Способ проведения сорбционного процесса и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК B01J47/00 B01J8/26 

Изобретение относится к сорбцион технологии, а именн.о к способам извл чения компонентов из природных и промышленных вод полидисперсным сорбентом, и может быть применено для очистки сточньк вод промьшшенньпс пре приятий и извлечения различных ценны компонентов из растворов. Известен способ и аппарат для извлечения ценных компонентов из рас воров стационарным слоем твердого сорбента 1. Недостатками данного способа являются невозможность достижения высо кой степени отработки сорбента по целевому компоненту при очистке промышленных вод до предельно допустимы концентраций вследствие хаотичности распределения зерен сорбента различных размеров по объему слоя в аппара те, а также неполноты насыщения сор бента целевым компонентом на.выходе жидкой фазы из аппарата вследствие формирования фронта концентраций в слое; необходимость подбора распределительных устройств,, предотвращающих унос сорбента из аппарата; ограниченность диапазона скоростей прохождения жидкости через сорбент вследствие высокого сопротивления распределительных устройств и слоя твердой фазы; необходимость тщательной очистки пропускаемой через сорбент промышленной воды от механических примесей (до остаточного их содержания не более 1-5 г/м); большие габариты используемых аппаратов. Эти недостатки периодического способа осуществления сорбционного процесса не позволяют проводить с ег помощью высокопроизводительный процесс извлечения компонентов из раствора. Для интенсификации сорбционных процессов их осуществляют в непрерывном и полунепрерывном режимах. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо му результату является способ проведения сорбционного процесса, включаю щий контактирование твердого полидис персного сорбента с жидкой фазой в полунепрерывном режиме путем -периоди ческой загрузки и выгрузки сорбента в многосекционный аппарат колонного типа и непрерывной подачи жидкой фазы навстречу движущемуся из секции в секцию сорбенту с пеевдоожижением слоя последнего по высоте каждой секции аппарата t2. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для осуществления способа проведения сорбционного процесса, представляющее собой многосекционный аппарат колонного типа, разделенный провальными тарелками регулируемого свободного сечения и содержащий насадку в виде вертикальных сетчатых перегородок, устройство загрузки и выгрузки сорбента и ввода и вывода жидкой фазы 2. По данному способу сорбционный процесс ведут в полунепрерывном режиме, осуществляя в устройстве, содержащем корпус, разделенный на секции горизонтальными провальными тарелками регулируемого свободного сечения, и системы подачи сорбента и промьш ленных вод. Внутри секций корпуса возможна установка насадки, выполненной в виде вертикальных перегородок. В каждую секцию аппарата загружают твердьш сорбент и осуществляют непрерывную подачу потока жидкой фазы (промышленной воды), обеспечивающую псевдоожижение слоев сорбента. При достижении на выходе из аппарата предельно допустимой концентрации (ПДК) целевого компо 1ента в жидкости осуществляют последовательную перегрузку слоев сорбента по секциям аппарата путем увеличения размеров отверстий в провальных тарелках регулируемого свободного сечения. Затем сорбционный цикл повторяют. Отработанный твердый сорбент из нижней секции аппарата подают на регенерацию,- которую проводят в другом аппарате. Однако при реализации данного способа в отсутствии насадки происходит интенсивное перемешивание частиц полидисперсного сорбента с размером зерен 0,25 - 1,6 мм по всему объему каждой секции аппарата, что, вследствие неодинаковых кинетических характеристик частиц сорбента различного размера, приводит к низкой степени использования его рабочей емкости, которая не превьш1ает 0,70,75 от теоретически возможной. Кроме того, известное устройство не обеспечивает классификацию частиц полидисперсного сорбента по высоте его слоя в каждой секции аппарата. Это и предопределяет относительно низкую степень использования рабочей емкости сорбента. Цель изобретения - повышение степени использования емкости полидисперсного сорбента и обеспечение псев доожижения полидисперсного сорбента по высоте каждой секции аппарата в режиме классификации его частиц в пределах кратности расширения его сл от 1 ,2 до 1,7... Поставленная цель достигается тем что согласно способу проведения сорб ционного процесса, включающему конта тирование твердого полидисперсного сорбента с жидкой фазой в полунепрерывном режиме путем периодической загрузки и выгрузки сорбента в много секционный аппарат колонного типа и непрерывной подачи жидкой фазы навстречу движущемуся из секции в секцию сорбенту с псевдоожижением слоя последнего по высоте каждой секции, псевдоожижение полидисперсного сорбе та. ведут в режиме классификации его частиц от большого размера к меньщему по высоте слоя в пределах кратности его расширения от 1,2 до 1,7, которую определяют из соотношения К Н/Н где К - кратность расширения слоя по лидисперсного сорбента; Н и Нр- высота псевдоожиженного и не подвижного слоев сорбента соответственно. Кроме того, в устройстве для проведения сорбционного процесса, представляющем собой многосекционный аппарат колонного типа, разделенный провальными тарелками регулируемого свободного сечения и содержащий насадку в виде вертикальных сетчатых перегородок, а также устройства загрузки и выгрузки сорбента и ввода и вывода жидкой фазы, насадка имеет вид призматически профилированных се ток. Лри этом отношение высоты сетчат призматической насадки к наибольшей диагонали образующегося в ее сечени многоугольника составляет 4-6. Способ осуществляют в аппарате колонного типа,.содержащем насадку, выполненную в виде вертикальных пер городок, расположенных в секциях аппарата на протяжении всей высоты псевдоожиженного слоя. Перегородки для секционирования слоя вьшолняют из профилированных сеток, устанавливаемых в аппарате так, что они образуют правипьные призматические ячейки по всему рабочему объему секции аппарата, причем высота перегородок превышает наибольшую диагональ образующегося в сечении ячейки правильного многоугольника в 4-6 раз. На фиг.1 изображена секция предлагаемого устройства, общий вид; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - профилированная сетчатая перегородка. Устройство содержит секции 1, ограниченные корпусом 2 и провальными тарелками 3 регулируемого свободного сечения. В секциях 1 установлены вертикальные профилированные сетчатые перегородки 4, с отверстиями 5, образующие правильные призматические ячейки 6. При этом Н - высота перегородки, d - наибольшая диагональ правильного многоугольника, образующегося при горизонтальном сечении ячейки 6. Форма профиля сетчатых перегородок определяется формой аппарата. Так, для цилиндрических аппаратов целесообразно использовать трапецеидально-профилированные сетчатые перегородки, изображенные на фиг.З. При использовании аппаратов прямоугольного сечения целесообразно применять сетчатые перегородки прямоугольного профиля с тем же отношением H/d. Высота Н перегородок определяется высотой рабочей зоны секции аппарата, которую имеет псевдоожиженньй слой сорбента. Размер d обеспечивают таким, чтобы соотношение H/d находилось в пределах 4-6. Устройство работает следующим образом. В секции 1 аппарата, разделенные на ячейки 6, загружают твердый полидисперсный сорбент и подают поток жидкой фазы с такой скоростью,чтобы псевдоожиженные слои сорбента в секциях аппарата имели кратность расширения от 1,2 до 1,7 (или порозность в пределах 0,5-0,65). Величину порозности псевдоожиженного слоя сорбента контролируют в процессе с помощью известных приборов - порозностомеров СЗ. Кратность расширения слоя сорбента (К) определяют визуально путем контроля уровня псевдоожиженного и неподвижного слоев сорбента , через специальные смотровые окна. устанавливаемые в секциях аппарата. При этом частицы полидисперсного сорбента распределяются в зависимости от их размера по высоте Н ячеек 6 в секциях 1 аппарата. Отверстия 5 в сетчатых перегородках А обеспечивают переток частиц сорбента из Ячейки в ячейку в горизонтальном направлении и равномерность его распределения по сечению секции. Таким образом, псевдоожижение осуществляется в режиме классификации частиц сорбента в зависимости от их размера от большего к меньшему по высоте рабочей зоны секции аппарата. При достижении на выходе из верхней секдаи ап: парата предельно допустимой концентра ции (ПДК) целевого компонента в жидкой фазе осуществляют последовательное открытие и закрытие до первоначального состояния отверстий в провальных тарелках 3 снизу вверх по аппарату, не прерывая подачи потока жидкой фазы, вследствие чего происхо дит перегрузка сорбента сверху вниз по секциям аппарата. В верхнюю секцию аппарата загружают свежий (регенерированньй) сорбент, а отработанный сорбент из нижней секции направляют на регенерацию. После чего цикл повто ряют. Вьш1еприведенные условия проведения сорбционного процесса с псевдо- ожижением слоя сорбента по высоте сек ций аппарата и его устройство являются оптимальными для достижения постав ленной цели - увеличения степени использования емкости полидисперсного сорбента. Поскольку движущая сила процесса сорбции уменьшается по экспоненциальному закону с высотой слоя, то с точки зрения массообмена, а значит и степени использования емкости полидисперсного сорбента по целевому компоненту, необходимо организовать псев доожиженный слой, в котором будет осуществляться режим классификации частиц сорбента в завис ости от их размера по высоте рабочей зоны в каждои секции аппарата. Тогда частицы максимального размера будут находиться в нижней части слоя, т.е. там, где движущая сила процесса максимальна, а частицы минимального размера будут находиться в верхней части слоя,т.е. там, где движущая сила процесса минимальна. Такое распределение полидисперсного сорбента по высоте слоя является оптимальным, так как частицы минимального размера насьщаются быстрее, чем максимального, поэтому они должны находиться в той части слоя, где наименьшая движущая сила процесса, т.е. вверху секции, и наоборот, для частиц максимального размера насьЕцение проходит медленнее. поэтому они должны находиться в той части слоя, где движущая сила процесса наиболее велика. Специально проведенные эксперименты показали, что режим классификации частиц полидисперсного сорбента (с величиной ф ктора неоднородности .7 2,5) по размерам во взвешенном слое обеспечивается в диапазоне кратности расширения слоя от 1,2 до 1,7 (порозностей слоя от 0,5 до 0,65) при условии использования насадки, выполненной в виде призматически профилированных сеток с отношением высоты к наибольшей диагонали образующегося в ее сечении многоугольника 4-6. В этих условиях достигается наибольшая степень отработки полидисперсного сорбента по целевому компоненту. Если проводить процесс при порозности слоя больше 0,65, то степень отработки сорбента снижается вследствие усиления перемешивания твердой фазы в слое. При осуществлении процесса во взвешенном слое с порозностью меньше 0,5, также наблюдается снижение степени отработки, что обусловлено уменьшением интенсивности процесса за счет снижения скорости протекания жидкой фазы через слой сорбента. Кроме того, при таких низких значениях порозности слоя, а значит и низких значениях скорости ожижающего агента, частицы сорбента больших размеров не ожижаются, что приводит к снижению производительности процесса. Увеличение соотношения не приводит к увеличению степени отработки сорбента, но увеличивает материалоемкость конструкции и гидравлическое сопротивление насадки. При уменьшении соотношения , уменьшается степень отработки сорбента вследствие усиления перемешивания твердой фазы в слое. Преимуществом трапецеидальной или прямоугольной формы профиля сетчатых перегородок является простота изготовления и равномерность распределения образующихся из них ячеек по объему секции аппарата цилиндрическо го или прямоугольного сечения соответственно. Пример 1. Проводят очистку раствора, имитирующего по составу промьшленную воду, от ионов цинка (Zn ) полидисперсным промышленным катионитом КУ-2 в натриевой форме. Концентрация ионов цинка в воде 140160 мг/лу PacTiBopa 4-6. Очистку ведут до ВДК в воде, равной 1 мг/л. Процесс осуществляют на эксп риментальном полупромь1ПШ1ённом трехсекционном адсорбере полунепрерывного действия с тарелками регулируемого свободного сечения при порозности псевдоожиженных слоев в секциях аппарата , что соответствует рабочей высоте слоев Н.д 0,27 м и рабочей скорости подачи очищаемой воды, равной (1 ,4-0,2) ЮЗ м/с. В установившемся режиме работы аппарата, при котором все переменные про цесса повторяются из цикла в цикл, определяют степень отработки катиони та по цинку, которая составляет величину 0,85-0,87. Пример 2. Процесс, аналогич ный .примеру 1, проводят при порозности псевдоожиженных слоев 0,65, что соответствует рабочей высоте слоев Н м и рабочей скорости .подачи жидкой фазы, равной (4,8-0,3) м/с. Степень отработки катиони та КУ-2 по цинку в установившемся режиме составляет 0,83-0,86. Пример 3. Проводят очистку того же исходного раствора до ПДК от цинка (в виде анионов ZnClj) при рН 1-2 на полццисперсном промьшшен ном анионите АВ-17 в хлоридной форме Процесс осуществляют при порозности 888 псевдоожиженных слоев 0,6, что соответствует высоте слоев Н 0,33 м и рабочей скорости подачи жидкой фазы, равной (2,2 ± 0,2).10- м/с. Степень отработки анионита АВ-17 по цинку в установившемся режиме составляет 0,84-0,86. Для сравнения в этом же аппарате аналогичным образом проводят процесс очистки раствора по способу-прототипу при порозиости псевдоожиженных слоев, равной 0,7, без использования профилированных сетчатых перегородок. Высота слоев сорбента в секциях аппарата 0,44 м, а рабочая скорость подачи раствора (6,7+0,3)«10 м/с. Степень использования рабочей емкости сорбента - 0,7-0,75. Таким образом, реализация предложенного способа позволяет увеличить степень отработки полидисперсного сорбента по целевому компоненту и степень использования его обменной емкости по сравнению со способом-прототипом на 13-16%, что равносильно зквивалентному сокращению количества используемого сорбента для очистки промышленных,вод по ПДК различных примесей, а значит и уменьшению расхода реагентов на его регенерацию. Технико-экономическая эффективность от использования данного способа и аппарата для его осуществления применительно к промышленной очистке растворов от цинка, по сравнению с базовым объектом - процессом сорбционного извлечения цинка из сульфатнохлоридного никелевого электролита полидисперсным анионитом на комбинате Южуралникель, заключается в уменьшении расхода сорбента и реагентов на его регенерацию, что обеспечит экономический эффект около 120 тыс. руб. на одну установку в год.

1. Способ проведения сорбционного процесса, включающий контактирование твердого полидисперсного сорбента с жидкой фазой в полунепрерывном режиме путем периодической загрузки и выгрузки сорбента в многосекционный аппарат колонного типа и непрерывной подачи жидкой фазы навстречу движущемуся из секции в секцию сорбенту с псевдоожижением слоя последнего по высоте каждой секции аппарата, отличающийся тем, что, с целью повьшения степени использования емкости полидисперсного сорбента, псевдоожижение полидисперсного сорбента ведут в режиме классификации его частиц от большего размера к меньшему по высоте слоя в пределах кратности его расширения от 1,2 до 1,7, которую определяют из соотношения , где К - кратность расширения слоя полидисперсного сорбента; Н и HQ- высота псевдоожнженного и g неподвижного слоев сорбента соответственно. 2.Устройство для проведения сорбционного процесса, представляющее собой многосекционный аппарат колонного типа, разделенный провальными тарелками регулируемого свободного сечения и содержащий насадку в виде СО вертикальных сетчатых перегородок, а ел также устройства загрузки и выгрузки сорбента и ввода и вывода,ждцкой со фазы, отличающееся тем, 00 00 что, с целью обеспечения псевдоожижения полидисперсного сорбента по высоте каждой секции аппарата в режиме «. класси4шкации его частиц в пределах кратности расширения его слоя от 1,2 до 1,7, насадка имеет вид призматически профилированных сеток. 3,Устройство по п. 2, о т л ичающееся тем, что отношение высоты сетчатой призматической насадки к наибольшей диагонали образующегося в ее сечении многоугольника составляет .

фиг. 2

фг/г.