Сорбционные и ионообменные установки.

Сорбция используется для глубокой очистки вод замкнутого водопотребления и доочистки сточных вод от органических веществ, в том числе и от биологически жестких. Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ. Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, неэлектролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов этот метод не применим.

Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей и, кроме того, высокая эффективность очистки, особенно слабо-концентрированных сточных вод. Адсорбция растворенных веществ — результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины и др. Для адсорбции из жидких сред применяют порошкообразные и гранулированные активные угли. Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м³, кг/кг).

Между количествами вещества, адсорбированного сорбентом и оставшегося в растворе, в разбавленных растворах наступает равновесие, подчиняющееся закону распределения.

Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при которых частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента, т. е. движется вместе с последней (аппараты с перемешивающими устройствами}, а также в динамических условиях, при которых частица жидкости перемещается относительно сорбента. (фильтры, аппараты с псевдоожиженным. слоем).

Аппараты для сорбционной очистки сточных вод классифицируются по разным признакам:

- по организации процесса — периодического и непрерывного действия;

- по гидродинамическому режиму — аппараты вытеснения, смешения и промежуточного типа;

- по состоянию слоя сорбента - с неподвижным, движущимся, пульсирующим, перемешиваемым и циркулирующим слоем;

по организации контакта взаимодействующих фаз — с непрерывным и ступенчатым контактом;

- по организации направления движения фаз — с прямоточным, противоточным и смешенным движением;

- по конструкции — колонные и емкостные;

- по способу подвода энергии — без подвода энергии извне (гравитационное движение фаз) и с подводом энергии извне (принудительное движение твердой фазы).

В практике очистки сточных вод часто используются адсорберы с неподвижным и плотно движущимся слоем поглотителя (сорбция в динамических условиях), аппараты с псевдоожиженным слоем адсорбента, а также аппараты, в которых обеспечивается интенсивное перемешивание обрабатываемой воды с порошкообразным или пылевидным сорбентом (сорбция в статических условиях).

Сорбция в динамических условиях. Наиболее простым при сорбции в динамических условиях является насыпной фильтр (рис. 3.11), представляющий собой колонну с неподвижным слоем сорбента, через который фильтруется сточная вода.

 

Рис. 3.11. Сорбционный вертикальный параллельно-проточный фильтр:

1 — корпус; 2 — неподвижный слой активного угля; 3 — отбойник; 4 — трубопровод подачи очищаемой сточной воды; 5 — труба сброса воздуха;

6 — люк; 7 — трубопровод для выгрузки активного угля; 8 — трубопровод отвода очищенной воды; 9 – трубопровод подачи взрыхляющей воды;

10 — распределительная система труб.

Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных в сточных водах веществ и составляет 1…6 м/ч; крупность зёрен сорбента — 1,5…5 мм. Наиболее рациональное направление фильтрования жидкости — снизу вверх, так как в этом случае происходит равномерное заполнение всего сечения колонны и относительно легко вытесняются пузырьки воздуха или газов, попадающих в слой сорбента вместе со сточной водой.

Фильтры с неподвижным слоем сорбента применяют при регенеративной очистке сточных вод с целью утилизации выделенных относительно чистых продуктов. Процесс десорбции осуществляется с помощью химических растворителей или пара.

При расчете насыпных фильтров время защитного их действия t _з.д определяют по формуле

t _з.д = k _з.д H – τ,

где k _з.д — коэффициент защитного действия, определяемый экспериментально, ч/м; Н — высота слоя сорбента, м; τ — потеря времени защитного действия, ч.

Коэффициент защитного действия равен:

k _з.д = а _равн/(v С _н),

где a _равн — предельная насыщенность сорбента, равновесная с концентрацией, кг/м³ (устанавливается по экспериментальной изотерме сорбции); v — скорость фильтрования, м/ч; С _н — начальная концентрация вещества в сточной воде, кг/м³,

Потеря времени защитного действия

τ = ε Δτ,

где ε — пористость сорбента (в долях единицы); Δτ — время, в течение которого концентрация веществ в фильтрате изменяется от концентрации сорбата при допустимом проскоке С _д.п до С _н.

Величина Δτ определяется по выходной кривой динамики сорбции, устанавливаемой экспериментально. По выходной кривой определяется момент появления сорбата в фильтрате τ_пр — время проскока, а после этого момента фиксируется увеличение концентрации сорбата до максимального, соответствующего С _н.

Количество вещества M, задерживаемого насыпным фильтром, кг,

M = (H - h) F a _д,

где h — эмпирическая константа, м; F — площадь фильтра, м²; а _д — динамическая активность сорбента, кг/м³.

Пример 3.4. Исходные данные: расход сточных вод Q = 0,6 л/с (2,16 м³/ч). Начальное содержание взвешенных веществ ВВн – 20 мг/л, эмульгированных веществ ЭВн - 4,5 мг/л; требуемое конечное содержание ВВк – 7 мг/л, ЭВк – 1 мг/л.

Объем сточных вод, проходящих через сорбционный фильтр равен:

Q _ф = Q - Σ Q_i,

где Σ Qi = Δ Q ₁, Δ Q ₂ и Δ Q ₃ - потери сточных вод соответственно в песколовке, грязежироловушке и флотаторе с удаленными осадком и пенопродуктом; потери в грязежироловушке складываются из потерь при удалении осадка и при сливе уловленных нефтепродуктов (Σ Qi = 0,08 м3/ч).

Тогда с учетом потерь расход сточных вод равен

Q _ф = 2,16 − 0,00195 − 0,0444 − 0,0324 = 2,08 м³/ч.

В качестве сорбционной загрузки используется активированный уголь АГ-3.

Живое сечение фильтра

 

где v _л - линейная скорость движения воды в фильтре, линейная скорость не должна превышать 12 м/ч.

При ν _л = 10 м/ч

Диаметр фильтра

Из конструкционных соображений принимаем D_ф = 0,5м.

Высота загрузки выбрана на основе опытных данных: Н_ф = 1,0 м.

Объем рабочей части фильтра (объем загрузки) составляет

Так как насыпная плотность угля АГ-3 ρ_н = 500 кг/м³, масса угля:

M = V ρ_н = 0,196^.500 = 98 кг.

Относительная сорбционная емкость угля АГ-3 по нефтепродуктам:

С_ар= 50 г/кг.

Полная сорбционная емкость угля:

M_oil = M С_ар = 98^.50 = 4900 г.

Объем очищаемой воды за один цикл очистки, если принять время одного цикла очистки равным одной смене, т.е. t_сут = 7 ч:

V_liq = Q_ф t_сут = 2,08^.7 = 14,56 м³.

Разность концентраций нефтепродуктов на входе и на выходе из фильтра

ΔC_нп = ЭВ_н – ЭВ_к = 4,5 - 1 = 3,5 мг/л (г/м³).

Масса нефтепродуктов, удаляемых из очищаемой воды за один цикл очистки:

m_oil = ΔC_нп V_liq = 3,5^.14,56 = 50,96 г

Число циклов очистки

Теоретический ресурс работы фильтра

T = N t_сут = 96^.7 = 672 ч.

Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно работающих секций, состоящих из 3…5 последовательно расположенных фильтров. При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени. Процесс сорбции в статических условиях осуществляется путем интенсивного перемешивания обрабатываемой сточной воды с сорбентом в течение определенного времени t и последующего отделения сорбента от воды отстаиванием, фильтрованием и т. п. (рис. 3.12). При последовательном введении новых порций сорбента в очищаемую воду можно очистить ее от загрязняющих веществ до любой концентрации.

Рис. 3.12. Сорбционная установка с последовательным введением сорбента:

1, 2 — подача соответственно сточной воды и сорбента; 3 — резервуары с перемешивающим устройством; 4 — отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 5 — выпуск обработанной сточной воды; 6 — выпуски отработанного сорбента.

 

В основу расчета таких адсорбционных аппаратов с перемешивающими устройствами положено балансовое уравнение

m a + Q С_равн= Q С_н,

где m — количество сорбента, кг; Q — количество обрабатываемых сточных вод, м₃.

Решая это уравнение относительно m и учитывая зависимость

а = K_адс C_равн,

можно записать:

где K_адс – константа адсорбционного равновесия.

Если процесс сорбции осуществляется по одноступенчатой схеме, то концентрация сорбата в сточной воде будет

Для расчета сорбционных установок необходимо иметь изотерму сорбции, знать константу адсорбции и задаться требуемой степени очистки, иначе говоря, величиной сорбата в обработанной сточной воде.

Если расчет величин С_к и m ведется для технологической схемы с последовательным введением сорбента (рис. 3.12), при двухступенчатой очистке используется, формула

где С_2к – концентрация сорбата после II-й ступени, кг/м³; m₂ – количество сорбента, вводимого на каждой ступени, кг.

При числе ступеней n концентрацию сорбата после очистки С_nк определяют по формуле

Дозу сорбента, вводимого в каждую ступень m_n, подсчитывают, по уравнению

Общее количество сорбента

m = n m_n.

При проектировании сорбционных установок с противоточным введением сорбента (рис. 3.13) концентрацию вещества в обработанной сточной воде после n ступеней находят по выражению

Расход сорбента, вводимого при использовании противоточной технологической схемы только в последнюю ступень установки, определяют из уравнения

Противоточные сорбционные установки применяются значительно шире благодаря более экономичному расходованию сорбента.

 

Рис. 3.13. Сорбционная установка с противоточным введением

сорбента:

1 — подача сточной воды; 2 — резервуары с перемешивающим устройством; 3 — отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 4 — подача сорбента; 5 — выпуск обработанной сточной воды; 6 — резервуар для сбора сорбента; 7 —насосы для перекачки сорбента;

8 — выпуск отработанного сорбента.

Аппараты с псевдоожиженным слоем применяют при использовании мелкозернистого (0,25…0,3 мм) и пылевого (40 мкм) сорбента для сорбции из трудно фильтруемых сточных вод. В псевдоожиженном слое частицы сорбента в меньшей степени заиливаются взвешенными веществами, содержащимися в воде. Псевдоожижение слоя наступает при повышении скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при которой зерна расширившегося слоя начинают интенсивно и беспорядочно перемещаться в объеме слоя, сохраняющего постоянную для данной скорости высоту.

Скорость потока воды при псевдоожижении угольной крупки обычно составляет 7…15 м³/(м^2.ч), расширение слоя не превышает примерно 1,5м.

Важнейшим показателем работы установки с псевдоожиженным слоем сорбента является относительная пористость

 

где W_сорб — объем частиц сорбента, образующих псевдоожиженный слой; W _п.сл — объем псевдоожиженного слоя.

В настоящее время в основном применяют цилиндрические одноярусные адсорберы (рис. 3.14), цилиндрическая часть которого имеет высоту 4 м, диаметр отстойной зоны аппарата в 1,5…2 раза превышает диаметр корпуса. В зависимости от диаметра колонны коническое днище имеет центральный угол 30…60°. Непосредственно над коническим днищем устанавливается распределительная решетка с отверстиями 5…10мм и шагом отверстий около 10 мм, на которую загружается активированный уголь с размером частиц 0,25…1 мм и преимущественным содержанием фракции 0,5…0,75 мм.

Высота неподвижного слоя угля составляет 2,5…2,7 м.

Рис. 3.14. Цилиндрический одноярусный адсорбер:

1 — подача сточной воды; 2 — подвод сорбента; 3 — вывод очищенной воды; 4 — вывод угольной суспензии: 5 — сборник отработанного сорбента; 6 — решетка; 7 — корпус; 8 — отстойная зона.

В нижнюю часть аппарата через центральную трубу либо через боковой патрубок, подсоединенный к конусному днищу, поступает сточная вода со скоростью, обеспечивающей относительное расширение слоя 1,5…1,6. Сорбент в виде 5…20 %-ной суспензии поступает в верхнюю расширенную часть центральной трубы, где сточная вода смешивается с углем. Образовавшаяся суспензия поступает через диффузор под решетку, продавливается через ее отверстия и задерживается в нижней части псевдоожиженного слоя угля, который находится в колонне. Обработанная сточная вода отводится в верхний кольцевой желоб.

Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещества утилизируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от назначения сорбционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения.

Для извлечения сорбированных веществ могут быть использованы экстрагирование органическим растворителем, изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе, отгонка адсорбированного вещества с водяным паром, испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя. В отдельных случаях осуществляют химические превращения сорбированных веществ с последующей десорбцией. При деструктивной очистке обычно применяют термические или окислительные методы. При применений термического метода следует учитывать потери сорбента (5…10 %).

При массоотдаче в системах жидкость — твердое тело скорость процесса определяется внутренней диффузией, если Bi >> 1, и внешней диффузией, если Bi << 1:

где β _y — коэффициент массоотдачи в жидкой фазе; r _ч — радиус частиц сорбента; D_вн — эффективный коэффициент внутренней диффузии

(D _вн ≈ε _м D _м; ε _м — пористостьматериала; D_м — коэффициент молекулярной диффузии распределяемого компонента).

Для расчета коэффициентов массоотдачи β _{y . об} (в с^-1) во внешнедиффузионной области в аппаратах с неподвижным плотным слоем сорбента можно использовать следующие выражения:

 

d_э— эквивалентный диаметр; u — скорость жидкости, рассчитанная на полное сечение аппарата; ν — кинематическаявязкость жидкости; d_c — средний размер частиц; Ф — фактор формы).

Фактор формы Ф устанавливает связь между эквивалентным диаметром d_э и средним размером частиц сорбента d_c данной фракции (Ф ≈ 0,63 ÷ 0,95).

Для аппаратов с псевдоожиженным слоем коэффициенты массоотдачи можно определить по формулам

 

; (0,6 < Pr^\ < 2000); (0,43 < ε < 0,75), u_пс — рабочая скорость псевдоожижения.

 

 

Многоступенчатые аппараты рассчитывают, исходя из определения числа тарелок колонных массообменных аппаратов (например, способом построения «кинетической кривой» на диаграмме у—х).

Сорбция в статических условиях осуществляется при перемешивании сточной воды с сорбентом в течение определенного времени τ их контакта. Это время определяет необходимый объем аппарата с мешалкой для сорбции при заданном расходе сточной воды на обработку.

Основу расчета τ при статической сорбции составляет интегральное кинетическое уравнение для концентрации y примеси в растворе (сточной воде).

Ионный обмен, или ионообменная сорбция — процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы— ионита.

Ионный обмен является одним из основных способов умягчения, опреснения и обессоливания вод, а также способом рекуперации растворенных ионных компонентов.

Очистка производственных сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы), ПАВ и радиоактивные вещества, очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты и аниониты, проявляющие соответственно кислотные и основные свойства. Иониты подразделяются на природные и искусственные, или синтетические. Практическое значение имеют неорганические природные и искусственные алюмосиликаты, гидроокиси и соли многовалентных металлов; применяются также иониты, полученные химической обработкой угля, целлюлозы и лигнина. Однако ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам — ионообменным смолам.

Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность, так называемая обменная емкость.

Полная емкость ионита — количество находящихся в сточной воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до полного насыщения.

Рабочая емкость ионита — количество находящихся в воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов.

При соприкосновении ионитов с водой происходит их набухание вследствие осмотических явлений; объем ионитов обычно увеличивается в 1,2…2 раза.

На кинетику ионного обмена влияют также величина температуры, концентрация ионов и др.

Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т.е. возможность проведения реакции в обратном направлении, что и лежит в основе их регенерации.

Иониты бывают органические и неорганические. Природные и искусственные. К неорганическим природным ионитам относятся природные цеолиты (алюмосиликаты) в том числе бентонитовые глины, полевые шпаты, слюда, и тд.

К неорганическим искусственным относятся синтетические цеолиты, синтезированные оксиды, сульфаты, фосфаты, гидроксиды металлов (алюминия, железа, никеля, титана).

К органическим природным относятся каменные угли и торф, целлюлоза.

К органическим искусственным относятся высокомолекулярные органические соединения направленного синтеза, обладающие постоянством состава и высокой способностью к ионному обмену.

При погружении ионита в воду происходит его набухание и ионизация функциональных групп, при этом образуются две разновидности ионов: фиксированные ионы - неподвижные, прочно связанные с матрицей и не способные покидать твердую фазу ионита и переходить в раствор, их называют потенциал определяющими и противоионы (обменные ионы). Они являются подвижными, способными покидать твердую фазу ионита и обмениваться на эквивалентное количество ионов того же знака из раствора.

 

Обмен ионов ионита на ионы раствора происходят следующим образом: погруженный в воду и набухший ионит представляет собой раствор электролита и обладает общими с ним свойствами с той разницей, что противоионы, переходящие в раствор под действием полярных молекул воды, остаются вблизи твердой фазы ионитов, так как связаны силами электростатического притяжения с потенциалопределяющими ионами. Образуется двойной электрический слой. Если в растворе имеются ионы, равные по знаку противоионам ионита, и они оказываются вблизи твердой фазы ионитов, то происходит ионный обмен, и ионы раствора занимают место подвижных ионов ионита, которые освободившись от электростатических сил притяжения, переходят в раствор. Обмен ионов происходит в строго эквивалентных количествах. Если обменные противоионы имеют положительный знак – яв-ся катионами, то ионит называют катионитом; если обменные противоионы имеют отрицательный, то ионит называют анионитом.

Ионный обмен имеет свойство избирательности. Из слабоконцентрированных растворов, (извлекаются) обмениваются лучше многовалентные ионы, а при высоких концентрациях раствора эффективнее адсорбируются одновалентные ионы. Именно на этом свойстве основана технология ионообменной очистки вод и регенерация ионита.

Ионообменную очистку производят последовательным фильтрованием очищаемых вод через катионит, а затем через анионит. При это осуществляются следующие хим. реакции:

 

M[K]H⁺+Me^m+→[K]_mMe^m++mH⁺

Где [k]- матрица катионита; H⁺- обменный противоион катионита; Me^m+ - обменный ион раствора, извлекаемый катион.

n[An]OH^-+A^n-→[An]_nA^n-+nOH^-

[An]- твердая фаза анионита; ОН^- -обменный ион анионита; А^n-—обменный ион раствора.

 

В результате Н – катионирования повышается кислотность воды, при последующем фильтровании обрабатываемой воды через анионит в ОН- форме происходит нейтрализация.

Регенерацию ионитов производят следующим образом: фильтруют снизу водовоздушной смесью:

Для катионитов используют раствор 2-8%- серной или соляной кислоты или 10% р-р NaCl

Для регенерации анионитов ис-т 2-6% р-р основания, соды или каустической соды

Иониты получают методом сополимеризации или сополиконден-сации с последующим сшиванием образующихся цепей.

В зависимости от степени диссоциации катионообменные смолы бывают сильно- и слабокислотные, а анионообменные — сильно- и слабоосновные. К сильнокислотным относят катиониты, содержа­щие сульфогруппы (SO3H) или фосфорнокислые группы [РО(ОН)2]. К слабокислотным — карбоксильные (СООН) и фенольные (С6Н5ОН) группы. Сильноосновные иониты содержат четвертичные аммоние­вые основания (R3NOH), слабоосновные — аминогруппы различной степени замещения (—NH2; =NH; ≡N).

Иониты, содержащие одинаковые активные группы, называются монофункциональными, а иониты, которые содержат функциональные группы различной химической природы, — полифункциональными. Они могут обладать смешанными сильно и слабоосновными свойствами.

Катиониты в качестве противоионов могут содержать не ионы водорода, а ионы металлов, т. е. находиться в солевой форме. Точно также и аниониты могут находиться в солевой форме, если в каче­стве противоионов они содержат не ионы гидрокснда, а ионы тех или иных кислот.

Иониты в контакте с водой не растворяются, но поглощают некоторое количество воды и набухают, являясь гелями с ограниченной набухаемостью. При набухании ионитов размер микропор возрастает

 

 

В качестве примера на рис. 3.15 приведена технологическая схема ионообменной очистки сточных вод производства хлоранилина от смесей анилина с хлоранилином.

 

Рис. 3.15. Схема ионообменной очистки сточных вод производства хлоранилина: I, II — подача соответственно сточной и свежей воды;

III, IV — выпуск соответственно обработанной сточной воды и продукта; 1 — резервуар сточной воды; 2, 8— мерники;

3 — фильтр; 4, 13 — емкости для соляной кислоты; 5 — емкость для известкового молока; 6 — дозатор; 7 — ионообменные колонны;

9 — ректификационная колонна; 10 —отстойник-разделитель;

11, 14, 15, 16 — насосы; 12 — приемник.

 

Необработанная сточная вода поступает в резервуар, куда дозируется из мерников 2 соляная кислота для снижения рН ≤ 4…4,5. Подкисленная сточная вода насосом 16 подается на фильтр, где отделяется от выпавших при подкислении взвешенных веществ. Фильтрат поступает в блок последовательно расположенных ионообменных колонн 7 с общей высотой слоя катионита не менее 3 м; скорость фильтрования около 2м3/(м2·ч). Обычно две колонны работают в режиме ионного обмена, а одна регенерируется.

Регенерационный аммиачно-метанольный раствор насосом 15 из мерника 8 подается в регенерируемую колонну снизу вверх. Подогретая до 35…40 °С вода для промывки отрегенерированной колонны поступает в нее через тот же мерник. Из колонны отработанный регенерационный раствор выпускается в приемник 12, откуда насосом 11 подается в ректификационную колонну 9 для отгонки метанола и аммиака. Кубовый остаток из этой колонны направляется в отстойник—разделитель фаз 10; водный слой направляется в сборник 1, а слой сырых аминов на разгонку и утилизацию.

После регенерации водно-метанольным раствором аммиака катионит для перевода в водородную форму промывают 8…10 %-ным раствором соляной кислоты, поступающим из емкости 4. Кислота, вытекающая из колонны, собирается в емкость 13 и насосом 14 подается в мерники 2 для регулирования рН сточной воды. Туда же направляются промывные воды. Обработанная сточная вода имеет слабокислую реакцию и должна перед сбросом нейтрализоваться известковым раствором.

Процессы ионообменной очистки сточных вод осуществляются в аппаратах периодического действия - фильтрах (рис.3.11) или непрерывного действия (рис.3.16).

Аппарат непрерывного действия состоит из ионообменной емкости, выполненной в виде усеченного конуса. Внутри этого конуса находится второй усеченный конус, где происходят процессы регенерации и отмывки. Сточная вода подается в колонну через трубу с коническими насадками. Пройдя через псевдоожиженный слой ионита, обработанная вода выходит из верхней части колонны. Отработанный ионит осаждается в нижней части колонны, откуда через трубчатое устройство с помощью эрлифта или эжектора подается в верхнюю часть колонны. Во внутреннем полом усеченном конусе скорость движения потока воды уменьшают с помощью регулятора, что способствует вовлечению отработанного ионита в этот конус и последующему осаждению его в нижней части ионообменной колонны. Регенерационный раствор подается в нижнюю часть внутреннего усеченного конуса, а отводится из верхней части. Регенерированный ионит, продолжая опускаться навстречу восходящему потоку воды, промывается и переходит в рабочую зону колонны. Аппарат прост в конструктивном исполнении и эффективен в работе.

Рис. 3.16. Ионообменный аппарат непрерывного действия:

1 — подача воды; 2, 3 — устройство соответственно для транспортирования и отбора ионита; 4 — подача сточной воды;

5 — регулятор скорости движения потока воды в регенераторе;

6 — подача регенерационного раствора; 7 — внутренний корпус для регенерации ионита; 8 — отвод послерегенерационного раствора;

9 — ионообменная колонна; 10 — воронка для приема отработанного ионита; 11 — выпуск обработанной сточной воды.

При очистке сточных вод, загрязненных взвешенными веществами, применяют ионообменные колонны с псевдоожиженным слоем ионита (рис.3.14). Для определения основных параметров такой установки подсчитывают суммарную площадь сечения ионообменных колонн S _общ, м², по расходу сточных вод Q, м³/ч, и оптимальной скорости фильтрования через псевдоожиженный слой ионита v опт, м³/(м²·ч)

S _общ = Q / v _опт.

Общее количество ионов, которое должно быть задержано в ионообменной колонне за 1 ч, зависит от их начальной С _н и конечной С _к концентраций, кг-экв/м³, и равно Q (С _н - С _к). Для поглощения этого количества ионов необходимо подать определенное количество воздушно-сухого ионита с динамической емкостью Е _д, кг•экв/т:

M _ч = Q (C _н − C _к) / E _д,

где М _ч — требуемое количество воздушно-сухого ионита, т/ч.

Если продолжительность рабочего цикла ионообменных колонн между двумя регенерациями равна t, ч, то общая их загрузка М _общ, т,

M _общ = M _ч • t

Объем загрузки ионообменных колонн V ₁, м³, до образования псевдоожиженного слоя

V ₁ = M _общ / d _н,

где d _н — насыпная плотность ионита, т/м³.

Поскольку суммарная площадь ионообменных колонн определяется оптимальной скоростью фильтрования, то высота набухшего слоя ионита H ₁, м, до псевдоожижения составит

H ₁ = V ₁/ S _общ.

Так как оптимальное отношение высоты псевдоожиженного слоя к высоте неподвижного слоя H ₂/ H ₁ = l,5, то величину Н ₂, м, определяют по формуле

H ₂=1,5 V ₁/ S _общ.

Если задаться диаметром ионообменной колонны D _к, то число колонн

Далее подсчитываем объем регенерационных растворов и емкостей для них.

Пример 3.5. Необходимо рассчитать ионообменную установку непрерывного действия с псевдоожиженным слоем ионита для удаления ионов натрия из раствора, содержащего хлорид натрия, если производительность по исходному раствору V = 10 м³/ч; исходная концентрация раствора С _н = 4,35 моль •экв/м³ (0,1 кг/м³); концентрация очищенного раствора составляет 5 % от исходной; температура в аппарате

t = 20 °С марка катионита КУ-2; регенерация проводится в плотном, движущемся под действием силы тяжести слое ионита 1 н. раствором НСl.

Параметры катионита КУ-2: полная обменная емкость X ₀ = 4,75 ммоль•экв/г; удельный объем υ₀ = 3,0 см³/г; средний диаметр гранулы d = 0,9 мм; насыпная плотность ρ_нас = 800 кг/м³.

Уравнение изотермы сорбции

Фиктивную скорость жидкости в псевдоожиженном слое находят из уравнения, связывающего критерии Re, Аr с порозностью слоя ε:

Высота псевдоожиженного слоя в 1,5…2 раза превышает высоту неподвижног слоя. С учетом этого, принимая порозность неподвижного слоя ε₀ = 0,4, принимаем порозность слоя в этом интервале ε = 0,65.

Плотность частицы набухшего катионита

ρ _x = ρ_нас/(1 - ε₀) = 800/(1 – 0,4) = 1333,3 кг/м³.

Критерий Архимеда:

Ar = d ³ ρ _y (ρ _x - ρ _y) g /μ² = (0,9•10^-3)³•1000(1333,3 - 1000)9,81/(10^-3)² = 2384.

Из уравнения (2.8) находим критерий Re:

Скорость жидкости

Диаметр аппарата

Принимаем D = 0,6 м.

Минимальный расход сорбента находим из условия равновесия твердой фазы с раствором, покидающим аппарат:

где Х *(С _к) = 1,32•0,005/(1 + 2• 0,005) = 0,0065 кг/кг.

Рабочий расход сорбента, по опытным данным, в 1,1…1,3 раза превышает минимальный. Приняв соотношение рабочего и минимального расходов равным 1,2, получим рабочий расход катионита:

G_x = 1,2 G_{x min} = 1,2•146,2 = 175,4 кг/ч.

Процесс регенерации ионитов состоит из трех стадий: взрыхления ионита, собственно регенерации и отмывки ионита от продуктов регенерации и избытка регенерирующего вещества. Объем промывных вод обычно составляет 75…100 % объема регенерационных растворов.