение катионита (или анионита) в смешанных фильтрах осуществляется с помощью магнитной сепарации.

 

А б в г

Рисунок 4 - Аппараты (фильтры) периодического действия с многослойной загрузкой: а — стадия сорбции; б, в — процесс сорбции-регенерации; г — стадия регенерации;

1 — дренажная система; 2 — цилиндрический корпус; 3— низкоосновный (слабо - кислотный) ионит; 4 — высокоосновный (сильнокислотный) ионит; 5 — опорная тарелка (решетка) с перфорацией; 6 — коаксиальная труба; 7 — коллектор; 8 — распределительные трубы; 9 — защитный козырек

 

По второму способу регенерация осуществляется вне фильтра, в специальной аппаратуре. Иониты, загружаемые в аппарат, подбираются так, чтобы нижний слой при их разделении образовывал катионит, обладающий обычно большей плотностью, а верхний — анионит. После насыщения смешанного слоя ионит гидротранспортом переводится в промежуточный резервуар, где проводится гидравлическая сепарация потоком воды со скоростью, большей скорости начала псевдоожижения слоя. В результате гидравлической сепарации катионит и анионит собирают в отдельных резервуарах, к которым подводятся регенерирующие растворы кислоты и щелочи. После регенерации и отмывки иониты снова поступают в ионообменный аппарат. Для сокращения времени простоя фильтра в период регенерации и отмывки обычно используют для сорбции резервный ионит.

 

а б в

Рисунок 5 - Аппараты (фильтры) периодического действия со смешанной загрузкой:

а, б — стадия сорбции; в — стадия регенерации;

1 — дренажная система; 2 смесь катионита и анионита; 3 — распределительная система; 4 — анионит; 5 — катионит.

3.2 Аппараты непрерывного действия.

Аппараты с плотным движущимся слоем ионита представляют собой колонны, весь рабочий объем которых заполнен ионитом. Это обеспечивает большее время контакта ионита с раствором, чем в аппаратах со взвешенным слоем, и дает возможность создания высокоэффективных сорбционных аппаратов. Однако при разработке колонн с плотным движущимся слоем ионита существенную трудность представляет организация равномерной подачи и выгрузки ионообменной смолы, транспортировки смолы внутри колонны без нарушения структуры слоя, а также равномерного распределения фаз по сечению. Общим недостатком этих аппаратов является их небольшая производительность.

В аппаратах с плотным движущимся слоем ионита возможно создание прямоточного, противоточного и смешанного движения фаз. Аппараты со смешанным и прямоточным движением фаз не могут обеспечить более одной теоретической ступени контакта, довольно сложны по конструкции и в эксплуатации.

Наиболее распространены аппараты с противоточным движением фаз, они подразделяются на аппараты с гравитационным и принудительным движением ионита. Применение противотока позволяет увеличить среднюю движущую силу процесса, сократить в 2—5 раза необходимое время контакта, реализовать большое число ступеней изменения концентрации, увеличить динамическую емкость ионита и сократить его расход.

В аппаратах с гравитационным движением ионита смола подается сверху, а раствор — снизу. Аппараты рассматриваемой конструкции так же, как и другие противоточные колонны, имеют невысокую эффективность, т. е. большую величину ВЭТС. Их удельная производительность мала, так как скорость раствора должна быть меньше скорости псевдоожижения, т. е. приблизительно 1—5 м³/ч. Кроме того, эффективность таких аппаратов сильно уменьшается при увеличении диаметра, и они непригодны для крупномасштабных процессов. Достоинство аппаратов — простота конструкции.

Для увеличения удельной производительности аппарата с принудительной подачей сорбента на слой смолы прилагают сверху дополнительное усилие, которое не дает слою расширяться. Это усилие создается с помощью напорного слоя ионита, гидротарана, механического устройства типа шнека (рис. 6-а). При использовании напорного слоя значительно увеличивается загрузка смолы, в то время как производительность увеличивается незначительно. Гидротаран обеспечивает большую производительность, но при этом дополнительно необходимы циркуляционный насос и дренажная система. Шнековые аппараты приводят к сильному измельчению смолы.

Рисунок 6 - Аппараты непрерывного действия с плотным слоем ионита и с противоточным движением фаз:

а — аппарат с гидротараном; б — колонна КНСПР; в — пульсационная колонна;

1 — дренажная система; 2 — контактная камера; 3 — распределительная система; 4― насос; 5 — система пневматической пульсации; 6 ― кольцевой порог; 7 — напорная труба; 8 — отражатель.

 

На рисунке 6-б представлена схема пневмопульсационной колонны КНСПР. Внутри колонны установлена центральная напорная труба, в которую под давлением подается ионит. Напорная труба способствует равномерному распределению ионообменной смолы по сечению аппарата и уменьшает продольное перемешивание. Под действием пневматического импульса ионит перемещается в контактной камере и выгружается через кольцевой порог в загрузочную камеру. Раствор подается в контактную камеру через распределитель и отводится через дренажное устройство. В промышленности используются крупногабаритные аппараты типа КНСПР диаметром 2 м.

Особенно целесообразно использование этих аппаратов для переработки высококонцентрированных растворов. К недостаткам этих колонн относятся большая загрузка ионита при невысокой удельной производительности и труднодоступность дренажного устройства.

Непрерывно действующая противоточная ионообменная установка (НПИУ) служит для проведения в комплексе трех процессов: 1) собственно ионного обмена; 2) регенерации ионита; 3) промывки ионита (экстрагирования регенерирующего вещества — продукта из ионита).

В соответствии с приведенными данными для стадии ионного обмена следует применять поджатый плотный слой, для регенерации — кипящий, а для промывки — придавленный плотный слой.