Адсорбенты и ионоо6менные смолы

В качестве адсорбентов в промышленности используют твердые материалы, обладающие большой удельной поверхностью.

Существенное значение имеет также химическая стойкость адсорбента в рабочей среде, его механическая прочность и крупность частиц.

Активированные угли – одна из наиболее распространенных групп адсорбентов, получаемых путем сухой перегонки природных углеродистых материалов (дерево, кость и др.). Активированные угли имеют удельную поверхность 600...1700 м²/г и обладают гидрофобными свойствами (поглощают органические вещества и не поглощают воду). Этот адсорбент применяется для выделения веществ как из газовой, таки из жидкой фаз. Недостатки активированных углей – горючесть и низкая механическая прочность.

Силикагель – высушенный гель двуокиси кремния. Различные сорта силикагеля имеют удельную поверхность 300... 800 м²/г. Размер пор может изменяться в широких пределах в зависимости от принятой технологии приготовления. Силикагель наиболее прочен по сравнению с другими адсорбентами. Являясь гидрофильным* адсорбентом, он не может использоваться для поглощения неводных растворов.

Алюмогель, получаемый термической обработкой гидрата оксида алюминия, гидрофилен, так же как и силикагель, он может применяться при температурах выше 500°С. компонентов из водных растворов, но успешно применяется при адсорбции из

Особенное внимание уделяется в настоящее время использованию молекулярных сит, т. е. адсорбентов с очень тонкими порами, размеры которых соизмеримы с размерами молекул. В качестве молекулярных сит используются цеолиты – водные алюмосиликаты натрия и кальция. Использование молекулярных сит позволяет разделять смеси веществ по размерам их молекул и гибко управлять процессом адсорбции. Изменение условий приготовления цеолитов позволяет регулировать их поглотительную способность и селективность и использовать в качестве ионообменных смол.

Иониты, так же как и адсорбенты, для эффективного процесса обмена должны обладать максимальной поверхностью контакта с раствором. Различают природные и искусственные иониты.

Природные иониты (глины, апатиты, угли, целлюлоза и т. д.) нестойки в щелочах и кислотах, что существенно ограничивает их применение.

Искусственные иониты (плавленые цеолиты, гидроксиды железа и алюминия, а в особенности синтетические смолы) позволили значительно расширить область применения ионного обмена. Синтетические смолы, используемые для изготовления ионитов, чаще всего представляют собой решетку (матрицу), в которой находятся функциональные активные группы (ионы) определяющие свойства ионитов.

По знакам зарядов, принадлежащих активным группам, различают: катиониты (марка – К) и аниониты (марка – А).

Смолы, содержащие несколько функциональных активных групп различной природы, называют полифункциональными (полиамфолитами).

Сухая ионообменная смола становится ионитом только после набухания ее в воде, когда после диссоциации ионогенных групп появляются подвижные ионы.

Классификация и устройство аппаратов для проведения адсорбции

Процессы адсорбции проводятся в основном следующими способами: c неподвижным слоем адсорбента; с движущимся слоем адсорбента; с псевдоожиженным слоем адсорбента.

Аппараты с неподвижным слоем адсорбента чаще всего представляют собой вертикально установленную цилиндрическую емкость 1, заполненную адсорбентом, подаваемым через штуцер 8 и выгружаемым после окончания срока службы через люки 2 (рис. 13.1). Такие аппараты работают периодически, причем полный цикл их работы сводится обычно к четырем стадиям.

1. Собственно адсорбция – насыщение поглотителя адсорбируемым компонентом. Исходная смесь подается через штуцер 7 и отводится через патрубок 3.

2. Десорбция – выделение поглощенного компонента из адсорбента, осуществляемое путем подачи через патрубок 5 регенерирующего пара. Отвод паров при десорбции и конденсата осуществляется через штуцер 6 и патрубок 4.

3. Сушка адсорбента – удаление остатка конденсата (образовавшегося на стадии десорбции за счет воздействия регенерирующего пара) из адсорбента горячим воздухом, подаваемым через штуцер 7.

4. Охлаждение адсорбента – поскольку активность адсорбента повышается с уменьшением его температуры, после сушки он обрабатывается холодным воздухом, который также подается через штуцер 7.

Включение в технологическую схему нескольких адсорберов с неподвижным слоем адсорбента позволяет создавать условия его непрерывной работы. При этом в одном аппарате осуществляется стадия адсорбции, а в другом (других) - стадии десор6ции и регенерации адсорбента.

К недостаткам таких аппаратов и схем относится сложность управления. Кроме того, необходимость частых переключений, пропарок, сушек и охлаждений адсорбента вызывает неизбежные потери материалов, непропорциональный расход водяного пара и воздуха, велика вероятность возникновения каналов в слое адсорбента.

Аппараты с движущимся слоем адсорбента делятся на аппараты в виде полых колонн, применяемые в основном для адсорбции компонентов из газовых и паровых смесей, а также аппараты с механическими транспортными приспособлениями, используемые при обработке жидкостей.

Адсорбер с движущимся зернистым слоем адсорбента (рис. 13.2, а) представляет собой вертикальную колонну, в которую встроены холодильник 8, подогреватель 6 и распределительные тарелки 2. Зернистый адсорбент, вводимый в аппарат, перемещается сверху вниз. Скорость движения регулируется в нижней части аппарата дозатором 5. При движении адсорбент вначале охлаждается в трубах холодильника 8, затем взаимодействует с исходной парогазовой смесью, которая поступает через патрубок 7 Непоглощенная часть парогазовой смеси отводится по патру6ку 1.

Далее адсорбент нагревается в трубчатом подогревателе 6 десорбционной секции и, опускаясь, взаимодействует с вытесняющим веществом (острый водяной пар), которое вводится через патрубок 4. Регенерированный адсорбент удаляется из аппарата через дозатор 5. Продукты десорбции отводятся вместе с вытесняющим веществом через патрубок 3. Распределительные тарелки 2 препятствуют смешению парогазовых потоков адсорбционной и десорбционной секций.

В аппарате с механическим транспортированием адсорбента (рис. 13.2, б) в качестве транспортирующего приспособления используется перфорированный шнек 3. Адсорбент поступает в левую секцию корпуса 1 и шнеком 3 перемещается вниз. Далее шнеком 2 он подается в правую секцию, в которой шнеком 4 поднимается вверх и удаляется из аппарата. Поток жидкости, содержащей адсорбируемое вещество, перемещается через аппарат в направлении, обратном движению адсорбента.

Достоинством аппаратов с движущимся слоем адсорбента является возможность регулирования режимов их работы, подбора аппаратов оптимальной конструкции и размеров, осуществления непрерывности процесса.

Технологические схемы с использованием этих аппаратов отличаются сложным оборудованием, а также возможностью истирания адсорбента.

Аппараты с псевдоожиженным слоем адсорбента разделяются на одно- и многоступенчатые и обеспечивают хорошие условия для осуществления интенсивного массообмена в связи с постоянным перемешиванием частиц адсорбента в слое.

Одноступенчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем (рис. 13.3) представляет собой цилиндрический вертикальный корпус 2, внутри которого смонтированы газораспределительная решетка 3 и. пылеотделяющее устройство 1. Адсорбент загружается и выводится из аппарата через соответствующие трубы, находящиеся в его верхней и нижней частях. Рабочий газ вводится в адсорбер через нижний патру6ок и выводится через верхний.

Многоступенчатый адсорбер состоит из вертикально расположенных одноступенчатых адсорберов, адсорбент в которых перемещается сверху вниз со ступени на ступень, а рабочий газ движется навстречу потоку снизу вверх.

Несмотря на то, что каждая ступень работает в режиме, близком к полному перемешиванию, общее секционирование аппарата позволяет ему работать по схеме,

близкой к аппаратам полного вытеснения, что позволяет осуществлять процесс адсорбции по противоточной схеме и наиболее

эффективно использовать движущую силу процесса.

Эти аппараты получили развитие в конструкциях адсорберов, совмещающих процессы адсорбции в псевдоожиженном слое и десорбции в движущемся слое.

В аппаратах непрерывного действия с псевдоожиженным слоем на тарелках (рис. 13.4) адсорбент поступает из сепаратора на верхнюю ситчатую тарелку и по перетокам спускается вниз к выходу из последней тарелки в десорбционную секцию.

Адсорбент подается в аппарат из циклона 1 при повышенной температуре (после десорбции), на верхних тарелках 2 происходит его охлаждение проходящим остаточным газом. На нижних тарелках 3 адсорбент поглощает целевые компоненты из поступающей через патрубок 4 исходной газовой смеси. В десорбционной секции насыщенный адсорбент движется вертикально по трубкам 6, обогреваемым снаружи глухим водяным паром, подаваемым через патрубок 10. При этом из адсорбента выделяются адсорбированные продукты, выводимые через патрубок 5 в конденсатор. Для повышения качества процесса десорбции через патрубок 7 может вводиться острый пар, поступающий далее в конденсатор. Через регулятор 8 зернистый адсорбент выводится из колонны и поднимается пневматическим транспортом по пневмотрубе 9 наверх.

Псевдоожиженный слой может использоваться при адсорбции как из газовой, так и из жидкой фаз.

Основным недостатком рассматриваемого способа является возможность сильного измельчения адсорбента, а следовательно, необходимость установки эффективной системы его улавливания.

Ионообменная аппаратура по конструкции и принципу действия близка к адсорбционным установкам.

Цикл ионоо6менного процесса включает в себя следующие стадии: сорбция ионов из исходного раствора; отмывка ионита от исходного раствора; регенерация ионита; отмывка ионита от регенерирующего раствора.

Для ионного обмена используются аппараты периодического и непрерывного принципа действия с неподвижным, движущимся, пульсирующим, перемешиваемым и циркулирующим ионитом.

Если скорость ионообмена лимитируется внешней диффузией, особенности гидродинамики взвешенного слоя ионита позволяют в 2... 3 раза по сравнению с неподвижным слоем интенсифициро вать процесс массопереноса. Кроме того, псевдоожиженный слой позволяет перерабатывать пульпы, илистые растворы и имеет малые гидравлические сопротивления.

На рис. 13.5 представлен ионообменный смесительно-отстойный аппарат типа «пачук», снабженный двумя эрлифтами 1.

Эрлифты служат для перемешивания ионита и раствора, выгрузки ионита и откачки пульпы ионит – раствор на дренажное устройство, из которого ионит снова возвращается в контактную зону, а раствор выводится из аппарата. Объем этих аппаратов составляет от нескольких десятков до сотен кубометров, время пребывания раствора в аппарате – 20...60 мин. Для достижения заданных технологических показателей устанавливают каскад таких аппаратов.

Прямоточный аппарат с перемешиваемым, или циркулирующим, слоем ионита показан на рис. 13.6. На практике такие аппараты соединяют в противоточный каскад, и время пребывания в таком каскаде аппаратов может меняться от десятков минут до десятков часов. Удельная производительность аппарата достигает 100 м³/(м²*ч).

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются принцип и назначение процессов адсорбции и ионного обмена?

2. Как описываются условия равновесия в процессах адсорбции и ионного обмена?

3. Какие параметры влияют на активность адсорбента?

4. Какие вещества используются в качестве адсорбентов и ионообменных смол?

5. Какие основные типы аппаратов применяются для проведения процессов адсорбции и ионного обмена?

Дата добавления: 2014-01-04