5 Регенерация ионитов
По мере фильтрования воды через ионит и ее очистки происходит уплотнение ионита и снижение его обменной способности. Для восстановления последней ионит регенерируют. Процесс регенерации осуществляют в следующей последовательности: взрыхляют, фильтруя воду или водовоздушную смесь снизу вверх; фильтруют через ионит регенерационный раствор. Для катионитов таким раствором является 2-8 %-ый раствор кислоты (серной или соляной) или 10 %-ый раствор поваренной соли. При регенерации анионитов используют 2-6 %-ый раствор основания, или каустической соды. В процессе фильтрования регенерационного раствора многовалентные адсорбированные ионы вытесняются одновалентными по следующим схемам:
[К]m Меm+ + m(Н2S04) →m[К] Н+ + Ме2(S04)m (для катионита);
[Аn]n Аn- + nNаОН→n[Аn] ОН- + Nаn Аn- (для анионита).
После регенерации производят отмывку ионита от регенерационного раствора, для этого иониты промывают водой, фильтруя ее сверху вниз. Продукты регенерации - элюаты – представляют собой концентрированные кислые или щелочные растворы, содержащие большое количество извлекаемых из ионитов компонентов – многовалентных катионов или анионов. Первые порции элюатов являются наиболее концентрированными по извлекаемым компонентам, их или сбрасывают в городскую канализацию, предварительно нейтрализовав путем смешения кислых и щелочных элюатов (возможно также дополнительное введение соответствующих реагентов), или собирают в специальные емкости для извлечения и утилизации ценных продуктов.
Применяют несколько способов утилизации концентрированных элюатов, например без специальной обработки, если можно их использовать в основном производстве в качестве сырья или вспомогательного материала; смешение с основным потоком отхода производства; обработка элюатов химическими, физическими или биологическими агентами. Из химических агентов используют осадители, окислители, газообразователи, из физических тепло, холод, ультрафиолет, водяной пар, электричество, из биологических - различные микроорганизмы, деструктирующие и трансформирующие компоненты регенерационных растворов. Последующие порции элюатов более низкими концентрациями загрязняющих веществ собирают в конце процесса в отдельную емкость и используют на первых стадиях последующих регенераций.
6 Технологический расчет
Рассчитать противоточный ионообменный аппарат для извлечения итаконовой кислоты на анионите ЭДЭ-10 П в ОН—форме (рис. 8).
Итаконовую кислоту (метиленянтарная к-та tпл 167—168 °С), получают микробиологическим синтезом, при сбраживании сахаросодержащих сред. Растворы после брожения, как правило, содержат 4-6% итаконовой кислоты, 0,5-1,5% сахара, до 0,6% красящих веществ, другие органические кислоты образуются в качестве побочных продуктов при брожении.
а б
Рисунок 8 – Химическая структура:
а – итаконовой кислоты, б – элементарного звена ионита ЭДЭ-10 П
ЭДЭ-10 П - это полифункциональный анионит смешанной основности, гелевой структуры, содержит в качестве ионогенных групп: вторичные, третичные аминогруппы алифатического ряда и группы четвертичных аммониевых оснований. Применяется для деминерализации воды, обессоливания воды, содержащей небольшие количества органических веществ, используется для очистки гидролизных растворов, глюкозных сиропов в медицине, молочной сыворотки в пищевой промышленности, этилового спирта от примесей кислот и альдегидов.
1. На основании изотермы Лэнгмюра определяем максимально возможное содержание итаконовой кислоты в ионите для данного исходного содержания:
г/г смолы
Тогда:
г/г
смолы
Уравнение материального баланса имеет следующий вид:
(6.2.1)
Из уравнения (6.2.1)определяем расход ионита:
г
смолы/с
2. Диаметр аппарата находим из площади поперечного сечения:
см
3. Для нахождения высоты слоя Hсл необходимо сначала найти уравнение
рабочей линии:
где аи b-коэффициенты.
Определяем
коэффициенты а
и b
из уравнения (6.2.1) при
и
:
Тогда уравнение рабочей линии:
где [с] = г/мл;
= г/г смолы.
Число единиц переноса для нахождения высоты слоя определяется из
уравнений (6.1.8 – 6.1.10):
Далее необходимо
представить с* (
)
в явном виде, используя уравнение
изотермы:
Для определения числа единиц переноса используем метод графического интегрирования. Данные представлены в табл.1
Таблица 1
№по пор. |
с∙10-3 |
|
с* • 103 |
|
1 |
13,00 |
0,57 |
5,60 |
135,13 |
2 |
11,75 |
0,52 |
4,38 |
135,68 |
3 |
10,50 |
0,48 |
3,62 |
145,34 |
4 |
9,25 |
0,43 |
2,88 |
156,98 |
5 |
8,00 |
0,38 |
2,28 |
174,82 |
6 |
6,75 |
0,34 |
1,89 |
205,76 |
7 |
5,50 |
0,29 |
1,47 |
248,13 |
8 |
4,25 |
0,25 |
1,19 |
326,79 |
9 |
3,00 |
0,20 |
0,88 |
471,70 |
10 |
1,75 |
0,15 |
0,61 |
877,19 |
11 |
0,50 |
0,11 |
0,43 |
14285,71 |
Δс= 1,25х10-3 |
|
|
|
Σ 17163,23 |
(по методу трапеции) |
||||
4. Время пребывания ионита в аппарате определяем по формуле:
τ=Vап∙(1-ε)/
где Vап -объем аппарата; - объемный расход ионита.
Заключение
Ионный обмен представляет собой один из новых, перспективных и широко разрабатываемых типовых процессов химической технологии. Однако, достижения в области химического синтеза ионообменных материалов, а также их применения в различных отраслях промышленности опережают развитие теоретических знаний, на основе которых проектируют аппараты для проведения ионообменного процесса.
Успехи в развитии теоретических основ химической технологии дают возможность осуществить единый подход к математическому описанию сложного процесса, протекающего в ионообменном реакторе.
В данной работе мы представили применение ионитов в промышленности, показали их неограниченные возможности во всех областях науки и техники. Продемонстрировали возможное аппаратурное оформление для некоторых процессов. Нами также осуществлен инженерный расчет ионообменного аппарата работающего в противоточном режиме.
Таким образом, противоточный ионообменный аппарат при заданных параметрах обладает диаметром 23,37 см, высотой слоя 1,12 м, массовым расход анионита ЭДЭ-10 П 0,813 г смолы/с; время пребывания ионита в аппарате составляет 222 мин.