3.2.3. Кинетика и динамика ионного обмена, способы проведения процесса и их расчет, схема ионообменной установки и ее принцип работы

Описание кинетики ионного обмена сводится к решению задачи ионнообменного равновесия с добавлением уравнения кинетики лимитирующей стадии внешней (или внутренней) диффузии ионов к зоне гетерогенной реакции обмена.

Процесс обмена иона раствора Мe⁺ с ионом адсорбента H⁺ на примере реакции

(200)

в ключает пять последовательных стадий:

- перемещение вытесняющего иона Мe⁺ из раствора к поверхности зерна ионита, АС;

- перемещение вытесняющего иона внутри зерна к точке обмена,СD;

- химическая реакция замещения иона, D;

- перемещение вытесненного иона Н⁺ внутри зерна от точки обмена к поверхности раздела фаз, ;

- перемещение вытесненного иона Н⁺ от поверхности раздела в раствор, .

Из приведенных стадий 1 и 5, 2 и 4 по своей физической сущности однотипны и отличаются лишь направлением перемещения ионов. Поэтому основными стадиями кинетики протекания процесса являются: стадия химической реакции, характеризующая химическую кинетику; стадия перемещения иона из раствора к поверхности зерна (либо наоборот), характеризующая массоотдачу во внешнедиффузионной области; стадия перемещения иона внутри зерна ионита, характеризующая внутреннюю диффузию.

Задача кинетики химической реакции обмена сформулирована ранее и представлена системой уравнений (198).

Внешнедиффузионная задача перемещения ионов металла Ме⁺ к поверхности зерна ионита и внешняя диффузия вытесненного иона Н⁺ полностью аналогичны, причем массовые потоки ионов равны исходя из закона эквивалентности. Скорость процесса во внешнедиффузионной области определяется гидродинамикой жидкой фазы (режимом течения раствора), а уравнение внешней диффузии ионов представляют в виде

, (201)

где а – объемная концентрация ионов в ионите, г-экв/м³ адсорбента; С₀ – исходная концентрация ионов в растворе, г-экв/м³ раствора; С – концентрация ионов в растворе в момент времени , г-экв/м³ раствора, _ж – коэффициент массоотдачи, м/с.

Под внутридиффузионной областью ионного обмена понимают область диффузии ионов внутри зерен адсорбента. Скорость процесса в этой области зависит от структуры зерна, т.е. от его пористости, формы, размеров и описывается уравнением

, (202)

где – обменная емкость ионита, г-экв/м³, а- концентрация ионов в ионите в момент времени , г-экв/м³; _т – кинетический коэффициент, м/с.

Многочисленные эксперименты по ионному обмену показали, что скорость обменных реакция лимитируется диффузионными процессами: внешней, либо внутренней диффузией. Какой из диффузионных процессов сдерживает процесс ионного обмена определяется индивидуально для каждого вещества путем экспериментального определения кинетических коэффициентов _ж и _т.

Ионообменные процессы могут проводиться двумя способами:

• в статических условиях;

• в динамических условиях.

Физическая сущность первого способа заключается в том, что в аппарат периодического действия загружают ионит и раствор. Полученную суспензию перемешивают до насыщения ионита адсорбирующимся веществом.

Динамика периодического процесса заключается в том, что раствор пропускают через неподвижный слой ионита до момента проскока. В непрерывных процессах раствор и движущейся слой ионита подают в колонну противотоком.

Динамический способ обладает преимуществом перед статическим способом, заключающимся в том, что позволяет осуществить более глубокую очистку раствора, вследствие последовательного контакта очищенного раствора со свежими, неотработанными слоями ионита.

Расчет ионообменного процесса в статических условиях проводят следующим образом:

1)рассчитывают количество ионов металла, содержащихся в растворе

, (203)

где V - объем очищаемого раствора, м³; С₀ – концентрация ионов металла в растворе, г-экв/м³;

2)определяют объемную и массовую загрузку катионита:

, (204)

где а₀ - обменная емкость катионита, г-экв/м³;_нас - насыпная плотность катионита, кг/м³;

3)необходимый объем реакторной установки

, (205)

где V_р-ра – объем раствора, м³;

4)количество аппаратов в установке

, (206)

где V_ап – объем аппарата, м³.

Расчет ионообменного процесса в динамических условиях возможен двумя методами:

• экспериментальный метод Н.А. Шилова, основы которого рассмотрены ранее для процесса адсорбции. Для процессов ионного обмена сущность метода заключается в том, что на основании 23 опытов на слоях адсорбента различной высоты определяют коэффициент защитного действия слоя и время формирования фронта адсорбции (К и _нас) по уравнению прямой =КН-_нас. Полученные данные используют для расчета промышленной установки при условии постоянства объемного расхода;

• послойный метод. Сущность метода заключается в том, что ионообменную колонну по высоте разбивают на ряд секций (например, с псевдоожиженным слоем ионита). Ионит и жидкая фаза движутся противотоком, причем полагают, что в каждой секции раствор находится в равновесии с адсорбентом и математическая задача сводится к решению следующих уравнений:

- уравнения баланса по извлекаемому компоненту для ионообменного аппарата от его первой секции до n-ой включительно

; (207)

- уравнения изотермы ионного обмена

; (208)

- уравнение кинетики массопередачи для псевдоожиженного слоя бесконечно малой высоты

, (209)

где К_у,v – объемный коэффициент массопередачи, с^-1; V_с - объем псевдоожиженного слоя в каждой секции, м³; Q_у - объемный расход раствора, м³/с.

При расчете многосекционных ионообменных колонн необходимо определять концентрацию раствора на выходе из каждой секции. Решение системы уравнений представляют в виде:

, (210)

где - константа.

Расчет проводят до достижения необходимой конечной концентрации раствора. Высоту ионообменной колонны Н_к определяют исходя из необходимого количества секций

, (211)

где n – количество секций в аппарате, Н – высота псевдоожиженного слоя в секции колонны, м.

Устройство и схема ионообменной установки

И онообменная установка периодического действия с неподвижным слоем ионита состоит из корпуса 1, опорной решетки 2 с насыпным слоем гравия и гранулированного ионита 3. Распределительные устройства 4 и 5, выполненные в виде труб с колпачками или щелями, предназначены для равномерного распределения раствора и предотвращения уноса мелких частиц ионита.

Полный цикл работы аппарата состоит из следующих стадий: 1)собственно ионообмена; 2)отмывки ионита от механических примесей; 3)регенерации ионита; 4)отмывки ионита от регенерирующего раствора. На первой стадии раствор поступает через распределительное устройство 4, проходит сквозь слой ионита сверху вниз и удаляется через распределительное устройство 5. На второй стадии через устройство 5 подается под давлением промывная вода, которая проходит через слой ионита в противоположном направлении и удаляется через распределительное устройство 4. Для регенерации отработанного ионита через распределительное устройство 6 насосом 7 из бака 8 подается регенерируемый раствор, который движется через слой ионита в том же направлении, что и раствор. По окончании стадии регенерации проводят отмывку ионита от регенерирующего раствора водой при ее движении сверху вниз. Ионообменные колонны периодического действия с неподвижным (или взвешенным) слоем могут использоваться в виде батареи колонн в установках непрерывного действия.

Ионообменные колонны непрерывного действия с движущимся и кипящим слоем ионита аналогичны конструкциям адсорберов, рассмотренных выше. В этом случае скорость жидкости через колонну больше скорости начала псевдоожижения частиц ионита. На каждой тарелке ионит находится во взвешенном состоянии, через переливные патрубки перетекает с тарелки на тарелку и с нижней тарелки отводится на регенерацию. При проведении непрерывных процессов отдельные его стадии осуществляются в отдельных аппаратах.

В химической технологии непрерывную ионообменную очистку в кипящем слое проводят с помощью нескольких последовательно соединенных п олых колонн с пневматическим перемешиванием. В каждой колонне подача исходной пульпы осуществляется через трубу 4. За счет нагнетания сжатого воздуха, подаваемого в центральную трубу 1, достигается эрлифтный эффект и интенсивная циркуляция пульпы. Отвод отработанной пульпы осуществляется через штуцер 5. Труба 6 предназначена для подачи ионита, элифтное устройство 2,7 – для транспортировки ионита на следующую ступень каскадной установки за счет подачи сжатого воздуха через трубу 8.

Контрольные вопросы

1.Физическая сущность адсорбции, виды промышленных адсорбентов и их характеристика.

2.Равновесие при адсорбции, виды изотерм равновесия и их характеристика, движущая сила и направление протекания процесса.

3.Материальный баланс непрерывной и периодической адсорбции.

4.Механизм и кинетика адсорбции.

5.Основные типы промышленных адсорберов, их устройство и принцип работы.

6.Физические основы ионообмена: понятие катиона, аниона, ионитов. Структура ионитов, типичные реакции ионного обмена.

7.Основные свойства ионитов.

8.Рановесие при ионном обмене, его математическое описание.

9.Кинетика ионообмена, характеристика способов осуществления процесса.

10.Ионообменные установки, устройство и принцип работы.