1.5 Сорбційні апарати. Класифікація та принципи функціонування

Сорбційні процеси – типові процеси хімічної технології. Широка галузь застосування сорбційних процесів пов'язана з наявністю великої кількості сорбентів та сучасної апаратури.

Сорбційні реактори (апарати, фільтри) – спеціальні комплексні технологічні пристрої, що застосовують для проведення сорбційних процесів та містять типові конструктивні елементи (корпус, перемішуючі, контактні, розподільчі та транспортні пристрої, пристосування для завантаження та вивантаження, дренажні системи тощо).

Дренажні системи складаються з лучів та колекторів, що дозволяє забезпечувати рівномірний потік рідини або газу через завантаження.

Верхня дренажна система призначена для розподілення вхідного потоку по всій площі фільтру.

Нижня та середня дренажні системи призначені для утримання завантаження (шихти) та збору та відведення потоку з фільтру.

Класифікаційні критерії сорбційних апаратів	Типи сорбційних апаратів
організація процесу	Апарати періодичної, непреривної, напівпреривної дії
гідродинамічний режим	Апарати витіснення (пасивний режим), змішування (розвинутий режим), проміжний
склад завантаження	монозавантажені фільтри (катіонітні та аніонітні), ФЗД (різні суміші), багатошарові
гранулометричний склад сорбенту	Насипні (зернистий іоніт), намивні (порошкоподібний іоніт)
стан шару сорбенту	Апарати з нерухомим, рухомим, пульсуючим, перемішуваним, циркулюючим сорбентом
структура шару сорбенту в роботі	Апарати з щільним, розрідженим (зважена, суспендована) шаром сорбенту
організація контакту взаємодії фаз	Апарати з непреривним, ступінчастим контактом фаз
організація взаємного напрямку руху фаз	Апарати прямоточні, протиточні, змішаного типу
конструктивні типи апаратів	Колонні та ємкісні апарати
конструктивні типи внутрішніх пристроїв	Традиційні (з розподільчими пристроями та дренажними системами), сітчасті, дискові
спосіб подачі енергії	Апарати без підводу енергії зовні (гравітаційний рух сорбенту) та з підведенням її ззовні (примусовий рух сорбенту).

Стан шару сорбенту та організація руху та контакту фаз впливають найбільше на принцип дії апарату та визначають його конструктивний тип та вибір допоміжних елементів апаратів (подача сорбенту, дренажні системи, ковпачки).

Апарати зі щільним шаром сорбенту – фільтри.

Робота такого апарату основана на фільтруванні розчину через нерухомий шар сорбенту, на якому відбувається сорбція (іонний обмін). Очищуваний розчин пропускають до моменту "проскоку" вилучаємої речовини у фільтрат, після чого подачу розчину припиняють, а сорбент регенерують.

Переваги фільтрів:

1. достатньо ефективні (сорбент не перемішується та об'ємний вміст підтримується постійним - досипка)

2. забезпечують високу продуктивність при відповідному тиску розчину (0,6 МПа)

3. конструкція проста

4. надійні в роботі

Недоліки:

1. мають значний гідравлічних опір

2. непридатні для обробки розчинів з завісами

Пристінний ефект

Неоднорідність структури зернистого шару обумовлює і неоднорідність в розподіленні швидкостей рідини. Протікання через зернистий шар представляє собою змішану задачу: потік рідини і обтікає зерна шару і проходить в каналах між ними.

І локальні і інтегральні характеристики, пов'язані з пристіночними зонами (тобто областями, які лежать на відстані 1-2 діаметру зерна від стінки апарату) показали, що найбільш рихла структура формується біля стінки.

Геометрія зернистого шару біля стінок апарату. Перераховані характеристики геометрії зернистого шару відносяться до середньої частини фільтруючого апарату, у якому дотримується умова однорідності. Експериментальні дослідження свідчать про те, що для шарів зернистого матеріалу, які примикають до стінки апарату, умова однорідності порушується, а порозність шару, розташованого в безпосередній близькості від стінки, приблизно в 1,3÷1,6 рази перевищує порозність всередині апарату. Збільшення частки вільного перерізу біля стінок приводить до створення нерівномірного поля швидкостей по перерізу апарату. Площа пристінних ділянок зростає пропорційно діаметру апарата, а його загальна площа пропорційна квадрату діаметра, як наслідок, вплив стінки можна зменшити збільшенням відношення: діаметр апарату/діаметр зерна. Розрахунок та досвід показують, що якщо діаметр апарату в 30÷50 разів більше діаметра зерна, то вплив пристінного ефекту на динаміку сорбційного досліду мінімальний.

Загальні технологічні характеристики апаратів

Апарати з щільним шаром сорбенту дозволяють реалізовувати високі навантаження, обробляти воду з високою концентрацією домішок, регулювати об’єм сорбенту регулюванням об'єму обробляє мого розчину.

Апарати з розрідженим шаром дозволяють переробляти пульпи, легше інтенсифікувати процес масопереносу, лімітуємий зовнішньою дифузією, розріджений шар легше транспортується як в самому апараті, так і в ланцюжку апаратів. Недолік – важко організувати рівномірну подачу та вигрузку смоли, транспортування, рівномірне розподілення фаз за перерізом, невелика продуктивність, СВО.

Найбільш поширене фільтрування зверху вниз – дозволяє при відповідному тиску розчину досягати великих швидкостей фільтрування. Обмеження швидкості пов'язане з зростанням енергозатрат, руйнуванням смоли, зменшенням її РОЄ.

Регенерація сорбенту відбувається прямоточно чи протиточно.

Експлуатація катіонітних фільтрів в режимі параллельнотока має ряд серйозних недоліків:

• багатосходинковість у разі потреби глибокого зм'якшення води (до жорсткості 0,01 мг-екв/дм³);

• значна витрата реагентів на регенерацію, яка перевищує стехіометрію в 2–3 рази;

• утворення мінералізованих стічних вод, що становлять 10–30 % від продуктивності установки і що мають солевміст 3–10 г/л.

Протиточні технології : 1) з блокуванням потоком повітря або води 2) з робочим циклом у висхідному потоці (киплячий шар)

Протиточна технологія в порівнянні з прямоточною дозволяє (переваги):

• скоротити (в порівнянні з прямотоком) число встановлених фільтрів, арматури та трубопроводів в 2–2,5 рази;

• знизити витрату хімічних реагентів на регенерацію іонітів в 1,5–2,5 рази;

• зменшити потребу у воді на власні потреби ВПУ (нема спушування) та кількість скидних вод в 2–4 рази, зменшити собівартість очищеної води до 40 %;

• зменшити вимоги до зміни швидкості фільтрування (нечутливість до коливань);

• збільшити тривалість фільтроциклів іонітних фільтрів (оптимальне використання об'єму фільтру);

• покращити якість знесоленої (зм'якшеної) води за рахунок використання високоякісних монодисперсних іонітів;

• здійснюватися самоочищенню іоніту;

• додатково видаляти зважені речовини.

Назви систем: DOWEX UPCORE,

Проблеми протитоку:

• інтенсивність подачі регенераційного розчину та відмивочної води не повинна перевищувати 8...10 м/год для запобігання взважування іоніту в фільтрі. Це збільшує тривалість регенерації. Недолік компенсується кращим використанням регенераційного розчину та більш глибокою регенерацією шарів іоніту, які останніми контактують з освітлюваною водою, тобто визначають глибину її зм'якшення;

• ускладнення конструкції фільтру (наявність додаткової розподільчої системи або інертного шару)

• необхідність встановлення додаткових ємностей для регенерації, уловлювачів іонітів.