Применение ионообменного процесса для извлечения органических кислот из растворов

Ионообменные смолы успешно  применяются в биохимических  и физиологических исследованиях  для разделения и выделения различных  продуктов. Метод ионного обмена позволяет эффективно проникать  во многие процессы, происходящие в  растительных или животных организмах. Иониты оказались хорошим средством для изучения биохимии почв. В последнее время ионообменники начинают применять для выращивания парниковых культур [6].

Как видно из выше изложенного, ионный обмен —  один из перспективных, широко применяемых в различных отраслях промышленности технологических процессов. Использование синтетических ионообменных материалов, обладающих большой емкостью, высокой селективностью, химической стойкостью и механической прочностью не только оказывает решающее влияние на развитие многих отраслей промышленности, но и позволяет коренным образом усовершенствовать технологические процессы, исключить большое число энерго- и трудоемких операций, снизить себестоимость вырабатываемой продукции. Применение ионообменных методов позволяет с успехом решить важную народно-хозяйственную и экологическую задачи по комплексной переработке природных ресурсов и охране окружающей среды от загрязнений.

3 Аппаратурное  оформление процесса ионного  обмена

   3.1 Общие сведения

Рассмотрение  всего многообразия аппаратов, применяемых для проведения ионообменных процессов в промышленности, позволяет сделать вывод, что в них протекают определенные физические процессы (гидродинамические, тепловые, диффузионные), создающие оптимальные условия для реализации ионного обмена (ионообменной реакции). Для этого ионообменные аппараты содержат типовые конструкционные элементы, широко применяемые в других аппаратах для проведения типовых физических процессов химической технологии (перемешивающие и контактные устройства, распределительные и передаточные устройства, приспособления для загрузки и выгрузки и т. д.). Поэтому все ионообменные аппараты можно рассматривать как аппараты комплексные, состоящие из известных конструктивных элементов, большинство из которых отдельно используется для проведения технологических операций, не сопровождающихся реакцией ионного обмена. Количество таких конструктивных сочетаний, а значит и типов аппаратов, очень велико, что объясняется многообразием и сложностью протекающих в них ионообменных процессов. Однако для всех ионообменных аппаратов должны существовать общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата и основными закономерностями и особенностями протекающего в нем ионного обмена.

Одна из возможных  классификационных схем, в основу которой положена структура слоя ионита, который может быть плотным или разреженным (взвешенным, суспендированным), выглядит следующим образом:

 

 

Пп

 

 

 

 

 

 

 

 

Данная классификационная  схема включает основные известные типы ионообменных реакторов и оказывается удобной не только при рассмотрении особенностей аппаратурного оформления процесса, но и при анализе закономерностей гидродинамики зернистого слоя. Аппараты с плотным слоем ионита позволяют реализовать высокие нагрузки, имеют относительно меньшую величину ВЭТС (высоты, эквивалентной теоретической тарелке), могут использоваться для обработки концентрированных растворов. Аппараты с разреженным слоем ионита позволяют перерабатывать пульпы. В этих аппаратах легче интенсифицировать процесс массопереноса, лимитируемый внешней диффузией. Разреженный слой проще транспортируется как в самом аппарате, так и в цепочке аппаратов. Однако аппараты такого типа, как правило, имеют большую величину ВЭТС.

 

3.2  Аппараты с плотным слоем ионита

Аппараты 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 покрывают внутри 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 неполностью, 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 большие количества реагентов, в несколько раз превышающие 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.4.1, а-в); 3) используют дополнительный поток воды или циркулирующего регенеранта сверху вниз через тонкий слой смолы (рис 4.1, 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.

 

 

Рис. 3.1. 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, состоящие из 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.3.2). 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. 3.3). 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. 3.3, 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

Рис. 3.2. 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

Рис. 3.3. 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

 

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.3.4, а). При использовании напорного слоя значительно увеличивается загрузка смолы, в то время как производительность увеличивается незначительно. Гидротаран обеспечивает большую производительность, но при этом необходимы дополнительно циркуляционный насос и дренажная система. Шнековые аппараты приводят к сильному измельчению смолы.

 

 

Рис. 3.4. 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 рис. 3.4, 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.