Способ разделения смесей веществ Советский патент 1979 года по МПК B01J1/04 

Изобретение относится к способам разделени смесей веществ, очистки веществ и извлечения ценных KOMnofKHTOB из смесей ионным обменом и может быть использовано для разделени смесей близких.по свойствам веществ и извлечения ценных элементов из растворов. Известен способ разделения смесей веществ ионным обменом в установке из двух противоточных колонн, в одной из которых осуществляют фронтальное разделение раствора смеси с получением слабее сорбируемого компонента, а в другой - вытеснение разделяемых ионов из лученного в первой колонне ионита с накопле нием сильнее сорбируемого компонента 1. Недостатком этого способа является необходимость применения вспомогательных ионов для обеспечения щгркуляции обогащенных потоков, что приводит к затратам реактивов, к дополнительным операщ{ям регенерации ионита и вспомо гательного электролита, к циркуляции в системе дополнительного количества ионита. Кроме того, в ряде случаев трудно или невозможно подобрать подходящие вспомогательные ионы. Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ разделения смесей веществ по авт.св. № З73012.ионным обменом, заключающийся в том, что разделяемую смесь последовательно пропускают через вспомогательную и разделительную секций колонны противотоком к циркулирующему иониту, насыщенному разделяемыми ионами, в условиях, nprf которых селективность ионита по отнощению к извлекаемому компоненту во вспомогательной секции меньще, чем в разделительной, причем с целью одновременного получения двух крайних по сорбируемости. компонентов смеси раствор после извлечения одного компонента в первой колонне подают во вторую колонну и выходящий из нее раствор после извлечения другого компонента вместе с дополнительным количеством питающего раствора подают в первую колонну. Недостатками известного способа является необходимость создания в секциях колонн ycJioвий, обеспечивающих значительные различия в величинах однократных коэффициентов разделения ( - С,-), так как эта разность определяет производительность, и необходимость иоддержания постоянства скоростей движения фа:) с высокой точностью, так как разделение достигается в достаточно, узком интервале соотношен потоков разделяемых ионов с раствором L и ионитом S, который в случае линейной изотермы равновесия определяется соотношением L -§- г(I) , Т 1 где oL И М и п - эквивалентные доли сильнее сорбируемого компонента смеси в ионите и растворе. Целью изобретения является усовершенствование способа разделения смесей веществ по авторскому свидетельству № 373012, обеспечиваю щее увеличение производительности процесса и расширение интервала соотношений потоков фаз, при которых происходит эффективное разделение. Поставленная цель достигается способом, вкл чающим разделение смесей веществ с использованием полифункционального ионита, преимущественно катионита или анионита, содержащего разделяемые ионы при рН раствора, обеспечи вающем в одной колонне вытестение разделяемых ионов из части обменных групп ионита, а; в другой - дополнительную сорбцию разделяемых ионов. Предпочтительным является осуществление вытеснения разделяемых ионов в одной колонн ;при рН 5-1 (в случае использования катионита) и рН 9-14 (в случае анионита) и осуществление сорбции в другой колонне при рН И-14 ( в слу чае использования катионита) и при рН 0,1-3,0 (в случае использования анионита); при этом ионит после первой колонны направляют во вто рую, а после второй - в первую, а часть раствора (преимущественно 0,5-0,9), выходящего из колонны, в которой получают слабее сорбируемый компонент, возвращают для питания этой же колонны. Для осуществления предложенного способа целесообразнее использовать из полифункциональиых ионитов (например, из сульфофенольг ных катионитов КУ-1, вофатита F, амберлита и др.) отечественный катионит КУ-1, который при одинаковой обменной емкости более избирателен к ионам R6 и Cs. На чертеже изображена схема разделения смесей веществ, по которой осуществляют предложенный способ, где 1 и 2 - противоточные ионообменные 1« лонны;оС|Н о у-равновесные коэффициенты однократного разделения компонентов смеси при использовании полной сорбционной способности и сорбционной способности только по сил 1юдиссоциирую11 им группам соответственно; Lijr - поток разделяемой смеси с подаваемым в колонну 1 раствором; поток.разделяемой смеси с выходящим из колонны 1 раствором; Lj fj поток ра:)делясмой смеси с подаваемым в колонну 2 растйором; Lj f поток разделяемой смеси с выходяшим н) колонны 2 раствором; Sj| поток разделяемой смеси с подаваемой в колонну ионитом; Sj - поток разделяемой смеси с подаваемым в коло1шу 2 ионитом. В колонну 1 сверху подают ионит, насыщенный только по сильнодиссоциирующим группам, снизу - щелочной (в случае катионита) или кислотный (в случае анионита) раствор разделяемой смеси. Скорости движения фаз подбирают так, чтобы граница между щелочным (кислотным) и нейтральным растворами удерживалась в середине колонны. На этой границе происходит сорбция разделяемых ионов слабодиссоциирующими группами ионита. Вблизи границы происходит концентрирование слабее сорбируемого компонента смеси. Вь ходящий из колонны 1 нейтральный раствор, в котором отношение концентраций разделяемых ионов близко к Отношению в подаваемом растворе, подкисляют в случае разделения катионов - (или подщелачивают при разделении анионов) и направляют в колонну 2, в которую сверху подают ионит, вышедший из колонны 1. Скорость движения фаз подбирают так, чтобы граница между зонами с кислотным и щелочным растворами, на которой осуществляют десорбцию разделяемых ионов из слабодиссоциированных групп ионита, оставалась неподвижной относительно стенок колонны. Вблизи этой границы происходит накопление сильнее сорбируемого компонента смеси. Выходящий из колонны 2 ионит направляют в колонну 1. Выходящий из колонны 2 раствор после подщелачквания (при разделении катионов) или подкисления (при разделении анионов) направляют в колонну 1. Операции подщелачивания или подкисления выходящего из колонны 2 раствора удобно осуществлять, пропуская часть раствора через анионит в ОН-форме или катионит в Н-форме. Накопленные и сконцентрированные компоненты смеси отбирают из средней части колонн, а дополнительное количество исходной смеси добавляют либо к раствору, подаваемому в первую колонну (как показано на схеме), либо к раствору, подаваемому во вторую колонну. Скорость накопления каждого из выделяемых компонентов и производительность определяются наряду с величиной потока разделяемой смеси и содержанием в нем выделяемого компонента выражением (оС. - 1) - (cX.f- 1)/а где а- отношение полной сорбционной емкости ионита к емкости по сильнодиссоциирующим группам, с. - однократный равновесный коэффициент разделения смеси при обмене с участием всех групп олиокрагмый равновесный )ффи11И(мг раьи.ления при обмене на сильноjuiccDiufupyHiiiinx группах. Пчско/ц.куо. го производительность предлагаемого способа б1)льше производительности известного. 11риоС,1 различия вс(...и 1-перестают быть обязательным условием, определяющим возмож ность и эффективность разделения. Основными факторами становятся величиныо(ги а. Так как аотличаются от единицы, то разделение происходит и прио(,-. Область соотношенийподаваемых в колонну потоков, при которых возможно эффективное разделение, определяется при получении слабее сорбируемого компонента неравенствами ( (а-1) а яри получении сильнее сорбируемого компоне та неравенствами (3). Сравнение неравенств (2) и (1) показывает, что в предлагаемом способе область соотношений по токов значительно увеличивается по сравнению с известным. Пример. Разделение цезия и рубидия. Используют две противоточные колонны диаметром 25 мм и высотой 200 см, в которь1х ионит движется сверху вниз под действием силы тяжес ти навстречу потоку раствора. Разделение прово дят на сульфофенольяом катионите КУ-1 (зернение 0,08-0,25 мм). Выходящий из нижней час ти каждой колонны ионит направляют в верхнюю часть другой колонны. В колонну поступает ионит, насыщенный по сульфогруппам ионами цезия и рубидия (1:1). Снизу подают эквинормальный раствор солей и щелочей цезия и руби71ия с общей концентрацией нитратов 0,207 н. и щелочей 0316 н. Для обмена из нейтральных (и кислых) растворов о(1,6, для обмена из щелочныхо{,- 1,9. Отношение сорбционных емкостей для использованных условий ,9. При скоростях подачи раствора 70 мл/ч и ионита 22 мл/ч в средней части колонны на грани це между зонами с щелочным и нейтральным растворами концентрация рубидия увеличивается, а концентрация цезия уменьп1ается. Через 190 ч обогащенная зона занимает всю нижнюю часть колонны. Концентрация рубнлия в отбираемом из этой зоны растворе 0,46 и., концентрация цезия менее 0,0 н. К выходящему из колонны I нейтральному раствору, суммарная концентрация которого 0.207 н., а отношение концентраций цезия и рубидия близко к единице, добавляют уксусную кислоту (Ск-ты 2.25 н.). После этого раствор подают в колонну 2 со скоростью 10 мп/ч. Скорость подачи ионита 28 мл/ч. В средней части колонны происходит увеличение концентрации цезия и уменьшение концентрации.рубидия. Максимальный коэффициент обогащения цезием через 150 ч около 40. Выходящий из колонны 2 слабощелочной раствор после добавления к нему части вы.ходящего из колонны 1 раствора (16мл/ч) и доведения концентраций соли и щелочи до указанных величин направляют в колонну 1. Таким образом, предложенный способ позволяет непрерывно извлекать и концентрировать оба компонента смеси. При этом производительность его выще, чем производительность известного метода; интервал соотношений потоков, в котором можно получать эффективное разделение, шире, чем в известном методе. Формула изобретения 1. Способ разделения смесей веществ по авт. св. № 373012, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности и расширения интервала соотношений потоков фаз, при которых происходит эффективное разделение, раствор разделяемой смеси пропускают через полифункциональный ионит, преимущественно катионнт или анионит, содержащий разделяемые ионы, фи рН раствора, обеспечивающем в одной колонне вытеснение разделяемых ионов из части обменных групп ионнга, а в другой - дополнительную сорбцию разда яемых ионов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вытеснение разделяемых ионов в одной колонне осуществляют при рН 5 - 1 (в случае использования катионита) и рП9-14 (в случае анионита), а сорбцию в другой колонне осуществляют при рН 11-14 (в случае использования катионита) и рН 0,1-3,0 (в случае анионита). 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ионит после первой колонны направляют о вторую, а после второй направляют в первую. 4. Способ по п. 1, отличающийся ем, что часть раствора (преимущественно 0,5,9), выходящего из колонны, в которой полуают слабее сорбируемый компонент, возвращат для питания этой же колонны. Источники информации, принятые во внимаие при экспертизе 1. Горщков В.И. и др. Непрерывный противоочный ионообменный метод разделения. Доклаы АН СССР , т. 193, № 3, с. 643 645, 1962.

Полностью, насыщенный ионит

. I .

5я