3.1.4.Конструкции адсорберов, их устройство и принцип работы.

Адсорбер с неподвижным слоем адсорбента представляет собой вертикальную или горизонтальную емкость 1. В нижней части аппарата имеется газораспределительная решетка 3, на которой размещен адсорбент 2. Газовая смесь вводится через трубу, проходит через слой адсорбента и выводится из аппарата через патрубок. Вытесняющее вещество вводится в аппарат через перфорированную трубу 4 и отводится также через патрубок. Люки 5 и 6 служат для загрузки для загрузки и выгрузки адсорбента.

Адсорбер с движущимся слоем адсорбента представляет собой колонну, в которую встроены холодильник 1, подогреватель 7 и распределительные тарелки 2.

З ернистый адсорбент, вводимый в аппарат, стержнеобразно движется сверху в низ. Скорость движения регулируется внизу затвором-отводчиком 8, устроенным аналогично ячейковым питателям. При движении сверху вниз адсорбент охлаждается в трубах холодильника 1, затем взаимодействует с газовой смесью, которая поступает через патрубок 5. Не поглощенная часть газовой смеси отводится по патрубку 12. Затем адсорбент нагревается в трубчатом подогревателе 7 десорбционной секции и, опускаясь вниз, взаимодействует с вытесняющим веществом (острый водяной пар), который вводится через патрубок 15. Регенерированный адсорбент удаляется из аппарата через затвор-отводчик 8. Продукты десорбции отводятся из аппарата вместе с вытесняющим веществом через патрубок 11. Распределительные тарелки 2 препятствуют смешению паро-газовых потоков адсорбционной и десорбционной секций.

А ппараты с псевдоожиженным слоем адсорбента. Такие аппараты подразделяются на одноступенчатые и многоступенчатые.

Одноступенчатый адсорбер с кипящим слоем представляет собой цилиндрический вертикальный корпус 1, внутри которого смонтирована газораспределительная решетка 2 и пылеотделяющее устройство 3.

Загрузка и выгрузка адсорбента в аппарат осуществляется через трубы 1. Газовая смесь вводится в адсорбер через нижний патрубок и выводится через верхний.

М ногоступенчатый адсорбер представляет собой колонну 1, в которой смонтированы газораспределительные решетки 2 с переливными патрубками 3, выполняющими одновременно функции затворов для газового потока. Адсорбент поступает в верхнюю часть аппарата и перетекает со ступени на ступень сверху вниз. С нижней ступени адсорбент выгружается через затвор-отводчик 4. Очищаемый газ поступает а адсорбер снизу и выводиться через верхний патрубок.

М ногоступенчатый адсорбер имеет преимущество по сравнению с одноступенчатым, которое заключается в том, что он работает по схеме, близкой к аппаратам идеального вытеснения. Это позволяет проводить процессы по противоточной схеме и наиболее эффективно использовать движущую силу.

3.2 Ионный обмен

В химической технологии ионный обмен используют:

• с целью глубокой очистки растворов;

• удаления из сточных вод вредных примесей и организации оборотного водоснабжения;

• для разделения металлов с близкими свойствами.

3.2.1.Основные термины и физическая сущность ионообменных процессов. Структура и свойства ионитов

Под ионообменным процессом понимают обратимую гетерогенную химическую реакцию компонентов раствора с подвижными, обмениваемыми катионами и анионами ионита.

Катион – положительно заряженная частица.

Анион – отрицательно заряженная частица.

Иониты – природные или синтетические адсорбенты, нерастворимые в воде и в обычных растворителях, обладающие подвижными ионами, которые способны обмениваться на эквивалентное количество ионов раствора. Катионит – ионит, обменивающийся с раствором подвижными катионами – ионами водорода Н⁺ или другими положительно заряженными частицами. Анионит – ионит, обменивающийся с раствором подвижными анионами – ионами гидроксила или другими отрицательно заряженными частицами. Амфотерные иониты – иониты способные к катионному и анионному обмену одновременно.

Структура ионитов. Иониты представляют собой нерастворимый и неподвижный ион с большим число зарядов, нейтрализованных окружающим его подвижными ионами с противоположными зарядами.

Рис.28. Структура ионита: 1 – твердый многоатомный каркас (R); 2 – связанные с каркасом неподвижные ионы активных групп; 3 – подвижные ионы активных групп, способные к обмену

Типичными реакциями ионного обмена являются:

• реакция катионного обмена

; (185)

• реакция анионного обмена

. (186)

Рассмотрим принцип ионного обмена на примере деминерализации воды, проводимой с целью ее очистки от солей жесткости - MgCl₂, CaCl₂. Данные соли в воде диссоциируют с образованием катионов Mg²⁺, Ca²⁺:

. (187)

Поскольку обменивать необходимо катионы выбираем для обменной реакции натрий – катионит:

. (188)

Катионит обменивает ионы Na⁺ на ионы жесткости Mg²⁺, Ca²⁺. Процесс умягчения идет до тех пор, пока основная часть катионов Na⁺ не будет заменена на ионы жесткости.

По окончанию реакции ионного обмена проводят II стадию процесса – регенерацию катионита. Регенерацию проводим, например, солью NaCl, которая в растворе диссоциирует

. (189)

Реакция регенерации:

. (190)

В результате регенерации ионы натрия переходят в ионный материал и катионит, после предварительной отмывки от регенерируемого раствора, вновь готов к обменной реакции. Образовавшийся шлам утилизируют, например сжиганием.

Основные свойства ионитов, определяющие эффективность процесса: 1)механическая прочность и химическая стойкость. Это свойство ионитов определяет длительность их использования. Механической прочностью характеризуются иониты, получаемые на основе высокомолекулярных органических соединений, прочно связанные многочисленными химическим связями. В промышленных синтезах ионитов в качестве их основы часто используют технический дивинилбензол; 2)размер и форма зерен ионитов определяют гидравлическое сопротивление слоя и степень использования их обменной емкости в статических и динамических условиях. Сфера – является предпочтительной формой зерна. В этом случае обеспечивается однородная упаковка слоя и наилучшие кинетические условия протекания процесса – меньший путь внутренней диффузии. Опытным путем установлено, что оптимальные размеры сферических зерен находятся в пределах 0,50,7 мм. 3)пористость ионитов является важным фактором ускорения процесса ионного обмена при протекании процесса во внутридиффузионной области. 4)обменная емкость определяется наличием в ионитах подвижных активных групп, способных к обмену.

Под обменной емкостью ионита понимают количество катионов или анионов, поглощенных из раствора единицей объема или единицей массы ионита. Обычно обменную емкость выражают в г-экв/м³. Различают статическую и динамическую обменную емкость.

Полная статическая обменная емкость определяется выдерживанием точного объема ионита в 0,1Н растворе соляной кислоты в течении 2 часов для высокоионизированных, 24 часа для слабоионизированных ионитов и титрованием оставшегося количества соляной кислоты.

Равновесная статическая обменная емкость определяется аналогично, выдерживанием катионитов 12 часов в 0,1Н растворе хлорида кальция, анионитов – в 0,1Н растворе хлорида натрия.

Динамическую обменную емкость определяют путем пропускания растворов через слой ионита в специальных колонках. Различают:

• полную динамическую обменную емкость, определяемую до полного прекращения извлечения иона из раствора;

• рабочую динамическую обменную емкость – обменная емкость до появления (проскока) поглощаемого иона в фильтрате.

По степени ионизации (способности к обмену подвижными ионами) катиониты и иониты делятся на две группы.

Катиониты:

• высокоионизированные катиониты – КУ, обладают способностью к обмену ионов Н⁺ с широким диапазоном изменения РН раствора;

• слабоионизированные катиониты (буферные) – КБ, способны к обмену ионов Н⁺ на ион металла только в щелочных и отчасти нейтральных растворах.

Аниониты:

• высокоионизированные АВ, обладают универсальным действием;

• низкоионизированные АН, способны обмениваться анионами лишь в кислых и отчасти нейтральных растворах