Способ проведения ионообменных двухтемпературных процессов разделения смеси Советский патент 1961 года по МПК B01D15/04 

Ионный обмен как способ разделения близких по свойствам катионов в последние годы получил широкое распространение.

Известные способы противоточного ионного обмена в применении к разделению бинарных или многокомпонентных смесей катионов, близких по своим свойствам, а также изотопов, не получили распространения ввиду трудностей осуществления движения катионита, приводящих к ухудшению гидродинамических условий при противоточном разделении, что, в свою очередь, увеличивает ВЭТТ, т. е. одну из величин, характеризующих эффективность процесса.

Двухтемпературный способ разделения смесей известен (например, разделение изотопов водорода, изотопным обменом между водой и сероводородом).

Предлагается способ разделения смеси близких по свойствам катионов, а также изотопов двухтемпературным ионообменным методом, основанным на зависимости коэффициентов ионообменного разделения от температуры.

Разделение смеси осуществляется в результате непрерывного противоточного ионообменного процесса с неподвижным катионитом и подвижным температурным полем.

Установка содержит ряд последовательно соединенных между собою секций, заполненных ионообменной смолой, через которую проходит поток рабочего раствора, прокачиваемого циркуляционным насосом. Каждая секция оснащена обогревателем и теплообменником для теплоносителя. В одной части общего числа секции установки поддерживается температура, например, 5-6°, в то время как в остальных секциях - 60-65°. Таким образом, цепь секций образует две зоны с различными температурами.

По истечении определенного промежутка времени головная секция холодной зоны путем переключения тепло- и холодоносителей начинает

№ 138226- 2 работать в качестве хвостовой секции горячей зоны, а хвостовая секция горячей зоны - в качестве головной секции холодной зоны.

Теплообменники между секциями предотвращают «размыв границы между холодной и горячей зонами и служат для рекуперации энергии.

Предлагаемый способ является оригинальным вариантом противоточного непрерывного двухтемпературного процесса. Такого рода ионообменные процессы неизвестны.

Преимуп еством способа является непрерывность процесса, его эффективность, а также исключение движения катионита, которое заменяется движением температурного поля.

Из литературы известно, что величина коэффициента разделения двух ионов при обмене их между раствором и катионитом зависит от температуры. Наличие температурной зависимости коэффициента разделения дает возможность осуществить ионообменное разделение по двухтемпературной схеме, в которой будет отсутствовать химическая регенерация ионообменной смолы.

На фиг. 1 изображена принципиальиая схема двухтемпературной разделительной установки, поясняющая предлагаемый способ.

Установка для разделения ионов и изотопов состоит из двух колонок А н В, в каждой из которых поддерживается определенная температура. .В колонках осуществляется противоток твердой фазы (поток катионита- LI) и раствора (поток раствора- L2). Катионит должен иметь резко выраженную температурную зависимость коэффициента разделения (например, СБС) по отношению к разделяемым ионам (или изотопам). Вторая, жидкая фаза представляет собой раствор, содержащий разделяемые ионы (или изотопы).

В колонке Л разделение происходит при температуре TI, с соответствующим этой температуре коэффициентом разделения аь В колонке В оймен происходит при темнературе Г,, при которой коэффициент раздел&|{ия az, будет меньше оь Для увеличения эффективности разделения температура TZ должна быть максимальной, при которой еще не будет происходить деструкция катионита (для СБС 80°). Поток фазы катионита может быть замкнутым. Питание F осуществляется в форме раствора, вводимого в нижнюю часть колонки, где концентрация разделяемого иона в растворе равна концентрации его в потоке питания. Отбор продукта Р с концентрацией Хк производится из потока раствора между колонками. Поток раствора на выходе из колонки А, где концентрация выделяемого иона минимальна, идет в отвал.

Так как 02 аь концентрация во входящем в колонку В обогащенном потоке LI будет выше равновесной для температуры Т в колонке В. Вследствие этого в колонке В будет идти процесс в сторону установления нового равновесия. Этот процесс будет вести к десорбции из потока LI обогащаемого катиона и переводу его в поток L.

Противоточный обменный процесс осуществляется без специального обращения фаз. Концентрация Хн выделяемого иона в потоке W, идущем в отвал, стремящаяся при бесконечно большом числе ступеуней к (lim У ) будет меньше концентрации в питающем

растворе - Х (тУ azX). За счет разности концентраций во входящем и уходящем потоках происходит обогащение и отбор продукта.

На фиг. 2 изображен графически процесс, происходящий в колонке рассмотренной схемы в системе координат X - У,

где: X - концентрация компонента в обедненной фазе; У - концентрация компонента в обогащенной фазе. Обозначим:

у 1 -л: -, равновесная кривая низкотемпературной зоны в

колонке (Л на фиг. 1);

411V«2 -- Г равновесная кривая высокотемпературной зоны в

колонке (В на фиг. 1).

Рабочая линия колонки А является прямой линией, описываемой следующим уравнением:

Y ,(X-X,) + Y,,

Рабочая линия колонки В выражается так: (Х-Х„) + },

Осуществляя питание в точке, расположенной ниже верхнего конца колонки А, можно создать ионообменный разделительный процесс с исчерпыванием, схема которого изображена на фиг. 3. В этом случае из колонки А будет уходить в отвал ноток раствора с концентрацией выделяемого иона, меньщей исходной. Процесс, происходящий в колонке с исчерпыванием, графически изображен в координатах X - У на фиг. 4. Величины , 2 и 1з для процесса, изображенного на фиг. 3, рассчитываются так же, как и для процесса, изображенного на фиг. 1, с помощью уравнений материального баланса.

Исходя из вышеизложенного, предлагается следующий вариант двухтемпературной установ-ки ионообменного разделения ионов (в частности, метод может быть применен для разделения изотопов).

Разделение ионов можно осуществить по следующей схеме (фиг. 5). В ионообменной колонке неподвижно расположены катионит с резко выраженной температурной зависимостью коэффициента разделения ионов (например, СБС). Катионит насыщен разделяемыми ионами. Через ионообменник пропускается раствор солей разделяемых ионов. В определенной части разделительной колонки создается повышенная температура. Зона с высокой температурой оередвигается со скоростью, меньшей скорости движения раствора в колонке. Направление движения температурной зоны должно совпадать с направлением движения раствора. При определенных параметрах установки соотношение скоростей движения раствора и температурной зоны определяют соотношение потоков в разделительной колонке. Если при Т коэффициент разделения больше, чем при Га, то при движении раствора и температурных зон вверх на верхнем конце низкотемпературной зоны будет концентрироваться более легко сорбируемый ион, а на нижнем конце другой ион.

Схема на фиг. 5 дана для случая концентрирования из исходной смеси менее легко сорбируемого иона. При осуществлении процесса с целью концентрирования другого иона соответственно меняются точки отбора, питания и отвала.

Осуществляя питание через точку колонки, расположенную внутри температурной зоны, можно осуществить процесс концентрации обоих ионов (процесс исчерпывания).

- 3 № 138226

L., где

где I-, -:. LI

№ 138226- 4 На фиг. 6 дана схема такого процесса. В точке, из когорой на схеме фиг. 6 осуществляется отбор, концентрируется более трудно сорбируемый ионообменником ион. Из точки отвала будет отбираться другой ион.

Движение температурной зоны по колонке можно осуществить, либо перемещая по колонке нагреватель, либо, разбив колонку на ряд секций, подавать в одни секции теплоноситель, а в остальные хладагент и производить соответствующие переключения подачи холодного и горячего агента.

Пример. Результаты разделения лития и аммония, полученные на лабораторной установке.

Колонки А т В (см. фиг. 5) выполнены в виде 12 стеклянных ячеек, наполненных катионитом СБС. Движение температурных зон осуществляют поочередным переключением нагревателей ячеек, находящихся к данному времени на концах зоны, с работы при температуре Г на работу при температуре TZ и наоборот. Результаты одного из опытов представлены в виде графика (см. фиг. 7), на котором дано распределение концентраций лития по разделительным ячейкам.

Предмет изобретения

Способ проведения ионообменных двухтемпературных процессов разделения смесей в растворе путем их пропускания через катионит с резко выраженной температурной зависимостью коэффициента разделения, отличающийся тем, что, с целью обеспечения эффективности и непрерывности процесса, разделение осуществляют в секционированной колонке, заполненной неподвижным катионитом, при постепенном перемещении по длине колонны горячей и холодной зон путем соответствующего переключения тепло- и холодоносителя, омывающих секции через стенку.

Фиг. I

i/S. J

OmSa/i

Д Отбор

L/.

Питание

Фиг 5

Фиг. 2

Of/

н . . кX

ФигЛ

От&ап

Питание Д

OmSop В

Фиг Р

Т в в to ff t ТГ

7