Введение к работе
Актуальность работы. Промышленные сточные воды предприятий химической, машиностроительной и других отраслей промышленности содержат в своём составе токсичные ионы тяжёлых металлов, которые при попадании в водоемы пагубно воздействуют на флору и фауну водоёма, а также при попадании в организм человека оказывают токсикологическое воздействие. Для очистки таких стоков широкое применение получил метод ионного обмена, который позволяет извлечь вредные примеси, их сконцентрировать, а затем возвратить сконцентрированные примеси обратно в производство. Метод ионного обмена также широко используется при подготовке воды на предприятиях пищевой промышленности и теплоэнергетике.
Для проведения процесса ионного обмена широко применяются ионообменные аппараты с кипящим слоем, которые имеют ряд существенных достоинств по сравнению с традиционными ионитовыми фильтрами. Хорошее перемешивание фаз в кипящем слое позволяет существенно интенсифицировать процесс ионного обмена. Создание и внедрение в промышленное производство новых высокоэффективных аппаратов кипящего слоя, позволяющих повысить эффективность процесса ионного обмена, снизить удельные затраты дорогостоящих ионообменных материалов и регенерационных растворов, является актуальной задачей.
Для расчетов ионообменного оборудования получили преимущественное распространение методики, основанные на балансовых соотношениях или заимствованные из теории массопереноса. Первые из них являются весьма приблизительными. Вторые также обладают сравнительно невысокой точностью, поскольку в расчетах предполагается усреднение движущей силы и кинетических параметров процесса. В связи с этим представляется актуальной разработка инженерных методов расчета ионообменных аппаратов, основанных на математическом моделировании с учетом равновесных и кинетических закономерностей ионного обмена, а также гидродинамических особенностей движения подвижных фаз в аппарате.
Цель работы. Разработка математической модели и инженерного метода расчета прямого и обратного процессов ионного обмена в ионообменной установке непрерывного действия, включающей многосекционный аппарат с кипящим слоем ионита и регенерационную колонну с плотным движущимся слоем ионита, позволяющих определить основные габаритные размеры аппаратов при заданной степени очистки раствора.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработка математического описания процесса ионообменной сорбции
ионов двухвалентных металлов в многосекционном аппарате с кипящим слоем
ионита;
разработка математического описания процесса регенерации ионообменного материала в аппарате с плотным движущимся слоем сорбента;
- экспериментальное исследование равновесия и кинетики процессов
ионного обмена Ni2+ - ЬҐ и Cu2+ - ЬҐ на катионите Lewatit S-100 (Германия);
- экспериментальное исследование процессов ионообменной сорбции и
десорбции ионов Си2+ в аппарате с кипящим секционированным слоем ионита и
регенерационной колонне с плотным движущимся слоем ионита;
- разработка инженерного метода расчета ионообменной установки
непрерывного действия для очистки растворов от ионов двухвалентных
металлов.
Научная новизна работы:
Разработана математическая модель процесса ионного обмена в многосекционном аппарате с кипящим слоем ионита, позволяющая выявить закономерности изменения полей концентрации сорбируемого иона внутри частицы ионита от расходов твердой и жидкой фаз, объема ионита в реакционном объеме аппарата и исходной концентрации раствора.
Получены изотермы сорбции и десорбции ионов СіГ и Nr на сульфокислотном катионите Lewatit S-100 и установлено, что равновесие прямого процесса ионного обмена описывается уравнением Никольского, а обратного процесса - уравнением Генри.
3. Определены концентрационные константы уравнения изотермы
Никольского и коэффициенты взаимодиффузии для процессов ионного обмена
в системах раствор CuS04 - катионит Lewatit S-l00(H) и раствор NiS04 -
катионит Lewatit S-l00(H).
Практическая ценность работы:
1. Разработана конструкция многосекционного аппарата с
секционированным кипящим слоем ионита, позволяющая повысить степень
использования обменной емкости ионита за счет исключения перемещения
частиц ионита из секции в секцию в направлении, обратном направлению
движения общего потока ионита в аппарате, защищенном патентом на
полезную модель.
2. Разработан инженерный метод расчета ионообменного аппарата
кипящего слоя с секционирующими вертикальными перегородками,
позволяющий рассчитать основные габаритные размеры аппарата, а также
степень очистки раствора в зависимости от расхода ионита и количества секций
в аппарате.
3. Выявлены рациональные режимные параметры работы ионообменной
установки непрерывного действия, позволяющие максимально использовать
обменную ёмкость ионита при заданной степени очистки раствора, и
установлено увеличение использования обменной емкости ионита на 5 - 15 %
при применении секционирования сплошного кипящего слоя ионита
вертикальными перегородками, разделяющими аппарат 2-4 секции.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований
использованы при разработке и проектировании ионообменной установки для
очистки природной воды в производстве пива.
На защиту выносится:
1. Математическая модель процесса ионного обмена в многосекционном аппарате кипящего слоя.
2. Результаты экспериментальных исследований равновесия и кинетики
прямого и обратного процессов ионного обмена ионов Сиг и Nr на катионите LewatitS-100.
3. Результаты экспериментального исследования процессов адсорбции и
десорбции ионов двухвалентных металлов в ионообменной установке
непрерывного действия.
4. Результаты численного эксперимента по моделированию процесса
ионного обмена в многосекционном аппарате кипящего слоя и
регенерационной колонне.
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 2007); III Заочной международной научно-технической конференции "Энергетика и энергоэффективные технологии" (Липецк, 2008); международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях - ММТТ - 22" (Псков, 2009); III Международной научно-технической конференции "Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности" (Воронеж, 2009); научно-промышленной конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск -2010)» (Иваново, 2010); международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии» (Иваново, 2010); IX Международной научной конференции «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» (Иваново, 2010).
Публикации.
По материалам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, входящим в список ВАК, получены два патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации.
Диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Объем работы: 110 страниц основного текста, включая 30 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 111 наименований.
