CC BY
23УДК 66.011:66.023
C.B. Натареев, Е.А. Дубкова, Т.Е. Никифорова, И.С. Харченко
ИОНООБМЕННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ МЕДИ ИЗ РАСТВОРОВ В АППАРАТЕ С СЕКЦИОНИРОВАННЫМ КИПЯЩИМ СЛОЕМ ИОНИТА
(Ивановский государственный химико-технологический университет) e-mail: [email protected]
Предложена конструкция аппарата с секционированным кипящим слоем и он lima, на котором проведены исследования процесса ионообменной сорбции ионов меди из водных растворов. Установлено влияние количества секций в аппарате на степень очистки раствора.
Ключевые слова: ионный обмен, аппарат с кипящим слоем
ВВЕДЕНИЕ
Ионный обмен относится к одному из универсальных процессов химической технологии, который применяется для глубокой очистки растворов и сточных вод промышленных предприятий от ионов цветных и тяжелых металлов. Эффективность ионообменной очистки в значительной мере определяется аппаратурным оформлением процесса. Среди большого многообразия различного ионообменного оборудования выделим аппараты с кипящим слоем ионита, отличительной особенностью работы которых является интенсивное перемешивание частиц ионита и раствора, что способствует уменьшению внешне-диффузионного сопротивления и увеличению скорости обмена ионов между фазами. Вместе с тем, в аппаратах с кипящим слоем наблюдается значительная неравномерность степени насыщения ионита поглощаемым компонентом и высокое продольное перемешивание фаз. Существенное улучшение показателей работы аппарата с кипящим слоем может быть достигнуто путем секционирования слоя ионита. В соответствии с данными [1], удельная производительность по жидкой фазе однокамерных аппаратов непрерывного действия со сплошным кипящим слоем составляет 1—5 м3/(м2-ч). Для тарельчатых колонн этот показатель возрастает до 10—20 м3/(м2-ч). При этом уменьшаются загрузка ионита в аппарат и высота эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТС). На всех тарелках толщина кипящего слоя ионита не превышает 4—8 см. Однако в связи с наличием зоны разделения твердой и жидкой фаз, располагающейся над зоной кипения ионита, общая высота аппарата значительно возрастает. Увеличение рабочего объема аппарата не происходит в случае секционирования сплошного кипящего слоя вертикальными перегородками. При этом удельная металлоемкость таких аппаратов намного меньше,
чем колонных аппаратов кипящего слоя, секционированного по высоте тарелками. Создание и внедрение в процессы ионообменной технологии новых эффективных аппаратов кипящего слоя, обладающих высокой надежностью, простотой конструкции и малой металлоемкостью, является одной из актуальных задач.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе предложена конструкция многосекционного аппарата непрерывного действия с кипящим слоем, секционированным вертикальными перегородками (рис. 1), защищенная патентом на полезную модель [2]. Данный аппарат содержит четыре секции. Исходный раствор непрерывно подается в каждую секцию аппарата, проходит снизу вверх через распределительную решетку 2 и кипящий слой ионита, где очищается от ионов металла. Очищенный раствор удаляется из аппарата через патрубок 13. Отрегенерированный ионит поступает в первую секцию аппарата, а затем через переточную трубку 8 переходит во вторую секцию. Перемещению ионита из секции в секцию способствует поток раствора, поступающий из инжектирующей трубки 10. Вместе с ио-нитом, при переходе его из одной секции в другую, поступает небольшое количество раствора по инжектирующей трубке 10 и по переточной трубке 8. Аналогичным образом ионит поступает в третью и четвертую секции. Отработанный ионит удаляется из последней четвертой секции аппарата через штуцер 12.
Четырехсекционный аппарат с кипящим слоем 1 входил в состав лабораторной ионообменной установки (рис. 2), в которой проводили исследование процессов ионообменной сорбции ионов меди катионитом Ье\¥а1й 8—100 и регенерации отработанного катионита раствором соляной кислоты. Регенерация катионита осуществлялась в тарельчатой противоточной колонне 2 с плотным
движущимся слоем сорбента. Отмывку катионита от остатков соляной кислоты проводили дистиллированной водой, которая в качестве рабочего агента подавалась в сопло водоструйного насоса 9. Во всасывающий патрубок водоструйного насоса поступал отрегенерированный катионит из ре-генерационной колонны. Смесь воды и катионита поднималась вверх по трубе в емкость / 0. откуда катионит дозатором 3 подавался в аппарат с кипящим слоем 1.
соту неподвижного слоя в 1.5 — 2.2 раза. В работе [5] указано, что концентрация регенерирующего раствора приблизительно должна быть равна концентрации десорбируемого иона в слое ионита.
Отработанный регенерирующий раг/лВпр
Подача раствора на очистку
Рис. 1. Схема аппарата: 1 - корпус; 2 - распределительная решетка; 3 - камера для кипящего дисперсного материала; 4
- камера для равномерного распределения очищаемого раствора; 5,6- вертикальные перегородки; 7 - патрубок для
ввода исходного раствора в аппарат; 8 - переточная трубка; 9
- патрубок для ввода ионита в аппарат; 10 - инжектирующая трубка; 11 — конический зонт; 12 - штуцер для вывода отработанного ионита из аппарата; 13 - патрубок для удаления очищенного раствора; 14 - штуцер для опорожнения аппарата
Fig. 2. The device scheme: 1 - body; 2 - distribution equipment; 3 - the camera for a boiling disperse material; 4 - the camera for uniform distribution of a cleared solution; 5, 6 - vertical partitions; 7 - a branch pipe for the input of an initial solution in a device; 8 - overflow pipe; 9 - branch pipe for the input of ionite in a device; 10 - injection tube; 11 - conic umbrella; 12 - flow-off fitting for used ionite output; 13 - branch pipe for removal of the purified solution; 14 - the union for unloading the device
Выбор катионита Lewatit S—100 был обусловлен его хорошими сорбционными и кинетическими свойствами при извлечении из водных растворов ионов двухвалентных металлов [3]. В соответствии с работой [4] процесс ионного обмена эффективно протекает в кипящем слое при условии, если высота кипящего слоя превышает вы-
Обозначение и наименование среды PI - исходный раствор в секцию 1 аппарата 1 Р2 - исходный раствор в секцию 2 аппарата 1
Рис. 2. Схема адсорбционно-регенерационной установки: 1 - аппарат с кипящим слоем; 2 - регенерационная колонна; 3,4,7 - дозатор; 5, 6 - ротаметр; 8, 10, 13, 14 — емкость;
9 - струйный насос; 11, 12 - насос Fig. 2. The scheme of adsorption-regenerationing device: 1 - device with a fluid-bed layer; 2 - regeneration column; 3,4,7 -batcher; 5, 6 - flowrator; 8, 10, 13, 14 - container; 9 - the jet pump; 11, 12—pump
С учетом данных рекомендаций были приняты режимные параметры работы ионообменной установки. С целью определения влияния количества секций в аппарате на степень очистки раствора в опытах использовали аппараты с кипящим слоем с одной, двумя и тремя секциями. Во всех опытах использовали аппараты диаметром Da 0.08 м и высотой кипящего слоя Нкс 0.08 м. С увеличением количества секций в аппарате общий рабочий объем аппарата уменьшался незначительно, поскольку перегородки в аппарате были изготовлены из тонкого листового материала, а переточные трубки имели небольшой диаметр. Объемный расход очищаемого раствора Qp поддерживался равным 2.26-10"5 м3/с, обеспечивая порозность кипящего слоя екс 0.62. При проведении исследований изменялись концентрация исходного раствора сульфата меди Саг в интервале от 0.0093 до 0.1014 кг-экв/м3 и объемный расход катионита ()„, от 1.52-10"7 до 9.77-10"7
м/с. Регенерационные ко-
лонны имели диаметр /)„ 0.04 и 0.06 м. По высоте колонн были установлены на расстоянии 0.03 м провальные тарелки. В зависимости от расхода катионита, высота слоя Нрег в регенерационных колоннах составляла 0.8—1.2 м. В качестве регенерирующего агента использовали раствор соляной
объем-
.-7
кислоты концентрацией Срег 1.5 кг-экв/м
ный расход ()рег которой изменялся от 6.09-10" до 7.07-10"6 м3/сТ
В работе были использованы реактивы Си80|-5Н20 и НС1 квалификации «х.ч.». Подготовку катионита Ье\¥аШ 8—100 проводили по методике [6]. Для определения в растворе ионов меди использовали йодометрический метод. Титрование проводили раствором тиосульфата при добавлении в анализируемый раствор роданисто-йодистой смеси и раствора серной кислоты. Содержание ионов водорода устанавливали титрованием раствора перекристаллизованной буры исследуемым раствором в присутствии индикатора метилового оранжевого [7].
Перед началом опыта в адсорбционный аппарат помещали катионит в Н-форме, а в реге-нерационную колонну катионит в Си-форме. После установления стационарного режима работы ионообменной установки проводили отбор проб очищенного раствора из каждой секции и на выходе из сорбционного аппарата. Из регенерацион-ной колонны отбор раствора на анализ проводили через специальные отверстия, расположенные по высоте аппарата.
Степень очистки раствора в сорбционном аппарате определяли по уравнению:
Ч 1 ^ ' ■ ■ У ( ■ V-
где Сеых - концентрация раствора на выходе из аппарата с кипящим слоем катионита.
Порозность кипящего слоя рассчитывали по уравнению:
V ~[НКС — Нис( 1 - &кс)]'Нкс*
Таблица
Ионообменная очистка раствора от ионов Си2+ в аппаратах с кипящим слоем Table. The ion-exchange solution purification from Cu2 ions in devices with a fluid-bed layer
г Распределение CBbIx.i (кг-эт/м3) то секциям
кг-эт/м3 1 2 3 4
0.0036 - - -
0.0019 0.0045 - -
0.0013 0.0025 0.0049 -
0.0010 0.0018 0.0032 0.0052
0.0137 - - -
0.0076 0.0174 - -
0.0051 0.0101 0.0202 -
0.0043 0.0076 0.0121 0.0209
0.0274 - - -
0.0146 0.0360 - -
0.0103 0.0221 0.0399 -
0.0076 0.0147 0.0270 0.0433
0.0505 - - -
0.0256 0.0688 - -
0.0195 0.0415 0.0741 -
0.0136 0.0303 0.0501 0.0828
Рис. 3. Зависимости степени очистки раствора от количества секций в аппарате: 1 - Свх = 0.0093 кг-экв/м3, (2Т = 1.52 10"7 м3/с; 2 - Свх = 0.0311 кг-экв/м3. <А = 4.45 10-7 м3/с; 3 - Свх =
где Н„с. еИС - высота и порозность неподвижного 0.0603 кг-экв/м3. <А = 6.7 10"7 м3/с; 4 -Свх = 0.1014 кг-экв/м: слоя соответственно.
Удельный расход регенерирующего раствора находили по уравнению:
@рег С¡>с. ((^т ('т./>с..':::).
где Ст.рег.&г - содержание десорбированного иона в катионите на входе в регенерационную колонну, которое равно значению ионообменной адсорбции на выходе из сорбционных аппаратов с кипящим слоем ионита.
QT = 9.77 10"' m7c Fig. 3. The dependences of purification degree of a solution on sections quantity of the device: 1 - C^p = 0.0093 kg-eqv/nr3, QT = 1.52 10~7 m3/s; 2 - Ctap = 0.0311 kg-eqv/nr3. QT = 4.45 10"7 nr3/s; 3 - Cmp = 0.0603 kg-eqv/nr3. QT = 6.7 10"7 m3/s; 4 kg-eqv/nr3. QT = 9.77 10"7 nr3/s
Cmp = 0.1014
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты экспериментальных исследований ионного обмена ЯН—Си~+ в одно-, двух-, трех- и четырехсекционных аппаратах с кипящим слоем сведены в таблицу.
Найденные значения концентраций ионов меди в растворе на выходе из секций Сеых.,-. аппаратов с кипящим слоем показывают, что наибольшее извлечение меди из раствора наблюдается в первых по ходу движения катионита секциях аппарата, поскольку в них исходный раствор контактирует с отрегенерированным катионитом. В последующих секциях очистка раствора постепенно уменьшается. Однако, как видно из рис. 3, с
увеличением количества секций возрастает общая степень очистки раствора. Например, в четырех-секционных аппаратах раствор очищается на 10— 13 % лучше, чем в односекционных аппаратах. Повышение степени очистки раствора связано с увеличением степени использования обменной емкости ионита. Поскольку время пребывания отдельных частиц ионита с увеличением количества секций приближается к среднему времени пребывания ионита в аппарате в целом, то ионит на выходе из многосекционного аппарата имеет более однородную степень отработки, чем ионит на выходе из аппарата со сплошным кипящим слоем. Из взаимного расположения кривых, приведенных на рис. 3, видно, что увеличение концентрации исходного раствора, подаваемого на очистку, практически не влияет на характер зависимости степени очистки раствора от количества секций в аппарате. Следовательно, можно предположить, что обмен ионов между фазами протекает по одинаковому механизму.
С,
кг-экв/м3 0 4 г
00 04 0 3 12
X, м
Рис. 4. Зависимости изменения концентрации ионов Си2+ в жидкой фазе по высоте регенерационной колонны: 1 - Qp = 3.9 Ю-7 м3/с, QT = 9.77 10"7 м3/с, Da = 0.06 м; 2 - Qp = 6.09 10"7
м3/с, QT = 1.52 Ю-7 м3/с, Da = 0.04 м Fig. 4. The dependences of concentration change in Cu2 + ions in a liquid phase on reclaiming column height: 1 - Qp = 3.9 10"7 m3/s, QT = 9.77 Ю-7 m3/s, Da = 0.06 m; 2 - Qp = 6.09 10"7 m3/s. QT = 1.52 10"7 m3/s, Da = 0.04 m
На рис. 4 проведены результаты исследования процесса регенерации катионита Lewatit S— 100 от ионов меди раствором соляной кислоты в регенерационных колоннах непрерывного действия. Анализ приведенных зависимостей изменения концентрации меди в регенерирующем растворе по высоте аппарата показывает, что катио-нит практически полностью восстанавливает свою
обменную емкость. Высокая степень регенерации катионита достигалась вследствие применения большого избытка кислоты. Удельный расход регенерирующего раствора X составлял в среднем 5.7 экв/экв. Выбранный режим работы регенерационных колонн позволял проводить очистку раствора от ионов меди в аппаратах кипящего слоя в одинаковых условиях. Однако на практике катио-нит целесообразно регенерировать не более чем на 80 - 85 %, поскольку скорость процесса на последних стадиях значительно замедляется. Это позволит уменьшить примерно в 1.5 раза высоту регенерационной колонны.
Таким образом, разработана новая конструкция ионообменного аппарата непрерывного действия с кипящим слоем ионита, секционированным вертикальными перегородками, позволяющая повысить степень очистки раствора на 10 — 13 % и получить на выходе из аппарата ионит с более равномерным содержанием сорбируемого вещества по сравнению с однокамерным аппаратом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иониты в химической технологии. / Под ред. Б.П. Никольского, П.Г. Романкова. Л.: Химия. 1982. 416 е.; Ionites in chemical technology. / Ed. B.P. Nikolskiy, P.G. Romankov L.: Khimia.1982. 416 p. (in. Russia).
2. Натареев C.R, Кочетков A.E., Никифорова Т.Е., Вен-кин Е.Н., Натареев О.С. Патент РФ на полезную модель № 88579. 2009;
Natareev S.V., Kochetkov A.E., Hikiforova T.E., Venkin E.N., Natareev O.S. RF Patent on useful model. N 88579.
2009. (in Russian).
3. Натареев C.R, Никифорова Т.Е., Козлов B.A., Кочетков A.E. // Изв. вузов. Химия хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 8. С. 30-33;'
Natareev S.V., Nikiforova T.E., Kozlov V.A., Kochetkov
A.E. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tecknol.
2010. V. 53. N8. P. 30-33 (in Russia).
4. Волжииский А.И., Константинов B.A. Регенерация ио-нитов. Теория процесса и расчет аппаратов. Л.: Химия. 1990. 240 е.;
Volzhinsky A.I. Konstantinov V.A. Regeneration of ionites. Theory of process and calculation of devices. L.: Khimia. 1990. 240 p. (in Russian).
5. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Л.: Химия. 1983. 295 с.
Ashirov A. Ion exchange purification of wastewater, solutions and gases. L.: Khimia. 1983. 295 p. (in Russian).
6. Полянский Н.Г., Горбунов Г.В., Полянская Н.Л. Методы исследования ионитов. М.: Химия. 1976. 208с.; Polyanskiy N.G., Gorbunov G.V., Polyanskaya N.L. Metods of ionites studies. M.: Khimiya. 1976. 208 p. (in Russian).
7. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 1. Гравиметрический и титриметрический методы анализа. М.: Высш. шк. 1989. 320 е.;
Vasil'ev V.P. Analitical chemistry. Part.1.Gravimetric and titration analysis. M.: Vyssh. shkola. 1989. 320 p. (in Russian).
Кафедра машин и аппаратов химических производств, кафера технологии пищевых продуктов и биотехнологии
