1 fj>
Е.И.ЗАХАРОВ,Б.Е.РЯБЧИКОВ.В.СДЬЯКОВ
Т
ИОНООБМЕННОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
АТОМНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
*у
13
осгЮ.">н:ж фокд
Фун'">'-°'1Т. библиотеки
Севастопольского ВВ.'чИУ
МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1987
i реше-
разра-
1учения
нологи-
из при-
го топ-
Под редакцией , кдас.
доктора технических наук Пг.л„„„
Е. И. ЗАХАРОВА Л» и»
-LKM на
жо ис-
фИрОД-
го топ-
* )ВКИ И
^ гачение
^ -ЮЛОГИ-
ходных
оторых
ктерис-
творах
также
литров
)ебова-
потре-
^*- • -1 ННОСТИ
£••© F, * j обмен-
гонооб-
аллур-
раслях
п.
й про-
>вания.
ппара-
очист-
ядер-
3

ББК 31.47
3-38
УДК 621.039.325
Рецензент В. И. Савельева
Захаров Е. И. и др.
3-38 Ионообменное оборудование атомной промыш-
ленности/Е. И. Захаров, Б. Е. Рябчиков, В. С.
Дьяков— М.: Энергоатомиздат, 1987.— 248 с: ил.
Рассмотрены области использования ионного обмена в
радиохимическом и гидрометаллургическом производствах атомной
промышленности, для подготовки и очистки контурных и сбросных вод АЭС,
статические, кинетические и физико-химические характеристики
отечественных ионитов, роль аппаратурного оформления в
технико-экономических показателях процессов. Даны классификация и описание
ионообменных аппаратов, их гидродинамические основы работы,
расчет и моделирование, а также методы выбора аппарата.
Для инженерно-технических работников
научно-исследовательских и проектных организаций и предприятий атомной
промышленности.
1802000000—375
3 29—87 ББК 31.47
051(01)—87
© Энергоатомиздат, 1987
ПРЕДИСЛОВИЕ
Быстрое развитие ядерной энергетики, предусмотренное
решениями XXVII съезда КПСС, ставит большие задачи перед
разработчиками химических и радиохимических процессов получения
ядерного топлива по совершенствованию аппаратурно-технологи-
ческих схем как при производстве делящихся материалов из
природного сырья, так и при переработке облученного ядерного
топлива.
В технологии производства ядерного топлива наряду с
классическими процессами — осаждение, растворение, адсорбция
и т. п. — ионный обмен стал типовым процессом практически на
всех стадиях получения делящихся материалов. Он широко
используется в гидрометаллургии для извлечения урана из
природного сырья, в радиохимии для очистки облученного ядерного
топлива и разделения изотопов, на АЭС для водоподготовки и
очистки конденсатов и сбросных вод и т. д. Все большее значение
он будет приобретать в связи с созданием замкнутых
технологических схем, комплексным использованием сырья и безотходных
технологий.
Огромное разнообразие технологических процессов, в которых
используется ионный обмен, по физико-химическим
характеристикам реагентов, концентрациям в перерабатываемых растворах
и пульпах извлекаемых ценных компонентов (солей), а также
твердых частиц, производительности, изменяющейся от литров
до тысяч кубических метров в час, а также специальные
требования по обеспечению радиационной и ядерной безопасности
потребовали разработки и использования в атомной промышленности
большого разнообразия ионообменных аппаратов и
ионообменных смол [1—5].
Многие конструкции таких аппаратов, а также типы
ионообменных смол, первоначально созданные для нужд
гидрометаллургии урана, нашли впоследствии применение в других отраслях
промышленности — химической, цветной металлургии и т. п.
Большой объем исследований и практических испытаний
проведен при разработке новых видов ионообменного оборудования.
Здесь наметились два направления — совершенствование
аппаратов периодического действия, применяющихся в процессах
очистки сточных вод, водоподготовки, переработки облученного ядер-
3

ного топлива, и создание новых видов контакторов непрерывного
действия, которые наиболее целесообразно использовать в
процессах получения урана из рудного сырья, его очистки от
примесей. В процессах ядерной технологии там, где это возможно по
характеру проведения процесса, в настоящее время
устанавливаются аппараты непрерывного действия, так как при этом
сокращаются производственные площади, объемы оборудования,
проще решаются вопросы автоматизации. Дальнейшее
совершенствование производства может быть основано только на базе
более широкого применения оборудования непрерывного действия.
По таким конструкциям сорбционных колонн имеется немало
предложений, прошедших успешную проверку в промышленности
[1, 4, 5] и подлежащих испытаниям на реальных
производственных средах.
Вопросам теоретического и экспериментального изучения
равновесия ионного обмена, в том числе и применительно к
процессам ядерной технологии, посвящено большое число оригинальных
и обзорных работ [3,6—11], в то врамя как вопросы испытания,
расчета, практической реализации ионообменного оборудования
рассматривались в единичных работах [5, 12, 13]. Особенности
аппаратурного оформления ионообменных процессов в
производстве материалов для атомной промышленности практически в
литературе не обсуждались. В связи с этим авторы делают попытку
восполнить этот пробел, при этом особое внимание уделяется
конструкциям сорбционных аппаратов, наиболее перспективных
для процессов извлечения и очистки урана и делящихся
материалов из технологических растворов и пульп, а также очистки вод
действующих гидрометаллургических и радиохимических
производств.
Предисловие и гл. 1, 2 написаны Е. И. Захаровым, гл. 3, 4 —
Б. Е. Рябчиковым, гл. 5 —В. С. Дьяковым, гл. 6 — Е. И.
Захаровым и Б. Е. Рябчиковым.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
d4 — диаметр частицы
d4 — средний диаметр фракции частиц
db — эквивалентный диаметр частицы несферической формы
do — диаметр отверстия в тарелке (насадке)
йэ' — эквивалентный диаметр порового канала слоя частиц
Ф — фактор формы частицы
р — плотность
[X — динамическая вязкость
v — кинематическая вязкость
рч — плотность частиц
Рж — плотность жидкости
Ar = gd4(p4—pm)/v2pm — критерий Архимеда
е — порозность псевдоожиженного слоя частиц
80 — порозность стационарного слоя частиц
Я — высота псевдоожиженного слоя частиц
И0 — высота стационарного слоя частиц
Ои — задержка (истинная) сорбента
Q — кажущаяся задержка сорбента
&с—задержка сорбента в слое на тарелке
а0 —удельная поверхность частицы
а — удельная поверхность слоя частиц
Р — набухаемость сорбента *
Ар — перепад давления в слое
v — скорость
v_0 — характеристическая скорость частиц
Vo—средняя характеристическая скорость группы частиц
Е — коэффициент сопротивления движению частицы
W — удельная производительность (нагрузка), м3/(м2-ч); м/ч
№кр — скорость (нагрузка) начала псевдоожижения
WB — скорость витания частиц
Wc — нагрузка по сорбенту
Wp — нагрузка по раствору
№з — нагрузка захлебывания
^с — скорость движения сорбента
£>р — скорость движения раствора
At> — разность скоростей
Оотн — скорость движения сорбента относительно раствора (скорость
движения)
Re = vd4p}l{/\i — критерий Рейнольдса
#во _ критерий Re, рассчитанный по характеристической скорости частицы
#£кр — критерий Re, рассчитанный по скорости начала псевдоожижения
А — размах колебаний, двойная амплитуда пульсации
/ — частота пульсации
__ / — интенсивность пульсации
vn— средняя скорость движения частиц в пульсирующей жидкости
Упн — средняя скорость движения частиц в колонне с насадками при
пульсации
5

DK~— диаметр колонны
Як — высота колонны
Ярз — высота реакционной зоны
/?т — расстояние между тарелками (насадками)
Лсл — высота слоя сорбента на тарелке
Л^отв — число отверстий в тарелке
F — сечение (площадь)
FCb — свободное («живое») сечение насадки
Рк — сечение колонны
ВЕГТ — высота единицы переноса
ВЭТС; h — высота, эквивалентная теоретической ступени контакта
N7\ ЧТС — число теоретических ступеней контакта
Na — число ячеек идеального перемешивания
ят — число тарелок
Q — расход, производительность
QB — расход воздуха
Qp — расход жидкости (раствора)
Qc — расход сорбента
n = Qc/Qv=Wc/Wl) — соотношение потоков фаз
q — количество вещества, переходящего в фазу
5 — поверхность контакта
V—объем
В — коэффициент ионного обмена
С — концентрация
АС—разность концентраций, концентрационный напор
х — концентрация в водной фазе
у — концентрация в сорбенте, насыщение
г/р — равновесная концентрация
а — коэффициент распределения
у_— коэффициент активности
Y — коэффициент активности в сорбенте
D — коэффициент диффузии
DT — коэффициент турбулентной диффузии
DT — коэффициент радиальной диффузии
Е—коэффициент продольной диффузии
о — энергия Гибса
k — коэффициенты (&Изб — избирательность)
КМП — коэффициент масштабного перехода
т— масса
т] — коэффициент полезного действия
RT—радиус зерна ионита, толщина пограничного слоя
т— время
тр — время установления равновесия в системе
Тр90 —время, необходимое для достижения концентрации
компонента в фазе, равной 90 % равновесной
Глава 1
МЕСТО И РОЛЬ ИОННОГО ОБМЕНА В АТОМНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Атомная промышленность — это сложный, многостадийный и
чрезвычайно разветвленный комплекс самых разнообразных
производств (рис. 1.1) [11]. Ядерное топливо проходит сложный
цикл получения, переработки, очистки: добыча и переработка
урановой руды, разделение нуклидов, получение топливного
материала и приготовление твэлов, производство энергии на АЭС,
переработка отработавшего топлива, удаление и обезвреживание
радиоактивных отходов и т. д.
Ионный обмен широко применяется в ядерном топливном
цикле практически во всех технологических схемах извлечения и
очистки урана, плутония, нептуния, продуктов деления (рис. 1.2).
Особое значение ионообменные процессы имеют для
гидрометаллургии урана и для ядерных энергетических установок, где
они применяются в большинстве технологических процессов.
Практически во всех производствах ионообменная технология
обеспечивает подготовку воды для технических нужд и очистку
жидких радиоактивных отходов.
Объемы перерабатываемых растворов в разных производствах
колеблются от литрцв до сотен, а иногда и нескольких тысяч
кубических метров в час. При этом концентрация извлекаемых
компонентов изменяется от микрограммов (очистка конденсата)
до граммов и десятков граммов на литр (переработка
концентрированных технологических растворов и регенерация смол). Кроме
того, извлечение компонентов производится как из сверхчистых
(по механическим загрязнениям) растворов, так и из мутных
растворов и пульп с содержанием твердого до сотен граммов на
литр.
Для обеспечения эффективного проведения ионообменных
процессов в различных условиях необходимо использовать
большой комплекс ионообменных аппаратов, оптимизированных для
выполнения заданного процесса.
Кроме того, в условиях переработки радиоактивных растворов
или растворов, содержащих большие концентрации делящихся
материалов, применяют аппараты специальной конструкции и
7

Добыча урановой, руды
\Произбодство урановых химических концентратов]
jE
^Аффинаж и производство тетрафторида урана
I чЯпЯгтЯл I <-!--
— »
Производство
гексафторида у,
г
урана
j
Производство металлического
урана
Разделение ~]
и зотопов урана
т
Отвал
гексафторида
урана,
обедненного
по легкому
изотопу
Электроэнергия
Пар j тепло
Опресненная вода
X
Производство топлива на основе
металлического урана
^Изготовление твэлав на
основе двуокиси урана
г
т
Аэс и мигательные
Ядерные реакторы
на природном цране
троэнергия **—i
Парf тепло ^—L
?нная вода ^—I
установки на тепловых К
и быстрых нейтронах
Радиохимические
заводы по получению
плутония
Т"
»
Регенерация отработав-
ulux твэлов на
радиохимических заводах
1 ' '
Уран
—I—^—г
Шептуний
\Плутоний I
Плутоний]
Нептуний
I Трансплутониевые
\ элементы
— X
, Изготовление твэлов I
[на основе плутония
И
г
Продукты деления—
радиоактивные отходы "^
f ? *
Низко- Средне-
Высокоактивные актибные активные
± ±
1
Уран
Продукты
деления
Переработка и обезвреживание}-*\Извлечение полезных компонентов]
{Захоронение \ Полезные компоненты
Рис. 1.1. Общая схема производств атомной промышленности [11]
геометрии. Таким образом, атомная промышленность использует
наиболее широкую номенклатуру ионообменной аппаратуры, чем
любые другие отрасли промышленности. Ее потребности привели
к разработке и внедрению многих новых типов аппаратов и ап-
паратурно-технологических схем, которые затем нашли
применение в других отраслях народного хозяйства — химической
промышленности, цветной металлургии, водоподготовке и очистке
промышленных сточных вод и т. п.
В гидрометаллургии урана, особенно при переработке руд со
средним и небольшим содержанием урана, применяются разные
схемы, включающие комплекс операций, в том числе и ионный
обмен.
s
с*
е-
о
х
2
s
з-
I
X
2
00
§
сх
>>
Я
1
I
S
S
I
в процессе
[И
ание, применяемое
сорбции, десорбци
I Я
>>
си
<§
орбент
Дес
i пульпы
створов
HP)
1 SS.U
СиО
б~
то
:рабо
УДЫ,
/сут
1 £Ь.К
О)
X
Фирма
J
8
ас
о
С
и
о
о
ю
см
А
со
я
«3
2
Си
&
[ы «Пасфайн
2
Си
), десорбция
2 нитки по 5 шт.
2
D2
1
С
и
о
о
ю
—•
А
Си
ТО
V
ч
я
2
л
X
:терн
1Ы «Вес
а
Лаки-Мак фи
(CUIA)
Сплит-Рок фи
«О
II
по 9 чанов)
ванные «пачуки»
о
слоем сор-
i с фиксированным
2
Я fuS Я
н 2.^ О
Я 21
Я >/
=мК
-. *»
II £
I
то
ент
w <; \о
1
а
и
о
о
о
t ,
~
1?
t=[
то
то
со
«я
то
2
о
IA)
рмы «Дени*
i"®"
1
IX
и
о
ю
со
«О
А
СО
я
*Я
ТО
2
2
-Ал го
«Рио
2
•*
8
X
о
а
и
о
о
о
СО
А
СО
я
*
2
2
о
«Рио-Алг
2
Квирк фирм
(Канада)
Пэнел фирм
я* *^ °
ш - го
_ о а
8 II
ю
* к
-ч Я
ЯСи
|3 8
4) &
2 •=*
я
я ..
я ^
я
ЦИО
я
и
о
К
ч
и"
ю
1+
г/л NaCl
о
оо
аС
ии
оо
оо
О LO
см
л
я
я
э
О)
я *
(Фра]
фирм
Si то»
апталь
*^
u
2
2
шенн
?
(Франц]
*
яада)
ссин фирмь
н-Пьере-дю
ин Кюльман
2£6
2
Я
овная смола У=24
— 50 см'/м* пульт
я
оос
я
о
со
2
л 5
4 2
я 2
о
о
1
0и
и
о
о
о
—•
л
ч
О)
я
Си
9
ее
Я
О
о
2
2
прямоуголь-
; десорбция
ы типа Портера —
итки по 6 колонн)
хя
чЗ
о
X
Ч^
1 х
см^
в§
«-г
орбат со
8 и 80—
5^0
СНР*
(извлечение |
о
о
о
о
ю
Tf
А
2
я
я
»я
а>
Си
2
к а
Франци
[ «РОС
"^ Л
. 2
я Г сх
Си<1> ^_
<" «^
U3 <1> Я £
ч аяд
&$ « я
го я о 5
я
0)
w о ^
пах с фиксированным слоем
ированные колонны со взвешен-
D=4,2 м; десорбционная —
Я Я 2
регенераци-
з стеклопластика;
я
о о и
ч к 2 -
О Я*Ч 2
Я Я «
-oU|
Я Я
о
(Л
X
11 — 12
и4
р
3d.
So
о
СО
X
|
X
я
о
»я
0J
Си
>»
«Блей
и рмы •
АР)
*я
ейфурейсик
майнинг» (
5 ■=£
см
II
0
удаления Si02 — D=2 м
Нимсикс, десорбция с фикси-
я 2
ч 5
*§
я ч
sg
о
О
СУ)
11-12
а
ас
и
j
А
О
ь
«3
О)
а
Я
энтейн
кРандф(
2
глсайт фирм
й
ия с фикси-
слоем
Нимсикс, десорбц
ным
онна
я 5
го о
Я!^
СХ
о
СУ)
X
см
7
а
К
и
1
i
А
О
ь
«я
О)
о
я
1нтейн
Рандфо
¥
к фирмы
слоем
2
2 %
я ж
я "
ГО О
ян
о
а
О
сл
X
см
7
а
ас
и
~ч
т/го
я
ч
2
3,24
,
»я
«
2
Ч
го
а
О)
а>
2
2
Си
Я
•е
= 1050 м»/ч
егенерируют
лонны Химсли D=4 m, Q
геклопластика; смолы р
Н от Si периодически
я2
1
а
ас
и
2
ТО о
^о
О 0
я оо
X
8
,
а
Я
СП
о
•е-
я
Du^
Ваал
ЮАР
фирмы «
айнинг» (
я *2
^-ч Ч Я эя
ял ч
S С
U

Гадраметаллурги чес кие
заводы по производству
концентратов урана
Извлечение и очистка U
Из пульп
10-103м3/ч
Ж.
Из бод под-
земного

щелачивания
10-103м3/ч
Из
шахтных вод
10-К73м3/ч\
Регенерация смол 1
I—\0чи.стка от примесей
Извлечение и очистка
сопутствующих элементов P337Au.jCil,
Mo- 10-10 Зм5/ч
Утилизация отходов
(производство удобрений)
U£
х
Использование ионного о имен а.
-10м3/ч К-1
1-10мЗ/ч И
Очистка сточных вод
Производство
твэлов
Водопад -
готовка
JL
Очистка жидких]

радиоактивных отходов
(ЖРО)
1~10гм3/ч
Твэлы
Реакторы:
размножите —
ли7исследова-
тельские
I
Водопад -
готовка
1-102м3/ч
Очистка
контурных вод
10-103м3/ч
Очистка ЖРО
1-10гм3/ч
Рис. 1.2. Применение ионного обмена в атомной промышленности
Извлечение урана производится как из растворов и пульп,
получающихся при выщелачивании руд на заводе, так и из
растворов подземного выщелачивания урана из рудных пластов, а
также из шахтных вод, образующихся при добыче урановой руды.
Особое внимание постоянно уделяется разработке и
совершенствованию процессов извлечения урана непосредственно из пульп,
поскольку в этом случае резко сокращаются расходы на
фильтрацию твердого, вклад которых в стоимость продукции весьма
значителен. Только после создания бесфильтрационных аппара-
турно-технологических схем получения урана с организацией
сорбции из плотных пульп в аппаратах типа «пачук» удалось
решить проблему переработки бедных урановых руд с высокими
технико-экономическими показателями. Такие схемы
разработаны в СССР. В результате внедрения процесса непрерывной
сорбции из пульп была проведена коренная реконструкция
отечественной урановой промышленности. Технологическая схема
переработки урановых руд в СССР с применением ионного обмена
показана на рис. 1.3 [4].
В настоящее время и за рубежом создаются аппараты
непрерывного действия для извлечения урана из неосветвленных
растворов и легких пульп (см. гл. 3). При этом большое внимание
уделяется разработке высокопроизводительного оборудования,
селективных к урану ионитов, особенно с увеличенной
плотностью [2, 4], так как объемы обрабатываемой пульпы или
раствора в этих случаях составляют десятки и сотни кубических мет-
10
6 атомной промышленности.
АЭС,ACT
с реакторами
Радиохимические заводы\
по переработке облучен
наго ядерного топлива
ВВР
БН
РВ МК
Водоподготовка.
1-10гм3/ч
Очистка конденсата
10г-10*м3/ч
Очистка вод
бассейноВ хранения
твэлоВ 10-102м3/ч
Спецводоочистка
10-102м3/ч
Выделение и очистка
U 10~3-10~1м3/ч
Извлечение и аффинаж
Ри 10~5-Wzm*/4
И Аффинаж Нр
10~3-10~2м3/ч
извлечение и очистка
10~3-10~гм3/ч
Очистка ЖРО
10-10гм3/ч
Извлечение и очистка
Ра ди ох и ми чески е
лаборатории
Препаративные
работы по извлечению
и очистке L/,Pur
/4м, Np и т.п.
Очистка ЖРО
0,1-10м3/ч
ров в час. Для таких расходов разработаны специальные
конструкции аппаратов на производительность до 1000 м3/ч (табл. 1.1).
Регенерация смол и очистки урана от примесей проводится
при значительно меньших расходах, но при значительно большей
концентрации растворов. Поэтому в этих-процессах используются
аппараты других типов (см. гл. 3).
Характерная особенность урансодержащих руд — сложный
состав, включающий наряду с ураном и другие ценные
компоненты— цветные и редкие металлы: золото, молибден, медь, редкие
земли, фосфор и др. Поэтому комплексное использование сырья —
одно из важнейших направлений научно-технического прогресса
у нас в стране и за рубежом. К настоящему времени разработаны
и продолжают совершенствоваться технологические схемы
совместного извлечения из руд урана, ванадия, молибдена, редких
земель, золота, меди, фосфора [2, 4]. В технологических цепочках
получения этих элементов важное место занимают сорбционные
переделы, с помощью которых проводят извлечение, разделение
и концентрирование ряда элементов. Аппаратурное .оформление и
пути совершенствования таких процессов аналогичны процессам
извлечения урана из рудных материалов. Образующиеся на
различных переделах гидрометаллугрического производства
сбросные воды могут очищаться ионным обменом по различным
схемам. Расход этих вод в зависимости от технологической схемы
завода и еп> производительности может составлять десятки и
сотни кубических метров в час. К настоящему времени для процессов
11

РуЭа
Дробление и измельчение
100 %-100 мет.
Сода
И250^окислитель
Выщелачивание при обычной
температуре, при нагревании., в
автоклавах, сорбционное
Манаты АМП,АП
1
^ Ь | Сорбция из пульпы
Тбэкс
Разделение сорбента
и пульпы
Ионит
±
|_| Отмывка,
десорбция
Пульпа
I Компо-
Утилизация
компонентов
Товарный,
регенерат
{Известкование
Перечистка
сорбционная,

экстракционная
Хвостохранилище
очистки сточных вод
разработано значительное число
высокопроизводительных ионообменных
аппаратов, учитывающих
специфику таких переделов (см. гл. 3
и 4), использование которых
позволит существенно улучшить
технико-экономические
показатели этих производств.
На гидрометаллургических
предприятиях получают
урановые химические концентраты, так
называемые технические
продукты закись-окись или соли ; типа
уранатов. В атомной технике
требуются ядерно-чистый
металлический уран или его оксиды,
очищенные от элементов,
имеющих большое сечение
поглощения (захвата) нейтронов — Cd,
В, Hf, РЗЭ, особенно Gd, Sm,
Ей и др. Содержание указанных
и других элементов в ядерном
топливе ограничено строгими
концентрациями [4].
Кроме поглощения тепловых
нейтронов, некоторые примеси
(углерод, азот и др.)
сказываются на физических свойствах металлического урана или вредят при
его плавке. Поэтому уран, полученный на гидрометаллургических
заводах, должен быть очищен от вредных примесей более
глубоко. Такая очистка называется аффинажем урановых концентратов.
Заводы по аффинажу урановых концентратов применяют
экстракционные схемы очистки, которые обеспечивают получение
кондиционного по примесям ядерно-чистого урана.
Очищенный от примесей и при необходимости обогащенный
по изотопу 235U на диффузионных заводах уран поступает на
предприятия по производству твэлов [4, 11]. На этих заводах
ионный обмен используется для подготовки технической воды (обес-
соливанием) и для очистки образующихся при отмывке
оборудования, в санпропускниках и т. п. жидких радиоактивных отходов.
Твэлы используются в реакторах различного назначения,
которые можно разбить на 2 большие группы — энергетические и
технологические (исследовательские, для наработки Ри)
реакторы.
Энергетические реакторы, используемые на АЭС, делятся на
3 типа — водо-водяные (ВВЭР), уран-графитовые кипящие
(РБМК) и на быстрых нейтронах (БН) с жидкометаллическим
теплоносителем [11, 15, 16].
У Конечный продукт
Рис. 1.3. Схема переработки урано
вых руд в СССР [4]
12
Экономическая эффективность энергетических реакторов
зависит от давления и температуры пара, поступающего на
турбины. Поэтому все они работают в режиме со сверхкритическим
давлением пара, что требует использования для этих установок
только сверхчистой воды с минимальным содержанием
загрязнений (содержание солей микрограмм ва литр, электрическая
проводимость менее 5 МкСм/см).
Для обеспечения глубокой очистки воды используется
ионообменная технология. С ее помощью осуществляется подготовка
подпиточной воды для компенсации ее потерь в контурах,
очистка контурной воды и конденсата. Для чистых контуров, в
которые не попадают радионуклиды, т. е. для второго контура АЭС с
реакторами ВВЭР и для третьего контура АЭС с БН, эти
системы аналогичны таким же системам ТЭС с котлами СКД.
В реакторах типа РБМК, работающих по одноконтурной
схеме, вода контактирует с оболочками твэлов и конструкционными
материалами активной зоны, а полученный пар подается на
турбины. В этом случае от качества очистки воды зависит не только
скорость коррозии материалов реактора, но и радиационная
безопасность персонала при его эксплуатации. Ионообменные
установки должны обеспечивать не только удаление продуктов
коррозии, но и глубокую очистку от радионуклидов даже в аварийных
ситуациях. Поэтому требование к ним иное, чем на ТЭС.
При высокой температуре, больших расходах теплоносителя в
систему вносится значительное количество продуктов коррозии.
Даже при скорости коррозии 0,03 г/(м2-сут) в реакторе с
поверхностью контакта 4000 м2 в воду может поступить до 1 кг
примесей в неделю [8].
В АЭС с реакторами типа ВВЭР, в первом контуре которых
используется водный раствор борной кислоты с добавками,
необходимыми для коррекции режима по рН, возникают
дополнительные задачи, связанные с очисткой контурной воды от продуктов
коррозии и радионуклидов в присутствии НзВОз, NH3, N2H2 и т. п.
Кроме того, ионным обменом регулируется концентрация Н3ВО3
в контуре, а также осуществляется ее вывод из контура после
остановки реактора [15].
Ионообменные установки используются на АЭС и для
вспомогательных целей: очистки малосолевых жидких радиоактивных
отходов (организованных и неорганизованных протечек),
очистки вод бассейной выдержки отработавших твэлов и т. п.
Кроме того, с помощью ионного обмена очищают обмывочные
воды, воды санпропускников, а также воды бассейнов выдержки
и хранения отработавших твэлов, биологической защиты,
транспортных каналов.
При эксплуатации технологических реакторов ионный обмен
используют для подготовки воды с заданным солесодержанием,
очистки контурных вод и жидких радиоактивных отходов.
Расход этих вод колеблется в очень широких пределах в зависимости
от назначения, мощности и типа реактора. Требования к контур-
13

ной воде обычно не очень жесткие, поскольку такие реакторы
работают при относительно низкой температуре.
Аппаратурное оформление большинства этих процессов
аналогично другим процессам получения чистых и сверхчистых вод,
которые используются на ТЭС и в электронной промышленности.
Различие состоит в основном в размещении ионообменных
аппаратов, в которых накапливаются радиоактивные загрязнения, в
каньонах или в специальной их защите, а также в необходимости
создания надежных систем управления и автоматизации.
После определенного цикла эксплуатации твэлы удаляются из
реакторов, выдерживаются в специальных хранилищах и затем
поступают на радиохимические заводы для регенерации
отработавшего ядерного горючего.
Это одна из важных и труднейших технологических задач, так
как при делении ядер и последующем распаде осколков
образуется около 180 радионуклидов с периодом полураспада от
тысячной доли секунды до миллиона лет. Выход продуктов деления
значителен и определяется типом реактора [11].
Для возвращения в ядерный цикл урана, извлечения и
очистки плутония, трансплутониевых элементов применяются
различные химические методы — осаждение, экстракция, сорбция и т. п.
Наибольшая нагрузка в этих процессах ложится на
экстракционные методы извлечения и очистки, хотя и ионный обмен играет
большую роль. Он применяется на операциях очистки урана и
его извлечения из сбросных растворов, аффинажа плутония,
нептуния, извлечения продуктов деления 137Cs, 90Sr и др. и, конечно,
при очистке жидких радиоактивных отходов различных уровней
активности при использовании Н—ОН-ионирования [8, 15, 16].
В пурекс-, торекс-, ТБФ-25-, гексан-, 233и-процессах ионный
обмен используют для очистки U от продуктов деления
95Zr—95Nb [8]. При очистке и концентрировании 233U в торекс-
процессе (проводятся на катионообменных смолах [8]) потери
урана (при очистке от Zr+Nb, Pa и сорбции урана и тория)
составляют 10~3%, а концентрация урана в выходящем растворе
140—160 г/л.
Ионный обмен широко применяется при разделении и очистке
транскюриевых, трансплутониевых элементов Cf, Am, Cm, Bk и
хроматографических разделениях 147Pm, редких земель в
аналитической и препаративной практике, разделении изотопов лития,
урана и др.
Объем производства трансплутониевых и редкоземельных
элементов достаточно большой, например: Am, Cm производят в
килограммовых, Вк и Cf — в граммовых и миллиграммовых, а
Es и Fm — в микрограммовых количествах [8]. Радиоизотопы
редких земель являются составной частью продуктов деления
(выход составляет 40—50%). Для разделения трансплутониевых
и редкоземельных элементов используют ионообменную
хроматографию (вытеснительно-комплексообразующий метод). Для
трехвалентных элементов на сульфокатионитах наблюдается следую-
14
NaN02,HN03
Исходный, растбор
рц5+иогг)пд
На сорЕцино
Раздавленная
"М.з ^
Сорбция
на анионите
Дауэкс-ич-,6П°
Т~"
Ри^+о?г-о^г/л
Анионит Ра7
частично ио\)ПД
I
Растбор U0 z ?
ПД1 следы Pll
/f+
На экстракцию
Раздавленный
растбор Ра. (10%)
Оснобная фракция]
*Нъ
(90%)Ри до 40г/л
Рис. 1.4. Технологическая схема аффинажа плутония с применением анионооб-
менных смол [И]
щий ряд селективности [8]:
La > Се > Pr > Nd > Pm > Sm > Eu > Gd > Tb > Dy > V>
> Ho > Er > Vb > Lu > Se;
Am > Cm > Bk > Cf > Es > Fm > Md > Lz.
Типичная схема аффинажа плутония с применением анионо-
обменных смол показана на рис. 1.4. Сорбцию Ри приводят на
анионите типа —NX2, =NX или —NX+ по реакции
2RN03 (смола) + Pu(N03)^2 (раствор) + 2Н+ ^
+±R2 [Pu (N03)6] (смола) + 2HN03.
За один цикл сорбции коэффициент очистки плутония от
урана и продуктов деления достигает 5-Ю4 и 5-Ю3 соответственно,
и после регенерации смолы может быть получен продукт с
концентрацией плутония до 50 г/л [11].
Особое место занимает ионный обмен при очистке жидких
радиоактивных отходов. Для низкоактивных отходов ионный
обмен применяется практически на всех заводах по переработке
облученного топлива и для очистки сточных вод многих научно-
исследовательских центров.
Сложность очистки сбросных вод лабораторий, прачечных и
некоторых предприятий заключается в том, что они содержат
самые различные радионуклиды, значительное количество солей,
имеющих химическое сходство с радионуклидами. Для таких
растворов используется ионообменная очистка методом обессолива-
ния, при которой удаляются из раствора все соли и
радионуклиды. Обычно она состоит из двух ступеней Н —ОН-ионирования
[11]. На первой ступени извлекают основную массу солей, на
второй— удаляют радионуклиды до предельно допустимых значений.
В процессах ионообменной 2-стадийной очистки низкоактив-
15

йых отходов коэффициенты очистки достигают порядка 104. На
Московской станции переработки в процессе ионного обмена при
использовании сильнокислого катионита КУ-2, слабоосновных
анионитов АН-2Ф или АН-31 коэффициенты очистки составляют
(в скобках — исходная активность): по цезию—1,8-104(5,2Х
XIО4 Бк/л), стронцию — 2,9-105(7,4-103 Бк/л), церию —2,7Х
XIО3(5,2-104 Бк/л), иоду—1,5-104(3,7-102 Бк/л) [16]
В последние годы широкое распространение в промышленности
нашли установки для облучения пищевых продуктов, резины,
древесины, фторопластов и др. В качестве облучателей
применяют 60Со, который хранится под слоем воды толщиной 4—5 м.
Вода должна быть прозрачной при длительном хранении и не
должна активизироваться выше предельно допустимых норм.
Первоначальное заполнение бассейнов, подпитка в ходе
хранения проводится глубокообессоленной водой, полученной очисткой
на двухступенчатой схеме Н —ОН-ионирования [16].
Для охлаждения обмоток ускорительных, плазменных и
магнитных установок в качестве теплоносителя используют
диэлектрик— глубоко обессоленную воду с удельным электрическим
сопротивлением 2—8 МОм/см. В процессе работы в теплоноситель
поступают продукты коррозии. Для сохранения необходимого
количества воды в схему очистки включаются фильтры с
активированным углем, многоступенчатый ионный обмен и фильтры
смешанного действия. Предусматриваются также фильтры с
электронно-ионообменной смолой для вывода из систем кислорода.
Солесодержание таких вод небольшое: продукты коррозии
(медь, железо, алюминий, рений и др.), может попадать масло из
сальников, насосов; срок работы иоиитов в таких установках
значителен (1,5—2 года), и они не регенерируются, а после
окончания цикла вывозятся на захоронение.
Как видно из представленных материалов, ионный обмен как
один из процессов химической технологии занял ведущее место !в
общем ядерном топливном цикле получения, регенерации
ядерного горючего, производства ядерной энергии н/а АЭС. Этому
способствовали положительные качества ионного обмена — высокая
избирательность, отсутствие побочных продуктов, относительная
дешевизна, большой диапазон сред и реагентов, в котором
работают иониты, возможность организации непрерывного процесса
с компактным оборудованием и широким применением
автоматизации и т. п. Сочетание ионообменных способов с
выщелачиванием, осаждением и др. позволяет организовать бесфильтрационные
технологические схемы извлечения и очистки урана из пульп,
сконцентрировать радионуклиды в небольших объемах, удобных
для хранения. Надежная работа многочисленных ядерных
реакторов и АЭС во многом зависит от системы водоподготовки,
(Которая целиком основана на ионном обмене.
Важную роль ионный обмен приобрел при производстве
многих радионуклидов, которые широко применяются в народном
хозяйстве как меченые атомы, источники излучения и т. п.
16 -v. -О '
Аппаратурное оформление ионообменных процессов
извлечения и очистки урана и сопутствующих элементов (Mo, Au и др.)
в гидрометаллургии на базе высокоэффективного оборудования
было создано в атомной промышленности и затем передано для
использования в другие отрасли народного хозяйства. Это было
обусловлено тем, что принятые решения отвечали условиям
производства других отраслей.
Процессы очистки жидких радиоактивных отходов среднего и
низкого уровней активности, вод бассейнов хранения облученного
материала, контурных вод АЭС требуют дополнительных мер по
охране обслуживающего персонала, которые обычно решаются
методами дистанционного контроля и управления, не внося
существенных изменений в конструкции ионообменных аппаратов.
Аппаратурное оформление ионообменных процессов в
радиохимии отличается от обычного тем, что в таких условиях
необходимо оборудование с дистанционным управлением,
обеспечивающее минимально возможное время пребывания ионита в зоне
интенсивного ионизирующего излучения и учитывающее
критические параметры систем при очистке, выделении и
концентрировании делящихся материалов 239Pu, 235U, 233U и некоторых
изотопов трансплутониевых элементов [17]. В водных растворах
специальные меры защиты от возможного начала ядерной цепной
\ф реакции не нужно принимать, если концентрация 239Ри<7,8 г/л;
L 233U^10,9 г/л и 235U^11 г/л. При большом содержании делящих-
iv ся элементов конструктивное оформление аппарата должно пре-
^дусматривать меры по исключению возможности возникновения
с^цепной реакции при любых заданных технологических показате-
^лях и возможных аварийных ситуациях. Обычно ядерная
безопасность обеспечивается введением поглотителей нейтронов, формой
аппарата и др. [17]. Такие конструктивные мероприятия вносят
определенные изменения в гидродинамику ионообменного
аппарата и должны учитываться при расчете и проектировании
оборудования.
При выборе и расчете ионообменного оборудования для
заданного процесса необходимы данные о физико-химических
характеристиках ионита (плотность, ситовая характеристика, набухае-
мость, скорость движения смолы в растворе и др.), кинетические
и статические (равновесные) показатели конкретных систем,
радиационной стойкости и т. п. Количественные закономерности
ионообменных процессов с участием радиоактивных ионов
практически не отличаются от таковых обычного ионного обмена
[4,6—10,13].
В данной работе рассматриваются особенности и
характеристики ионного обмена, необходимые для выбора и проектирования
ионообменного оборудования, а также понимания специфики
явлений, происходящих в многообразных ионообменных системах
ядерного цикла, без учета которых невозможно предложить
оптимальные конструкции аппаратов.
Зак. 1735
ОСНОоН^И ФОНД I 17
Фун ^ рчт. библиотеки I
Севастопольского ВЬ:*чМУ I

Глава 2
ОСНОВЫ ИОННОГО ОБМЕНА
Ионообменные методы извлечения, очистки и разделения
веществ развиваются и совершенствуются весьма интенсивно.
Авторы не ставили своей задачей осветить все аспекты проблемы (см.
[6—8, 10, 11, 13, 18—19]), а ограничились рассмотрением
некоторых вопросов физико-химических основ ионного обмена,
необходимых для понимания процесса применительно к задачам
аппаратурного оформления ионообменных технологических схем
атомной промышленности.
2.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОНООБМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ,
ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЯДЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Иониты — твердые природные или искусственные материалы
органического или неорганического происхождения, способные к
извлечению из растворов или пульп ионов (катионов, анионов).
Классификация ионитов, применяющихся или имеющих
перспективу использования в процессах атомной промышленности,
показана на рис. 2.1.
Иониты делятся на три большие группы: органические,
неорганические и минерально-неорганические.
Иониты органической группы делятся на продукты
химической переработки углей и ионообменные смолы. Последние нашли
наиболее широкое применение в промышленности благодаря
большому ассортименту созданных типов с заданными свойствами.
Такие смолы предложены для извлечения и очистки из растворов
и пульп практически любого элемента периодической системы.
Они подразделяются на катиониты, аниониты, амфолиты, комп-
лексообразующие сорбенты и окислительно-восстановительные
полимеры.
Синтетические катиониты и аниониты способны поглощать из
растворов или пульп катионы или анионы и обменивать их в
эквивалентных количествах на другие катионы (анионы):
2RNa + СаС12 +± R2Ca + 2NaCl,
2RC1 + Na2S04 +± R2S04 + 2NaCl.
Амфотерные иониты (полиамфолиты) содержат одновременно
кислотные и основные ионогенные группы, поэтому они в
зависимости от условий могут проявлять катионо- или анионообменные
свойства.
Ионообменные полимеры могут быть также
монофункциональными (содержат однотипные группы кислотного или основного
характера) или полифункциональными — бифункциональные
катиониты и аниониты, в состав ионогенных групп которых входят
радикалы различной основности или кислотности.
18
Минерального
происхождения
Синтетические
\ Неор
панические
Минерально —
органические
Иониты
1
Окислительно -
Восстанови тельные
Органические
Продукты химической
переработки угля, лигнина, торфа,
\ целлюлозы, отходы пр-ва
Т
Ионообменные смолы: еелы-
вые, пористые
-жатионитьп
Аниониты
Поли -
амфолиты
Грану -
мяты
_L
Комплекса -

образующие,
селективные
Слаба -
кислотные
Сильно -
]кислотные
Слабо -
основные
Сильно -
основные
*\ /7олщрункциональные~~\-
Импрег -
наты
Твэксы
Рие. 2.1. Классификация ионитов
К группе ионитов относят также комплексообразующие
сорбенты, функциональные группы которых могут образовывать
донорно-акцепторные связи с ионами, молекулами.
Комплексообразующие иониты делятся на следующие группы [19]: фосфор-,
азот-, кислород-, серосодержащие комплексообразующие
сорбенты, комплексообразующие амфотерные аниониты и др.
К комплексообразующим ионитам следует отнести и твердые
экстрагенты [18], которые получают полимеризацией моно- и
дивинильных мономеров в присутствии экстрагентов (твэксы),
или смолы-импрегнаты, получаемые пропиткой экстрагентами
твердых носителей (угля, пористого стиролдивинилбензольного
сополимера, пенополиуретана и т. п.). Сорбционные свойства
таких ионитов определяются химическими свойствами экстрагента
и природой матриц. Они имеют широкую область применения,
особенно для концентрирования и разделения металлов.
В последние годы уделяют большое внимание окислительно-
восстановительным полимерам — редокс-полимерам и
электронным полимерам [19], что объясняется их большими
возможностями при восстановлении ионов железа, ванадия, плутония, церия
и других элементов, удалении кислорода из водных растворов
и т. д. Особенно важно применение таких сорбентов при обескис-
2* 19

лороживании вод замкнутых контуров энергетических установок
АЭС, например, на смоле ЭИ-21-50 [16].
Развитие и совершенствование процессов ядерной энергетики
и радиохимии объясняет интерес к сравнительно' дешевым
сорбентам неорганического типа, обладающим высокой радиационной
термической стойкостью. Многие неорганические иониты могут
быть труднорастворимыми, способными к обмену катионов и
анионов раздельно или их совместному извлечению из растворов
сложного солевого состава.
Неорганические иониты делятся на сорбенты минерального
происхождения — пески, цеолиты, глины и др. и искусственные —
алюмосиликаты, оксиды, гидроксиды, соли различных металлов,
цеолиты и т. п., проявляя большое разнообразие в селективности
и возможностях сорбции. Однако следует отметить, что в
настоящее время нет ни общей точки зрения, ни единой теории,
описывающих природу ионообменных процессов, равновесие для
различных типов неорганических ионитов. Имеющиеся в этих
областях достижения подробно рассмотрены в работе [6].
Основные требования к ионообменным материалам
применительно и гидрометаллургическим процессам получения урана
можно сформулировать так:
нерастворимость в солевых средах;
высокая химическая стойкость к растворам кислот и щелочей;
избирательность по урану;
высокая механическая прочность в условиях изменяемой
кислотности среды и абразивного действия пульп.
Специфика радиохимического производства предъявляет
дополнительные требования к ионообменным материалам по
содержанию примесей, особенно тяжелых металлов, количеству
вымываемых продуктов и радиационно-химической стойкости.
При использовании ионитов в радиохимических процессах
следует уделять также особое внимание вопросам защиты сорбента
от облучения. И здесь немаловажную роль играет аппаратурное
оформление, так как оно определяет время пребывания ионита
под действием ионизирующего излучения.
В ядерном топливном цикле наиболее широко применяются
ионообменные смолы (табл. 2.1). Как отмечалось выше, это
связано с тем, что при их создании удается получить иониты с
нужными характеристиками по избирательности, химической и
радиационной стойкости, размеру частиц и другим параметрам, важным
в процессах эксплуатации таких материалов.
По классификации Б. Н. Никольского ионообменные смолы
можно разделить на четыре класса:
1. Смолы, проявляющие свойства сильных кислот или
оснований, обменная емкость которых постоянна в широком
диапазоне рН среды. Представители: смолы типов КУ-2, Дауэкс-50,
Амберлит JRA-120, АВ-17, Амберлит ЛМ-400, Дауэкс-1.
2. Иониты со свойствами слабых кислот, оснований. Емкость
их максимальна только при определенном значении рН: высо-
20
Таблица 2.1. Области применения ионитов в атомной промышленности
[2, 4, 7, 9, 11, 15, 16, 25—27, 28—33]
Тип ионита
Применение в процессах
Ионообменные смолы
катиониты:
КУ-2
аниониты:
AM; АМП; АВ-17;
ВП-1А; ЗА; АМ-2Б;
ЭДЭ-10П; АН-2ф;
ВП-1П; АН-31; АН-18-6
катиониты -Ьаниони'ш
Амфолиты:
импрегнированные, твэк-
сы
продукты переработки
угля
Органические иониты
Сорбция урана из растворов; очистка жидких
радиоактивных отходов, вод бассейнов хранения
твэлов, разделения изотопов, водоподготовка;
очистка вод лабораторий, прачечных,
энергетических установок; получение изотопов Th;
разделение лантаноидов и актиноидов; аналитическая
химия Ри; выделение редкоземельных элементов;
разделение трансплутониевых элементов катион-
ным обменом под давлением [28]
Извлечение урана из вод подземного
выщелачивания: сорбция урана и других элементов (Мо
и т. п.) из кислых и карбонатных растворов
и пульп (АМП, ВП-1П). Очистка жидких
радиоактивных отходов; вод бассейнов хранения твэлов,
изотопов, энергетических установок, прачечных
(АВ-17, АН-2ф). Разделение лантаноидов и
актиноидов. Извлечение 137Cs. Разделение и очистка
транскюриевых и трансплутониевых элементов Am,
Cm и др. [28, 29]
Разделение и очистка транскюриевых элементов
[28] из облученных материалов. Очистка жидких
радиоактивных отходов, контурных вод АЭС, вод
прачечных, бассейнов хранения твэлов и др.
минерального
происхождения
синтетические
Сорбция урана из пульп
Очистка вод с низкими уровнями активности
от органики, моющих средств. Активированный
уголь для очистки растворов
гидрометаллургических переделов от органических примесей [14]
Неорганические иониты
Очистка жидких радиоактивных отходов
низкого уровня активности (песок, антрацит)
Очистка сбросных радиоактивных вод
прачечных, аналитическая химия плутония (оксид
титана, карбонат цинка и др.); извлечение 137Cs из
высокоактивных растворов — алюмосиликаты, пер-
мутит, фосфат. Очистка жидких радиоактивных
отходов
ком —для катионитов и низком —для ашюнитов СГ-1 КБ-4
АН-2ф, ЭДЭ-Юп и др. '
3. Смолы, проявляющие свойства смеси сильной и слабой
кислот или оснований. Они имеют два предельных значения
емкости.
4. Иониты, подобные смесям кислот или оснований различной
силы. Их емкость изменяется в значительном интервале рН.
' 21

Таблица 2.2. Классификация ионитов по степени ионизации функциональных
Тип ионита
Группа
Катеониты
I-K

(сильнокислотные)
П-К

(среднекислотные)
III—К
(слабокислотные)
IV-K'
(очень слабвкис-
лотные)

Кажущаяся
константа
ионизации,
моль/л
К*
Къ
10-40-2 Ю-8 10-4 ю-б ю-в 10-7 ю-8 ю-» 10-ю ю-11 ю-12 ю-13 ю-14'
I I \ I I I I I I I I I I
Увеличение кислотности ионита
Основные
функциональные
группы
SOsH
-P0(0H)2 -CD0H
= Р00Н
Р0(0Н)2
0?0(0Н)2(1)
-СбН50Н
-SH
-0Р0(0Н)2(П)
Марки ионитов,
выпускаемых в
промышленном
масштабе
КУ-2—8,
КУ-2-8чС,
КУ-2-8ф,
КУ-2-20,
КУ-23,
КУ-1*
КФ-Пт, КФ-7
КБ-2, КБ-2-4,
КБ-12П, КБ-4,
КБ-4П2,
КБ-2-7П,
КБ-2-10П,
КБ-4-10П*
Сульфгидриль-
ные катиониты
Шкала рН среды
12 3 4 5 6 7 rkS 9 10 11 12 13 14
I I I I I I I I I I I I \
Рабочий
интервал значений рН
среды при
обычном ионном
обмене
IV-K
III—К
П-К
I-K
• И иж аарубежные аналоги.
22
групп [13]
Аниониты
IV-А
(очень слабоосновные)
III—A
(слабоосновные)
П-А
(среднеосновные)
I-A '
(сильноосновные)
Увеличение основности ионита
Ю-14 Ю-13 Ю-12 lO-UlO"10 Ю-» Ю-8 Ю-7 Ю-6 Ю-5 Ю-4 JQ-3 \ Q-2 JQ-1
1111 1 \ У 1 I 1111
АН-1, АН-251
АН-2ФН, АН-18-8,
АН-21-6, АН-21-14,
АН-221*
ЭДЭ-10П, АН-31*
АВ-17-8,
АВ-17-8чС,
АВ-17П,
АВ-29-12П*
1 2 3
10
11
I
12 13 14
IV—А

—frill—A
II—А
fr-
I—А
23

Классификация ионитов по степени ионизации (диссоциации)
функциональных групп Н-форм катионитов и ОН-форм анионитов
показана в табл. 2.2.
К сильнокислотным катионитам относятся катиониты,
содержащие сульфогруппы (/Си^КН-г-Ю--2 М), средним — группы
фосфорной кислоты, к слабокислотным — карбоксильные группы
(работают при рН>5). К очень слабокислотным относятся феноль-
ные катиониты с группами С6Н4ОН и сульфогидрильные катиониты
с группами — SH.
К сильноосновным анионитам относятся аниониты с
четвертичными алкиламмониевыми группами —[N(CH3)]+OH и
[N(CH3)2; С2Н4]+ОН- (/Сн=Ю-1-5-10-2 М), пиридиновыми —
[C6H5N]+ ОН-, к среднеосновным — с третичными, вторичными и
первичными аминогруппами =N, =NH, —NH2 (работают при
рН<11).
Слабоосновные аниониты — аниониты с третичными и
вторичными аминогруппами, присоединенными к ароматическому
радикалу непосредственно или через метильную группу (работают при
рН<9). Очень слабоосновные содержат группы пиридина — C6H5N,
а также первичные аминогруппы —C6H4NH2. Работают при рН^5.
В гидрометаллургии (извлечение урана из рудных материалов)
и аффинажных заводах при выщелачивании или растворении
урана используют азотную и серную кислоты и карбонат натрия.
Ионообменное извлечение урана из пульп и растворов основано на
том, что в кислых средах уран может находиться в виде катионов
и анионов в зависимости от концентрации кислоты, т. е.
извлекаться как катионитами, так и анионитами.
Таблица 2.3. Состав растворов после выщелачивания урана [14]
Основные элементы
ЦА
Fe
Si02
s2o^-
РА
Mn
VA
ci-
co§-
NaOH
Сернокислотное выщелачивание,
Франция
Гранитная
РУДа
0,5—0,7
1,2
0,7
6—7
0,03—0,5
—
—
0,3—0,7
—
—
Силикатная
РУДа
1,5—2,0
1,64
0,13
43,5
—
—
__
—
—
—
ЮАР
0,9—0,12
1—4
1—2
20—40
—
5—10
—
—
—
—
г/л
Индия
0,6
2,5
1,0
25
0,3—0,5
2—3
—
0,6
—
—
Содовое

выщелачивание, г/л
3,5—5
—
0,3
—
—
—
2
—
2
4
24
Таблица 2.4. Влияние концентрации конкурирующих ионов
на емкость смолы по урану [14]
Ион
С1-
NOJ
S024~
Fe8+
u3o8
рН
в эталонном
растворе
—
25
2,2
0,005
1,7
Концентрация, г/л*
в сильноосновной
смоле
3—3,5
2,5—3
100
7—10
20—25
0,8—1,2
в слабоосновной
смоле
3—3,5
2,5-3
100
10
15—22
0,7—1,0
* Концентрация ионов, при которой емкость смолы по урану снижается на 50%.
Выщелачивание урановых руд наиболее часто ведут серной
кислотой или карбонатом натрия. В сернокислых средах уран
может находиться в виде катиона UO<>+ и анионов [U02(S04)2]-2,
[U02(S04)3]~4. В этих случаях уран может извлекаться как ка-
тионитом, так и анионитом.
При рН<2 наиболее вероятная форма нахождения урана в
растворе [U02(S04)3]-4.
Типичный состав растворов (пульп), получаемых после
выщелачивания руд различного состава в некоторых странах, показан
в табл. 2.3.
В жидкой фазе пульпы, кроме урана, как это видно из табл. 2.3,
содержится значительное количество других элементов, которые
могут находиться в анионной форме: Fe(S04)2~, Fe(S04)33~~f
HS04~, анионы V, P, As, Mo и др., которые также сорбируются
смолой. Их конкурентная способность зависит от кислотности,
содержания урана и солевого состава раствора. В табл. 2.4
показано влияние конкурентных ионов на сорбцию урана.
Опыт использования ионитов для промышленного извлечения
урана из рудных материалов показывает, что может происходить
отравление смолы в результате накопления в ней некоторых
ионов [4].
Анионы пятивалентного ванадия УОз" и V04~" не десорби-
руются используемыми при регенерации реагентами. Из анионита
могут быть удалены промывкой сернистой кислотой.
Молибдат-ион Мо04~" прочно удерживается ионитом, и его
удаление проходит только при обработке смолы раствором NaOH.
Кремниевая кислота также может накапливаться в порах
ионита. Ее можно удалить в некоторых случаях, промывая смолу
раствором нитрата натрия.
25

Таблица 2.5. Параметры десорбции урана различными реагентами
Реагент
С, г/л
t. °С
W, м/ч
Сорбированный
ион
NH4N03+S04~2
H2S04
Nacl+H2S04
NaCl
Nacl+NaHCOg
NaHC03+(NH4)2C03
С сильноосновных смол
50—75
105—120
50—55+10
60
90—110+10
50—80+70—120
25
i 25
20—25
25
10—20
20—25
1
1 — 13
8—12
6
G
3—4
4—5
0,7—0,9|
1,5—2
6-8
2-5
1,5 1
2,5
[U02 (S04)3]
[U02(SC4)3]-
[U02(S04)3]-
[U02 (S04),]
[U02 (CO,),]
[U02 (CO,),]
Co слабоосновных смол
HN03 \
NH4N03 J
H2S04 \
(NH4)2S04 J
NaCl (pH= 1,9)
<5
60
45
480
60—70
25
25
20—25
6-8
3,5
3—4
1—2
10—15
6—8
Для регенерации смол используют азотную, соляную, серную
кислоты, смеси солей Na+, NH+ с кислотами и т. п. В табл. 2.5
приведены реагенты, применяемые для десорбции урана:
[R4N]4U02(S04)3 + NOi- ^ 4(R4N)N03+ [U02(S04)3]4^; (2.1)
[R4N]4U02 (S04)3 + CI" ^ 4 (R,N) CI + [U02 (S04)3]4-. (2.2)
Успешное применение ионообменных смол в процессах
извлечения урана из пульп и растворов, очистки его от примесей
приводит к выводу, что сильноосновные иониты обладают хорошими
физико-химическими (плотность, стойкость) и сорбционными
свойствами, хотя они и не очень селективны, так как могут
сорбировать другие элементы (Fe, P, A1, РЗЭ, V, As, S07 ).
Слабоосновные иониты обладают большей селективностью по отношению
к урану и менее чувствительны к примесям, но они имеют
меньшую емкость по урану и скорость сорбции; чтобы улучшить эти
показатели, созданы макропористые смолы.
В радиохимической технологии при переработке облученного
материала используются азотнокислые среды. Комплексообразо-
вание актиноидов в водных азотнокислых средах играет важную
роль во многих технологических процессах переработки ядерного
топлива. Уран (VI) в зависимости от кислотности раствора может
образовать комплексы типа [U02(N03)]+ до [U02(N03)3]~. По
мере роста концентрации кислоты плутоний и нептуний также
образуют комплексные соединения типа [Pu(N03)+3 до [Pu(N03)6]~2.
Аналогичные комплексы и с H2S04: [Pu(S04)]+2— [Ри(504)з]"2
26
оксалат-ионами [Pu(C204)]+2 — [Ри(С204)3]~2 могут извлекаться
как катионитами, так и анионитами. В настоящее время при
переработке ядерного топлива используется экстракционная
технология [11], ионообменные смолы (катиониты и аниониты) с
функциональными группами —NX2y =NX и —NX3 используются при
аффинаже плутония, нептуния; метод катионообменной
хроматографии применяют для выделения Рт147, разделения РЗЭ —при
элюировании лантаноидов из смолы растворами кислот (этилен-
диаминтетрауксусная, диэтилентриаминпентауксусная) и других
операциях.
В процессах очистки жидких радиоактивных отходов,
контурных вод АЭС ионообменные смолы — катиониты, аниониты
широко применяются во всех технологических схемах [11, 15, 16].
В табл. 2.6, а и б приведены характеристики некоторых типов
ионообменных смол, наиболее широко применяющихся в
отечественной атомной промышленности.
Неорганические иониты пока применяются в основном на
радиохимических заводах для выделения ряда элементов из
высокоактивных растворов и в процессах очистки жидких радиоактивных
отходов. Благодаря своей дешевизне они имеют большую
перспективу при извлечении урана из морских и океанических вод, очистке
жидких радиоактивных отходов, вод теплоносителя от
радионуклидов. Большинство неорганических ионитов проявляют в
основном катионообменные свойства и, следовательно, не могут
применяться в технологии обессоливания и опреснения вод, однако
возможности их использования в атомной промышленности
достаточно широки. Анионитов известно немного—апатит ЗСа3(Р04)2Х
XCaCIF, метакарбид —[СбН9б02]С1-2Н20, гидроксид циркония и
недавно синтезированный ионит [ZnCr(OH)6]Cl-2H20.
Классификации неорганических ионитов пока нет из-за их
слабой изученности и многообразия. Рассмотрены возможности
классификации только наиболее распространенных оксигидратов,
сульфидов, ферроцианидов, гетерополярных солей, наиболее удачно
данный вопрос рассмотрен в работе [13].
Наиболее важными из природных неорганических ионитов
являются цеолиты и глинистые материалы. Цеолиты —
алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов с формулой
Me2/n-0-Al203-xSi02-z/H20 имеют трехмерную сетчатую структуру.
Цеолиты имеют избирательные свойства к катионам щелочных,
щелочноземельных и тяжелых металлов. Особый интерес вызывает
клиноптилолит, широко распространенный у нас в стране и
обладающий высокой радиационной и термической стойкостью.
Исследованию возможностей его применения в процессах очистки
сбросных вод от радионуклидов (Cs, Sr, урана) уделяется
достаточное внимание. Характеристики некоторых типов цеолитов
приведены в табл. 2.7.
Высокая сорбционная емкость по Cs, избирательность, большая
радиационная стойкость и широкая распространенность клино-
птидолита позволяют рекомендовать его для очистки сточных вод
27

^Таблица 2.6, а. Физико-химические и эксплуатационные характеристики некоторых типов катионитов, применяющихся
в гидрометаллургии, очистке вод (контурных, прачечных, жидких радиоактивных отходов н т. п.) и водоподготовке
[8, 16, 18—21, 23]
Показатель
Размер зерен, мм
Содержание влаги, %
Удельный объем в Н+ форме, см8/г
Удельная поверхность, м2/г
Полная статическая обменная
емкость, мг-экв/см8
Динамическая обменная емкость
с полной регенерацией, мг-экв/см8
Рабочая емкость, мг-экв/см8
Окисляемость фильтрата в
пересчете на кислород, мг/г
Осмотическая стабильность, %
Механическая прочность, %
Насыпная масса товарного ионита,
т/м8
Максимальная рабочая
температура, °С
Диапазон рабочих значений, рН
Коэффициент набухания товарного
ионита в воде
Области применения
Годовой расход, %2*:
водоподготовка
ФСД
Ориентировочный срок службы, лет
КУ-2-8
0,315—
1 ,25
50—60
2,8
15—70
1.8
—
1.1
—
94
—'
0,75—0,8
110 — 120
1—14
1
В; ОВ-К;
П, Э;
ОЖРО;
ОСВ;
СР
10
20
10
КУ-2-8 чС
0,4—1 ,25
1,25
50—60
2,9
15—70
1 .8
1.6
—
0,5
96
—i
—-
110—120
1-14
1
ОВ-К. Э;
РЕ
—■
—'
1—5»*
КУ-23
0,315—
1,25
60-^70
3,8
30—4 0
1 .25
—,
0,8
—
90
—
0,72—0,82
110—120
1 — 14
1
В;
ОЖРО;
ОСВ;
СР
5
—■
10
ЭИ-21-50
0,4—1 ,6
—>
—
—■
—•
4
0,6*
*n*J
50*
—
—■
—
"-"
-
—
В;
ов-к, э
■—
—•
"~
Катионит
СФ-5
0,63—1 ,4
■—
—.
—■
6,5
(мг-экв/г)
—'
—■
~~
70
9—98
—
-
—
—
СР; СП
—i
—
""
КБ-2-10П
0,315—
1 .6
65—75
5,5
—
3,0
—
—
1 ,0
—•
—
0,75—0,85
150
7,4—14
—
СР, В
'
—'
КБ-4
0,35—1 ,6
1.6
55—65
2,5
—
3,5
—
—
1 ,0
60
—
0,55—0,6
150
7,4—14
1—
СР, В
—'
~~"
КБ-4-10П
0,315—
1 .6
60—70
5,0
—
2,7
—
•—
1,0
—
—
—
150
7,4 — 14
-^
СР, В
—
—
'
СТ-1М
0,63—1,6
60
3,4
—
—
1 ,8—1 ,9 (по
0,1 н. NaOH)
—
—
95-99
99
—
-
—
—
СР, В
—»
"~"
"
* В — водоподготовка; ОВ-К. П, Э —очистка вод — контурных, прачечных, энергетических установок; ОЖРО — очистка жидких радиоактивных
отходов; СП, СР — сорбция из пульп и растворов; РЕ — разделение элементов; ОСВ — очистка сточных вод.
"* Определяется условиями эксплуатации, например при очистке вод 1-го контура— 1 год [15], при водоподготовке— 10 лет.
** По 0,01 н. раствору СаС12.
** Восстановительная емкость в статических условиях (по раствору хлорного железа) 02/см8.
Таблица 2.6, б. Физико-химические и эксплуатационные характеристики анионитов, применяемых в гидрометаллургии,
очистке вод (контурных, прачечных, жидких радиоактивных отходов и т. п.) и водоподготовке [8, 16, 18, 19, 23]
Показатель
Размер зерен, мм
Содержание влаги, %
Удельный объем в ОН'-форме, см3/г
Удельная поверхность, м2/г
Полная статическая обменная емкость, мг-экв/см3
Динамическая обменная емкость, мг-экв/см3
Рабочая емкость, мг-экв/см3
Окисляемость фильтрата в пересчете на кислород,
мг/г
Осмотическая стабильность, %
Механическая прочность, %
Насыпная масса товарного ионита, т/м3
Максимальная рабочая температура, °С
Диапазон рабочих значений рН
Коэффициент набухаемости в воде
Области применения*
Годовой расход, %:
водоподготовка
ФСД
Ориентировочный срок службы, лет |
АВ-17-8
0,35—1,25
35—50
3,0
—
1,15
^OJj
0,4—0,45
0,55
92
60
0,7—0,74
""Ба—
1—14
1,0
В;
ОВ-И;
ОЖРО
10
20
7 1
АВ-17-8 чС
0,4—1,25
—
3,0
—
1,2
1,0
—
0,7
91
—
—
60
1 — 14
1,0
В;
ОВ-К, Э;
ОЖРО
10
20
1—5** 1
А н и о н и т
ВП-1АП
0,63—1,6
30—70
3,1
14
4,7
—
—
98
—
60
1,5—4,0
—
ОВ;
СР-СП
—
ВП-ЗАП
0,5—1,6
30—70
3,0
5
4,5—5,53*
—
—
:
92—98
—
60
—
—
СР-СП
~—" J
AM
0,63—1,4
—
3,3
—
3,13*
—
—
85
—
80
—
—
СР, СП,
ОВ
— 1
АМ-п
0,63—1,6
—
3,5
20
3,03*
—
—
:
95
—
—
—
—
СР; СП;
ОВ; В
—

Продолжение табл. 2.6, б
Показатель
Размер зерен, мм
Содержание влаги, %
Удельный объем в ОН'-форме, см3/г
Удельная поверхность, м2/г
Полная статическая обменная емкость, мг-экв/см3
Динамическая обменная емкость, мг-экв/см3
Рабочая емкость, мг-экв/см3
Окисляемость фильтрата в пересчете на кислород,
мг/г
Осмотическая стабильность, %
Механическая прочность, %
Насыпная масса товарного ионита, т/м3
Максимальная рабочая температура, °С
Диапазон рабочих значений рН
Коэффициент набухаемости в воде
Области применения*
Годовой расход, %:
водоподготовка
ФСД
Ориентировочный срок службы, лет
АМП
0,63—1,4
—
3,3
—
3,13*
—
—
~~~
90
—
—
—
—
СР, СП;
ОВ, ОСВ
—
АМП-п
0,63—1,6
—
3,5
20
3,13*
—
—
"~~~
98
—
—
—
—
СР; СП;
ОВ; ОСВ
—
А н иони т
Э ДЭ-1ОП
0,4-1,8
10,0
3,4
—
2,6
1,28
—
0,7
85
—
0,6—0,64
35—45
1-8
2,8
СР, ОВ
20
2-5
АН-31
0,4—2,0
5,0
3,3
—
2,3
1,0
—
4,0
85
__
0,72—0,75
100
1-6,5
2,0
В, ОВ-П,
ОЖРО
25
4
АН-2фн
0,4—2,0
10
2,6
—
2,6
1,7
—
3,5
50
—
0,65—0,68
50
1—6,0
—
В; ОЖРО;
ОСВ
30
1—2
АН-18-8
0,315—1,25
30—60
2,3
—
1,4
0,65
—
1,0
80
—
0,6—0,7
60—70
1-6,5
—
В; ОВ;
ОЖРО;
ОСВ
10
7
Продолжение табл. 2.6, б
Показатель
Размер зерен, мм
Содержание влаги, %
Удельный объем в ОН'-форме, см3/г
Удельная поверхность, м2/г
Полная статическая обменная емкость, мг-экв/см3
Динамическая обменная емкость, мг-экв/см3
Рабочая емкость, мг-экв/см3
Окисляемость фильтрата в пересчете на кислород,
мг/г
Осмотическая стабильность, %
Механическая прочность, %
Насыпная масса товарного ионита, т/м3
Максимальная рабочая температура, °С
Диапазон рабочих значений рН
Коэффициент набухаемости в воде
Области применения*
Годовой расход, %:
водоподготовка
ФСД
Ориентировочный срок службы, лет |
АМ-2Б
0,63—1,6
—
3,0
65
3,43*
—
—
—
—
—
—
—
СП;
СР;
ОВ, ОСВ
— 1
ВП-1п
0,63—1,6
40—60
3,5—4,0
14—20
4,8—5,23*
—
—
96—98
—
120
—
—
СП, СР
—
А н и о н и т
Вп-Зп
1
0,63—1,6
40—60
3,5—4,0
8—12
5,5-5,83*
—
—
90—95
— 1
—
—
—
СП, СР
—
твэкс
0,63—2,0
12
1,0
—
—
—
—
90—98
0,58
—
—
—
СР;
СП, РЕ
—
КУ-2-8ф
0,315—1,25
47
2,9
—
1,4
—
—
—
—
—
<7
—
—
—
АВ-17-8ф
0,315—1,25
47
3,0
—
0,8
—
—
—
0,7—0,8
—
<7
—
—
—
* См. табл. 2.6,
** См. табл. 2. 6,
Z1 »* По СИ-иону,

Таблица 2.7. Структурная и ионообменная характеристика йекоторы*
цеолитов [13]
Название
Содалит
Канкриний
Фотазит
Анальцим
Шабазит
Гмелинит
Эрионит
Морденит
Стильбит
Гейландит
Клиноптилолит
Натролит
Тип каркаса
Трехмерный
»
»
»
3»
»
»
»
Слоистый
»
»
Волокнистый
Диаметр
каналов, мм
0,26
0,62
0,74
0,26
0,42
0,41
0,36—0,48
0,67—0,7
0,41—0,57
0,39—0,54
0,38—0,62
0,26—0,39
Обменные ионы
Na+
Na+
Na+, Саа+, Mg2+
Na+
Caa+
Na+, Ca2+
Na+, Ca2+
Na+
Na+
Ca2+
Na+, K+, Ca2+
Na+
Полная
обменная
емкость,
мг-экв/r
7,04
7,04
5,02
4,95
4,95
4,95
3,86
2,62
4,24
3,45
2,64
5,30
и технологических растворов от 137Cs, 90Sr, рубидия, а также от
органических соединений [13, 15].
Перспективными ионитами для очистки сточных
радиоактивных вод можно считать глинистые алюмосиликатные минералы и
в первую очередь бентонитовые глины (монтмориллонит, бейдел-
лит), каолинит, биотит, вермикулит [16]. Они обладают
избирательностью к щелочным (Cs), щелочноземельным (Sr) и тяжелым
металлам.
По структуре и физико-химическим свойствам глинистые
материалы можно разделить на дисперсные кремнеземы, на 68—99 %
состоящие из Si02, с макропористой структурой, и слоистые,
слоисто-ленточные, причем некоторые имеют макропористую
структуру. Наиболее широкое применение они нашли для
обесцвечивания воды, удаления токсичных хлорорганических соединений и
гербицидов [9].
Среди многочисленных направлений применения синтетических
ионитов в атомной технологии перспективными для очистки
радиоактивных отходов, технологических вод от радионуклидов,
извлечения урана из сбросных, засоленных — морских, океанических вод
можно отметить следующие.
Таблица 2.8. Характеристика гранулированных цеолитов [13]
Показатель
Насыпная плотность, г/см3
Диаметр зерна, мм
Предел прочности гранул при сжатии, МПа
Динамическая влагоемкость, мг/см3
Динамическая сорбционная емкость (по парам
бензола), мг/см3
Тип Л
0,68—0,72
2—4
0,08—0,15
90—140
Тип X
0,63—0,72
2—4
0,06—0,12
100—160
60—90
32
Таблица 2.9. Очистка жидких радиоактивных отходов сорбентами
на основе битумов (Л—удельная активность, Коч — коэффициент очистки
растворов) [15]
Раствор
Бессолевой:
исходный
очищенный
Солесодержащий:
исходный
очищенный
рн
8,2
6,7
8,8
6,5
Соле-
содержание,
мг/л
4,5
__
1100
| 100
Очищено
раствора,
л/кг
сорбента
>2500
200
Удельная
активность,
Бк/л
1,5.10»
1,Ы0«
7,4-104
3,7-104
<3,7-101
3,7-101
3,7-101
3,7-101
3,7-105
1,5-106
1,5-105
7,4-105
1,8-10а
<3,7-10i
<3,7.101
3,3-102
Коэффициент
очистки
—
>4-103
>3-104
>2-103
>Ы03
—
3-103
>4.103
>4-103
2-10*
1. Использование синтетических гранулированных цеолитов и
битумных сорбентов, имеющих карбоксильные и фенольные группы
[15]. Могут использоваться и сорбенты битумные, содержащие
анионообменные аминогруппы.
В табл. 2.8 приведены характеристики гранулированных
цеолитов.
В табл. 2.9 приведены результаты испытаний битумных
сорбентов, которые показывают перспективность их применения в
процессах переработки жидких радиоактивных отходов.
Исследования по выщелачиванию 90Sr и 137Cs из битумных
катионитов показали, что происходит прочная фиксация
поглощенных радионуклидов после термообработки (^=200-f-250°C, т =
= 1,0—1,5 ч), т. е. они могут быть захоронены в могильник без
дополнительной обработки.
2. Применение ферроцианидов щелочных и тяжелых металлов
(Fe, Mo, Ni, Ti и др.) для избирательной сорбции Cs и очистки
технологических и сбросных вод от радионуклидов. Так, в
Институте физической химии испытаны некоторые сорбенты — ферро-
цианид Fe, осажденный на угле КАД-иодный, сульфид Си на
специальной установке [22], на которой были получены
коэффициенты очистки от 90Sr, 137Cs, 106Ru, 95Zr + 95Nb: 2700—9700, не
менее 10 000, более 1000 и 170—1400 соответственно [16].
3 Зак. 1735 о о

3. Использование солей различных металлов, в частности
фосфатов металлов, образующих многозарядные ионы (Zr, Ti, Cr
и др.) и прежде всего фосфат циркония (ZrO)m(H2P04)nZrP для
извлечения из сильнокислых и минерализованных вод 137Cs,
разделения 89Sr — 137Cs, 89Sr — 144С1, 89Sr — 90U, для отделения 95Nb и
95Zr от 106Ru [13, 22].
Такой сорбент обладает высокой емкостью, термической и
радиационной стойкостью, устойчив в концентрированных кислотах и
солевых растворах.
Кроме того, диоксид титана (гидратированный), сульфид свинца
и другие оксиды и соли могут найти применение в радиохимических
переделах для извлечения урана из морской воды и даже в
гидрометаллургии урана. Например, уран может извлекаться из
морской воды сульфидом свинца по следующей схеме:
(3* + 2) PBS + [U02 (С03)8]4- + 2 (х - 1) С032- + 2*Н20 =*=
** PBU02 (СОэ)з• PbS + хРЪг (С03)2 (ОН)2 + 3 (х + 1) S2~ + 2*Н+.
Некоторые свойства наиболее перспективных для
радиохимического производства неорганических ионитов искусственного
происхождения приведены в табл. 2.10.
Таблица 2.10. Некоторые свойства искусственных неорганических ионитов,
представляющих интерес для радиохимического производства [6]
Ионит
Фосфатосульфат церия
Вольфрамат циркония
Арсенат тория
Кремнесурьмяный
Антимонат олова
Фосфат олова
Фосфат титана
Фосфат циркония
Формула
CePS
ZrW
ThAs
SiSb
ThSb
SnSb
TiP
ZrP
Обменная
емкость,
мг-экв/г
4-5
1-1,4
7
7—8
Химическая,
термическая
стойкость*
Редоксит-
окисли-
тельно-
восстанови-
тельные
св-ва
У к
минеральным
кислотам
Н/У
к щелочным
р-рам
У
к кислотам
То же
Селективен к элементам
Разделение пар St—V,
Ва—La /*\—ъ
а=103 для Sr2+, Ba2+,
Т12+, Cl»+, Pm3+, Pu3+,
Li+ (Na+, K+, Pb+, Cs+,
T1+)
Полисурьмин выводит $г2+
UO*+, Sr2+, Zr4+
Zr4+, Nbs+
Cs+, Sr2+
Cs+, Fe8+, Bi3+, Th*+,
1 Pu4+
* Н/У — неустойчив, у — >стсйчив.
34
Таблица 2.11. Характеристики некоторых отечественных углей Щ
Марка
ОУ-А
ОУ-Б
КАД-молотый
КАД-иод
БАУ
ДАК
АГ-2
АГ-3
АГ-5
скт
скт-з
АР-3
АА2*
SKnop» см$/г
2,38
0,42
0,42
1,0
1,5
1,2—1,45
0,2
0,8—1,6
0,9—1,6
0,98
0,80
0,70
0,47
2 5, м«/г
805
138*
64*
977
915
30*
33*
—
—
108
—
48
500—700
Размер
частиц, мм
—
—
2,0—5
1—5
0,5—1,5
1,5-2,0
1,5—2,8
1,0-1,5
1,5—2,0
2,0—3,5
2,7—5,5
Любой (13)
Насыпная
плотность,
г/дм»
__
—
—
380—450
220—350
230
600
450
450
420
420—470
550
700
Прочность (по
МИС-60—8),
%
«_
—
—
60
—
—
65—70
75
75
65
70
65—75
_—.
* Переходным пор.
** АА—активированный антрацит.
К новым типам ионитов следует отнести
минерально-органические сорбенты.
Минерально-органические иониты имеют развитую поверхность,
в них хорошо сочетаются свойства органических и неорганических
сорбентов — хорошая кинетика, высокая емкость, радиационно-хи-
мическая стойкость. В качестве минеральных носителей
используются силикагель, аэросил, песок, стекло.
Иониты, полученные при переработке углей, находят
применение в атомной промышленности при очистке растворов от
органических примесей в гидрометаллургии урана, очистке
радиоактивных вод с низким уровнем активности и других операциях.
В настоящее время для этих целей используются в основном
активные угли порошкообразные (ПАУ) и гранулированные
(ГАУ). Активные угли — пористые твердые материалы,
обладающие моно- и полидисперсной структурой. По способу производства
они делятся на дробленые (БАУ, ДАК, КАД) и гранулированные
(АГ-3, АГ-5, СКТ). В табл. 2.11 представлены характеристики
некоторых отечественных углей.
Сорбируемость органических веществ активированными углями
возрастает в ряду [9]:
гликоли<спирты<кетоны<сложные эфиры<альдегиды<не-
диссоциированные кислоты<ароматические соединения.
Сорбируемость органических веществ возрастает с увеличением
Длины углеродной цепи, молекулярной массы органических
веществ. Присутствие неорганических солей приводит к более
печному извлечению красителей.
Радионуклиды 137Cs, 89Sr, 95Nb, 104Ru, 32P (растворенный или
в коллоидной форме) хорошо извлекаются углем СКТ.
3* 35

2.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИОНИТбЙ
2.2.1. ОБМЕННАЯ ЕМКОСТЬ
Одним из важных свойств ионитов является его обменная емкость.
Теоретически каждый фиксированный ион в ионите способен к обмену с таким
числом противоионов, чтобы сохранить свою электронейтральность.
Обменная емкость ионитов определяется числом функциональных групп,
способных к ионному обмену в единице массы воздушно-сухого или набухшего
ионита (мг-экв/г или мг-экв/см3, мг/г).
Различают полную ПСОЕ и равновесную (статическую) обменную емкость
РСОЕ. Первая — характеризует способность ионита к обмену в соответствии
с концентрацией функциональных групп. Она является постоянной величиной.
Равновесная емкость (РСОЕ) зависит от концентрации элемента в растворе,
рН среды, температуры и других факторов. Для характеристики динамических
показателей сорбции в аппаратах используют полную динамическую обменную
емкость и динамическую обменную емкость до проскока (ПДОЕ), (ДОЕ).
Для определения емкости ионообменных смол существуют различные
статические (при перемешивании ионита и раствора в сосуде) и динамические
(в колонне) методы [7—9]. Они стандартизованы (ГОСТ 20255.1—74 и
20255.2—74).
ПДОЕ и ДОЕ определяются по выходной кривой (см. гл. 6).
На рис. 2.2 показано изменение емкости некоторых катионов в зависимости
от рН раствора [13].
Емкость сильнокислотных и сильноосновных ионитов существенно не
зависит от природы, концентрации противоиона и в широком интервале рН от
кислотности раствора (см. кривую /, рис. 2.2). Слабокислотные и слабоосновные
иониты свою емкость существенно меняют при изменении рН, общей
концентрации и природы противоиона. Она может изменяться в узком интервале рН
(см. кривую 2, рис. 2.2) в соответствии со степенью диссоциации
функциональных групп. У полифункциональных ионитов емкость может монотонно
изменяться в широком диапазоне (см. кривые 3, 4, рис. 2.2.). Для илов, глин и
некоторых алюмосиликатов обменная емкость увеличивается с ростом рН (см.
кривые 5—8, рис. 2.2.). Для амфотерных ионитов емкость определяется типом
Рис. 2.2. Зависимость емкости катионитов от рН среды:
1 — монофункциональный катионит с сильнокислотными сульфогруппами; 2 — с
карбоксильной группой; 3 — бифункциональный; катионит с сильнокислотной сульфогруппой и
очень слабокислотной фенольной группой; 4 — катионит с фосфорнокислотной
бифункциональной группой; 5 — монтмориллонит; 6 и 7 — почвы; 8 — каолин
36
Таблица 2.12. Зависимость емкости смолы по урану при сорбции от рН среды
и концентрации урана в растворе [4]
РН
1,4
1,9
2,4
2,9
Концентрация
урана, г/л
1
1
1
1
Емкость
смолы, г/л
46
58
64
68
рН
3,4
3,6
3,0
2,1
Концентрация
урана, г/л
1
1,6
10,0
160,0
Емкость смолы,
г/л
70
87
120
180
функциональных групп. Эти иониты обладают и катионо- и анионообменной
емкостью, причем для относительно слабодиссоциирующих групп емкость по
катиону должна расти с увеличением рН, а емкость по аниону — снижаться.
При прочих равных условиях емкость слабокислотных и слабоосновных
ионитов существенно зависит от рН среды и концентрации иона в растворе
(пульпе). Применительно к сорбции урана влияние рН показано в табл. 2.12.
При снижении кислотности и росте концентрации урана емкость смолы
увеличивается, так как вместо анионов [UCMSC^h]4" начинают сорбироваться
двухзарядные комплексы [U02(S04)2]2". №и очень низкой кислотности (рН^
«2,5) вследствие гидролиза на смолу начинают садиться комплексные анионы
[U205(S04)3]4- и [U205(S04)2]2-, увеличивающие емкость.
Емкость смолы по урану определяется также типом смолы, содержанием
конкурирующих элементов.
2.2.2. СЕЛЕКТИВНОСТЬ
Одной из важнейших характеристик сорбента является его способность
избирательно сорбировать ионы из растворов или пульп сложного солевого
состава. Селективность ионитов определяется типом ионогенных групп, числом
поперечных связей, размером пор и, конечно, составом раствора (пульпы).
Селективность, как правило, возрастает с увеличением заряда иона.
В общем случае ионит селективен к иону, если концентрационная константа
Кв/А = (уА1ъ)2А(Ул/Ув)2в (2-3)
больше единицы, однако практическое использование ее невозможно ввиду
отсутствия данных о коэффициентах активности (у) в фазах, особенно в фазе
ионита (у). Для оценки селективности в некоторых случаях можно использовать
электронное сродство Э [19], с увеличением которого повышается сорбируемость
металла
3~ZyRz. (2.4)
Удобная мера оценки селективности —- коэффициент селективности
(избирательности)
#изб = olbIola = УвХрл/УАХрВ • (2.5)
При /СИзб>1 ионит избирателен к иону В по сравнению с А.
К настоящему времени существующие ряды селективности можно оценить
только качественно или полуколичественно. В частности, ионит будет селекти-
37

вен, если разность изменения энергий Гиббса при переходе иояов Л и Л из
внешнего раствора в ионит меньше нуля [22]:
AGB — AGB = RT In (Yb/Yb); (2-6)
AGA - AGa = RT In (Ya/Ya). (2-7)
Разность изменения энергии Гиббса:
(AG*- AG5)-(AGA - AGA) = ЯГIn[(тЛ)/(тЛ <2-8)
Из выражения (2.8) следует, что lg Kb/a^&G'RT, т. е. чем больше AG', тем
лучше сорбируется вещество.
2.2.3. УСТОЙЧИВОСТЬ ИОНИТОВ
Возможное разрушение, изменение форм ионита вследствие изменения рН
среды, от механических нагрузок и т. п. необходимо знать и учитывать не
только из экономических соображений, но и с точки зрения возможного
загрязнения целевого продукта вредными компонентами, получающимися при
разрушении ионита. Последнее играет важную роль в атомной промышленности,
многие технологические процессы которой направлены на получение особо чистых
веществ.
Основными причинами разрушения частиц сорбентов являются внутренее,
осмотические давление и механическое взаимодействие сорбентов ДРУГ с другом
или узлами аппаратов. Причем механическое разрушение ионитов играет
меньшую роль.
Наибольшее разрушение ионитов происходит при изменении характеристик
среды, в которой он находится. Поскольку все иониты представляют собой
структурированные гели, их объем зависит от рН, кислотности и солесодержа-
ния раствора. При изменении этих характеристик объем зерна изменяется.
Однако это происходит неравномерно, по мере выравнивания концентрации «снового»
раствора по объему зерна. Поэтому внешний слой сжимается или расширяется
раньше, чем ядро зерна; возникают огромные внутренние осмотические
напряжения и происходит откалывание части зерна или раскалывание его пополам.
Происходит так называемый «осмотический шок». Каждый ионит имеет
способность выдержать определенное число циклов таких изменений характеристик
среды, что называется его осмотической прочностью или стабильностью.
Особенно важна осмотическая прочность для ионитов, работающих в
установках непрерывного действия, в которых они очень часто подвергаются
воздействию растворов различного состава В первых опытах по использованию
непрерывных процессов износ ионитов был так высок, что пришлось создавать
специальные их типы для установок непрерывного ионного обмена*
Механическим нагрузкам ионит подвергается как в самом аппарате, так и
во вспомогательных узлах при транспортировке и разделении.
В сплошных неподвижных слоях ионитов их механическое разрушение
может происходить из-за давления в слое частиц ионита друг на ДРУга- особенно
в высоких слоях при больших перепадах давления в них. Оно увеличивается,
если слой начинают двигать, прилагая для этого дополнительные усилия и
деформируя его, из-за перемещения смолы в слое относительно ДРУГ АРУга>
стенок аппарата и его элементов. Подробных данных о количественных характе-
38
Таблица 2.13. Изменение фракционного состава ионитов при длительных
испытаниях в пульсационной колонне с насадкой КРИМЗ
Тип сорбента
КУ-2-8
КУ-1
АН-1
ЭДЭ-10П
'Размер фракций,
ММ 1
1,0
0,7—1,0
0,5—0,7
0,5
1,3
1,0—1,3
0,7—1,0
0,5-0,7
0,25—0,5
1,0
0,7—1,0
0,5—0,7
0,5
1,3
1,0—1,3
0,7—1,0
0,5—0,7
0,5
Содержание фракций, %
исходное
10
40
30
20
47,3
26,4
11,5
5,1
9,6
48,9
18,7
24,6
7,8
24,8
38,7
24,8
4,7
6,9
конечное
10
40
30
20
42,7
26,4
12,1
6,8
12,0
47,2
16,7
27,4
8,7
14,8
26,0
15,8
9,8
33,6
Число циклов
43 200
27000
16 400
7 400
ристиках разрушения смол в таких аппаратах нет, но по отдельным работам
можно судить, что они не велики. Так, по результатам измерений, проведенных
авторами, оказалось, что при работе колонны ПСК-Н со сплошным слоем
сорбента (при перепаде давления 0,1—0,2 МПа) износ катионита КУ-2-8 за год
непрерывной эксплуатации (1000 циклов передвижения без изменения рН)
составил 3 %.
В псевдоожиженных слоях перепад давления мал, но частицы могут
измельчаться из-за соударения друг с другом, частицами пульпы или нераство-
ренных кристаллов, стенками и элементами аппаратов. При интенсификации
процесса износ ионитов соответственно увеличивается. Здесь решающую роль
играет способ и интенсивность перемешивания. Естественно, что в аппаратах с
интенсивным пневматическим перемешиванием (пачуках) при многократной
циркуляции ионита внутри аппарата механическое измельчение сорбента может
быть больше, чем в аппаратах с мягким перемешиванием. Авторами данной
работы было проверено механическое истирание различных ионитов в пульса-
ционных колоннах с насадкой КРИМЗ на системе вода —сорбент (табл. 2.13).
Как видно из табл. 2.13, потери сорбентов КУ-2-8, КУ-1 и АН-1 вследствие
механического истирания при движении в колонне с насадкой КРИМЗ и
перемешиванием в эрлифте незначительны при сравнительно большом числе циклов.
Лучший отечественный катионит КУ-2-8 практически не измельчался.
39

Наилучшие механические характеристики имеют смолы макропористой
структуры и грануляты, однако современные гелевые смолы типа КУ-2-8, АМП,
AM и др. также имеют хорошие прочностные характеристики.
При выборе ионитов, как правило, отдают предпочтение зернам сферической
формы, так как они наиболее устойчивы к истиранию.
Важной характеристикой ионитов является их химическая устойчивость к
кислотам, щелочам, окислителям, т е. к реагентам, действующим на сорбенты
постоянно, а также термическая стойкость. Подробные характеристики
отечественных ионитов приведены в табл. 2.5 и 2.6 и [18, 23]. Здесь мы остановимся
на некоторых особенностях.
Полимеризационные иониты химически более стойки, чем
поликонденсационные. Фосфорнокислотные устойчивее сульфо- и карбоксильных катионитов к
действию сильных электролитов и окислителей. Катиониты более стойки к
действию реагентов, чем аниониты, среди анионитов — слабоосновные устойчивее
сильноосновных к кислотам и щелочам.
По устойчивости катиониты в Н-форме в воде и 1 н. растворе HNO3 можно
расположить в ряд [10]:
КБ-4П-2, СГ-1>КУ-2>СДВ-3>КУ-1>РФ-1.
Из анионитов ЭДЭ-10П, АВ-17, АМП, АМ-10, АВ-20 и АВ-23, дауэкс-2,
амберлит JRA-A00 (N03~- и С1~-форма) наиболее стойкими к действию HN03
оказались АВ-17, АМ-10, дауэкс-2 и амберлит J/M-400, которые не изменяли
емкости в течение 5 мес при контакте с 7—8 н. HN03. Однако все указанные
иониты окисляются концентрированными растворами перманганата, бихромата,
хромата калия. Катионит КУ-2 устойчив к пероксиду водорода и хлорной воде.
Термическая устойчивость анионитов ниже катионитов (см. табл. 2.5 и
2.6), так, наиболее термически устойчив сульфокатионит КУ-2-8, который можно
использовать при ^=100°С.
По термической стойкости аниониты располагаются в ряд в ОН-форме:
АН-23>АН-25>ЭДЭ-10П>АВ-17>АВ-16>АВ-18>АН-2ф. Как правило, Н-фор-
мы катионитов и ОН-формы анионитов менее устойчивы, чем солевые.
Среди неорганических ионитов наибольшей химической стойкостью
обладают вольфрамит титана и др.: TiW, SnSb, TiTl; термической — SnSe, SnAs
(до 500°C), ZP (до 180—300°C), TiSb (300eC) [6].
Растворение или частичное разрушение многих неорганических ионитов
вызывают сильные комплексообразователи — плавиковая, щавелевая кислоты.
Систематических данных по устойчивости ионитов к различным
водно-органическим жидкостям очень мало, хотя известно, что при обычной температуре
иониты вполне устойчивы в органических растворах. Сульфокислотные катиониты
практически нерастворимы в органических жидкостях различной химической
природы, карбоксильные устойчивы в растворах алифатических и ароматических
соединений [10].
2.2.4. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ИОНИТОВ
Как было показано выше, в современной ядерной технологии и энергетике
ионообменные материалы всех классов — ионообменные смолы, неорганические
иониты, угли — применяются при переработке ядерного горючего, разделении
радионуклидов, для дезактивации сбросных вод и очистки вод, использующихся
40
в ядерных реакторах и установках. Они подвергаются действию а-, 0- и у-из-
лучений.
Радиационная стойкость ионитов определяется дозой поглощения
радиоактивного излучения, при которой необратимые химические изменения в ионите
не сказываются на существенном изменении их свойств. Для ионообменных смол
эта доза лежит в пределах от 104 до 107 Гр [10]. По радиационной стойкости
органические высокомолекулярные иониты можно расположить в ряд:
пиридиновые аниониты > сульфокарбоксильные катиониты > слабоосновные аниониты
первичных, вторичных и третичных аминов > сильноосновные аниониты типа
четвертичных аммониевых оснований [15].
Из катионитов лучше всех переносят облучение сульфокатиониты
поликонденсационного типа, при дозах облучения до 5-Ю6 Гр их полная обменная
емкость меняется незначительно. Сульфокатиониты полимеризационного типа
устойчивее карбоксилсодержащих, но меньше, чем фосфорнокислые и
поликонденсационные сульфокатиониты [19]. Карбоксильные катиониты изменяют свои
свойства при дозах 10б Гр.
Наиболее стойки к радиационному воздействию аниониты пиридиновой
группы и группы четвертичных пиридиниевых оснований. Их основность
снижается незначительно даже при дозе излучения 107 Гр. При облучении винил-
пиридиновых анионитов в присутствии 7,5 и. HN03 у_излУчением В малой дозе
(менее 2 МГр) небольшое количетво продуктов радиолиза образовалось
вследствие отрыва отдельных функциональных групп смолы и линейных цепей. При
дозе свыше 4,5 МГр от матрицы начинают отрываться крупные фрагменты.
Неорганические сорбенты искусственного происхождения (фосфаты, мо-
либдаты, вольфраматы, диоксиды циркония, олова и др.) имеют более высокую
радиационную и термическую стойкость, чем ионообменные смолы. Например,
радиолиз монимориллонита (в Н-форме) не сопровождается изменением его
ионообменных свойств даже при температуре 300 °С. Изменение ионообменных
свойств силикагеля не наблюдается при дозе более 10б Гр. Изменение свойств
неорганических ионитов наблюдается при 108 Гр и выше.
2.3. КИНЕТИКА ИОННОГО ОБМЕНА
В процессе ионного обмена происходит изменение
концентрации вещества (веществ) в растворе (пульпе) и ионите во времени.
Знание закономерностей этого процесса (качественных и
количественных) необходимо при рассмотрении механизма, расчете
оборудования и получении информации о равновесном распределении
элементов.
Ионообменный процесс складывается из трех стадий:
диффузии обменивающихся ионов от или к поверхности
раздела фаз;
диффузии обменивающихся ионов внутри зерна ионита в
противоположных направлениях;
химической реакции двойного обмена, причем последняя стадия
характеризует химическую кинетику, а две первые —имеют
диффузионный характер.
Скорость многостадийного процесса определяется скоростью
наиболее медленной стадии,
41

Большинство экспериментальных данных по ионному обмену,
полученных в статических и динамических условиях, показали, что
скорость процесса определяется диффузионными
стадиями—внешней (1 стадия) или внутренней (2 стадия) диффузией, т. е. скорость
ионного обмена весьма существенно зависит от размера зерен
катионита или анионита [7].
Перенос вещества в случае диффузионной кинетики
определяется законами Фика:
для внешней диффузии
j=—DmSdC/dR; (2.9)
для внутренней диффузии
dj/дх = DC0^Sd2C/dR\ (2.10)
Относительная роль внешней или внутренней диффузии будет
зависеть от диффузионного потока и аппаратурного оформления.
Внешне диффузионная кинетика будет проявляться в очень
разбавленных растворах (пульпах), на сорбентах с высокой емкостью
и малым числом поперечных связей. В этом случае скорость
процесса будет зависеть от гидродинамических факторов — от
интенсивности перемешивания. Внутридиффузионная кинетика будет,
очевидно, преобладать в концентрированных растворах (пульпах)
на сорбентах с большим числом поперечных связей и т. д.
Механизм ионного обмена можно оценить различными
способами по соотношениям [6]:
при внутренней диффузии yDC0V8(5 + 2KA/B)/xDmR4<g:l\
при внешней диффузии уЬсорб(5 + 2/СЛ/в)/л:1)ж^ч>1;
при смешанной диффузии уЬС0Р6(5 + 2Ка/в)/#Ак#ч^ 1-
Здесь y = HiZiyi, # = 2^ZZ*—суммарные концентрации
обменивающихся ионов в твердой и жидкой фазах; Ка/в = Уа^в1^аУв = 0'а1^в —
коэффициент разделения обоих сортов противоионов в
равновесном состоянии: ион А первоначально находится в ионите, В—
в растворе. Приводятся и несколько другие критерии оценки
лимитирующей стадии:
при внешней диффузии аОж/?ч/
/5£>сор6аР<1;
при внутренней Dm/?4/5DCOp6ap»l.
Наиболее просто и надежно
лимитирующую стадию найти
экспериментально методом прерывания (рис. 2.3)
[22]. При внешнедиффузионной
стадии кривая насыщеная не имеет
перегиба после прекращения
перемешивания, а внутридиффузионной — скорость
начального процесса выше, так как
при прерывании процесса
концентрация в зерне для этого случая
выравнивается и в начальный момент скорость
процесса возрастает из-за большего
градиента концентрации.
Прерывание
—*-+-
Пленочная
кинетика
0
4-«
\ Гелиебая
кинетика
Время
Рис. 2.3. Кинетические кривые
при гелиевой и пленочной
кинетике в случае прерывания
ионного обмена
42
1
! •
1
1
К
1
1
1 *
И—^
Л>—\
У$=УсР=Уз
1
. fir J
«<—-—>|
Рис. 2.4. Изменение концентрации иона при переходе из жидкой (пульповой)
фазы в зерно при внешнедиффузионной (а), внутридиффузионной (б, в) и
смешанной (г) кинетике [24]:
1,3 — ядро потока и зерна соответственно; 2 — граница раздела фаз; в — при линейном
градиенте концентрации в зерне; Т0 — время, необходимое для достижения
концентрационной волной центра зерна
При смешанно-диффузионном механизме даже метод
прерывания не всегда дает однозначный ответ — влияет ли диффузионное
сопротивление в жидкой пленке на границе раздела фаз на
кинетику процесса. Поэтому механизм исследуемого процесса
оценивают также по зависимости скорости ионного обмена от диаметра
частиц, графическим методом интерпретации кинетических данных
в виде_1п(1 — F) =—К'Ъ для внешнедиффузионной кинетики и F=
=—КУт — Для начального периода внутренней. Используется,
кроме того, критерий Био: Bi=fiR4/DC0V. При 5^0,1 —внешняя
диффузия, ВОЗО — внутренняя, 30<fii^0,l —смешанная [6].
В некоторых случаях бывает сложнее установить определяющую
стадию по мере проведения процесса в аппарате непрерывного
действия, так как по ходу изменения концентрации
относительная роль внешней или внутренней диффузии может меняться.
При расчете оборудования такие моменты необходимо учитывать,
поэтому нужно использовать несколько способов анализа,
чтобы определить лимитирующую стадию в зависимости от
гидродинамических, концентрационных, геометрических и других
факторов.
Закономерности внешнедиффузионной (пленочной) кинетики.
При рассмотрении модели, показанной на рис. 2.4, делаются
допущения, что диффузия в зерно происходит как диффузия к плос-
43

кой стенке, концентрация на внешней границе пленки остается
постоянной.
Градиент концентрации в ионите и на границе пленка — ионит
отсутствует, что связано с быстрым выравниванием концентрации
в зерне. В пленке концентрация меняется линейно. На границе
жидкость — ионит существует равновесие для всех концентраций
от 0 до х (у& = арХ6 и уР = аРх).
При внешнедиффузионной кинетике скорость процесса
определяется первым законом Фика [уравнение (2.9)]. Массовый поток
через пленку для зерен сферической формы при учете, что
dC/dR^(x—Л'б)/б, имеет вид:
dj/dx = 4nRlDw[(x — x6)/6]. (2.11)
После несложных преобразований [22] уравнение (2.11)
приводится к удобной для практического использования форме:
2,3 lg (1 - ///J = 2,3 Jg (1 - у/Ур) = - Кг, (2.12)
где константа скорости
К = 3DjR48ap, / - (4/3) nR\y, /ж = (4/3) я#ч3шр.
Зная /С, можно определить коэффициент скорости |3i
(коэффициент массоотдачи) при а = const и коэффициент диффузии через
пленку Dm:
^ = Кар; (2.13)
£>ж = 0,330^6. (2.14)
Толщина пленки зависит от режима течения раствора и
изменяется в пределах от 100 до 10 мкм„ иногда при турбулентном
режиме достигает 1 мкм [7, 13] и может быть найдена при малых
скоростях потока по уравнению
6 = 0,2^/(1 + 701^. (2.15)
Значение коэффициента диффузии в растворах Dm колеблется
в пределах Ю-4—10-5 см2/с
С помощью коэффициента диффузии можно найти время
полуобмена
TVf = 0,23Яч6ар/£ж. (2.16)
Для внешнедиффузионной кинетики характерны следующие
признаки [13]: энергия активации в 1,1—2,5 раза выше, чем при
внутридиффузионной, и составляет 17—25 кДж/моль, скорость
процесса обратно пропорциональна радиусу зерна, константа
скорости К обратно пропорциональна коэффициенту распределения
ар, линейно увеличивается при повышении концентрации
сорбируемого элемента в растворе и скорости его перемешивания или
фильтрации через слой ионита, скорость реакции не зависит от
степени сшивки ионита.
Внешняя диффузия лимитирует процесс в очень разбавленных
44
растворах х<0,001 М. При концентрации ионов выше 0,001 М
диффузионный поток начинает увеличиваться, возрастает роль
диффузии в зерне.
Закономерности внутридиффузионной кинетики.
Экспериментальные исследования процессов насыщения и регенерации ионитов
с помощью специальной техники показали, что внутри зерен ионита
имеются подвижные поверхности контакта фаз. В этом случае
процесс описывается вторым законом Фика [см. уравнение (2.10)].
Для сферических частиц это соотношение имеет вид:
дС/дт = Z)cop [d*C/dRl + (2/R) дС/dR)] (2.17)
Для различных степеней превращения получено выражение,
приведенное в работе [22]:
F - ///с» = 1 - С6/"2) 2 О/л?) ехр (- DC0VnW<Rl), (2.18)
F=l- (6/д2) |j (l/nl) exp (- р2точ2), (2.19)
л=1
где виутридиффузионный кинетический коэффициент
Р2 = tfDCQVlRl (2.20)
В области малых значений F<C0,2—0,3 с достаточной
точностью
F = №jVD^pfa . (2.21)
При F>0,7
F=l — (6/л2) ехр (— Рт). (2.22)
Коэффициенты внутренней диффузии для шарообразных частиц
могут быть найдены с помощью табл. 2.14 [46].
Таблица 2.14. Расчетные данные по зависимости Вт от F
F
0,0035
0,0050
0,0070
0,0083
0,0095
0,0105
0,0130
—
0,0153
0,0190
0,0228
0,0240
0,026
Вт-10*
0,1
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,5
—
2
3
4
5
6
F
0,030
0,034
0,048
0,059
—
—
0,09
0,125
0,155
0,180
0,205
0,225
___
£т-10*
8-10-2
10.10~2
20-10-2
30.10-2
—
—
1
2
3
4
5
6
1
F
0,265
0,300
0,365
0,420
0,462
0,497
—
0,555
0,605
0,65
0,69
—
0,72
Вт-10*
8
10
15
20
25
30
—
40
50
60
70
—
80
F
0,72
0,775
—
0,818
0,865
0,915
0,95
0,97
0,98
—
—
—
—
в%
________
0,8
1,0
1,2
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
—
—
—
~~*
45

При обработке экспериментальных дайны* строит график
зависимости F от т, далее по экспериментальным значениям F находят
Вх и затем В и £>СОр (р2 и /)сор):
Dco»^№lln\ (2.23)
Для случая диффузии через плоскую систему получено уравнение,
аналогичное (2.18):
F = /// =(1-8/я') V ' ехр[-2(д-1)а"^°Рт
. (2-24)
где Х0 — половина толщины стенки (плитки).
Постоянные значения коэффициентов диффузии в ионите обычно
получаются при сорбции микрокомпонентов и при изотопном
обмене. При полном обмене по уравнению (2.23) находится
эффективный коэффициент внутренней диффузии, который зависит от
типа ионита и времени. На коэффициент диффузии влияют
градиент концентрации и электрические поля [46]
Z2ACADA + Z%CsDB
а также набухаемость ионита, концентрация внешнего раствора,
природа катиона, поэтому при изучении реальных систем
уравнение (2.23) нужно рассматривать как первое приближение к
истинному значению DC0I>.
Для случая смешанной кинетики эффективный коэффициент
скорости или коэффициент массопередачи является величиной,
связанной с Pi и fa-
P = fW(p2 + Pi); (2.26)
из работы [46]
dyldx = (№/(& + Pi) l(x - Хб)]. (2.27)
При Pi>^2 — внешнедиффузионная кинетика, а при fb^Pi — внут-
ридиффузионная кинетика.
Коэффициенты диффузии неорганических ионов в синтетических
ионитах органического типа (смолах) находятся в пределах 10~6—
10~~8 см2/с Анионные комплексы металлов, органические ионы
диффундируют с меньшей скоростью: значения D& 10-8-М0-9 см2/с.
Энергия активации обмена на ионообменных смолах составляет
21—42 кДж/моль [13].
Синтетические неорганические катиониты — сурьмяно-кремние-
вые, фосфорно-сурьмяно-кремниевые имеют коэффициент
диффузии £>сор«Ю-7-М0-9 см2/с
Для неорганических ионитов типа цеолитов имеются две
кинетические стадии — диффузия ионов в частицы (быстрая) и внутри-
кристаллические перераспределения обменивающихся катионов на
46
X
* 8
i \
-| i \
-t--i
ь1 i
i i
i ... i
^*Т "—■
1
Время сорбции,мин
У
~Уз~~^
п
1 1
1 1
1 1
1 1
,'Tj
г1 %г 10 х
Время сорд~ции,мин
5)
Равновесная концентрацияр-ра,г/л
S)
*)
Рис. 2.5. Кинетические (а, б), равновесная (в) характеристики систем и расчет
Вк (г) по данным лабораторных исследований
более выгодные энергетические позиции. Для морденита Dcov>
двухзарядных катионов равен 10~~10—10~и см2/с, для Na-клиноптилоли-
та коэффициент диффузии одно- и двухзарядных ионов составляет
10~8—10~9 и 10~10—Ю-11 см2/с соответственно. Энергия активации
обмена на цеолитах лежит в пределах 42—120 кДж/моль [13].
При необходимости по значению Dcov можно найти время
полуобмена:
tVi = 0,03tf42/Dcop.
(2.28)
Таким образом, коэффициенты диффузии в органических и
неорганических синтетических ионитах изменяются в пределах 10~6—
10~9 см2/с. В растворах коэффициенты диффузии существенно выше
(Ю-4—Ю-5 см2/с). Поэтому процесс ионного обмена, как правило,
лимитируется диффузией в зерне.
Смешанная кинетика может наблюдаться при концентрациях
ионов 0,1>с>0,001 М, а внешнедиффузионная при с<0,001М.
В аппаратах непрерывного действия концентрация вещества
(веществ) весьма существенно изменяется по длине сорбера
(аппаратом цепочки), и поэтому процесс может проходить по
различным механизмам, однако расчет аппарата обычно ведется по
стадии, требующей наибольшего времени контактирования
реагентов, т. е. по внутридиффузионной кинетике. При этом необходимо
знать и влияние концентрации извлекаемого компонента и присут-
47

сжующих OctioBtihtx реагентов—кислот, Солей —на кйнбтотескйе
закономерности процесса.
Реальные производственные растворы (пульпы) содержат
наряду с основным компонентом комплекс элементов, оказывающих
конкурентное влияние на процесс извлечения, разделения ценных
компонентов. Это наряду с указанными выше причинами не
позволяет найти расчетом Dcov по формуле (2.23), поэтому необходимые
кинетические данные получают в лаборатории при исследовании
процесса на реальных производственных средах.
Как правило, в лаборатории снимается серия кинетических
кривых при большом числе оборотов мешалки (Л/'м>200 об/мин),
чтобы исключить действие внешнедиффузионных факторов.
Кривые у, х — Ыт), У=Ы*) (см. рис. 2.9) обрабатываются, и затем
находится кинетический коэффициент массопередачи В как tg угла
наклона прямой в координатах 1п(г/р — у)— т (рис. 2.5) для
нескольких концентраций извлекаемых веществ. Указанный
коэффициент применяется для расчета высоты аппарата (см. гл. 6).
2.4. РАВНОВЕСИЕ ИОННОГО ОБМЕНА
Ионный обмен, протекающий в системе раствор (пульпа) —
ионит чаще всего в эквивалентных соотношениях до достижения
равновесия, является обратимым процессом и подчиняется закону
действующих масс. Однако в каждом конкретном случае ввиду
большого разнообразия систем и возможности протекания
побочных процессов обратимость должна проверяться. Методики таких
измерений изложены в работе [24]. Уравнение ионного обмена
между ионитом, содержащим ион А, и раствором электролита ВХ
с ионом В и анионом X может быть записано в виде [13]
ZbRzaAZr + {ZaZrIZx) BzxXzb+*
*± ZARz~BzA + {ZbZrIZx) AzxXza (2.29)
или в ионной форме
ZBAA + ZABB *± ZaBZb + ZBAA (2.30)
или
(l/ZA) Aa + (1/ZB) BB ^ (1/ZB) BB + (1/ZA) Aa . (2.31)
Термодинамическую константу равновесия Kb/a найти трудно
из-за отсутствия данных о коэффициентах активности ионов даже
в растворах, экспериментальное же определение коэффициентов
активности ионов в ионитах имеет ряд трудностей, не решенных
до настоящего времени.
Поэтому для описания состояния равновесия в практике
используют кажущуюся константу Кв/а равновесия, коэффициент
43
Рис. 2.6. Виды изотерм в зависимости от способа выражения концентраций:
а — координаты количества поглощенного вещества: мг/г, мг-экв/г и т. д. б —
относительные единицы y/ymgiX, эквивалентные доли;
1—3 — сорбция при различном солесодержании, кислотности и т. п.; 4, 5 — регенерация
распределения ар и коэффициент селективности КИзб-
К**вВ/А = (Ув/УА)(ХрА/ХРв)-
При равных зарядах обмениваемых ионов (ZA = ZB)
К В/А — Кивбв/А*
КВ1А=УХ^ХХГА1УХГАХВ
!zb
уТВ1уТА = Ka/AxWfA.
(2.32)
(2.33)
(2.34)
(2.35))
Состояние равновесия системы при / = const обычно
изображается графически в виде изотерм сорбции (десорбции).
Изотерма является одной из важнейших характеристик ионного
обмена, так как она позволяет определить равновесную обменную
емкость, среднюю движущую силу процесса массообмена, число
единиц переноса, число теоретических ступеней контакта, т. е.
показатели, необходимые для определения размеров ионитовых
аппаратов (см. гл. 6). Существует несколько методов снятия и
изображения изотерм [24]:
Метод переменных концентраций рекомендуется при небольшой
зависимости коэффициента распределения от общей концентрации
ионов в равновесном растворе.
Метод переменных объемов раствора или массы ионита
наиболее широко применяется ввиду того, что равновесные
концентрации определяются при постоянной ионной силе.
Динамический метод — фильтрация раствора через слой ионита,
насыщенного одним из ионов.
Данные по ионообменному равновесию изображаются
несколькими способами — в виде зависимостей между поглощенным
количеством вещества (кг-экв/г, ммоль/г, мг/г) в ионите и равновесным
содержанием его в растворе (мг-экв/см3, ммоль/см3, г/л). На
4 Зак. 1735
49

бснове закона действующих масс при замене активностей
концентрациями, эквиалентными долям пб,а (рис. 2.6). Последний способ
позволяет получить стандартные диаграммы для определения
числового значения Кв/а [38, 46].
При ZA=ZB уравнение изотермы можно представить в виде [22]
Кв/а = пв(1— пв)/[пв (1 — пв)]
или после преобразований
пв= Кв/лпв/[\ + (Кв/А
1) пв],
(2.36)
(2.37)
где
пв = ZbCb/(ZbCb + ZaCa) = ZBCB/NA; nA = ZACA/NA = 1 — пв; (2.38)
пв = ZbCb/(ZbCb + ZaCa) = ZBCBlNB\ nA = ZACAINA = 1 — пв; (2.39)
здесь N и N — суммарные концентрации ионов в фазе ионита и
внешнем растворе, г-экв/л, и CB=NnB/zB (Cs=NnB/zB).
Из выражения видно, что форма изотермы определяется только
величиной Кб/а = Киз6б/а. Изотерма выпуклая, если Кв/а>\, и
вогнутая при Кв/а<.\. При Кб/а = 1 совпадает с диагональю
квадрата (рис. 2.7). Степень обогащения равна Кв/а при ZA=ZB.
При ZA^ZB
.nB)](NIN)-ZAlZA[{\-
Кв/А = [пв(1—Пв)/Пв(1
rMZA шш\*в1гА-
Ки*В/Л=Кв,лШ)
[(1-Пв/1-пв)]
zbIza~1
(2.40)
(2.41)
NO 100 Г—ч
0,5 пв 1,0
О 20 40 60 80 100
Эквивалентная доля в растворе, %
Рис. 2.7. Изотермы ионного
обмена в зависимости от
значения Кв/а [22]
Рис. 2.8. Изотермы обмена на
фенолформальдегидном катио-
ните между ионами NH+ и
ионами ряда металлов
50
* L И 6
У1 "
У
V-
V"
ч\ /У
\tl
Г
Г
/^~^^''
/
Л
s~°
/
^
/ j
\Г\
«)
')
Рис. 2.9. Классификация изотерм по Смиту (а) и БЭТ (б)
[9]
—-S, L, Н, С; /—У —изотермы различного типа, /—5 — виды
изотерм.
4*

Рис. 2.10. Сорбция урана сильнооснОй-
ными катионитами [4]:
а —изотерма сорбции на КУ-2 при
различных рН среды; б — зависимость емкости
урана от рН среды на различных катиони-
тах
При малой концентрации ионов
K,36b/A=K^aa(N/N)Zb/Za~\
(2.42)
так как при N>N ионит
обогащается ионом с большим зарядом
даже при малой константе
обмена— преимущество сорбции
многозарядных ионов называют
электроселективностью [22]. На
рис. 2.8 представлены
экспериментальные изотермы обмена для
различных ионов на фенолфор-
мальдегидном сульфокатионите,
показывающие селективность
обмена ионов Th4+, Al3+. Для Na+
и Li+ сродство меньше, чем к ионам NH4+.
Классификация изотерм сорбции показана на рис. 2.9.
Изотермы типа 5 встречаются сравнительно редко, в основном
при сорбции на неорганических ионитах. Для ионообменных смол
наиболее характерны изотермы Лэнгмюра (тип L). Изотермы
типа Н характерны для ионитов, у которых большая сорбционная
емкость достигается при малых концентрациях.
Некоторые типы изотерм сорбции урана различными типами
ионитов показаны на рис. 2.10, 2.11, 2.12.
В технических расчетах для описания ионообменного равновесия
на ионообменных смолах чаще всего используются эмпирические
уравнения Генри, Фрейндлиха и Лэнгмюра.
В области малых концентраций изменение концентраций
описывается уравнением Генри
у = К'С
(2.43)
В области средних концентраций хорошее совпадение
экспериментальных результатов дает соотношение Фрейндлиха
у = К"хп. (2.44)
Для широкого диапазона изменения концентраций
рекомендуется уравнение Лэнгмюра
УР=Уоох/(А + х)- (2.45)
Для неорганических ионитов отмечено очень большое много-
52
II
100
80
60
40
-.го у-
■ ■ тр=(ршас
/
\ 1 /V
Г / /^
\</ <^--&&^Г
>|
э U6U
х Fe3 \
*\ • Си.2 |
*\ а Мл2+
|Д^Ск
*«; S
6 рН
/О 20 д0 ff 40 Нг50^г/л
Рис. 2.11. Зависимость обменной емкости по урану и сопутствующим примесям
смол СГ-1 (а) и АН-2ф (б) от рН среды и концентрации серной кислоты [4]:
/ — по урану; 2 — по железу
образие изотерм — симметричные, несимметричные, S-образные с
перегибом, площадные и т. п., что связано в таких ионитах с
разным механизмом сорбции —физической, обменной, хемосорбции;
фазовыми превращениями и другими факторами.
^Изотермы обмена некоторых, наиболее интересных для
ядерной промышленности неорганических ионитов показаны на
рис. 2.13.
В растворах с соизмеримыми концентрациями обменивающихся
ионов описание равновесия в условиях постоянства суммарной
эквивалентной концентрации противоионов 1>х=хА + Хв и для
монофункциональных ионитов не вызывает затруднений [6].
В других случаях математическое описание равновесия в
системах затруднено. Из большого многообразия эмпирических
уравнений следует привести уравнение Ротмунда-Корнефельда
Уа/Ув = К'" (ха/хв)р.
(2.46)
У,ьлг/г
1001
О 0,3 0,6 1,0 1,5 2,0
Концентрация Репрессирующих ионоб, н
Рис. 2.12. Зависимость сорбционной емкости по урану для сильноосновных
анионитов от кислотности (а) и концентрации депрессирующих ионов (б) [4]:
У — фосфат-ион; 2 — нитрат-ион; 3 — фторид-ион; 4 — сульфат-ион; 5 — хлорид-ион
53

It
1,0
$b/$i~ K,8t
Sb/$t*0,S1
0,8
0,6
SL.-
,-e-e-
^o
0 0,1 0,4 0,6 0,8 1,0
■'
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Sb/P*5;7J
0 0,1 0,4 0,6 0,8 1,0
Sb/Tu~5,7€
Г f'
r ^4~
^*- «; |
■rTf
tf,Z 0;4 0,6 0,8 1,0
Sb/Te =1,9 J
Q-<2rQO~&Q
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Nt
Sb--P:Si
2,18-1,24-4,43
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
h
Sb:P:Sl
3,52-1,71-2,17
"J
ft"*
0,4
0,2
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
I A*JS*
L /o Ci-tr
cxo^^J"
Z^°J\ L_
*;
£7 0,2 ^ 0,6 0,8 1,0
^
о Cd^
• 5rz+
* Baz+-
о Саг*
x Mgz+
■ Li+
o Ag^
+ La3+
Рис. 2.13. Изотерма обмена некоторых неорганических ионитов [6]:
д__Н+, Mez+— образцов СКК (сурьмяная кристаллическая кислота) при суммарной
эквивалентной концентрации 0,1 г-экв/л; б и в —Н+, Ме*+ образцов кремнесурьмяных ка-
тионитов; г и д — Ме*+ фосфорно-сурьмяных; е и ас — теллурсурьмяных; § ц и — крем-
нефосфорно-сурьмяных; /с — образцов цеолита NaY
54
Это уравнение приемлемо согласуется с экспериментальными
данными, полученными на природных и синтетических алюмосили-
катных материалах [6].
Глав а 3
ИОНООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Выше отмечалось, что в атохмной промышленности имеется
огромное многообразие ионообменных процессов — от сорбции
урана из тяжелых пульп до очистки сверхчистых контурных
вод АЭС. В табл. 3.1 приведена классификация технологических
систем, в которых ионный обмен занял ведущую роль.
Технико-экономические показатели таких процессов в
значительной мере определяются их аппаратурным оформлением.
Для каждой из отмеченных систем необходимо использовать
аппараты соответствующей конструкции. Так, очевидно, что
переработка пульп и мутных растворов без предварительного ос-
Таблица 3.1. Технологические системы атомной промышленности, в которых
применяется ионный обмен
Наименование системы
Плотные пульпы
Пульпы со средним и малым
содержанием твердого
Мутные растворы
Чистые растворы:
технологические
(сорбция, регенерация,
промывка)
жидкие радиоактивные
отходы
Сверхчистые растворы:
подпиточные воды
контурные воды
Содержание, г/л
твердых
частиц
300—500
10—100
1-5
<0,1
<0,1
10-е
10-е
извлекаемого
компонента
0,1-5
0,01—0,1
0,1-50
<1
10-е
10-е
Происхождение
Рудный передел
Воды подземного
выщелачивания, шахтные воды
Растворы после фильтрации,
регенерационные и промывные
воды
АЭС, лаборатории,
гидрометаллургические и
радиохимические заводы, производства
твэлов
АЭС, промышленные и
исследовательские реакторы
55

ветления возможна только в аппаратах со взвешенным (псевдо-
ожиженным) слоем сорбента. Для переработки чистых
растворов могут применяться аппараты как со сплошным, так и со
взвешенным слоем. Очистка же сверхчистых вод, когда
необходимо одновременно удалять как химические, так и
механические загрязнения, должна проводиться в аппаратах со сплошным
слоем.
Поскольку растворы одинакового характера (по
концентрации целевого компонента и взвесей) образуются в различных
технологических процессах на разных стадиях производства
продукции атомной промышленности и они могут
перерабатываться в разных аппаратах, целесообразно рассмотреть
конструкции и характеристики ионообменных аппаратов с указанием тех
процессов, в которых они используются в настоящее время или
для которых они могут быть перспективны. Это целесообразно
также и потому, что аппараты одной группы имеют близкую
гидродинамику, конструкцию и рассчитываются по похожим
методикам, которые будут рассмотрены в следующих главах.
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Все многообразие существующих ионообменных аппаратов
может быть для удобства их рассмотрения разбито на отдельные
группы аппаратов, близких по конструкции, принципу действия
и характеристикам. Предложено множество различных
вариантов классификации ионообменного оборудования [24—27],
однако наиболее удачной признана в настоящее время
классификация, разработанная ранее авторами настоящей работы [12].
Ионообменная аппаратура
\ Периодического дейстбия
J^Co сплош. -
ным слоем
\С протибо
точной ре-\
генерацией
\С прямоточной]
]рееенерациещ
Многопо -
точные
Много -
ел оиные
И ФСД
[ Намывные
Со взбеш.ен-\
ным слоем
С протибо-]
точной
регенерацией |
ЦС прямоточной
\регенерамдеа\
Непрерывного действия
Со сплош -
ным слоем
С
прямоточным дбиже -
нием фаз
С
перекрестным дбиже -
нием фаз
f протибо -
[точным
движением фаз
Со бзбеш.ен-\
ным слоем
\С
прямоточным дбиже-
нием (раз
С
перекрестным дбиже-
нием фаз
С протибо-
Цточьым
движением фаз
Рис. 3.1. Классификация ионообменного оборудования
56
\Полунепрерывном дейстбия \
Со
сплошным слоем
\С протибо -
\точным
дбиже нием фаз
\Со бзбешен-
ным слоем
№ протибо -
точным дби~
жением фаз
Согласно предложенной классификации ионообменное
оборудование подразделяется на группы по двум основным
признакам: по режиму работы (периодический, непрерывный) и по
гидродинамическому режиму.
В соответствии с этими признаками аппараты делятся на
следующие группы (рис. 3.1): периодического, непрерывного, полу-
или квазинепрерывного действия; со сплошным или псевдоожи-
женным (взвешенным) слоем сорбента.
Аппараты непрерывного и полунепрерывного действия, кроме
того, могут быть сгруппированы по характеру взаимного'
движения фаз в аппарате:
параллельное (прямоточное), перекрестное (смешанное), про-
тивоточное, а также по способу организации передвижения
сорбента: г
гравитационное или принудительное.
Каждый из этих признаков очень важен при описании
аппарата, а их совокупность достаточно полно характеризует
конструкцию.
Аппараты каждой группы имеют положительные и
отрицательные качества.
Выбор аппарата для заданного процесса определяется
необходимыми технологическими параметрами, масштабами
производства и надежностью конструкции.
Ниже охарактеризованы различные группы аппаратов и
рассмотрены наиболее перспективные конструкции. В связи с тем,
что по характеру работы и схемам включения аппараты
полунепрерывного действия сблизились с истинно непрерывными, они
рассмотрены в одном разделе.
3.2. КОНСТРУКЦИИ ИОНООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Аппараты периодического действия* характеризуются тем,
что во время проведения процесса раствор движется
(фильтруется) через неподвижный слой, находящийся внутри аппарата.
Обычно все технологические операции проводят в одном
аппарате последовательно. Такие сорберы просты по конструкции, и для
их обслуживания не требуется квалифицированный персонал.
К их недостаткам следует отнести большой объем аппаратов и
загрузку сорбента, значительный расход реагентов, необходимость
подвода к каждому аппарату большого числа коммуникаций с
запорной арматурой, высокие требования к надежности этой
арматуры, сложность автоматизации.
Это название, широко принятое для сорбционных аппаратов, не
совсем точно. Правильно было бы назвать их аппаратами полупериодического
действия. В аппарате периодического действия обе фазы загружаются
одновременно и в течение всего процесса находятся в нем.
57

3.2.1. АППАРАТЫ СО СПЛОШНЫМ СЛОЕМ СОРБЕНТА—ФИЛЬТРЫ
Аппараты со сплошным неподвижным слоем сорбента
называют сорбционными (ионообменными) фильтрами. Все они, за
исключением намывных фильтров, близки по конструкции и
схемам включения.
Эти аппараты являются наиболее распространенными
ионообменными реакторами в атомной промышленности. Они
используются практически во всех процессах, за исключением извлечения
урана из пульп и мутных растворов. В радиохимии они
применяются для получения и очистки делящихся материалов и
нуклидов, очистки жидких радиоактивных отходов (ЖРО). В
гидрометаллургии в них осуществляется водоподготовка и извлечение
незначительных количеств ценных компонентов из чистых
растворов. На АЭС для водоподготовки, очистки конденсата и ЖРО
используются исключительно фильтоы.
Основные характеристики серийно выпускаемых
отечественных фильтров приведены в работах [28—31].
В настоящее же время разработано большое разнообразие
вариантов их конструкции с улучшенными показателями, однако
в литературе этим конструкциям посвящено немного работ [12,
33—36]. Между тем предложенные методы интенсификации
значительно влияют на технико-экономические показатели
процессов, в том числе на расход реагентов, концентрацию
регенератов и т. п., поэтому в данном разделе авторы постарались
осветить пути модификации существующего оборудования.
Фильтры с прямоточной и противоточной регенерацией
Сорбционный фильтр представляет собой вертикальный
сосуд, частично заполненный сорбентом и имеющий несколько
дренажных и распределительных систем для ввода и вывода
реагентов. Это простой и надежный аппарат, выпускаемый серийно.
Он до сих пор является основным в водоподготовке и очистке
сточных вод.
Сорбционные фильтры могут быть высокоэффективными и
обеспечить высокую удельную производительность (при малом
солесодержании раствора). Однако они непригодны для
переработки растворов, содержащих взвеси, требуют больших загрузок
сорбента и производственных площадей.
Все процессы ионообменного цикла проводят в фильтре
последовательным пропусканием соответствующих растворов через
слой сорбента. При этом обрабатываемый раствор пропускают
до «проскока», т. е. до того момента, когда концентрация
определяющего компонента не превысит нормы. После этого сорбент
регенерируют, пропуская раствор кислоты или щелочи, и
отмывают водой от остатков регенерирующего раствора. Кроме того,
периодически загрузку сорбента взрыхляют потоком воды или
воздуха снизу для устранения образовавшихся в слое сорбента
каналов и застойных зон и удаления механических загрязнений.
58
Слио
Рис. 3.2. Схема работы аппаратов периодического (а) и непрерывного (б)
действия:
/ — насыщенный сорбент,; 2 — зона изменения концентрации; 3 — регенерированный
сорбент; 4 —начало проскока
Для обеспечения непрерывности процесса очистки раствора
необходимо устанавливать на каждой операции как минимум
два аппарата, один из которых работает на сорбции, а другой
в это время регенерируется. При высоких требованиях по
надежности (водоподготовка ТЭЦ и АЭС) устанавливают еще
резервные аппараты. Емкость сорбента в одиночном фильтре
используется далеко не полностью, поскольку «проскок» солей
начинается задолго до полного насыщения его слоя.
На рис. 3.2 показано распределение концентрации солей в
слое смолы. В середине цикла он состоит из трех зон: со
свежей /, насыщенной 3 смолами и рабочей зоны 2, в которой
происходит изменение концентраций в смоле и в растворе. Проскок
солей начинается, когда рабочая зона 4 поднимется до верхней
границы слоя. При этом часть сорбента останется ненасыщенной.
От отношения толщины зоны изменения концентраций 2 к
высоте всего слоя зависит рабочая емкость сорбента. Высота же
рабочего слоя зависит от кинетики процесса сорбции, скорости
раствора, его концентрации.
При малых скоростях ионного обмена уменьшают скорость
протекания раствора, увеличивая время его контакта со смолой.
Высокую скорость раствора можно использовать при быстрых
процессах и малых концентрациях раствора. Большое влияние
оказывают конструкция и качество изготовления и монтажа
распределительных и дренажных устройств, а также сечение
аппарата. При плохом распределении раствора по сечению фильтра
возможно каналообразование и местный «проскок» раствора, в
то время когда основной объем сорбента еще не насыщен. Это
резко снижает эффективность очистки и рабочую емкость смол.
Поэтому очень большое внимание уделяется совершенствованию
дренажных устройств [28, 29, 35].
59

Слив
Регенерирующий раствор
Ь
Ж
'664
Регенерат
°)
5\
- -
ч .
Съ
'V V 'V "V]
Л-■'•'Л Л' Л
^
р
<—
s\
V V V V]
Щ
%////ХЛ
кУ
в)
Рис. 3.3. Схема ионообменных фильтров, работающих с фильтрацией жидкости
снизу вверх:
/ — сорбция; // — регенерация; а — при малой скорости фильтрования (до 5 м/ч); б —
при больших скоростях (>40 м/ч); в — со слоем инертных шариков; г — двухкамерный;
д — с защитным слоем и перфорированной тарелкой; / — корпус; 2— сплошной слой
сорбента; 3 — нижний дренаж; 4 — псевдоожиженный слой сорбентов; 5 — верхнее
дренажное устройство; 6 — слой инертного материала; 7, 9—11 — вентили; 5 — промежуточное
сборно-распределительное устройство; 12 — защитный слой сорбента; 13 —
перфорированная тарелка; 14— погружное сборное устройство
Увеличение высоты аппарата привлекательно, поскольку при
этом возрастает рабочая емкость, однако возрастает и
гидравлическое сопротивление. Поэтому высокие аппараты используют
для проведения медленных процессов при малых скоростях
раствора. Обычно при водоподготовке и водоочистке высота слоя
сорбента составляет 0,7—1,5 м.
Загрузка сорбента в фильтр прямо пропорциональна его
производительности, концентрации раствора и времени работы
(фильтроциклу) и обратно пропорциойальна емкости сорбента.
Следовательно, выгодно использовать смолы с высокой
емкостью и короткий фильтроцикл. Минимальная продолжительность
фильтроцикла при двух работающих фильтрах определяется
временем, необходимым на осуществление всех операций по
регенерации сорбента. Для его достижения требуется полная
автоматизация установки, поэтому для удобства эксплуатации обычно уста-
навливатся фильтроцикл, равный 12—48 ч.
Производительность фильтра зависит от способа подачи и
вывода раствора. При подаче жидкости снизу (рис. 3.3, а, б), когда
слой смолы свободен, максимальная скорость раствора должна
60
быть либо меньше скорости псевдоожижения, равной 1—5 м/ч
[м3/(м2-ч)] (рис. 3.3,а), либо значительно больше нее. В
последнем случае при скорости раствора более 40—50 м/ч слой
сорбента поршнем поднимается к верхнему дренажу и прижимается
к нему, а в свободном нижнем пространстве создается
псевдоожиженный слой (рис. 3.3,6). Считается, что такой вариант
максимально эффективен [61—64], поскольку в нижней части
аппарата проходит интенсивный массообмен в пседвоожиженном
слое 4У в котором извлекается основная масса солей, а в верхнем
сплошном слое 2 глубокая доочистка раствора. Кроме того,
псевдоожиженный слой и водяная подушка снизу способствуют
лучшему распределению раствора ло сечению аппарата.
Для обеспечения надежной работы верхнего дренажного
устройства, к которому прижимаются самые мелкие частицы смолы,
фирмой «Бауэр» предложено вводить в фильтр легкие инертные
частицы 6 относительно большого диаметра, которые создают
при сорбции дополнительный фильтрующий слой 6 (рис. 3.3,в),
защищающий верхний дренаж от засорения. В этом способе,
названном Швебебед [13, 37—39], за счет почти полного
заполнения фильтра смолой обеспечивается устойчивая работа
аппарата при скорости 10—50 м/ч.
Этой же фирмой предложен иной способ интенсификации
(Лифтбед [13, 37—39]), при котором сорбционный аппарат
состоит из двух секций, установленных друг над другом и
разделенных двойной дренажной системой (рис. 3.3,г). Верхняя секция
полностью загружена сорбентом и слоем инертного материала,
а нижняя частично сорбентом. Поэтому сорбция ведется при
скорости от 2 до 50 м/ч, и при этом нижний слой является частично
псевдоожиженным, а верхний — сплошным.
В сорбционной колонне, работающей по способу Ринсбед
[37—39] (рис. 3.3,(3), в слое ионита на уровне приблизительно
60 % его высоты установлена распределительная тарелка 13 и
непосредственно под ней дренажная система 14. При подаче
раствора снизу очищенный раствор сливается через средний
дренаж. Осушенный слой смолы 12 вместе с тарелкой 13
препятствует перемещению смолы. При таком методе зажатия» слоя
возможна работа со скоростью движения раствора до 50 м/ч.
В фильтрах наиболее распространена подача жидкости
сверху вниз (рис. 3.4), что позволяет достигать при соответствующем
давлении очень большой скорости движения раствора и
упрощает конструкцию и эксплуатацию аппарата.
Способ проведения регенерации сорбента в значительной
мере определяет экономичность и эффективность всего процесса.
Возможны два основных варианта.
При прямоточной регенерации [5, 7, 12, 13, 25, 27—36, 40, 41]
(рис. 3.4, а) регенерирующий раствор подают в том же
направлении, что и в обрабатываемый (обычно сверху вниз). При этом
чистый регенерирующий раствор вначале контактирует с верхним
слоем наиболее насыщенной смолы, а затем с нижним, наименее
61

/ — сорбция; // — регенерация; а — прямоточный; б—д — противоточные; / — корпус; 2 —
слой сорбента; 3 — нижнее дренажно-распределительное устройство; 4 — шарики из
инертного материала; 5 — верхнее дренажное устройство; 6 — штуцер слива водяной
подушки; 7 — погружное дренажное устройство; 8 — циркуляционный насос
насыщенным. В результате нижние слои сорбента, лежащие
ближе к выходу раствора из аппарата, регенерируются хуже
остальных (рис. 3.5, б), в то время как для обеспечения высокого
качества очистки необходимо, чтобы степень их регенерации была
высокой. Для этого приходится расходовать большое количество
реагентов, в несколько раз превышающее необходимое стехио-
метрическое количество.
Значительного сокращения расхода реагентов и повышения
экономической эффективности можно добиться, применяя проти-
воточную регенерацию [5, 7, 12, 13, 25, 27—50], при которой
направление движения регенерирующего раствора через слой
сорбента противоположно движению раствора при сорбции (рис.
3.4, б). В результате в аппарате создается такое распределение
степени регенерации сорбента, что очищаемая вода вначале
контактирует со смолой, содержащей некоторое количество
загрязнений, а затем со все более отрегенерированной (рис. 3.5, в).
На выходе раствора из аппарата сорбент максимально чист.
Этим достигается высокая глубина очистки при относительно
небольших (в 1,5—3 раза меньших, чем в прямотоке) расходах
реагентов и соответствующем увеличении концентрации
регенератов.
Для эффективной работы противоточного фильтра
необходимо предотвратить перемешивание слоя сорбента, при котором
62
Рис. 3.5. Распределение ионов в слое катионита при сорбции (а), прямоточной
(б) и противоточной (в) регенерации
может нарушиться создавшееся распределение концентраций
солей по высоте слоя. Перемешивание может возникнуть при
взрыхлении слоя, необходимом для удаления твердых взвесей,
и при регенерации. Поэтому в противоточных фильтрах либо
перерабатывают чистые растворы — в этом случае взрыхление
можно проводить редко, либо применяют специальные меры,
обеспечивающие минимальное нарушение структуры слоя при
взрыхлении и регенерации.
Для колонн, в которых сорбция проводится снизу вверх, а
регенерация сверху вниз (см. рис. 3.3), перемешивание в процессе
регенерации отсутствует. Однако для удаления твердых частиц,
собравшихся в нижней части слоя, требуется его эффективная
отмывка, которая проводится, например, в способе Швебебед
(см. рис. 3.3, в) у в отдельном аппарате, куда выгружается весь
сорбент из сорбционного аппарата 1 либо только верхний
(чистый) его слой через вентиль 7. Количество оставшегося сорбента
должно обеспечивать необходимое расширение слоя в самом
сорбционном аппарате 7, в котором и проводится отмывка всего
оставшегося слоя. В способе Лифтбед (см. рис. 3.3, г)
загрязняется взвесями в основном нижний слой, который отмывается в
этой секции при выводе раствора через вентиль 11. При
необходимости отмывки смолы в верхней секции часть сорбента из нее
выгружается через вентиль 10 в нижнюю секцию и промывная
вода выпускается сверху верхней секции через вентиль Р.
Регенерацию такого фильтра проводят последовательным
пропусканием регенерационного раствора сверху вниз через обе
секции. Этим достигается глубокая регенерация верхней секции при
небольшом расходе регенерирующего агента, что обеспечивает
высокое качество очищенной воды.
Наиболее просто проводится отмывка от взвесей в способе
Ринсбед. При подаче воды снизу и ее выводе через верхний
штуцер весь слой ожижается и беспрепятственно проходит через
дренаж 4 и тарелку 3. Благодаря этому такой аппарат более дру-
63

Гйх, с фильтрованием снизу вверх, пригоден для Очистки
растворов, содержащих взвеси.
Регенерацию проводят при подаче реагентов через верхний
штуцер и выводе регенерата снизу. Поскольку верхний, не
работающий при сорбции слой 12 регенерируется особенно полно,
дальнейшую отмывку слоя от регенерата можно проводить
исходным раствором, из которого в этом слое будут извлечены
мешающие ионы. Это дает экономию обессоленной воды.
Однако поскольку в большинстве конструкций сорбцию
проводят при движении воды сверху вниз, а регенерацию снизу
вверх и при этом возможно псевдоожижение и перемешивание
слоя, то для его предотвращения используют различные способы
[12, 13, 27, 28, 30—36], смысл которых сводится к механической
или гидравлической блокировке слоя сорбента. Они заключаются
в полном заполнении фильтра сорбентом с его частичной
загрузкой и разгрузкой при проведении различных операций для
компенсации набухания сорбента, в использовании надувных
оболочек, заполняющих свободное пространство в фильтре при
регенерации [12, 32, 33, 36] и т. п.
Практическое применение получили только три из них.
1. Регенерацию проводят при малых скоростях подачи
раствора 1—5 м/ч [12, 40—45] (см. рис. 3.4, б). Взрыхление
осуществляется при подаче воды со скоростью 8—10 м/ч. В этом случае
в качестве противоточных фильтров могут использоваться
обычные прямоточные.
2. В пространство над смолой вводят инертные упругие
шарики 4 большего, чем сорбент, диаметра с меньшей плотностью
(см. рис. 3.4, в) [12, 32, 33, 36]. Эти шарики позволяют смоле
«дышать», т. е. изменять объем в различных растворах. Кроме
того, заполнение свободного объема фильтра инертными телами
уменьшает этот объем в 2—3 раза, что улучшает эффективность
отмывки смол от регенерата и позволяет проводить его без
слива водяной подушки. При необходимости проведения взрыхления
слоя сорбента часть или все инертные тела временно выводятся
из фильтра в специальный бункер, расположенный над или
рядом с рабочим фильтром.
3. На некотором расстоянии ниже верхнего слоя смолы
размещают дренажное устройство для вывода регенерата.
Регенерирующий раствор вводят снизу и одновременно через
верхний распределитель подают сжатый воздух (см. рис. 3.4,г),
воду либо рециркулируют регенерат (см. рис. 3.4, д). Такие
фильтры являются стандартными в отечественной водоподготовке [28—
31]. Они могут быть усовершенствованы для переработки мутных
растворов. В этом случае взрыхляется только верхний слой
сорбента при подаче воды через средний дренаж. Взрыхление всего
слоя проводится очень редко. В этом случае верхний слой
играет роль механического фильтра. Сокращение расхода
регенерирующего раствора может быть достигнуто при ступенчато-противоточ-
ной регенерации [28, 31, 35, 40].
64
Таблица 3.2. Основные характеристики используемых ионообменных фильтров
Тип фильтра
Диаметр используемых
аппаратов, м
Удельная
производительность, м3/(м2-ч) (м/ч)
Максимальная
производительность, м3/ч
Объем сорбента, м3
Степень
использования^обменной емкости, %
Расход реагентов, %
теоретического
Качество воды
Возможность переработки5^ -
створов со взвесями
Стандартные .«> 1

прямоточные
3,4
2—50
450
10—30
30—50
300—600
Низкое
1 -г-
противо-
точные
3,4
2—50
450
10—30
30—50
150—250
Высокое
+
Швебебед
4,0
10—50
410
30—100
60—80
, 105— ПО
Высокое
Лифтбед
4,0
2—50
400
10—40
70—90
100—105
Высокое
Ринсбед
2,0
2-50
150
5—10
40—60
110—150
Среднее
+
Ступенчато-противоточные фильтры состоят из двух
аппаратов или двух секций в одном аппарате разного сечения и
объема. Очищаемый раствор сначала с небольшой скоростью
фильтруется через больший аппарат, а оставшееся незначительное
число ионов доизвлекается при значительно большей скорости в
меньшем аппарате. Регенерация ведется в противоположном
направлении. При этом через ионит в меньшем фильтре
пропускается весь объем свежей кислоты (щелочи), причем степень его
регенерации оказывается очень большой. Ионит в большем
фильтре может регенерироваться не до конца, что сокращает расход
реагентов.
Близкие результаты получаются в способе Лифтбед (см.
выше), в котором первый слой используется и как механический
фильтр.
Основные характеристики используемых в промышленности
ионообменных фильтров приведены в табл. 3. 2.
Описанные конструкции ионообменных фильтров
используются в установках подготовки воды для технологических
процессов, подпиточной воды для АЭС, очистки жидких радиоактивных
отходов и нерадиоактивных сбросных вод
гидрометаллургических производств, а также для переработки концентрированных
технологических растворов в основном гидрометаллургического
производства.
Так, в водоподготовительных установках используют
стандартные фильтры с прямо- и противоточной регенерацией,
включаемые по схемам, полностью аналогичным распространенным
установкам ТЭС. Для очистки жидких радиоактивных отходов
также применяются стандартные прямоточные фильтры
диаметром до 3,4 м и высотой слоя ионитоз 1,5 м при скорости
фильтрования до 10 м/ч. Регенерацию ионитов проводят противоточно
5 Зак. 1735
65

Рис. 3.6. Схемы стандартных фильтров для АЭС:
а — фильтр ионообменный АФИ-3,0-16; б — АФИ-1,0-140; в — фильтр с защитным
кожухом АФИУ-1,0-10К1; / — корпус; 2 —лаз; 3 — верхнее распределительное устройство; 4 —
вход обрабатываемой воды и выход промывных вод; 5 — сдувка; 6 — гидрозагрузка
выход очищенной и вход промывной воды; Ю — сливной штуцер полного опорожнения
ионитов; 7 — гидровыгрузка ионитов; 8 — коллектор распределительного устройства; 9 —
выход очищенной и вход промывной воды; 10— сливной штуцер полного опорожнения
при дезактивации; 11 — щелевая труба; 12 — слив протечек; 13 — крыша лаза; 14 —
нижнее распределительное устройство; 15 — кожух; 16 — дробь
при подаче регенерирующего раствора снизу с малой скоростью
[16, 51].
Имеются стандартные конструкции ионитовых фильтров для
систем водоподготовки [28—31], которые используют и для
других производств. Для АЭС разработана своя номенклатура
ионитовых фильтров всех типов, катионитовых и анионитовых,
рабочих ФСД, фильтров-регенераторов и т. п. [54]. Их
наименование начинается с буквы А, например обозначение АФИ-3,0-16
означает: фильтр ионитовый для АЭС диаметром 3,0 м,
рассчитанный на давление 1,6 МПа. Эти фильтры (рис. 3.6) отличаются
повышенной надежностью, наличием штуцеров для загрузки и
выгрузки ионитов, изготовлением из нержавеющей стали и т. д.
В табл. 3.3 приведены номенклатура фильтров для АЭС и данные
по фильтру-ловушке АФЛ, устанавливаемой после всех фильтров
на линиях конденсата и т. п. и предназначенной для улавливания
ионитов при повреждении дренажной системы.
Для этих процессов перспективны противоточные фильтры с
дополнительной загрузкой легких инертных шариков (см. рис.
3.4, в) и с дополнительным средним дренажным устройством
(см. рис. 3.4, г). В обеих конструкциях уменьшается вредный
объем жидкости над слоем смолы, что позволяет получить более
концентрированные регенераты меньшего объема.
66
Таблица 3.3. Номенклатура фильтров для АЭС [3d]
Обозначение
фильтра
АФИ-0,6-16
АФИУ-1,0-10К
АФИ-1,0-140
АФИ-1,4-10
АФИ-2,0-10
АФИ-2,0-10СД
АФИ-2,4-90
АФИ-3,0-16
АФИ-3,4-16
АФР-2,0-10
АФЛ-0,5-16
АФЛ-0,7-16
Диаметр, м
0,6
1,0
1,0
1,4
2,0
2,0
2,4
3,0
3,4
2,0
0,5
0,7
Допустимое
давление, МПа
1,6
1,0
14,0
1,0
1,0
1,0
9,0
1,6
1,6
1,0
1,6
1,6

Производительность, м*/ч
24
72
36
50
100
100
216
520
300
—
72
650
Высота'фильтрую-
щегослоя, и
1,2
1,7
1,2
1,5
1 1,5
1.6
1.0
1,0
1,0
2,7
—
| —
Примечание. АФ—фильтр для АЭС, И—ионообменный, У—угольный, Р—регенератор»
СД—ФСД с внутренней регенерацией, Л—ловушки, К—с защитным кожухом.
Для технологических процессов используют либо стандартные
фильтры, либо близкие к ним по конструкции, но увеличенной
высоты. Для этих целей, особенно при наличии взвесей, когда
требуется частое взрыхление слоя, перспективны аппараты с
дополнительным средним дренажем (см. рис. 3.4, г),
позволяющим удалять механические загрязнения при взрыхлении только
верхней части слоя.
Фильтры для радиохимических производств
К особой группе относятся аппараты, предназначенные для
проведения процессов в радиохимических производствах с
высокоактивными растворами или с растворами, содержащими
делящиеся вещества. Такие аппараты обычно работают в зоне
недоступности, в специальных каньонах, что требует обеспечения
очень высокой надежности их элементов, прежде всего
дренажных устройств. К аппаратам для переработки делящихся
материалов предъявляются, кроме того, требования обеспечения
ядерной безопасности.
При переработке растворов с низкой активностью,
например контурных вод АЭС, жидких радиоактивных отходов,
происходит значительное концентрирование радионуклидов на ионите,
который становится среднеактивным источником. В этом случае
за биологической защитой может быть установлен только сам
аппарат, а трубопроводы и запорная арматура вне ее.
Биологическая защита может быть обеспечена расположением аппарата
в каньоне либо ограждением только аппарата индивидуальным
защитным кожухом [15, 16, 30, 51] (рис. 3.6, б).
Ремонт и обслуживание таких аппаратов может проводиться
после гидровыгрузки ионита и, в случае необходимости, дезак-
5* 67

D<D
a)
Рис. З.7. Схемы ядерно-безопасных фильтров:
а — малого диаметра; б — с поглощающей вставкой; в — кольцевой; 7 — корпус- 2 —
дренаж; 3 —штуцера для подачи и вывода реагентов;! 4— штуцера для загрузки и
выгрузки смолц; 5 — поглощающая вставка; 6 — коллектор
тивации фильтра. Поэтому в этих условиях могут
использоваться стандартные фильтры или близкие к ним, разработанные
специально для АЭС (серия АФ) [30].
При переработке растворов средней и высокой активности, а
также растворов, содержащих делящиеся материалы, за
биологическую защиту (в каньоны) помещается все оборудование.
Ремонт фильтра может быть произведен только после опорожнения
его корпуса, всех трубопроводов и их дезактивации. Поэтому
требования к надежности всех элементов установки в этом
случае значительно выше. По конструктивным схемам такие
фильтры мало отличаются от обычных, но имеют в основном
цельносварные корпуса без люков, систему загрузки и выгрузки иони-
тов, более надежные дренажные устройства.
Для обеспечения ядерной безопасности аппаратуры
изготавливают либо малого диаметра, меньшего, чем критический DKP
(рис. 3.7, а), либо кольцевыми (рис. 3.7, в), либо со
специальными поглощающими вставками с шириной кольца меньше
критической SKP (рис. 3.7, б) [52, 53].
При малой производительности достаточно уменьшить
диаметр аппарата ниже критического, рассчитываемого по
специальной методике [20]. При большей производительности нужно
либо ставить параллельно несколько фильтров, либо
использовать кольцевые аппараты, толщина слоя ионита в любом месте
которых меньше критической.
Так, сорбционный фильтр (рис. 3.7, б) [53] имеет кольцевое
сечение и снабжен поглащающей вставкой. Для загрузки и
выгрузки ионита предусмотрены специальные штуцера 4.
Дренажами служат специальные сетки. Предусмотрена
подача воздуха для взрыхления смолы и очистки дренажей.
68
Основной трудностью при создании кольцевых аппаратов {и
со вставкой) особенно большого диаметра является организация
равномерного ввода и вывода раствора в кольцевое сечение.
Обычно это достигается использованием напорных дренажей
после зон с относительно большим сечением (типа ложного дна)
(рис. 3.7, б) либо установкой дополнительного внешнего
коллектора 6 (рис. 3.7, б), соединенного с внутренним
дренажем 2.
Основное внимание при совершенствовании таких аппаратов
направлено на разработку более надежных и эффективных
дренажных устройств [53].
Многослойные фильтры
В процессах водоочистки и водоподготовки сокращения
расхода реагентов и объема сорбента можно достигнуть, если
очищаемую воду сначала пропускать через слабодиссоциирующий
ионит, а затем через сильнодиссоциирующий. При этом основная
масса ионов будет сорбирована на слабодиссоциирующем, а
глубокая очистка пройдет на сильнодиссоциирующем ионите. Для
регенерации сильного ионита требуется значительный избыток
кислоты (щелочи), слабый же может быть регенерирован сте-
хиометрическим количеством. Поэтому регенерационный раствор
пропускают сначала через сильный ионит, а полученный затем
регенерат — через слабый.
Такой процесс может осуществляться в последовательно
включенных фильтрах либо в фильтрах с послойной загрузкой
ионитов с разной основностью. Они называются многослойными
фильтрами или фильтрами «Стрета Бед» [54—56].
Поскольку фильтрацию ведут обычно сверху вниз, сверху
размещают слой слабой смолы, а снизу сильной. Такое расположение
целесообразно и потому, что обычно слабые смолы легче, чем
сильные. Если же плотности смол близки либо сильная смола
легче слабой, то их слои разделяют специальными сетками.
Многослойными фильтрами могут быть большинство
конструкций противоточных фильтров.
В отечественной атомной промышленности многослойные
фильтры пока не применяются. Однако они перспективны для
процессов водоподготовки АЭС и промышленных предприятий, а
также для очистки жидких отходов методом обессоливания в
установках относительно небольшой производительности
(примерно до 50 м3/ч). При большей производительности целесообразнее
последовательно установить фильтры с ионитами разной
основности.
Фильтры смешанного действия
Для глубокой очистки малоконцентрированных растворов
(контурные и продувочные воды и конденсат паровых турбин
АЭС и т, п.) или для финишной очистки растворов после обыч-
69

Рис. 3.8. Схемы фильтров со смешанным слоем ионитов:
а —с внутренней регенерацией; б —с выносной; в — двухпоточный; г —с защитным
слоем катионита: / — распределитель; 2 — корпус; 3 — смешанный слой; 4 — средний
дренаж; 5 —нижний дренаж; 6, 7 — штуцера выгрузки и загрузки смол; 8 —
сборно-распределительное устройство; 9 — распределитель раствора; 10 — слой катионита
ных ионитовых установок (подпиточная вода АЭС и т. п.)
широко используются аппараты со смесью катионита и анионита, так
называемые фильтры смешанного действия — ФСД (рис. 3.8)
[9, 15, 16, 27—31, 34, 51, 57—61]. Они позволяют довести
содержание солей в растворе до единиц микрограммов на литр. При
применении обычных аппаратов для получения такой глубины
очистки требуется 4—6 пар фильтров с катионитом и анионитом.
При этом ФСД допускают значительно большие скорости
фильтрования.
Обычно в ФСД используют смесь из катионита в Н-форме и
анионита в ОН-форме, хотя в системах поддержания водного
режима первого контура АЭС, когда требуется не обессоливание, а
удаление продуктов коррозии и радионуклидов, применяются
смеси ионитов в формах NH4'r—OH~; N2H5+—ОН; Li+—ОН~;
К+—ОН-; К+-Н2В03-
В 50-х годах были попытки использовать ФСД для очистки
жидких радиоактивных отходов [62], однако, несмотря на
хорошие результаты по очистке раствора, из-за сложности их
эксплуатации такой процесс не нашел практического применения.
Существуют две основные разновидности ФСД: с внутренней
и выносной регенерацией. ФСД с внутренней регенерацией [9, 12,
13, 15, 25, 28—31, 34, 35, 40, 51, 57—60] (рис. 3.8, а) содержит,
кроме верхнего распределителя / и нижней дренажной системы5,
дополнительную среднюю дренажную систему 4 и, кроме того,
снабжен несколькими смотровыми стеклами, расположенными в
районе этой системы. Раствор фильтруется сверху вниз со
скоростью до 50 м/ч. При больших скоростях возможна поломка
среднего дренажа из-за сжатия слоя ионита [27, 30, 31, 35]. Для
предотвращения этого явления предлагается средний дренаж
делать подвижным.
ФСД с выносной регенерацией [12, 13, 15, 27, 30, 31, 35, 40,
60, 63, 64] бывают нескольких типов, Наиболее распространен
70
Рис. 3.9. Схема работы ФСД:
а—ФСД с внутренней регенерацией; б —то же с инертным материалом; в, г—ФСД
с выносной регенерацией; / — сорбция; 2 — разделение; 3 — регенерация; 4 — отмывка;
5 — перемешивание; 6 — выгрузка отработанной смеси; 7 — загрузка регенерированной
смеси; « — дополнительное перемешивание и отмывка в рабочем ФСД; 9 — перегрузка
анионита; 10 — регенерация и отмывка ионитов,; И — перегрузка ионитов в бак для
смешения и хранения
обычный фильтр (см. рис. 3.6, а; 3.8, б) с верхним
распределителем и нижним дренажем, снабженный штуцерами 6, 7 для
гидравлической загрузки и выгрузки смеси ионитов. В таком
ФСД фильтрация проводится сверху вниз при скоростях до 100—
150 м/ч, ограниченных только допустимым перепадом давления,
обусловленным прочностью ионитов и ростом энергозатрат.
Имеются многопоточные варианты ФСД с выносной
регенерацией (рис. 3.8, в) [31, 65], в которых с одном корпусе как бы
объединяются несколько аппаратов, в данном случае показан
двухпоточный фильтр. Их единичная производительность может
достигать 2000—4000 м3/ч.
Поскольку в ФСД используется механическая смесь
катионита и анионита, которые должны регенерироваться кислотой и
71

щелочью соответственно, то после насыщения слоя их смеси
необходимо разделить ее на составляющие.
В ФСД с внутренней регенерацией все операции: сорбция,
разделение, регенерация и промывки смол — производятся в
одном аппарате (рис. 3.8, а).
В настоящее время основным способом разделения является
гидродинамический, при котором под слой смеси ионитов (СС)
подают воду со скоростью, превышающей скорость
псевдоожижения катионита (3—10 м/ч), и вследствие разности плотностей
ионитов происходит их разделение на два слоя 2 (рис. 3.9).
Анионит (Ан) как более легкий (р= 1,05-5-1,09 кг/л) образует
верхний слой, а катионит (Кат) (р = 1,18-5-1,23 кг/л) нижний.
Методика подбора оптимальной скорости разделения и
размеров ионитов, при котором обеспечивается их разделение,
подробно изложена в работе [31].
В реальных условиях из-за малой разности плотностей
ионитов, необходимости их предварительной подготовки, измельчения
во время эксплуатации полного разделения добиться очень
трудно.
Для улучшения эффективности разделения смол и как
следствие повышения качества очищенной воды используют систему
«Триобед» [31, 34, 57, 61] (рис. 3.9,6), в которой, кроме
катионита и анионита, в слой вводят инертный материал (ИН) с
плотностью, промежуточной между плотностями ионитов. При
разделении смеси этот третий слой надежно отделяет катионит от
анионита, а также улучшает работу среднего дренажа. Качество
очищенного конденсата значительно улучшается.
После разделения смеси ионитов одновременно сверху аппарата
подается 4—5%-ный раствор NaOH, а снизу 5—6%-ный раствор
H2S04 или HNO3; полученный регенерат выводится через среднее
дренажное устройство 3 (рис. 3.9, а, б). Затем также
одновременно сверху и снизу подается отмывочная вода 4.
Отмытые иониты перемешиваются при подаче снизу воздуха
5, после чего фильтр вновь готов к работе.
ФСД такого типа имеют минимальный объем, но сложны в
эксплуатации и не обеспечивают достаточной надежности, так
как любая неплотность вентилей на кислотной или щелочной
линии может во время операции очистки резко ухудшить
качество получаемого фильтрата. Поэтому такие аппараты
используют в атомной промышленности только на водоподготовитель-
ных операциях.
Значительно большие возможности имеют ФСД с выносной
регенерацией (см. рис. 3.8, б). В них очистку проводят в одном
аппарате, оптимизированном для ее осуществления, а
разделение и регенерацию — в другом или в нескольких (см. гл. 4)
также с оптимальными размерами. В этом случае имеется
возможность значительного улучшениня качества разделения,
перемешивания смеси смол и их регенерации при меньших расходах
реагентов. Полностью исключается попадание в очищенную воду
72
посторонних растворов. Обычно установка состоит из одного или
нескольких рабочих ФСД с нижним дренажем и верхним
распределением раствора (см. рис. 3.8, б) и фильтра-регенератора
(ФР) меньшего, чем ФСД, диаметра, по конструкции
аналогичного ФСД с внутренней регенерацией, но имеющего значительно
большую высоту. Аппараты соединены соответствующими
коммуникациями для передвижения и загрузки сорбентов. После
насыщения смеси ионитов в рабочем ФСД она перегружается в
ФР (рис. 3.9, в), где разделяется и регенерируется, как
в обычном ФСД. В некоторых схемах выделенный при
разделении катионит (или анионит) выводится в дополнительный ФР
анионита ФРА или катионита ФРК, после чего иониты
регенерируют отдельно (рис. 3.9,г). Буферный фильтр ФБ служит для
хранения запаса СС. Такая схема имеет большую гибкость по
подбору режимов разделения и регенерации. Кажущееся усложнение
схемы окупается тем, что одна цепочка фильтров-регенераторов
может обслуживать несколько рабочих ФСД. Систему
«Триобед» можно эффективно применять и при выносной регенерации
[34].
При выносной регенерации можно использовать для
разделения концентрированный раствор щелочи, в котором происходит
полное разделение катионита и анионита по плотности, так как
катионит тонет, а анионит всплывает в нем. При этом
происходит регенерация анионита и перевод катионита в Na+ -форму.
Выделенный катионит или анионит можно перегрузить в
дополнительный аппарат, после чего провести регенерацию катионита
[34, 60].
Для повышения качества разделения гидродинамическим
методом предложено множество усовершенствований. Все они
сводятся к тому, что из фильтра-разделителя раздельно выводятся
чистые катионит и анионит, а также средний, плохо разделяемый
слой смеси ионитов. Этот слой либо возвращается в разделитель
при следующем цикле разделения, либо разделяется отдельно в
щелочи или солевом растворе, и выделенные чистые иониты
добавляются к выделенным ранее.
Поскольку ФСД конденсатоочистки часто приходится
отключать на регенерацию до истощения их сорбционной емкости
из-за забивания механическими загрязнениями, то наряду с
использованием дополнительных механических фильтров, как это
сделано, например, в схемах конденсатоочистки реакторов РБМК ГЗО,
60, 51], предложены ФСД с «расщепленным» слоем [30, 31, 51, 66].
В них над слоем смеси ионитов располагают дополнительный слой
катионита, который периодически выводят в специальный аппарат,
где он отмывается от механических загрязнений. Слой смеси
ионитов выгружается на регенерацию значительно реже.
Фильтры смешанного действия широко используются в
системах водоподготовки и очистки конденсатов и продувочных вод
бассейнов выдержки АЭС с реакторами РБМК, ВВЭР и БН.
В основном используются фильтры с выносной регенерацией
73

с предвключенным механическим фильтром, загруженным катио-
нитом. Схема таких установок и перспективность их различных
вариантов будут подробно рассмотрены ниже.
Номенклатура стандартных ФСД для АЭС приведена в
табл. 3.3. Рабочими ФСД являются фильтры типа АФИ и АФИ-
2,0-10СД. Для выносной регенерации применяются фильтры типа
АФР.
Намывные фильтры '
Намывные фильтры, или так называемые паудекс-фильтры
(рис. 3. 10) [30, 31, 34, 35, 67—70], предназначены для глубокой
очистки вод с минимальным солесодержанием (порядка 1 мкг/л).
В намывных ионитовых фильтрах (НИФ) используют смесь
частиц катионита в Н+-форме и анионита в ОН~-форме
размером около 0,05 мм, которую намывают тонким слоем (5—10 мм)
на вертикальные патроны (фильтрующие элементы), имеющие
отверстия, близкие к размеру частиц ионитов. В корпусе
намывного фильтра имеется большое число таких патронов (рис. 3. 10),
и их суммарная фильтрующая поверхность оказывается очень
большой. Поэтому даже при малой линейной скорости раствора
через слой ионита (около 5 м/ч) единичная производительность
НИФ оказывается значительно большей, чем насыпного ФСД
такого же диаметра.
Из-за малых размеров частиц ионитов площадь их
поверхности значительно больше (почти в 100 раз), чем у обычных
ионитов, во столько же быстрее проходит и процесс ионного
обмена. В результате намывные фильтры обеспечивают большую
глубину очистки, чем ФСД. Кроме того, плотный фильтрующий
слой ионитов обеспечивает глубокую очистку и от механических
загрязнений. Однократное использование смеси при относительно
Рис. 3.10. Намывной ионитный фильтр:
/ — штуцер подачи сжатого воздуха; 2 —
корпус; 3 — фильтрующий элемент; 4 —
распределитель; 5 — штуцер вывода
отработанной смеси ионитов: 6 — штуцер подачи
конденсата и ввода свежей смеси ионитов;
7 — штуцер выхода очищенного
конденсата; 8 — слой смеси ионитов; 9 — навитая
проволока; JQ — перфорированная труба
74
Таблица 3,4. Отечественные намывные фильтры
Обозначение
фильтра
АФНм-0,4-10
АФНм-0,8-10
АФНм-1,2-10
Диаметр, м
0,4
0,8
1,2
Давление, МПа
1,0
1,0
1,0
Площадь
фильтрации, м2
2
13
25

Производительность, м*/ч
10
50
100
кратковременной их работе (до 1 мес) дает возможность
очищать растворы при большей температуре (100—120 °С). Однако
при этом уменьшается степень очистки от анионитов слабых
кислот.
Поскольку разделить отработанную смесь ионитов
невозможно, ее удаляют из фильтра на захоронение и заменяют новой.
Объем жидких радиоактивных отходов от намывных фильтров
примерно в 3 раза меньше, чем от ФСД [30].
Однако из-за высокой стоимости порошкообразных ионитов
преимущества НИФ реализуются только при очень высокой
надежности основного оборудования, когда в систему поступает
мало солей и аварийные присосы охлаждающей воды, особенно
морской, практически исключены. При аварийных ситуациях
намывные фильтры из-за малого количества ионита в них не
обеспечивают необходимую длительность работы. Так, при
значительном присосе охлаждающей воды в конденсаторы турбин ФСД
может обеспечить нормальное качество конденсата в течение
нескольких десятков часов, что вполне достаточно для нахождения
и установления источника загрязнения, в то же время НИФ в
подобных условиях истощается через 10—15 мин. .Поэтому
имеющиеся в литературе многочисленные сравнения
экономичности НИФ и ФСД не дают однозначного ответа на этот вопрос.
Установленным считается, что для переработки нерадиоактивных
вод (обычных ТЭС) ФСД экономичнее.
В настоящее время намывные фильтры широко
эксплуатируются на многих зарубежных АЭС, имеющих охлаждение
речной водой. Для отечественных АЭС намывные фильтры могут
стать экономически целесообразными при налаживании
промышленного производства готовой смеси порошкообразных ионитов
и снижении их стоимости.
Номенклатура отечественных намывных фильтров приведена
в табл. 3. 4.
3.2.2. АППАРАТЫ СО ВЗВЕШЕННЫМ СЛОЕМ
Аппарат со взвешенным (псевдоожиженным) слоем
сорбента (ПОС) характеризуется тем, что его частицы находятся в
непрерывном движении относительно друг друга. Такое движение
создается подачей раствора под слой сорбента со скоростью,
превышающей скорость псевдоожижения. Последняя зависит от
75

разности плотностей сорбента и раствора, его вязкости, размера
частиц смолы и т. п. Максимальная скорость раствора не может
превышать скорости уноса мелких частиц смолы из слоя.
Создать взвешенный слой частиц можно и механическим
путем, перемешивая жидкость с сорбентом с помощью воздуха,
мешалок, вибрации. В этих случаях раствор может двигаться через
слой либо оставаться неподвижным.
Интенсивное перемешивание слоя смолы устраняет застойные
зоны между частицами смолы и делает всю поверхность частиц
доступной для массообмена (нет точек касания и
микрозастойных зон, как в сплошном слое). Кроме того, при интенсивном
перемешивании уменьшается толщина неподвижной пленки
вокруг зерна, что снижает влияние внешнедиффузионного фактора и
в некоторых случаях увеличивает скорость процесса сорбции.
Другим важным преимуществом псевдоожиженного слоя
является то, что благодаря постоянному движению частиц имеется
возможность перерабатывать растворы, содержащие
значительные количества твердых частиц, вплоть до различных пульп.
Кроме того, сопротивление псевдоожиженного слоя движению
жидкости незначительно.
Для переработки растворов и легких пульп в ПОС в
гидрометаллургии урана широко использовали колонны
цилиндрической или конической формы [41—45, 71—74]. В колонне снизу
имеется распределительное устройство напорного или
безнапорного типа и сборный дренаж или желоб сверху. Иногда для
предотвращения уноса ионита сверху устанавливают сетчатый
дренаж. В ПОС можно перерабатывать пульпы с содержанием
твердого до 15—20% и с плотностью до 1100 кг/м3, если
используются сорбенты с плотностью 1200—1300 кг/м3 [42].
Обычно в сорбционных аппаратах с ПОС выбирают такую
скорость раствора, чтобы слой сорбента расширился в 1,5—2
раза. Для ионитов КУ-2-8, АМП эта скорость равна 5—8 м/ч.
Объемное содержание смолы в таком слое (задержка) в
соответствующее число раз меньше, чем в сплошном, и он интенсивно
перемешивается как в радиальном, так и в продольном
направлениях. Вследствие этого ВЭТС в таких аппаратах больше, чем в
фильтрах.
Снижение продольного перемешивания достигают, используя
конические колонны [13, 25, 46, 471 либо секционировав слой
различными насадками [13, 25, 46, 47], которые уменьшают
продольное перемешивание частиц ионита, разделяя ПОС на отдельные
слои.
Аппараты с ПОС по схемам включения близки к фильтрам.
Их противоточную регенерацию проводят в сплошном слое. По
эффективности колонны ПОС уступают фильтрам и сложнее их в
обслуживании, поэтому колонны с ПОС применяются только в
случаях переработки растворов, содержащих твердые частицы.
В отечественной урановой промышленности использовали
колонны сечением 5, 10 и 22 м2 и высотой 6, 10, 12 м [72, 73].
76
Такие аппараты следует считать бесперспективными,
поскольку переработку мутных растворов и пульп значительно
эффективнее и экономичнее проводить в противоточных колоннах
непрерывного действия с ПОС, хорошо освоенных в отечественной
промышленности.
К аппаратам с вынужденным псевдоожижением относятся
так называемые корзинчатые аппараты, использовавшиеся в 50—
60-х годах на некоторых заводах США для извлечения урана из
пульп [42—45]. В этих аппаратах сорбент загружался в
корзины из сетки с размерами ячеек меньше, чем у сорбента, но
большем, чем у частиц пульпы. Слой смолы при быстром опускании
корзины в пульпу псевдоожижался, и осуществлялось их
интенсивное перемешивание. Для полного извлечения урана поток
пульпы последовательно пропускали через несколько таких
аппаратов. Эти аппараты позволяли перерабатывать достаточно
плотные пульпы с предварительным удалением из них крупной
песковой фракции. Однако они оказались очень сложными по
конструкции, малонадежными (забивание и разрывы сетки),
малоэффективными и не позволяли перерабатывать пульпы с
содержанием твердого более 6—7%. Впоследствии они были
заменены на баковые реакторы непрерывного действия с
механическим перемешиванием.
3.3. КОНСТРУКЦИЯ ИОНООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
НЕПРЕРЫВНОГО И ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Установки непрерывного и полунепрерывного ионного
обмена характеризуются тем, что они состоят из нескольких
аппаратов, в каждом из которых проводится только один процесс, а
сорбент непрерывно циркулирует через эти аппараты (рис. 3.11).
Число аппаратов зависит от числа технологических операций,
необходимой глубины извлечения и эффективности аппаратов на
этих операциях.
В аппаратах непрерывного действия обе фазы подаются и
двигаются внутри них непрерывно. В аппаратах
полунепрерывного действия передвижение сорбента происходит периодически
при остановках или реверсировании движения раствора.
Поскольку по большинству характеристик и по конструкции такие
аппараты близки к истинно непрерывным, они рассматриваются в
одной главе.
Размеры аппаратов непрерывного действия выбирают такими,
чтобы весь сорбент участвовал в процессе (см. рис. 3.2,6). Этим
они выгодно отличаются от периодических аппаратов, в которых
в каждый момент времени имеется слой свежей /, работающей 2
и насыщенной 3 смолы, причем толщина слоев 1 и 3 значительно
больше, чем толщина слоя 2. В результате этого загрузка смол
в установки непрерывного действия в 2—15 раз меньше, чем в
периодические.
Поскольку каждый процесс проводится только в «своем» ап-
77

Сорбент
Сброс
Исходнь/й
раствор
\
1
<
<
<
ц
<
<
<
»
<
>
1 4
i
>
<
р
i
i
i
*
Вода _
Г
2
J
1
<
1
1*
1
OMt
■§
i
i
<;
<
,
i
•
i
'
<
i
'
J
Реагент
t
£
1
1
*
Рис. 311. Схема установки непрерывного
ионного обмена:
/ —сорбционный аппарат; 2 — промывочный
аппарат; 3 — регенерационный аппарат
пар are, то его тип,
конструкция и размеры могут быть
выбраны оптимальными.
Обычно аппараты
непрерывного действия работают с
противотоком фаз в самом
аппарате или в их каскаде,
состоящем из аппаратов смешения
или прямоточных. Противоточ-
ное движение фаз (смолы
и раствора) в аппарате
обеспечивает повышение
концентрационного напора, что
позволяет значительно (в 2—5 раз)
сократить необходимое время
контакта фаз [5, 26, 73—77]
и дополнительно уменьшить
количество смолы в аппарате,
а также реализовать в одном аппарате необходимое число
теоретических ступеней контакта и, следовательно, глубину очистки.
Противоток и непрерывное движение фаз позволяют стабилизировать
концентрации обработанного раствора и регенерата, лучше
использовать емкость сорбента, а также кислоту (щелочь) на
регенерации. В результате достигается сокращение объема отходов,
капитальных и эксплуатационных затрат [5, 12, 13, 22, 40—45,
71—77].
Поскольку в установках непрерывного действия требуется
только стабилизация потоков фаз, то их значительно проще
автоматизировать, чем периодические. В них исключается попадание
посторонних растворов в продукт.
Аппараты полунепрерывного действия работают в
циклическом режиме, конструкция таких аппаратов и их автоматизация
немного сложнее, поэтому они разрабатываются только проти-
воточными, так как в этом случае достигаемые преимущества
перекрывают усложнение конструкции и эксплуатации.
Преимущества аппаратов непрерывного и полунепрерывного
действия объясняют их широкое распространение в
гидрометаллургии урана у нас в стране и за рубежом. В отечественной
урановой промышленности установки непрерывного действия
эксплуатируются с 1956 г., и в настоящее время они являются
основным во всех процессах ионообменного извлечения урана,
молибдена, золота и др. За рубежом в основном эксплуатируются
установки полунепрерывного действия как в гидрометаллургии
урана и других металлов, так и для приготовления подпиточной
воды для АЭС.
В настоящее время единичная производительность установок
непрерывного ионного обмена достигает 300—500 м3/ч.
73
13.1. АППАРАТЫ СО СПЛОШНЫМ ДВИЖУЩИМСЯ СЛОЕМ СОРБЕНТА
В аппаратах со сплошным движущимся слоем (обычно
колонны) рабочий объем полностью заполнен сорбентом, что
обеспечивает большее время контакта смолы с раствором, чем в аппаратах с
псевдоожиженным слоем. Кроме того, в них может проводиться
фильтрование раствора с высокой скоростью. Благодаря этому
возможно создание высокопроизводительных сорберов. Однако
для этого необходимо разработать методы транспортировки иони-
та внутри аппарата без нарушения структуры слоя, способы
непрерывной подачи и выгрузки одинакового объема ионита,
равномерного распределения фаз по сечению больших аппаратов,
предотвращения псевдоожижения слоя и т. п. От того,
насколько полно решаются эти вопросы, зависят эффективность
аппарата и его эксплуатационные качества.
К недостаткам таких аппаратов относятся их сложность и
большая загрузка смолы по сравнению с аппаратами со
взвешенным слоем.
Область применения аппаратов со сплошным слоем
ограничивается переработкой чистых растворов или в крайнем случае
содержащих небольшое количество взвесей.
Они могут быть использованы как для переработки
малоконцентрированных растворов (подземное выщелачивание урана,
шахтные воды, питательные воды и жидкие радиоактивные
отходы), так и для переработки концентрированных растворов
(регенерация насыщенных смол, очистка регенератов с
выделением побочных .продуктов, например молибдена, отмывка смол
от регенератов и т. п.).
Для проведения всех этих процессов, естественно, необходимы
аппараты со сплошным слоем различных конструкций.
АППАРАТЫ С ПРОТИВОТОЧНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ФАЗ
Аппараты непрерывного действия с гравитационным
движением сорбента. Среди противоточных аппаратов со сплошным
слоем сорбента наиболее простыми являются колонны с
гравитационным движением сорбента. В таких аппаратах сорбент
подается сверху, а раствор снизу (рис. 3.12, а). Отработанный
сорбент выводится снизу с помощью эрлифта 5, в который подается
сжатый воздух, или эжектором. Удельная производительность по
раствору таких аппаратов во избежание псевдоожижения
сорбента не превышает 1—5 м3/м2-ч, их эффективность резко падает с
увеличением диаметра, и поэтому они не нашли практического
применения.
Аппараты непрерывного действия с принудительным
движением сорбента. Для увеличения удельной производительности на
слой смолы прилагают сверху дополнительное усилие, которое
препятствует его псевдоожижению. Это усилие создается с
помощью напорного столба ионита (рис. 3.12,6), циркуляцией об-
79

СоР*ент . Шент coptenm
Рис. 3.12. Аппараты со сплошным слоем сорбента непрерывного действия:
а —с гравитационным передвижением сорбента; б —с напорным столбом ионита; в —
с гидротараном; / — корпус; 2 — слой сорбента; 3 — эрлифт; 4 — дренажные системы/
5 — циркуляционный насос; 6 — зона регенерации; 7 — зона промывки,; 8 — зона сорбции;
9 — насос для сорбента
работанного раствора («гидротараном») (рис. 3.12,в),
механическими устройствами [5, 12, 26, 41, 75, 78—80].
Сложность организации непрерывного движения обеих фаз
привела к тому, что из аппаратов такого типа сейчас известна
только колонна с гидротараном, так называемая АВКО [78, 79]
(рис. 3.12,2).
Известны конструкции аппаратов с принудительным
непрерывным движением сорбента вверх, навстречу потоку раствора
[80, 81]. Такое движение организуется с помощью наклонных
спиралей или полых шнеков типа винта Архимеда (рис. 3. 13).
Сорбент находится в нижних частях витков спирали. Его
движение происходит вследствие вращения корпуса аппарата, при
котором порции сорбента переваливаются внутри витков.спирали
и, постоянно перемешиваясь с раствором, медленно
поднимаются вверх, навстречу стекающему по виткам спирали раствору.
Для улучшения контактирования фаз витки спирали могут быть
изготовлены из сетки или иметь множество отверстий. Такие
аппараты обеспечивают большое и регулируемое время
контактирования фаз, в каждом из них можно организовать несколько
процессов, например регенерацию и промывку, а при
использовании в схеме только таких аппаратов можно исключить
дополнительные устройства для транспортировки смолы между
аппаратами и ее отделения от раствора. Однако такие аппараты
трудны в изготовлении, требуют сложного механического приво-
80
Рис. 3.13. Барабанно-шнековый аппарат:
/ — загрузочное устройство для сорбента; 2 — корпус; 3 — опора; 4— ведомая шестерня;
5 — шнек с отверстиями; 6 — сорбент; 7 — воронка для сбора сорбента,; 8 — подшипник;
9 — электропривод; 10 — воронка для сбора раствора
да, занимают большую площадь, а их внутренний объем
используется неэффективно. Испытания промышленных образцов таких
аппаратов типа БША диаметром до 1,6 м и длиной до 8 м
подтвердили все эти положения. Поэтому следует считать их
бесперспективными для крупнотоннажных производств.
Аппараты полунепрерывного действия. Значительно проще
оказалось организовать периодическое передвижение сорбента.
Поэтому создано большое число различных аппаратов такого
типа, многие из которых нашли промышленное применение.
Одной из наиболее совершенных конструкций до настоящего
времени остается разработанный в начале 60-х годов фирмой
«Асахи» (Япония) аппарат (рис. 3.14, а), который постоянно
модернизируется [5, 12, 13, 26, 27, 36, 75, 76, 80—82].
Аппарат имеет внизу вспомогательный дренаж S,
распределитель раствора 7 и распределительную тарелку 6. Сверху
установлен основной дренаж 2 и бачок-дозатор /, соединенный с
реакционной зоной 4 через шаровой обратный клапан 3. Колонна
работает циклически. Во время рабочего периода — сорбции
раствор подается через распределитель и движется вверх через слой
смолы, прижатый гидравлически к верхнему дренажу.
Вытеснению смолы в бачок / препятствует обратный клапан 3. Для
передвижения смолы подачу раствора прекращают и сливают
раствор из колонны через дополнительный нижний дренаж 8. При
этом клапан / открывается и весь объем колонны заполняется
сорбентом. Затем подача раствора возобновляется.
Насыщенный сорбент, оказавшийся ниже распределителя жидкости 7,
вытесняется в регенерационную колонну давлением
обрабатываемой жидкости.
Аппараты Асахи имеют очень высокие технико-экономические
показатели: скорость раствора 50—150 м/ч, количество смолы
6 Зак. 1735
81

Сорбент
Сорбент
Рис. 3.14. Противоточные аппараты полунепрерывного действия со сплошным
слоем сорбента:
а —аппарат Асахи; колонны: б — СНК; в — КНПДС; г — ПСК-Н; д — ИПК; е — ПИК-
ж — КНСПР; з — КНСПД; / — бункер со свежим сорбентом; 2 — дренаж; 3 — обратный
клапан; 4 — корпус; 5 — сплошной слой сорбента; 6 — опорная решетка; 7 —
распределитель; 8 — нижний дренаж; 9 — насыщенный сорбент; 10 — клапан выгрузки; // — эрлифт;
12 — дренаж-клапан; 13 — пульскамера; 14 — клапаны системы пульсации; 15 — клапаны
системы запирания и выгрузки смолы; 16 — горловина; 17 — мерная емкость; 18 —
загрузочная труба; 19 — опорная тарелка; 20 — инертные шарики
82
б 3 раза меньше, чем в фильтрах, объем аппаратов в 2—3 раза
меньше и т. п. [6, 13, 26, 36, 75, 76, 80, 82—86].
В настоящее время в процессах водоподготовки
эксплуатируются сорбционные аппараты диаметром до 2 м и
производительностью до 240 м3/ч.
Недостатком аппарата Асахи, как и большинства других
полунепрерывных, является большое число управляемых
клапанов, сложность конструкции и схемы управления.
Аппараты Асахи выпускаются по лицензии в США и во
Франции, где подверглись некоторой модификации.
На аналогичном принципе работают сорбционные колонны в
установках Пермутит (Великобритания) [12, 36] и Контимат
(ФРГ) [85, 87, 88], используемые для очистки сбросных вод от
тяжелых металлов и для водоподготовки крупной АЭС на
1000 МВт. Их характеристики также близки.
В СССР создано целое семейство аппаратов
полунепрерывного действия, работающих на аналогичном принципе, но
отличающихся несколько более простой конструкцией.
Наиболее простым аппаратом такого типа является сорбцион-
ная напорная колонна (СНК), представляющая собой емкость с
нижним распределителем раствора, верхним дренажем и
бункером для хранения запаса сорбента (рис. 3. 14, б) [72, 89—91].
Аппарат заполнен смолой; раствор фильтруется через ее слой
снизу вверх. Периодически подачу раствора прекращают и
часть смолы откачивают эрлифтом, такое же количество смолы
перетекает из бункера в верхнюю часть аппарата. Затем цикл
сорбции продолжается. Из-за несовершенства
распределительной системы необходимая для полного насыщения смолы
высота аппарата оказывается значительной (5—10 м), что приводит
к его значительному гидравлическому сопротивлению. Поэтому
удельная производительность аппарата при давлении исходного
раствора до 0,3—0,5 МПа не превышает 20—25 м/ч. Для
равномерного передвижения смолы внутри аппарата ее выгрузку
приходится осуществлять большими порциями, равными 0,2—0,3
объема загрузки, что занимает значительное время (несколько
минут). В связи с этим аппарат используют только в процессах
переработки малоконцентрированных растворов, когда выгрузку
производят относительно редко (1—5 раз в сутки). В
промышленности работают аппараты диаметром до 4 м [72, 73]. В этих
процессах они имеют значительно более высокие показатели, чем
ранее использовавшиеся.
Наиболее сложными частями зсех аппаратов
полунепрерывного действия со сплошным слоем сорбента являются верхняя
дренажная система, узел соединения бункера с реакционной
зоной и система равномерного распределения исходного раствора
под слой сорбента. От их совершенства зависят
производительность, эффективность и габариты аппаратов. Сложность
конструктивного решения этих узлов заключается еще и в том, что в
отличие от зарубежных аппаратов, предназначенных в основном
б* 83

/ УЛ W/A V/M У//Л \//M V/M УХ
*"^7 t *; I *) з)
Рис 3.15. Схемы дренажных устройств аппаратов непрерывного действия:
а — сетчатый; б — шпальтовая сетка; в — стаканы с легкими частицами; г — кольцевой
дренаж; д — дренаж с заменяемым фильтрующим слоем; / — опорные пластины; 2 —
сетка; 3 — шпальтовая проволока; 4 — крупная сетка,; 5 — стакан; 6 — инертные крупные
шарики; 7 —корпус аппарата; 8 — кольцевой желоб; 9 — стальная дробь; 10 —
наполнитель (крупный ионит); // —вентили для замены наполнителя
для водоподготовки, большинство отечественных создано для
гидрометаллургии и имеет дело с растворами, содержащими
механические загрязнения.
Для этих аппаратов наряду с обычными сетчатыми
дренажами (рис. 3.15, а) или дренажами из шпальтовых сеток (рис.
3.15,6) предлагаются «подвижные» дренажи из крупных легких
частиц, плавающих в жидкости выше слоя сорбента и
ограниченных сверху крупной сеткой [89, 90] (рис. 3. 15,в), либо,
наоборот, из тяжелых частиц (дроби), лежащих в специальном
кольцевом желобе [91] (рис. 3.15,г). Такие дренажи имеют большую
поверхность фильтрования, высокую удельную
производительность и могут отмываться от загрязнений при реверсировании
движения жидкости. Предлагаются также дренажи из двух
крупных сеток, между которыми расположен слой крупного иони-
та (диаметром 1,2—1,6 мм) [92] (рис. 3.15,5). Причем этот
ионит можно заменить при его износе или загрязнении.
Для предотвращения выдавливания влажной смолы в
верхний бункер на линии, соединяющей его с колонной,
устанавливают либо управляемые, либо обратные шаровые клапаны (все
зарубежные и некоторые отечественные конструкции) [6, 13, 26, 75,
76, 80, 82—89, 93—95], либо специальные дренажи, осушающие
сорбент, который в сухом виде создает пробку в горловине
бункера или в специальной промежуточной емкости [77, 90, 92, 96—
107].
Для равномерного распределения исходного раствора по
сечению аппарата используют различные распределители,
эффективность которых у колонн большого диаметра невелика.
Наилучшее распределение достигается при установке опорной ре-
84
шетки для слоя сорбента и подачи раствора через
распределитель, как это сделано в аппаратах типа Асахи и им подобных
[6, 13, 26, 75—77, 80, 82-88, 104—107].
В процессах регенерации одним из наиболее эффективных
аппаратов считается [72, 73] противоточная ионообменная
колонна— ПИК [98] (см. рис. ЗЛ4,ж). Она представляет собой
вертикальный цилиндрический корпус, в котором на некотором
расстоянии от верхнего края установлены горизонтальные
перфорированные трубы, обтянутые сеткой 2, а снизу имеется
выносная дозирующая камера 17. Колонна полностью заполнена
сорбентом. Раствор подается вниз колонны через
распределитель. Дренаж 2 постоянно находится в слое сорбента, причем
выше него столб сорбента сухой, и он своей массой препятствует
псевдоожижению рабочего слоя. В аппаратах небольшого
диаметра 0,2—0,4 м возможна скорость фильтрации до 20—30 м/ч,
при больших диаметрах она ограничена до 5—10 м/ч, иначе
рабочий слой начинает перемешиваться. Работа дренажа в слое
смолы предотвращает его забивание взвесями и мелкой смолой
[98].
Для передвижения смолы подачу раствора прекращают, и
отработанный нижний слой сорбента перемещается в выносную
камеру 17. Затем подача раствора возобновляется, а сорбент из
камеры 17 откачивается эрлифтом //. Вследствие
использования выносной камеры небольшого объема стало возможным
производить передвижение и выгрузку смолы относительно часто и
небольшими порциями.
Аппарат требует системы автоматического управления
циклом работы. В урановой промышленности на операциях
регенерации и отмывки смол эксплуатируются колонны диаметром до
2 м, высотой 10 м.
Близким по конструкциям аппаратом является ионообменная
противоточная колонна ИПК (см. рис. 3. 14, д) [100], в которой
для увеличения удельной производительности бункер / соединен
с колонной через сужение, над которым установлен
специальный дополнительный дренаж 12, препятствующий вытеснению
влажной смолы в бункер. Нижняя зона сделана так, чтобы во
время сорбции скорость раствора в горловине 16 была больше
скорости уноса частиц сорбента и они не проваливались в
нижний бункер, из которого происходит откачка отработанной смолы.
Для транспортировки смолы в колонне подача раствора
прекращается, и часть его из нижней зоны сливается через дренаж 8.
Нижняя зона полностью заполняется смолой и служит ее
мерником.
В другом варианте для дозировки смолы служит специальная
внешняя емкость, снабженная дренажем, а раствор вводится
непосредственно вниз реакционной зоны [101].
При работе с небольшими скоростями раствора для
передвижения смолы можно, прекратить подачу раствора через
горловину и вводить его по периферии выше горловины. При этом сор-
85

бент проваливается в нижнюю мерную зону, после заполнения
которой вода вновь подается через горловину [103].
Для переработки малоконцентрированных растворов при
большой удельной производительности разработана колонна
КНПДС (см. рис. 3.14, в) [93—95], конструктивно она очень
близка к аппарату Асахи, отличаясь отсутствием распределителя
раствора в нижней части реакционной зоны и нижнего дренажа
для слива раствора. Подача очищаемого раствора и вывод
отработанной смолы производится поочередно через один патрубок.
Откачка смолы производится эрлифтом при прекращении подачи
раствора. Такой аппарат проще Асахи по конструкции, числу
управляемых вентилей и в автоматизации, однако из-за отсутствия
распределителя раствора необходимая высота рабочего слоя
сорбента значительно больше. В результате удельная
производительность ниже и достигает только 30—50 м/ч. На комбинате «Севе-
роникель» в процессе очистки сбросных вод от никеля
испытаны колонны диаметром 1,6 м и высотой 6 м с
производительностью 100 м3/ч; разработан проект с использованием колонн
КНПДС диаметром 2,4 м и высотой 10 м [94, 95]. Колонны
внедряются и для других процессов очистки.
Разработаны также колонны такого же типа, в которых для
ускорения перемещения смолы в период ее транспортировки
используется [49, 145, 146] «гидротаран», а для запирания смолы
при сорбции управляемый клапан. Однако эта конструкция не
вышла за рамки стендовых испытаний.
Передвижение смолы внутри аппарата можно производить и
без остановки и слива раствора, а с помощью пульсации.
Разработаны пульсациопные сорбционные колонны напорного типа
ПСК-Н (см. рис. 3.14, г) [77, 104—107], в которых раствор
подается через специальный распределитель 7 под
распределительную тарелку 6 с малым проходным сечением, что обеспечивает
его равномерное распределение по сечению аппарата. Во время
сорбции раствор фильтруется через слой сорбента снизу вверх,
прижимая его к верхнему дренажу 2. Вытеснение смолы в
бункер / предотвращается специальным вертикальным дренажем 12
или обратным клапаном. Одновременно в пульсационную камеру
13 колонны подается воздух, уровень которого стабилизируется
на определенной высоте. Периодически открывается сбросной
клапан 14, и воздух из пульскамеры быстро сбрасывается. При
этом в пульскамеру и в нижнюю зону устремляется раствор
вместе со смолой из реакционной зоны. При достижении жидкостью
датчика верхнего уровня в пульскамере клапан 14 закрывается.
Поскольку такая пульсация используется для транспортировки
сорбента, она и называется транспортной. Изменяя частоту и
амплитуду транспортирующих импульсов, можно в широких
пределах регулировать поток смолы и время ее пребывания в
аппарате. Смола, прошедшая через распределительную тарелку,
собирается в нижней зоне, откуда она давлением раствора во
время сорбции выгружается на другие операция.
86
Такая колонна имеет характеристики, близкие к Асахи, но
значительно проще ее конструктивно. В ее схеме нет отсечных
клапанов, работающих на растворах. Клапаны 14 установлены
вне аппарата на воздушных линиях и могут ремонтироваться даже
во время его работы. Разработаны колонны ПСК-Н диаметром до
3 м [106]. Достоинством колонн ПСК-Н является также то, что при
быстром опускании уровня раствора в колонне происходит
очистка верхнего дренажа [147].
Испытания колонн ПСК-Н дали хорошие результаты в
процессах очистки жидких радиоактивных отходов [77, 109] и
сбросных вод коксохимического производства. На их базе
проектируется ряд схем очистки сбросных вод машиностроительных
заводов, жидких радиоактивных отходов.
Очень близки по конструкции регенерационные колонны
ПСК-НР, рассчитанные на работу с легким сорбентом, который
всплывает в регенерационном растворе [105].
Отличием является то, что регенерированный сорбент,
попавший после транспортирующего импульса в нижнюю зону,
всплывает в ней в пространство между трубками, соединенными с
распределительной тарелкой, откуда он и выгружается. В
промышленности работают аппараты диаметром 0,8 м и высотой 10 м.
На ином, нежели остальные аппараты полунепрерывного
действия, принципе работают пульсационные колонны с пневмогид-
равлической разгрузкой КНСПР [4—6, 12, 41, 72, 73, 113] (см.
рис. 3.14,ж). В них раствор движется сверху вниз вследствие
свободной фильтрации через поры в слое сорбента, без напора.
Реакционной зоной является кольцевое пространство между
корпусом 4 и внутренней трубой /5. Сорбент подается в верхнюю
часть этой трубы, а раствор сверху через разбрызгивающее
устройство над кольцевой зоной. Выводится раствор снизу через
дренаж 2. Транспортировка смолы производится при быстрой
подаче сжатого воздуха в пульскамеру 13. Раствор вытесняется
из пульскамеры 13, проходит дренаж 2 и поднимается в
реакционной зоне вместе с сорбентом. Отработанный сорбент
сваливается в желоб и выгружается из аппарата. После окончания
пульсационного импульса сорбент из внутренней конусной
трубы из-за разности уровней перетекает в реакционную зону.
Удельная производительность колонн КНСПР по раствору
ограничивается скоростью свободной фильтрации и не
превышает 10—15 м/ч. Такие колонны диаметром 1,2 и 2,0 и высотой Юм
используются для регенерации ионитов в гидрометаллургии
урана и тяжелых металлов [72, 73].
Необычна конструкция колонны непрерывной сорбции с
подвижным дренажем КНСПД, предназначенной для переработки
малоконцентрированных растворов [114] (см. рис. 3. 14,з).
Колонна содержит несколько сетчатых тарелок 19, имеющих
отверстия большие, чем частицы сорбента. Под каждой тарелкой
размещается слой легких частиц 20, диаметр которых в 2—5 раз
превышает размер частиц сорбента, но больше отверстий в та-
87

релке. При подаче раствора снизу слой легких частиц
прижимается к тарелке, образуя пористый фильтрующий слой, который
препятствует движению частиц смолы вверх. В результате
раствор фильтруется через множество тонких слоев ионита 5, между
которыми он хорошо перемешивается и равномерно вводится под
каждый последующий слой, что значительно повышает
технологическую эффективность аппарата. ,
Очищенный раствор проходит через основной дренаж 2 и
сливается. Его попадание в бачок-питатель предотвращается
обратным клапаном 3.
При периодической остановке подачи раствора и сброса его
части из колонны или при транспортной пульсации большой
амплитуды частицы сорбента устремляются вместе с раствором вниз.
При этом слои легких частиц «разжижаются» и не препятствуют
движению сорбента, который свободно проходит через тарелки и
эти слои из секции в секцию. Одновременно из бункера 1 через
клапан 3 в верхнюю секцию вводится свежая смола, а на дне
нижней зоны собирается отработанный сорбент, который
выгружается из колонны. Затем цикл повторяется.
Вследствие малой толщины слоев сорбента при
относительно небольшом давлении раствора (0,2—0,5 МПа) может быть
достигнута очень большая его скорость. Так, при испытаниях
колонны диаметром 0,15 м достигнута нагрузка до 450 м/ч при
хороших технологических результатах в процессе водоподготовки
[114]. Разрабатываются аппараты, обладающие уникальными
характеристиками: при диаметре 1,2 м они имеют
производительность до 500 м3/ч. Однако неясным пока остается вопрос о
длительной работе аппарата при измельчении сорбента и попадании
в него взвесей.
3.3.2. АППАРАТЫ СО ВЗВЕШЕННЫМ СЛОЕМ
Одним из важнейших преимуществ взвешенного (псевдоожи-
женного) слоя ионита наряду с возможностью переработки
мутных растворов и пульп является легкость его транспортировки
внутри аппарата и между аппаратами, что очень важно для
.организации непрерывного процесса. Поэтому разработано большое
число различных конструкций таких аппаратов [4—6, 12, 13, 16,
22, 24, 25, 36, 41—47, 51, 62, 71—77, 80, 85, 106, 109].
АППАРАТЫ СО СМЕШАННЫМ И ПРЯМОТОЧНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ФАЗ
Сорберы со взвешенным слоем ионита, работающие со
смешанным током или с прямотоком фаз, так же как и аппараты со
сплошным слоем такого типа, не могут обеспечить более одной
теоретической ступени контакта. Однако благодаря простоте
конструкции и возможности перерабатывать мутные растворы и
пульпы они нашли широкое применение в гидрометаллургии
тяжелых металлов. Они могут конструктивно оформляться в двух
88
Раствор, пульпе. Сорд~ент
Рис. 3.16. Аппараты со взвешенным слоем со смешанным (а, б) и прямоточным
(в) движением фаз:
а — пачук; б — многоступенчатый смеситель-отстойник; в — прямоточная колонна
ПСК-П; / — дренаж; 2 — корпус; 3 — циркуляционный эрлифт; 4 — эрлифт выгрузки
сорбента: 5 — циркуляционно-выгружной эрлифт; 6 — жалюзный набор; 7 —напорная
емкость; 8 — пульскамера; 9 — распределительная тарелка; 10 — отстойник
вариантах — в виде аппаратов смешения (смесители-отстойники)
или вытеснения (колонны). Последние имеют весьма
существенные преимущества перед аппаратами смешения по равномерности
насыщения смолы и очистке раствора, и поэтому при равных
технологических показателях требуется установка меньшего их
количества и меньшего объема. Однако наибольшая опытная и
промышленная проверка к настоящему времени проведена для
аппаратов смешения, хотя в последние годы советские
исследователи провели значительный цикл работ по созданию
промышленных вариантов прямоточных колонн, которые в ближайшем
будущем должны найти практическое применение в процессах
гидрометаллургии.
Аппараты смешения и прямоточные желательно использовать
только в процессах переработки пульп и растворов, когда
разность плотностей фаз невелика или отсутствует. В других
случаях целесообразно применять противоточные аппараты.
Аппараты смешения (смесители-отстойники). Эти аппараты
состоят из секций смешения с организованным перемешиванием
и разделительных зон. Разделение может проводиться путем
гравитационного или механического разделения на сетках, грохотах
и т. п. [4—6, 12, 24, 25, 41—45, 47, 71—73, 80, 115—125].
Наиболее распространенным аппаратом смешения является
пачук (рис. 3.16, а), который в отечественной гидрометаллургии
является основным аппаратом сорбционного извлечения урана и
других металлов из пульп [4—6, 12, 24, 25, 41—45, 71—73, 115]. В
89

промышленности эксплуатируются аппараты объемом до 500 м3.
Известны попытки его использования и для других процессов, в
том числе для очистки сбросных вод [6, 13, 41, 116].
Пачук представляет собой вертикальный аппарат,
снабженный одним или несколькими эрлифтами, служащими для
перемешивания смолы и раствора (пульпы), выгрузки смолы и
раствора. В показанном на рис. 3.16, а варианте конструкции эрлифт 3
служит для перемешивания фаз, а также для вывода раствора
или пульпы. Последний отделяется от сорбента на неподвижной
сетке 1 и выводится из аппарата. Сорбент возвращается в
реакционный объем. Для его вывода из аппарата служит эрлифт 4,
который отбирает сорбент снизу или сверху аппарата в
зависимости от того, легче он или тяжелее раствора.
Объем пачуков значителен из-за того, что раствор должен
находиться в них в течение времени, равного или большего времени
полного перемешивания. Последнее для крупных аппаратов
(объемом десятки и сотни кубических метров) составляет 20—
60 мин. Кроме того, для обеспечения заданных технологических
параметров процесса необходимо обязательно устанавливать
каскад пачуков. Причем требуемое число аппаратов значительно
больше, чем заданное число теоретических ступеней контакта,
поскольку пачук относится к аппаратам смешения и время
пребывания в нем частиц смолы имеет очень большой разброс, и
более 70 % частиц находится в аппарате в течение времени
меньше среднего [42, 45].
Обычно время пребывания сорбента в каждом аппарате
составляет около 80 % времени установления равновесия в системе и
составляет от десятков минут до десятков часов. В результате
количество сорбента в цепочке аппаратов оказывается достаточно
большим. Сократить его можно установкой большого числа
аппаратов малого объема, в которых сорбент будет выдерживаться
значительно меньшее время. Такая система по объему и загрузке
сорбента приближается к противоточной, но обслуживание ее
сложнее.
В настоящее время пачуки усовершенствуются для
сокращения их объема интенсификацией перемешивания в аппарате,
улучшения режима выгрузки смолы, повышения надежности
работы и производительности дренажных устройств [117—123].
На таком принципе разработаны аппараты типа смесителя-
отстойника [12, 25, 47, 124—125] (рис. 3.16,6), состоящие из
секций смешения, соединенных пакетами наклонных пластин 6. Во
всем аппарате организован противоток фаз, который достигается
тем, что раствор движется самотеком, а сорбент, поднимаемый
циркуляционным эрлифтом [41] или механической мешалкой [5,
12, 124], попадая на пластины 6У отстаивается и по щелям между
ними передвигается в следующий смеситель. Преимуществом
этой конструкции перед каскадом пачуков является отсутствие
разделительных сеток и перекачивающих смолу эрлифтов. Однако
такой аппарат может работать только при большой разности
90
плотностей фаз, когда целесообразнее использовать колонные
аппараты.
За рубежом было выполнено большое число разработок
аппаратов типа смеситель-отстойник для сорбции из пульп. В 50-х
годах промышленное применение имел аппарат типа «Инфилко» с
пневматическим перемешиванием и гравитационным отстаиванием
[5, 12, 42—45, 62, 74]. Он позволял перерабатывать легкие пульпы
с содержанием твердого не более 30 %.
В настоящее время на урановых заводах зарубежных стран
для сорбции из пульп используются механические агитаторы,
т.-е. емкости с механическим перемешиванием [1, 42—45, 71, 74].
Такие аппараты по своим характеристикам уступают «пачукам»
(выше износ сорбента, сложнее конструкция, уже диапазон
плотностей обрабатываемых пульп), поэтому в отечественной
промышленности от них отказались еще в конце 50-х годов.
В настоящее время за рубежом также ведутся поиски более
эффективных, в основном колонных аппаратов для сорбции из
пульп.
Прямоточные колонны вытеснения. В прямоточной колонне со
взвешенным слоем обе фазы подаются вместе с одного конца
аппарата, а выводятся раздельно с другого, после их
гравитационного разделения или вместе и подаются на механический
разделитель, причем их движение может быть организовано в
направлении естественного движения сорбента (падение, всплывание)
либо в противоположном. В последнем случае скорость движения
сорбента может быть очень малой и определяться скоростью
раствора [5, 12, 77, 126—129].
Скорость раствора может быть очень большой. Так, при
подаче смолы и раствора снизу (рис. 3.16, в) его скорость должна^
быть больше скорости витания частиц сорбента и может
достигать 70—100 м/ч.
Прямоточные колонны как аппараты вытеснения, т. е.
работающие в режиме, близком к поршневому, могут обеспечивать
большое время контакта смолы с раствором при меньшем объеме, чем
пачуки, при более равномерном насыщении частиц смолы и
меньшем расходе энергии на перемешивание. Однако, как и у
других колонных аппаратов, эти показатели могут быть
достигнуты только при равномерном распределении фаз по их сечению.
В промышленности работают пульсационные сорбционные
прямоточные колонны типа ПСК-П диаметром до 1,3 м [77]. В них
равномерное распределение достигается использованием
специальных распределительных тарелок типа КРИМЗ и пульсацией
раствора, создаваемой системой пневматической пульсации [5, 77].
При большой скорости движения раствора в таких колоннах
обеспечивается хорошая равномерность и без использования
пульсации.
Прямоточные колонны могут быть эффективно использованы
для малоступенчатых и медленных сорбционных процессов с
очень большой производительностью [5, 77, 126—129].
91

Колонны с циркуляцией сорбента. По принципу действия и
характеристикам занимают промежуточное положение между па-
чуками и прямоточными колоннами. Они применимы при очень
малых потоках сорбента, т. е. когда перерабатываются растворы
или пульпы с очень малым содержанием целевого продукта. В этом
случае увеличивают количество смолы в реакционной зоне
введением ее рециркуляции по внешнему контуру [5,77].
АППАРАТЫ С ПРОТИВОТОЧНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ФАЗ
Противоточные колонны со взвешенным слоем обладают
всеми преимуществами противоточных колонн со сплошным слоем,
но проще их по конструкции, схемам управления и в
эксплуатации. Работа таких колонн основана на движении частиц сорбента
в жидкости под действием разности их плотностей. Эффективность
их работы зависит от времени пребывания сорбента в аппарате,
равномерности распределения фаз по сечению и их продольного
перемешивания. В отличие от противоточных колонн с «зажатым»
и сплошным слоем во взвешенном слое скорость раствора не
может быть выше скорости витания частиц; реально они не
превышают 0,2—0,6 ее значения. Для таких смол, как КУ-2-8, АВ-17-8,
АМП и др., она составляет 30—40 м3/(м2-ч). Количество смолы
в колонне (задержка) много меньше, чем в сплошном слое,
поэтому время ее пребывания в колонне меньше, а необходимая
высота колонны обычно больше. Поскольку задержка смолы не
зависит от конструкции колонны со взвешенным слоем, а определяется
только скоростью раствора, основной задачей при создании таких
аппаратов является обеспечение равномерного распределения фаз
и минимального продольного перемешивания.
Колонны непрерывного действия. Колонна с движущимся
слоем (КДС) [4—6, 12, 24, 25, 41—45, 47, 51, 71—73, 115] является
наиболее простым аппаратом этого типа (рис. 3.17, а), который
был распространен в урановой промышленности на операциях
регенерации и отмывки смол после сорбции в пачуках. Колонна
КДС имеет снизу штуцер подачи раствора и эрлифт для вывода
сорбента 3, а сверху штуцер подачи сорбента и желоб для слива
раствора, который иногда защищен сеткой для предотвращения
уноса смолы. Из-за сильного продольного перемешивания и ка-
налообразования такие колонны имеют очень низкие показатели:
нагрузка— 1—5 м3/(м2-ч), ВЭТС до Юм, поэтому для проведения
процесса необходима установка каскада из двух—шести
последовательно работающих аппаратов. Кроме того, в каждой из этих
колонн необходимо поддерживать постоянный уровень слоя
кипящей смолы. При наличии в сорбционной цепочке нескольких
колонн такого типа управление ими становится очень сложным.
В настоящее время они заменяются аппаратами типов КНСПР,
пик, пек.
При исследовании возможности применять пульсацию для
улучшения работы колонн типа КДС было найдено, что без ис-
92
Рис. 3.17. Противоточные колонны с взвешенным слоем сорбента непрерывного
действия:
а — КДС; б — перетоками; в — ПСК в режиме свободного осаждения; г — в режиме
стесненного осаждения; д — ПСК для легкого сорбента; 1 — корпус; 2 — псевдоожиженный
слой; 3 — эрлифт; 4 — контрольная сетка; 5 — переток,; 6 — частицы сорбента; 7 — пульс-
камера; 8 — зона отмывки
пользования специальных распределителей потоков (тарелок,
насадок) пульсация дает незначительный эффект.
Известна единственная промышленная установка (ЮАР), в
которой пульсация псевдоожиженного слоя смолы была
необходима не столько для обеспечения равномерного распределения
фаз, сколько для улучшения условий прохождения легкой пульпы
со значительным содержанием твердого (до 20 %) через этот слой
[44, 45],
Тарельчатые колонны. Повышения эффективности и
производительности добиваются, равномерно распределив фазы по
сечению и снизив их продольное перемешивание. Для этого колонны
по высоте секционируются тарелками различных конструкций.
В тарельчатых колоннах скорость раствора выбирают такой,
чтобы расширение слоя смолы на тарелках составило 1,5—2,0
раза, т. е. нагрузка равнялась 5—8 м/ч.
Исходным образцом служили обычные колонны с переточными
тарелками (рис. 3.17,6), широко распространенные в системах
газ — твердое тело, жидкость — газ. Однако многочисленные
работы, начатые с 50-х годов во многих странах мира, не привели к их
широкому применению. Это объясняется тем, что разность
плотностей фаз в системе жидкость — твердое тело при ионообмене
значительно меньше (Ар=100-Ь250 кг/м3), чем в системах с
газовой фазой, и скорость взаимного движения фаз относительно
мала (порядка 10 м/ч). При такой скорости для равномерного рас-
93

ЛределенйЯ твердой фазы на тарелке й ее интенсивного
перемешивания не хватает энергии жидкости. Из-за малой разности
плотностей фаз работа перетоков оказывается очень
неустойчивой. Даже небольшое изменение плотности сорбента при его
насыщении на тарелке приводит к классификации насыщенных и
ненасыщенных частиц, к образованию на тарелке малоперемеши-
вающегося нижнего слоя насыщенных частиц, сверху которого
быстро, не успевая насытиться, проскакивают свежие, более легкие
частицы. Поэтому большое внимание было уделено
усовершенствованию конструкций тарелок и перетоков. Однако эти работы не
дали реального улучшения показателей даже модельных
аппаратов.
Единственной известной в настоящее время промышленной
установкой с колоннами такого типа является Флюикон фирмы
GHH—MAN—Technik (ФРГ) производительностью до 80 м3/ч,
предназначенная для умягчения воды [36, 75]. Однако большое
число патентов с описанием вариантов колонн, значительно
отличающихся друг от друга, говорит о том, что и здесь не найдено
оптимального решения.
Использование дополнительной энергии в виде пульсации
раствора для интенсификации процесса немного улучшает
перемешивание смолы на тарелках и работу перетоков, однако этого
оказывается недостаточно для эффективной работы
промышленного аппарата. Кроме того, резко усложняется конструкция
тарелок, которые не должны пропускать через себя сорбент при пуль-
сационном движении жидкости вниз [36, 80, 124].
Значительно проще по конструкции и выше по эффективности
(за счет большего объема смолы в аппарате) колонны с
провальными тарелками и ПОС [5, 6, 47, 130] (рис. 3.17, в—д).
Проведен большой объем исследований таких колонн с ситча-
тыми тарелками, имеющими по высоте одинаковое или разное
проходное сечение. На пилотных установках выбраны
оптимальные условия проведения процесса. Расчетами и
технико-экономическими сравнениями показана эффективность установок с такими
колоннами [130].
Однако попытки создать промышленные установки такого
типа к успеху не привели. Это объясняется тем, что: 1) в качестве
распределителей потоков выбраны ситчатые тарелки, которые не
могут обеспечить равномерное распределение фаз в
промышленных аппаратах большого сечения при используемых скоростях
раствора; 2) скорость раствора ограничивается значением 10—
12 м/ч, при котором слой расширяется в 1,5—1,8 раза, такая
скорость не обеспечивает необходимой для перемешивания ионита
энергии жидкости и требует при больших производительностях
установки нескольких параллельно работающих аппаратов;
3) выбранный режим псевдоожиженного слоя, высоту которого
или поток смолы необходимо было регулировать в каждом
аппарате, делал чрезвычайно сложным обслуживание каскада колонн,
состоящих из 10—16 аппаратов.
94
Наилучшие показатели среди аппаратов с ПОС имеют пуль-
сационные сорбционные колонны типа ПСК (рис. 3.17, в) [4—6, 12,
13, 16, 25, 47, 51, 77, 106, 109, 126, 127, 131—138]. В таких
колоннах распределителем потоков является насадка КРИМЗ [5, 77,
106], которая совместно с пульсацией раствора обеспечивает
интенсивное радиальное перемешивание при незначительном
продольном перемешивании и равномерное распределение потоков в
колоннах сечением до 9 м2 [5, 77, 126, 127, 131]. Тарелки КРИМЗ
имеют очень большое проходное сечение (40—60 %) и не
препятствуют движению сорбента. Пульсация раствора, обеспечивающая
подвод дополнительной энергии, необходимой для интенсивного
перемешивания фаз и их равномерного распределения, создается
специальной системой пневматической пульсации [5, 77],
создающей колебания жидкости в пульскамере 7 и в самой колонне /.
Скорость раствора в колоннах ПСК выбирается в зависимости
от характеристик системы и проводимого процесса и составляет
10—40 м/ч. Колонны могут эксплуатироваться в двух
гидродинамических режимах, различающихся объемным содержанием
смолы (задержкой) в реакционной зоне. В режиме свободного
осаждения (рис. 3.17, в) эрлифт, откачивающий сорбент из нижней
зоны колонны, имеет избыточную производительность. В результате
частицы смолы в колонне свободно падают в потоке
поднимающегося раствора. Скорость их движения равна разности между
скоростью их падения в неподвижном растворе и скоростью раствора
и составляет (0,4—0,6) v0, а время их пребывания на высоте,
равной 1 м, — 2—3 мин. Количество смолы в реакционной зоне
зависит от соотношения потоков фаз и не превышает 20 %.
Продольное перемешивание частиц незначительно и
определяется их фракционным составом. Поскольку продольное
перемешивание раствора также невелико, эффективность аппарата
высокая. Для быстрых процессов с временем установления равновесия
30—60 мин ВЭТС составляет 2—3 м и, что очень важно, мало
увеличивается с ростом диаметра. Поэтому большинство таких
процессов может быть реализовано в одном аппарате. Для
медленных процессов со временем установления равновесия более 2 ч
необходимы установка каскада аппаратов либо переход на
режим стесненного осаждения (рис. 3.17,г). Это режим
движущегося псевдоожиженного слоя, секционированного тарелками.
Задержка смолы в нем значительно больше — до 60—80%, больше
и время пребывания. К сожалению, увеличивается также
продольное перемешивание смолы. Поэтому выигрыш по времени
пребывания смолы реализуется не полностью.
В промышленности, в основном в гидрометаллургии тяжелых
металлов (извлечение урана, молибдена, РЗЭ), эксплуатируются
колонны ПСК диаметром до 3,4 м и высотой до 18 м [5, 77]. Они
работают при скоростях движения раствора 10—40 м/ч. Загрузка
смолы по сравнению с традиционными аппаратами сокращается
в 5—15 раз, значительно уменьшается и необходимый объем. Так,
например, одна колонна ПСК заменяет на регенерации каскад из
95

трех-четырех колонн КДС, при атом ее диаметр в 1,5—2,5 раза
меньше.
Если сравнивать крупногабаритные промышленные колонны,
работающие в процессе регенерации смолы, то колонны ПСК по
эффективности близки к колоннам ПИК или КНСПР, но они
имеют меньшую загрузку смолы и более простую схему КИПиА.
Особенно эффективны колонны ПСК в процессах отмывки
сорбента от взвесей и регенерационного раствора. Здесь они значительно
превосходят другие конструкции.
Методика расчета колонны ПСК подробно изложена в работах
[5, 77].
Колонны ПСК также пригодны для переработки растворов,
содержащих взвеси и пульпы. В обычном варианте (рис. 3.17, в)
они могут перерабатывать пульпы, в которых сорбент тонет со
скоростью более 15—20 м/ч. Для тяжелых пульп, в которых
сорбент всплывает, конструкция колонн модифицируется так, чтобы
организовать подачу сорбента вниз колонны, а выгрузку сверху
(рис. 3.17,г) [5, 77, 106, 136, 137]. Подача сорбента вниз
производится циркулирующим потоком отработанной пульпы. Сверху при
пульсации в желоб выгружается влажный сорбент, который может
быть отмыт от илов в верхней зоне 8. Колонны такого типа
диаметром до 1,5 м эксплуатируются в процессе извлечения урана из
тяжелой пульпы с плотностью до 1800 кг/м3 и содержанием
твердого до 30%. Сорбция проводится новым высокоэффективным
сорбентом — твердым экстрагентом твэксом с плотностью 1060 кг/м3
и хорошими кинетическими характеристиками [107].
При проведении процессов с малым соотношением потоков
(меньше 1:50), например для очистки сбросных вод, описанные
выше колонны с ПОС недостаточно эффективны.
Колонны полунепрерывного действия. В аппаратах этого типа
сорбент разделен на отдельные слои с большим объемным
содержанием сорбента (около 50%), внутри которых происходит
довольно интенсивное его перемешивание и классификация. Между
слоями перемешивание отсутствует.
Благодаря этому, если время пребывания смолы в слое равно
или больше времени установления равновесия, в колонне можно
получить число теоретических ступеней контакта, равное числу
слоев. Однако выгоднее иметь большее число слоев при много
меньшем времени пребывания в каждом из них.
Наиболее простым решением является установка каскада
колонн с ПОС, через которые последовательно проходит очищаемый
раствор. Перемешивания сорбента между аппаратами нет. Он
передвигается периодически порциями. Такие аппараты
эксплуатируются на некоторых урановых заводах США и ЮАР.
Например, аппараты Кер-Мак состоят из двух емкостей с нижними
распределительными решетками [1, 139, 140], а контактор Портера
[1, 139—143] собран из шести последовательно включенных колонн
с ПОС. Такие контакторы занимают большие производственные
площади и не имеют особых преимуществ перед традиционными
96
Сорбент
\тт mm mm т» тЛ
- 1
ГСП]
Сорбент
■ • • •
')
в)
V
Слив
Сорбент S^r^ f-
13 % Ik
ъ
Слив
*)
Сорбент
Слив
7~¥-
Сорбент
—< » »
Т^тВоздух
Сорбент
j> |—с£з—« Воздух
I I I ^$ »
+ Слив
10.
| Сорбент
I
ттСтХт
н#-
Раствор
А Воздух
ж)
г*-ъ&-\
н^-
5
Слив
Раствор
о—с£ь-
yd
12
6
« m-J 5
е
Сорбент
*)
Рис. 3.18. Противоточные колонны со взвешенным слоем полунепрерывного
действия:
а—в —цикл Клота—Стрита: а — подача раствора; б — осаждение; в —транспорт смолы
при реверсировании потока; колонны: г — горного бюро; д — Нимсикс; е — Клота—Стрита;
ж — ПСК-T,; з —Химсли; / — псевдоожиженный слой; 2— сплошной осевший слой; 3 —
провальная тарелка с Fc =2-^-3 %; 4 — колпачковая тарелка; 5 — циркуляционный насос;
б — мерный бачок; 7 — сдвоенная тарелка; 8 — пульскамера; 9— пневмоклапаны; 10—
тарелка КРИМЗ; // — колпачковая тарелка; 12 — сетка; 13—20 — клапаны
7 Зак. 1735
97

конструкциями (фильтрами, пачуками), кроме сокращения заГруз-
ки смолы.
Значительно эффективнее аппараты колонного типа. Работа
всех колонн полунепрерывного действия основана на
перемещении сорбента при реверсировании направления движения
раствора. Впервые такой принцип и конструкции колонн для его
реализации были предложены Клотом и Стритом в 1963 г. [144].
Колонна, работающая на таком принципе, разделена по
высоте либо провальными тарелками с малым проходным сечением
(5—10%), либо непровальными тарелками специальной
конструкции, например колпачковыми. При подаче жидкости снизу на
каждой из тарелок (рис. 3.18, а) имеется псевдоожиженный слой
[сорбента. Скорость раствора выбирают такой, чтобы не было
уноса мелких фракций сорбента. Сорбент передвигается периодически
в несколько приемов. Сначала (рис. 3.18,6) останавливают
подачу раствора и слой смолы оседает, а затем раствор опускается
вниз на расстояние, равное высоте осевшего слоя (рис. 3.18,0).
В результате все слои сорбента опускаются на одну тарелку вниз.
После этого подачу раствора возобновляют (рис. 3.18, а).
На этом принципе в некоторых странах разработано
несколько вариантов аппаратов, часть которых используется в
промышленности.
Колонны, разработанные Горным Бюро (США) [1, 142, 145—
147] (рис. 3.18,г), имеют провальные тарелки с проходным
сечением около 5%. Перемещение смолы в колонне и ее выгрузку
производят при прекращении подачи раствора и сливе его части
вместе со смолой в емкость-сборник. Такие колонны
предназначены для извлечения урана из мутных растворов и легких пульп с
содержанием твердого до 10 %.
Недостатком такой конструкции является то, что при
остановке аппарата весь сорбент собирается в нижней секции. Для
улучшения условий пуска аппарата и улучшения распределения фаз
нижняя зона отделена от реакционной колпачковой тарелкой.
Английской компанией «Патерсон Канди» разработана колонна
производительностью до 150 м3/ч для очистки воды [12, 75, 148].
В колонне используются тарелки специальной конструкции, через
которые при остановке подачи раствора сорбент не проваливается
[149]. Выгрузка насыщенной смолы производится вследствие
разности высот сорбционной и регенерационной колонн либо
вследствие создания в последней разрежения.
Наибольшего успеха в разработке колонн полунепрерывного
действия добились в Национальном институте металлургии
(ЮАР). Разработанные в нем колонны типа Нимсикс [1, 85, 139,
140, 150, 151] (рис. 3.18,d) работают с использованием полного
цикла Клота—Стрита. Их работа делится на следующие периоды:
сорбция, осаждение сорбента, транспорт сорбента, выдержка и
перегрузка сорбента из мерной емкости в колонну регенерации,
проводящаяся одновременно с сорбцией. Все операции по
транспортировке смолы осуществляются с помощью исходного раствора
98
специальными циркуляционными насосами 5. При сорбции
исходный раствор подается в низ колонны и сливается сверху, при
периоде осаждения клапан 15 закрывается. Для перемещение
сорбента в колонне открываются клапаны 17, 19 и раствор из низа
колонны насосом 5 откачивается через бачок 6 в голову процесса.
Вместе с раствором в колонне опускается слой сорбента, а
насыщенный сорбент выводится из нее в бачок 6. При выдержке
открываются клапаны 77, 18 и насосом 5 раствор циркулирует через
нижнюю зону в бачок 6У удаляя из первой всю смолу. Зат^м
подача раствора возобновляется, клапан 15 открывается, клапан 17
отсекает бачок 6У в который насосом 5 подается
транспортирующий раствор (регенерат), вытесняющий смолу по нижней линии
из бачка в регенерационную колонну. Регенерационная колонна
имеет такие же конструкцию и принцип действия, как сорбцион-
ная. Ее диаметр обычно выбирают значительно меньшим.
Конструкция колонн, схемы установки и их КИП хорошо
отработаны, и в настоящее время на некоторых урановых заводах
работают около 20 колонн диаметром до 5 м производительностью
до 270 м3/ч мутных растворов или легких пульп с содержанием
твердого до 10 %.
На базе аппаратов Нимсикс в США разработано и внедрено
несколько вариантов установок, отличающихся тем, что
регенерация проводится в небольших аппаратах со сплошным слоем,
также полунепрерывного действия [1, 140, 152].
Колонны Нимсикс имеют значительные экономические
преимущества перед традиционными аппаратами, они требуют примерно
в 2 раза меньше сорбента, компактнее, чем традиционные
установки, обеспечивают большее извлечение урана при меньших
капитальных и эксплуатационных расходах. Их основной
недостаток— сложная система КИП, большое число управляемых
клапанов и относительно большое время, необходимое для
перемещения смолы (типичный цикл: сорбция — 3 ч 20 мин, перемещение
смолы—14 мин, т. е. приблизительно 7% времени цикла).
Упрощения конструкции колонн полунепрерывного действия
с ПОС достигают, использовав для перемещения смолы пульсацию
раствора специальной формы. Аппараты такого типа независимо
разработаны в Великобритании и СССР. Идея такой пульсации,
называемой транспортной, состоит в том, что во время сорбции в
пульсационную камеру колонны медленно через клапан 9
подается воздух, а для транспортировки сорбента он быстро
выпускается через клапан 9. При этом столб раствора в реакционной зоне
быстро опускается, перенося слои сорбента вниз.
Английская колонна (рис. 3.18, ж) [74, 139, 144, 153]
разработана для извлечения урана из мутных растворов и отличается
применением специальных непровальных тарелок,
представляющих собой два диска, отверстия которых смещены относительно
друг друга. При определенном расстоянии между дисками и
отверстиями на них сорбент не проваливается при остановка
раствора [47, 144], однако свободно проходит вниз ;вместе с раствором.
7* 99

При транспортной пульсации йыгрузка насыщенной смолы ггройЗ-
водится эжектором. Разработаны и испытаны пилотные образцы
колонн. Сведений об их промышленном использовании пока нет.
В отечественной пульсационной колонне с транспортной
пульсацией ПСК-Т (см. рис. 3.18, ж) [5, 6, 12, 16, 77, 106, 134, 135, 154,
155] используются либо провальные тарелки с проходным
сечением 5—15%, либо тарелки специальной конструкции. Причем они
устанавливаются значительно чаще, чем в других конструкциях.
Это позволяет уменьшить толщину перемешиваемого слоя,
приблизить процесс к истинно противоточному и сократить вследствие
этого количество сорбента. Эти колонны испытаны в различных
процессах: извлечение урана и золота [77] из мутных растворов,
очистки жидких радиоактивных отходов [77, 134] и сбросных вод
от никеля и т. п. На их базе проектируются установки для
очистки ЖРО, сбросных вод машиностроительных и химических
заводов. По сравнению с традиционными конструкциями колонны
ПСК-Т позволяют в 5—10 раз сократить загрузку смолы, в 1,5—
3 раза производственные площади, расход реагентов и увеличить
концентрацию товарных регенератов. В промышленности
эксплуатируются колонны диаметром 0,9 и разработаны диаметром до
2,8 м [5, 77, 106].
Идея перемещения смолы реверсированием потока раствора
использована и в колонне Химсли, разработанной компанией
«Химсли инжиниринг» (Канада) (рис. 3.8, з) [1, 12, 85, 139, 140,
157]. Она разделена на секции колпачковыми тарелками //. Под
тарелками имеется полость, отделенная от реакционной зоны
сетками 12. Передвижение смолы производится без остановки
движения раствора, поочередно из секции в секцию. Для этого
каждая секция соединена через клапаны с циркуляционным
насосом 5, имеющим производительность больше, чем расход
исходного раствора. Насос не только перекачивает раствор, минуя
секцию, но и обеспечивает его циркуляцию через эту секцию вниз.
При этом переносится весь сорбент, который находился в этой
секции. Затем насос Подключается к нижерасположенной секции и т. д.
Выгрузка смолы производится в специальный мерник 6
отдельным насосом, также создающим циркуляцию раствора.
Колонны Химсли, используемые для извлечения урана, цинка
и меди из мутных растворов, содержат до девяти секций и имеют
диаметр 1,8—4,0, высоту 7—20 м и единичную
производительность до 250 м3/ч.
В Канаде и США работают около 15 таких аппаратов. Следует
отметить, что, не имея заметных преимуществ перед описанными
ранее колоннами полунепрерывного действия по эффективности,
колонны Химсли очень сложны по схеме обвязки и управления и
как следствие в эксплуатации. Так, в установке из 10 колонн с
суммарной производительностью 1050 м3/ч работает около 1000
управляемых от командного устройства и ручных клапанов [1,
139]. Достоинством этого аппарата является его отработка в
таком большом масштабе.
100
Таблица 3.5. Применение отечественных аппаратов непрерывного действия
Процесс
Сорбция металлов из пульп
Извлечение из сбросных вод
Извлечение из концентрированных
растворов
Регенерация и отмывка смол

Используемый
Пачук
пек
пск-п
кдс
кнпде
пек
пск-т
енк
Пачук
КНСПР
пек
кдс
КНСПР
ПИК
| пек
пск-н
1кнпд?
/>к. м
|*До 5
До 1,5
1,3
До 3,5
1,6
До 3,4
2,8
До 4,0
До J 2,0
ДоИ,1
До1 2,4
1,0
2,0
2,0
До 2,4
0,8
1 1,6
Размеры
Як, м
10—20
17
10
10
6
10
10
10
5,0
10
5—14
10
10
10
14
10
1 6
Qp. м3/ч
300
18—20
20
100
100
300
200
300
5—10
10—15
10-20
—
—
—
—
—
1 —
Некоторые типы аппаратов непрерывного и полунепрерывного
действия используются в отечественной урановой промышленности
или прошли опытно-промышленные испытания (табл. 3.5).
3.3.3. АППАРАТЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ РАДИОХИМИЧЕСКИХ
ПРОИЗВОДСТВ
Как отмечалось выше, в радиохимии для осуществления целого
ряда процессов с высокоактивными растворами или
содержащими большие концентрации делящихся материалов и поэтому
проводимых за биологической защитой, т. е. в зоне недоступности для
ремонта и обслуживания, требуются очень надежные аппараты
ядерно-безопасной геометрии. Для этих целей разработаны
специальные аппараты периодического действия типа ионообменных
фильтров (см. выше).
В аппаратах непрерывного действия такую высокую надежность
обеспечить значительно труднее. Это связано прежде всего с
необходимостью передвигать сорбент внутри аппарата и между
ними и отделять его от транспортирующего раствора.
Ядерно-безопасные аппараты непрерывного действия могут
иметь такую же геометрию, что и периодические: с ограниченным
диаметром, кольцевые или с внутренней вставкой.
Аппараты для этих целей целесообразно разрабатывать
только со сплошным слоем сорбента. Критический размер аппарата в
любом случае будет определяться исходя из условий полного
заполнения его сечения сорбентом, концентрация делящихся
материалов в котором значительно больше, чем в растворе, поскольку
даже при работе с псевдоожиженным слоем такой случай исклю-
101

Пульсация
т | Сорбент
Пульсация
Сордент
Рис. 3.19. Сорбционная колонна
непрерывного действия для радиохимического
производства:
/ — загрузочное устройство; 2 — корпус
аппарата; 3 — дренажная сетка; 4 —
поглотительная вставка; 5 — слой сорбента
чить нельзя. Количество же
смолы в сплошном слое значительно
больше, чем в ПОС. Кроме того,
^^^ в радиохимии обычно перераба-
p^L тываются чистые растворы, про-
' шедшие предварительную
механическую фильтрацию.
Организовать движение
сорбента в аппарате относительно
проще, чем между аппаратами.
В аппаратах простой трубчатой
формы движение может быть как
чисто непрерывное, так и
полунепрерывное. При необходимости
обеспечения ядерной
безопасности аппараты для увеличения производительности необходимо
делать аналогично с периодическими (см. выше), кольцевыми или
с поглощающими вставками [158]. В этих условиях задача
равномерного распределения раствора и сорбента по кольцу
значительно усложняется.
Однако подбором оптимальных соотношений размеров
аппарата и наложением пульсации на раствор можно добиться
достаточно хороших результатов и при такой сложной конфигурации
аппаратов [158, 159].
Разработаны аппараты непрерывного действия для таких
процессов [158] (рис. 3.19) и проведены их испытания.
Организация же передвижения сорбента между аппаратами
оказалась значительно сложнее. Ясно, что обычные устройства
типа эрлифтов и грохотов и т. п. (см. выше) в таких условиях не
могут быть использованы. Необходимы совершенно другие
конструктивные решения.
Вероятно, единственным аппаратом (установкой),
исследованным для указанных целей (разделение нуклидов, извлечение
137Cs и 90Sr из сбросных вод) в пилотном масштабе, был
контактор Хиггинса полунепрерывного действия (см. гл. 4), в котором
смола периодически передвигается по замкнутому контуру
вследствие пульсации раствора. Однако и этот аппарат не был доведен до
нужной надежности, хотя нашел широкое распространение в
других отраслях промышленности, в частности для извлечения урана
из малоконцентрированных растворов.
Следует отметить, что аппараты непрерывного действия в
радиохимических процессах значительно сложнее, менее надежны,
чем аппараты периодического действия, и при необходимости
последовательной обработки смолы в 5—10 растворах получаются
102
достаточно громоздкие каскады аппаратов. В этих условиях
выигрыш по технологическим показателям (повышение концентрации
продукта, сокращение расхода реагентов и объема жидких
отходов) не всегда может компенсировать усложнение эксплуатации.
Единственным перспективным вариантом для таких условий
является аппарат замкнутого типа с передвижением смолы
транспортной пульсацией (типа Хиггинса), но с минимальным
количеством запорной арматуры, особенно на потоке смолы.
Аппараты с псевдоожиженным слоем могут быть использованы
для переработки мутных растворов, фильтрация которых
затруднена, при условии решения вопросов надежной и простой
транспортировки сорбента между аппаратами.
3.4. ВЫБОР АППАРАТА ДЛЯ КОНКРЕТНОГО ПРОЦЕССА
Для создания экономичного и эффективного производства
необходим обоснованный выбор его аппаратурного оформления.
Из представленных выше материалов следует, что многие
процессы могут быть осуществлены в самых разнообразных аппаратах,
а для других выбор ионообменных аппаратов ограничен.
С учетом этого выбор контактора проводят в два этапа. На
первом, сугубо оценочном, выбирают круг аппаратов, способных
эффективно осуществлять конкретный процесс. На втором — из
рекомендованных типов на основе технико-экономических
сравнений выбирается конструкция, наиболее полно удовлетворяющая
заданным условиям.
Для выбора аппарата на первом этапе используются основные
характеристики ионообменной системы, а именно время
установления равновесия в системе ионит — раствор — тр, скорость
свободного движения (падение или всплытие) частиц сорбента в
растворе или пульпе v0y наличие взвесей (табл. 3.6).
Таблица составлена для отечественных аппаратов
непрерывного действия, работающих в промышленности либо прошедших
пилотные испытания.
Для процессов сорбции из пульп и мутных растворов
пригодны только аппараты с псевдоожиженным слоем. При этом если
скорость всплывания или падения частиц v0 достаточно велика,
то целесообразно применять противоточные колонны. Если же
Vo мала, можно использовать только аппараты смешения (пачук
и его варианты), прямоточные колонны и колонны с циркуляцией.
Следует также учитывать, что для быстрых процессов
пригодны аппараты с малым временем пребывания смолы (ПСК и им
подобные), а для медленных — только с большим временем
пребывания (полунепрерывные типов Нимсикс, ПСК-Т и т. п.).
Для процессов переработки чистых растворов выбор аппаратов
значительно шире. Здесь могут быть использованы как аппараты
периодического, так и непрерывного действия со сплошным и
взвешенным слоем сорбента. При этом при больших v0 могут
использоваться аппараты со взвешенным слоем, а при малых —
103

Таблица 3.6. Ориентировочный выбор аппарата для заданного процесса
Ионообм» !няшй процесс
Сорбция из плотных
пульп
Сорбция из "легких
пульп и мутных
растворов
Сорбция из чистых
растворов:
при малых
концентрациях
при больших
концентрациях и для
регенерации иони-
тов
Отмывка ионитов от
регенератов
Отмывка от взвесей

Характеристика системы
V
<2
>6
<2
>6
<2
>6
<2
>6
<2
>6
<2
>6
<2
>6
v0, м/ч
>зо
>30
<30
<зо
>30
>30
<30
<30
>30
>30
>30
>30
<30
<30
1 >зо
>30
Испвльвувммй аппарат
Пачук, ПСК
Пачук
Пачук, ПСК-П
Пачук, КДС
Пачук
Фильтр, пачук, КДС,
пек
Фильтр, пачук, КДС
Фильтр, КДС, ПСК,
КНПДС
Фильтр, КДС, ПИК,
КНСПР
Фильтр, ПИК,
КНСПР
То же
' КНСПР, ПИК, КДС,
1 пачук, ПСК
Пачук, КДС, ПСК
Перспективней* аппарат
пек
Пачук, ПСК-Т
Пачук, ПСК-П
Пачук, ПСК с
циркуляцией
ПСК, ПСК-Т
пск-т
Пачук
Пачук, ПСК-П
КНСПД, КНПДС,
ПСК, ПСК-Н, фильтр
снк, пск-т,
КНПДС
ПСК, КНПДС
ПИК, ИПК, ПСК-НР
ПИК, ИПК, КНСПР
ПСК-НР
пик, пск
1
пек
• Обеспечивающий лучшие технико-экономические показатели (см. выше).
только со сплошным. Критерии выбора аппарата в зависимости
от скорости процесса аналогичны критериям выбора при работе
с пульпами. Для отмывки смол от регенератов обычно
используются те же аппараты, что и при регенерации, хотя отмывка лучше
идет во взвешенном слое. Отмывку от взвесей безусловно следует
вести только во взвешенном слое.
Аппараты периодического действия — ионообменные
фильтры— наиболее широко применяются в процессах сорбции из
чистых растворов в основном водоподготовки и очистки сбросных
вод. В настоящее время для таких процессов разработаны более
104
эффективные конструкции аппаратов непрерывного действия, но
фильтры и в дальнейшем целесообразно использовать в
установках относительно небольшой производительности (до 50 м /ч)
при сокращении объема регенератов описанными выше способами.
Для переработки концентрированных растворов их можно
применять только при малой производительности (порядка 1 м/ч), в
то время как объем регенератов жестко не лимитиРован- „,,„
Для проведения второго этапа выбора аппарата необходимо
провести их технико-экономическое сравнение.
3.5. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И СРАВНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ИОНООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ
Для оценки и сравнения ионообменной аппаратуры
необходимо выбрать критерии. К сожалению, в настоящее время единых
критериев нет; Аппаратура оценивается по следующим основным
эффективности —высоте, необходимой для обеспечения
заданного извлечения или одной теоретической ступени контакта (в
основном для аппаратов непрерывного действия);
удельной производительности (нагрузке), м^(м -ч);
объему аппаратуры, обеспечивающему заданные
производительность и извлечение;
загрузке сорбента (количеству его в аппарате);
капитальным и эксплуатационным расходам;
стоимости обработки 1 м* раствора или получения единицы
"^Несомненно, что наиболее выгоден высокоэффективный и
высокопроизводительный аппарат, однако большинство ^трукции
либо высокоэффективны, но малопроизводительны либо, наобо
пот высокопроизводительны, но малоэффективны. Лишь единицы
иГмногих со^ен конструкций приближаются по этим
характеристикам к идеалу, но только в определенных процессах. Стоимость
таких аппаратов может быть выше, чем стоимость других
Объем аппарата, конечно, важен, но важна и его
конфигурация Высокие аппараты, занимающие малую площадь, более
предпочтительны. Количество сорбента, загружаемого в аппарат на
единицу его производительности, важно как из-за дефицитности
Я а и из-за их высокой стоимости. Кроме того, на эко-
нХичности оборудования отражаются такие факторы, как
энергозатраты, трудоемкость обслуживания, расход реагентов,
объем вспомогательного оборудования и т. п.
Выбрать аппарат по одному какому-либо параметру очень
трудно Так, если сравнить аппараты по эффективности
использования смолы, т. е. по количеству раствора, пропускаемого за 1
через 1м» смолы, К» то получится следующая картина
(ТаИз таблицы следует, что наиболее эффективным аппаратом
является колонна КНСПД, а затем следуют ПСК, Асахи, КНПДС.

Таблица 3.7. Коэффициент использования загрузки смолы для различных
аппаратов (для процесса переработки малоконцентрированного раствора
при высокой скорости ионного обмена)
Аппарат
Фильтр
Асахи
пек
КНСПР
ПИК
кнпдс
Скорость
пропускания
раствора, м/ч
15
100
40
15
5
100
К3, м»/(м»-ч)
3—5 !
10—20
40—50
1—4
0,5—2
10—20
Аппарат
снк
ипк
кнепд
Нимсикс
Xимели
Скорость
пропускания раствора,
м/ч
30
50
500
20
20
К3, м«/(м»ч)
3—8
5—10
100—500
5—10
5—10
При этом сравнении можно оценить только экономию смолы,
но нельзя учесть объем аппарата, его сложность, металлоемкость.
При этом значение Кз зависит от характеристик процесса (его
скорости и концентрации извлекаемого компонента) и изменяется
при увеличении производительности и размеров для разных
аппаратов неодинаково.
Более объективно сравнение аппаратов по двум параметрам:
объему и загрузке смолы при заданных характеристиках
процесса. На рис. 3.20 показаны зависимости объема аппаратов и
загрузки в них смолы от соотношения потоков п (для аппаратов
непрерывного действия) и числа колоночных объемов т (для
фильтров), т. е. от концентрации перерабатываемого раствора.
Следует учесть, что п=\/т, и в данном диапазоне значений п и
т они практически линейно зависят от концентрации раствора,
равной при п=\ : 100 примерно 8—10 мг-экв/л. Расчет сделан для
процесса с тР = 30 мин, i>0 = 70 м/ч, ЧТС = 3, т. е. для типичных
V10 V-Z0 1-50 1-100 V-Z0Q V500 п
va.
50
W
60
20
10
п
мЗ
N5
\
^
! I
\
V
\
\
\
.J I
I I
Г-10 1:20 Р50 'И00 VZ0O Р500П
5;
Рис. 3.20. Сравнение загрузки смолы (а) и объема (б) различных сорбционных
аппаратов в зависимости от соотношения потоков фаз в аппарате
106
характеристик процесса сорбции некомплексованных ионов,
например для водоочистки и водоподготовки, при
производительности аппарата 100 м3/ч. Вид кривых при других значениях тР, i>o.
ЧТС и Qp остается таким же, лишь несколько изменяется их
взаимное расположение.
Для сравнения выбраны аппараты лучшие или типовые для
своей подгруппы: фильтры (/) (аппараты периодического
действия), ПСК (5)—колонны истинно непрерывного действия с ПОС,
Асахи (2) и КНПДС (3) — колонны полунепрерывного действия
со сплошным слоем с распределенным вводом раствора под слой
сорбента и без него. Последние близки по характеристикам к
аппаратам Контимат, Пермутит и ИПК, ПИК, СНК
соответственно: а ПСК-Т (4) имеет лучшие характеристики, чем Нимсикс и
Химсли. Причем учтены особенности аппаратов: для фильтров Wv
меняется от 5 м3/(м2-ч) при п= 1 : 1 до 70 м3/(м2-ч) при п=1: 1000,
а время фильтроцикла равно соответственно 12 и 24 ч. Для
КНПДС для организации нормальной работы без
предварительного распределения раствора высота выбирается равной ЯК>4ДК,
а для ПСК-Т принимается #К>2ДК.
Из графиков следует, что истинно непрерывный аппарат
требует,' минимальной загрузки смолы при любых условиях. -Загрузка
смолы в ПСК-Т примерно в 2 раза больше. Загрузка смолы
наибольшая в фильтр при п больше 1:200—1:500. При меньших п
загрузка больше только в КНПДС, который для этих условий и
не рекомендуется. Загрузка смолы в колонну Асахи с
упорядоченной гидродинамикой примерно в 2—3 раза меньше, чем в
фильтр. При больших п различия между Асахи и КНПДС
уменьшаются, и при п=1: 1-7-1:5 они примерно равноценны.
Зависимость объема аппаратов от п имеет совершенно другой
характер. Так, колонна ПСК выгоднее фильтров при п>1:200,
ПСК-Т при п>1 :300, а КНПДС при гь=1 :400. Аппараты типа
Асахи имеют наименьший объем при любых условиях. При п,
равных 1:1 — 1:3, объем всех аппаратов полу- и полностью
непрерывного действия становится практически одинаковым.
Такое различие зависимостей объема и загрузки смолы от п
для разных аппаратов объясняется тем, что аппараты сплошного
слоя (Асахи, КНПДС) полностью заполнены смолой, а их объем
и, следовательно, загрузка смолы может определяться не только
требованиями технологии, но и соображениями создания
оптимальной геометрии самого аппарата. Для колонн с псевдоожижен-
ным слоем загрузка смолы не зависит от их объема и
определяется только требованиями технологии. Объем же их зависит от
необходимого времени контакта (ПСК) или от геометрических
соображений.
Приведенные зависимости показывают, что однозначно выбрать
наиболее эффективный аппарат даже при наличии подобных
данных путем их качественного сравнения не представляется
возможным, так как не определен вклад различных составляющих
(объем, загрузка смолы) в общие затраты на аппарат.
107

Поэтому мы считаем, что при сравнении и оценке
экономичности ионообменного оборудования необходимо различать два
этапа: 1) предварительная оценка и сравнение аппаратов; 2)
технико-экономическое сопоставление выбранных вариантов.
В первом случае сравнение носит качественный характер, во
втором — только количественный. На первом этапе можно
сравнивать много вариантов аппаратурного оформления процесса, в
том числе перспективные аппараты, еще находящиеся на стадии
опытной проверки. Их сравнение предлагается проводить по
фактору эффективности, равному:
Ф9 = Wvl{hQm) = Qv/(VQm)y
где Wv— удельная производительность; h — ВЭТС либо высота,
необходимая для обеспечения заданных технологических
показателей; £2 — объемное содержание смолы в реакционной зоне,
равное 1 для аппаратов со сплошным слоем, 0,4—0,5 для КДС и 0,1 —
0,2 для ПСК и ПСК-Т; т — металлоемкость; Qp —
производительность; V — объем аппарата.
Фактор эффективности соответствует производительности
аппарата на единицу затрат, представляющих собой произведение
объема аппарата, его металлоемкости и загрузки смолы, т. е.
основных характеристик, определяющих его стоимость. Чем больше
Фэ, тем выгоднее аппарат.
Следует учесть, что такое сравнение (как и любое другое)
справедливо только для определенного конкретного процесса, а
также то, что зависимость высоты аппарата от его
'производительности, т. е. диаметра (коэффициент моделирования), для разных
конструкций сильно различается. Поэтому для определения Фэ
нужно рассчитать необходимые характеристики аппаратов для
заданного процесса при производительности перспективной
промышленной установки.
На основе имеющихся литературных данных проведем
оценочное сравнение разных аппаратов для процесса извлечения
никеля из сбросных вод комбината «Североникель» при
производительности установки 100 м3/ч по фактору эффективности.
Для колонн типа КДС, установленных на промышленной
установке, коэффициент эффективности составит:
ф = IOJm/ч) = Q 45
э 30 (м).0,25-30 (т)
Для колонн КНПДС [94, 95]
"575-1-9
Фв 12__0,81.
Для колонн ПСК-Т [77]
Ф.=—i°—=1,0.
8 10.0,2-15
108
Таблица 3-Й. Коэффициент эффективности Дли ряда 6сущёствлёнй&#
в промышленности либо запроектированных процессов
Процесс
Извлечение Мо из
сбросных вод
Сорбция РЗЭ**
Очистка сбросных вод от
Сг, Ni**
Извлечение А и из
оборотных вод
Регенерация сорбента
Отмывка сорбента
Время уста- 1
новления
равновесия
V4 1
0,5
12
0,5
0,5
300
0,5
12
Коэффициент эффективности, 1 0-
Фильтр
—
0,22
4
—
—
—
«Пачук»
300
—
—
120
0,5*
5
—
0,01
—
—
0,7*
0,5*
8*
пек
1400*
0,6*
300*
—
8*
3
1400*
пск-т
700
—
570*
—
ПСК-НР
—
—
—
4*
—
КНСПР
—
—
—
2*
0,7*
;300*
-*
пик
—
—
—
3*
0,4*
1
снк
250*
—
—
—
—
* Выбранные или работающие аппараты.
** Расчет сделан для всей цепочки.
В случае использования аппаратов Асахи или ПСК-Н
В табл. 3.8 приведены значения коэффициента эффективности
для некоторых процессов и аппаратов. При этом аппараты
непрерывного действия можно сравнивать как в отдельности — поопе-
рационно, так и всей установки в целом. Сопоставление
аппаратов непрерывного и периодического действия возможно только
для всей установки.
Видно, что фактор эффективности сильно различается в
зависимости от характеристик процесса. Он больше для «быстрых»
процессов и при переработке малоконцентрированных растворов.
Значения Фэ особенно малы, когда сравниваются целиком
установки, так как в этом случае производительность определена
только для основного узла.
Выбранные по фактору эффективности два-три варианта
аппаратов наиболее правильно сравнивать по капитальным и
эксплуатационным затратам, причем сравнивать можно только аппараты
в комплексе с периферийным оборудованием, работающие в
системах с близкими характеристиками. Наиболее точно такое
сравнение может быть сделано по стоимости переработки единицы
продукции либо по приведенным затратам
Фп = 2(С, + £к/0,
где Ci — текущие затраты; Ki — капитальные затраты; Ек —
нормативный коэффициент капитальных затрат.
109

Этот этап называется технико-экономическими
исследованиями (ТЭИ). К сожалению, при этом не учитываются некоторые
важные эксплуатационные характеристики (удобство
обслуживания, надежность и т. п.). Проведенные экономические сравнения
подтвердили справедливость использования фактора
эффективности.
Глава 4
УСТАНОВКИ ДЛЯ ИОНООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Как отмечалось в предыдущей главе, любой ионообменный
процесс (извлечения урана из пульп или очистки контурных и
сточных вод АЭС и т. п.) состоит из ряда операций — сорбции,
десорбции, промывок, для проведения которых, кроме массообмен-
ного реакционного аппарата или серии аппаратов, требуется
дополнительное (вспомогательное) оборудование: емкости, насосы,
задвижки, КИП и т. п. Все это оборудование вместе с самими
реакционными аппаратами составляют ионообменную установку.
Установки ионного обмена классифицируются по принципу
действия на периодические, непрерывные и полунепрерывные.
При создании ионообменных установок вспомогательное
оборудование должно способствовать организации наиболее
эффективной работы основных реакционных аппаратов. От того, как
выполняется это условие, зависит эффективность и экономичность
установки и всего процесса в целом.
Состав, схема и построение ионообменных установок сильно
различаются при использовании в них аппаратов периодического
или непрерывного действия. Однако схемы обвязки и многие
узлы установок полностью непрерывного и полунепрерывного
действия близки друг к другу независимо от типа примененных массо-
обменных аппаратов.
4.1. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ИОНООБМЕННЫХ
УСТАНОВОК
При создании установок различного назначения важнейшими
элементами являются: разработка технологии процесса, выбор и
расчет аппаратурного оформления, т. е. создание аппаратурно-
технологической схемы.
В понятие технологии процесса входит определение
последовательности проведения операции, выбор их числа, подбор режимов
проведения всех операций (скорости движения растворов, 'нх
.концентрации, объема пропускаемого раствора и т. п.).
Обычно технология процесса разрабатывается без привязки
к какому-то конкретному типу аппарата и затем уточняется
применительно к выбранному типу реакционного аппарата, наиболее
ПО
йолнд удовЛетвбряйщего требованиям данной технологии, й К
предполагаемой схеме его использования. На основании
полученных в лаборатории данных могут быть проведены расчеты
ионообменного аппарата и вспомогательного оборудования.
В тех случаях, когда извлекается один компонент, схема
ионообменной установки наиболее проста и может состоять из )одного-
двух ионообменных аппаратов.
Если же необходимо провести селективное извлечение или же
после совместного извлечения из исходного раствора или пульпы
селективно (хроматографически) выделить отдельные
компоненты из смеси, то схема установки значительно усложняется. В этом
случае используются специальные приемы, подробно описанные
в литературе для аппаратов как периодического, так и
непрерывного действия [26, 108].
В водоподготовке и при очистке сбросных вод АЭС и
действующих радиохимических производств технологическая схема
зависит от характеристик очищаемого раствора и требования к
очищенной воде. В этих случаях наряду с ионным обменом
используются и другие методы удаления загрязнений — коагуляция,
сорбция органических соединений, декарбонизация и т. п. Выбор
технологических схем для водоподготовки для аппаратов
периодического действия подробно описан в литературе [6, 7, 13, 27—
31, 34, 35, 40, 160, 161]. На рис. 4.1 показаны ориентировочные
схемы установок в зависимости от состава исходной воды и
предъявляемых к очищенному продукту условий. При умягчении
(рис. 4.1, а), т. е. Ка+-катионировании, природных вод
извлекаются соли жесткости. Солесодержание раствора возрастает.
Н+—№+-катионирование (рис. 4.1,6) используется при
карбонатной жесткости более 50 % общей и содержании С1~ и SO^"2
менее 5—7 мг-экв/л. Извлекаются соли жесткости, уменьшается
щелочность. Обессоливание значительно уменьшает общее
солесодержание. При щелочности более 50 % предусматривают
декарбонизацию (рис. 41, в). При большом содержании солей
сильных кислот устанавливается промежуточный фильтр со
слабоосновным анионитом (рис. 4.1,г). Глубокое обессоливание до
содержания солей порядка 10 мкг/л требует использования двух-
трех последовательных ступеней Н+—ОН~-ионирования (рис. 4.1,
д) либо одной-двух ступеней и ФСД (рис. 4.1, в).
Схемы очистки жидких радиоактивных отходов в принципе
выбираются исходя из аналогичных соображений. Однако
практически везде из-за опасности аэрозольного загрязнения воздуха
радионуклидами в них отсутствует декарбонизация и очистка
проводится с использованием низкоосновных анионитов. В цепочке
аппаратов могут последовательно работать от двух до восьми
сорбционных фильтров, поочередно загруженных катионитом и
анионитом, причем используются иониты разной основности и
фильтры со смешанным слоем. Каждый аппарат включается по
описанным ниже схемам.
Выбор оптимальной аппаратурно-технологической схемы уста-
111

исходный растров
Рис. 4.1. Технологически
схемы ионообменной очистки
природных вод в зависимости от
их состава и требований к
очищенной воде:
/ — сильнокислотный катионит в
Na-форме; 2 — сильнокислотный
катионит в Н-форме; 3 —декар-
бонизатор; 4 — сильноосновный
анионит; 5 — слабоосновный анио-
иит; 6 — слабокислотный
катионит (сульфоуголь); 7 — ФСД
новки определяется многими факторами, в том числе
цикличностью работы, уровнем подготовки персонала и др., но в любом
случае установки непрерывного ионного обмена имеют ряд
преимуществ перед периодическими. Однако поскольку последний
тип установок широко используется в процессах водоподготовки,
очистки контурных и сточных вод АЭС, жидких радиоактивных
отходов радиохимических производств и лабораторий, то мы
считаем целесообразным подробно рассмотреть схемы их обвязки и
возможные методы интенсификации.
112
4.2. УСТАНОВКИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Установки периодического действия имеют в своем составе
аппараты периодического действия (фильтры, колонны с ПОС)
и обеспечивающие их работу насосы, емкости, комплект запорной
арматуры и КИП. Причем если в составе такой установки
имеется несколько однотипных ионообменных аппаратов, то
переработка исходного раствора может производиться непрерывно,
поскольку в то время как один из аппаратов регенерируется, другой или
другие продолжают работать.
Повышение эффективности работы ионообменного аппарата
достигается различными способами [противоточной регенерацией,
сливом водяное подушки и т. п. (см. гл. 3)], относящимися к
конструкции самого аппарата, а также организацией работы
аппарата в установке, при которых обеспечивается максимальное
насыщение смолы или получение минимального объема
регенератов. Для этого необходимо соответствующее схемное
построение установки (карусельная схема, схема с фракционированием
регенерата). Причем чем эффективнее установка (т. е. при
одинаковой степени извлечения продукта имеет минимальные загрузку
смолы, объем аппаратов, расход реагентов и объем регенератов),
тем сложнее ее аппаратурно-технологическая схема.
Рассмотрим установки с одним типом ионита (катионита,
анионита). Установки (в основном для водоочистки и
водоподготовки), в которых используются несколько ионитов, через которые
последовательно пропускается очищаемый раствор (см. рис. 4.1),
содержат несколько однотипных узлов, рассматриваемых ниже.
Реагентное хозяйство, а иногда и баки этих узлов объединяются.
Установка с одиночным фильтром является простейщей
(рис. 4.2, а—в). Она состоит из ионообменного аппарата 1
(фильтра или колонны с ПОС) с системой обвязки, измерения
расходов исходной, промывной воды и регенерационного
раствора, а также устройства или емкостей для приготовления
регенерирующих растворов.
Очистку проводят путем подачи очищаемого раствора
насосом 2 через ионообменный фильтр 1 при открытых запорных
вентилях 4, 9. Расход раствора контролируется датчиком 3.
Регенерация может осуществляться различными способами.
На рис. 4.2 изображена противоточная регенерация с подачей
регенерирующего раствора снизу вверх. Способы организации
неподвижности слоя в фильтре изложены ранее. При проточной
регенерации (см. рис. 4.2, а) регенерирующий раствор готовится
непрерывно при подаче в эжектор 7 воды и концентрированного
реагента (кислоты или щелочи). Концентрация регенерационного
раствора определяется по соотношению потоков промывной воды
и реагента, измеренных расходомерами 5, и может
контролироваться дополнительным концентратомером 8. Подачу реагента
прекращают, закрыв клапан 6 после пропускания заданного
объема регенерационного раствора, продолжая подачу воды, которой
3 Зак. 1735
113

Исходный
раствор
Фильтрат 9
« М-
<ХЬ
Сброс промывной, воды
и регенерата
-е-
-©—>*>-
-1x3-
Г\
/2
10
9
-\Xh
Ц5
чхъ
Сброс промывной воды
LL
~U~-q—о-
чхз о Вода
-ix <IH2S04
EK
Регенерат *
на переработку
')
< Вода
Рис. 4.2. Схемы установок периодического действия:
а — с проточной регенерацией; б — с оборотом части регенератора; в — с фракционирова-
t/Г Расх°Д°меРы: 4~^ 5. ^—'5 — запорные клапаны; 7 — эжектор; 5 — концентратомер;
10, /о»
обмывается сорбент от регенерационного раствора. Такой способ
используется только в случаях, когда объем отходов не
лимитирован и они после нейтрализации просто сбрасываются, в
частности на многих установках водоподготовки АЭС и ТЭС, когда
регенерация проводится H2S04 и NaOH, а получаемый раствор
Na2S04 с примесями солей жесткости сбрасывается в общий
коллектор, где разбавляется до санитарных норм. В настоящее
время в связи с введением природоохранных мероприятий этот
способ не может считаться перспективным.
Сокращение расхода регенерирующего агента и объема
регенерата достигается в схеме с промежуточной емкостью (рис. 4.2,6).
В этом случае регенерирующий раствор приготавливается в
специальной емкости 10. Регенерирующий раствор подается из
емкости 10 насосом через расходомер в фильтр 1 при открытых
запорных клапанах 11, 12.
Полученный регенерат направляется на переработку. После
пропускания заданного объема регенерационного раствора,
равного емкости бака 10, клапаны 11, 12 закрываются, и через
клапан 13 подается промывная вода. Ее первая, наиболее концентри-
114
HzS04 (NaOHJ
нием регенерата; г — с «плавающим» фильтром; / — фильтр;
19 — емкости для регенерата; 16, 17 — емкости для промывных вод
2 — насосы:
рованная порция через винтиль 15 собирается в емкость 10.
Остальные малоконцентрированные порции промывной воды
сбрасываются либо возвращаются в голову процесса. Регенерационный
раствор готовится путем добавления к первой порции промывной
воды концентрированного реагента. В результате часть реагента
находится в обороте, что снижает его расход. Объем отходов по
сравнению с первым вариантом снижается в 1,5—2,0 раза. Такая
схема широко используется как в основных технологических
процессах, так и при очистке воды.
Наименьший объем отходов и расход реагентов достигается
в схеме с фракционированием регенерата (рис. 4.2, в),
представляющей собой развитие предыдущей схемы.
В данной схеме получающийся регенерат разделяется на
отдельные фракции, собираемые в емкости 18, 19, в данном случае
на две фракции. Первая, наиболее концентрированная, затем
отправляется на переработку. Аналогично в две емкости 16, 17
собирается промывная вода. При необходимости более глубокой
отмывки смолы остальные малосолевые промывные воды
возвращаются в голову процесса.
8* 115

При следующей регенерации в качестёе первой фракции pefe-
нерационного раствора используется вторая фракция от
предыдущей регенерации из емкости 18, доукрепленная до заданной
концентрации реагентом, которая заггем собирается в емкости 19.
Второй частью регенерационного раствора становится первая
фракция промывной воды из емкости 17, также доукрепленная
реагентом. В качестве первой порции промывной воды
используется вторая фракция промывной воды из емкости 16, собираемая
затем в емкость 17. Последующая отмывка проводится
обессоленной или технической водой из сети.
Вероятно, оптимальным, исходя из сложности обслуживания и
сокращения расходов реагентов, является разделение регенератов
и промвод на две фракции, хотя известны варианты и со
значительно большим числом фракций. Такая схема, используемая,
например, на Московской станции переработки жидких
радиоактивных отходов, позволяет сократить объе,м регенератов до 1,5—
2%, что особенно важно в случае, когда они подвергаются
дальнейшей переработке и захоронению [16, 51J.
Для организации непрерывного получения очищенной воды в
описанных схемах устанавливаются по два фильтра, в одном из
которых раствор очищается, а второй в это время регенерируется.
Еще более концентрированные регенераты можно получить
при обеспечении максимального насыщения ионита в фильтре.
Это достигается в схемах с «плавающим» фильтром (рис. 4.2,г).
В такой схеме очищаемый раствор последовательно пропускается
через два-три фильтра, в данном случае через 2 (рис. 4.2, а—в).
При начале проскока в последнем фильтре 16 в конец цепочки
подключается свежеотрегенерированный фильтр 1в. А первый по
ходу раствора фильтр 1а выводится на регенерацию. При этом
весь слой ионита в нем полностью насыщен в отличие от
одиночного фильтра, в котором значительная часть ионита остается
ненасыщенной.
Это позволяет получить большую концентрацию ценного
компонента в регенерате. Регенерацию отработанного фильтра
можно проводить по описанным выше вариантам. Естественно, что
наилучшие результаты дает сочетание плавающей схемы с
фракционированием регенерата.
Такая схема наиболее эффективна в условиях, когда не
требуется очень высокая глубина извлечения целевого компонента,
поскольку полностью насыщенный ионит трудно глубоко
регенерировать. Она широко используется в установках очистки
сбросных вод и для извлечения и концентрирования цепных
компонентов в гидрометаллургии урана [4, 6, 16, 30, 40—46, 51, 62, 74].
4.2.1. УСТАНОВКИ СО СМЕШАННЫМ СЛОЕМ ИОНИТА
Фильтры смешанного действия используют совместно с
обычными ионитными фильтрами для глубокой финишной доочистки
воды (см. рис. 4.1) либо отдельно для очистки конденсатов
паровых турбин tfa ТЭС и АЭС, а также продувочных вод и малосо-
116
левых жидких радиоактивных отходов АЭС. В первом случае в
основном используют ФСД с внутренней регенерацией, а во
втором— с выносной регенерацией, либо иониты используются
однократно.
В установке, содержащей ФСД с внутренней регенерацией
(рис. 4.3, а), обычно используется сам фильтр, а также реагент-
ное хозяйство, общее для всех фильтров цепочки. Порядок
проведения регенерации описан выше (см. гл. 3).
Установки с ФСД с выносной регенерацией могут быть
нескольких типов: с одним фильтром-регенератором ФР (рис. 4.3,6);
с двумя ФР (рис. 4.3, в, г) или иметь еще дополнительную
емкость— смеситель (рис. 4.3,(9). Конструктивно они сложнее, чем
первая схема, занимают большую площадь, но значительно гибче
в эксплуатации, позволяют улучшить качество разделения
насыщенных смол и смешения отрегенерированных, повысить
качество очистки и надежность работы системы конденсатоочистки,
уменьшить объем регенератов, отделить их от промвод, а также
сократить простой рабочего фильтра за счет постоянного наличия
готовой регенерированной загрузки (рис. 4.3,0, д). В них
обеспечивается значительно большая скорость раствора в рабочем ,ФСД
из-за отсутствия среднего дренажа и исключается попадание
солевых растворов в линии конденсата.
После насыщения смеси смол в рабочем ФСД/ подача
конденсата прекращается, вентиль 3 открывается, и подачей воды
через нижний дренаж в фильтре создается давление,
необходимое для передавливания смеси в ФР2. При этом подаваемая
снизу вода немного ожижает нижний слой смеси, что улучшает
условия ее транспортировки в ФР; транспортирующая вода
сливается сверху ФР через вентиль 4. Передвижение смолы может
осуществляться также и пневмогидротранспортом, для
осуществления которого из фильтра сливается большая часть водяной
подушки, затем иониты интенсивно перемешиваются подаваемым
снизу воздухом, после чего сдувка закрывается и долученная
суспензия ионитов давлением воздуха (0,3—0,5 МПа)
передавливается в другой аппарат.
После окончания перегрузки вентиль 3 закрывается и смесь
разделяется потоком воды, подаваемой через нижний дренаж ФР.
По окончании разделения подача воды плавно прекращается. При
этом катионит и анионит опускаются, образуя два слоя с
границей у среднего дренажа.
Для проведения регенерации через верхний дренаж вводят
готовый раствор щелочи, а через нижний — кислоты. Регенераты
выводятся через средний дренаж. Приготовление растворов
кислоты и щелочи осуществляется в эжекторах или в специальных
емкостях аналогично схеме (см. рис. 4.2,а, б). Затем через верхнюю
и нижнюю дренажные системы подают воду для отмывки ионитов.
Отмытые смолы перемешивают сжатым воздухом,
подаваемым через вентиль 5 в нижний дренаж при открытой верхней
сдувке 6. После перемешивания проводят окончательную отмыв-
117

Свувна
Раствор
Промывная вова
<Х © : <3
Промывная вода <>
ку смеси смол оборотной водой с помощью циркуляционного
насоса 7. Готовая смесь перегружается в рабочий фильтр, где
дополнительно перемешивается воздухом.
Реальная схема естественно сложнее и, например, для ЛАЭС
подробно описана в работах [30, 60].
Лучшие результаты можно получить, если регенерацию
катионита и анионита проводить раздельно. Для этого устанавливается
дополнительный фильтр-регенератор анионита (ФРА), в который
+-txh-<Boda
|~HXJ—<H2S04
f—схь
Лромывная вода <у
Рис. 4.3. Установки с фильтрами смешанного действия (ФСД):
а — фильтр с внутренней регенерацией; б — ФСД с выносной регенерацией; в — выносная
регенерация с выделением анионита; г — то же с выделением катионита; д — то же с
дополнительным баком; / — рабочий ФСД; 2 — фильтр-регенератор ФР; 3—6 — вентили;
7 — насос; 8 — фильтр-регенератор анионита; 9 — фильтр разделения и регенерации
анионита; 10 — фильтр-регенератор катионита; // — анионит; 12 — инертный слой; 13 — катио-
ннт; /4 —датчик электропроводности; 15 — фильтр с резервной загрузкой
119

перегружается выделенный при разделении анионит (рис. 4.3,б).
Его выгрузка организуется при подаче в средний дренаж
транспортирующей воды. В этой схеме имеется возможность
организовать повторное использование части кислого и щелочного
регенератов методом фракционирования, что значительно снижает
расход реагентов и объем отходов. Кроме того, ,она позволяет
проводить раздельное взрыхление катионита и ионита для
удаления из них мелких фракций.
Регенерированный и отмытый анионит возвращается в ФРК,
где со смесью производятся те же операции, что и в схеме
(рис. 4.3,6).
Из фильтра-разделителя можно выводить и катионит, .а в .нем
проводить регенерацию анионита. Особенно это эффективно при
использовании способа Триобед, когда по датчику 14
электрической проводимости, установленному на передающем трубопроводе,
легко определить окончание выгрузки катионита [34]. В этом
случае катионит 13 выгружается более полно и оказывается чище,
чем анионит 12 в предыдущем варианте.
При добавлении в схему дополнительного фильтра 15,
используемого как емкость для хранения готовой смеси смол и ее
окончательной отмывки, схема становится более гибкой в
эксплуатации, но й наиболее сложной. Ее основным преимуществом
является то, что сразу же после освобождения рабочего ФСД от
отработанной шихты он может быть заполнен свежими ионитами.
Такая установка по своим характеристикам близка к
установкам непрерывного ионного обмена, но имеет большие размеры.
Аналогичный результат может быть получен и в схеме
(рис. 4.3,в), если после разделения и отмывки иониты
перегружать в ФРА, где их перемешивают и отмывают. При следующей
операции регенерации рабочего ФСД насыщенные иониты из него
перегружают в ФРК, а свежие загружают в него из ФРА.
4.2.2. УСТАНОВКИ С НАМЫВНЫМИ ИОНИТНЫМИ ФИЛЬТРАМИ
В отечественной практике намывные ионитные фильтры [27,
30, 31, 34, 35, 51, 67—70] пока не являются стандартным
аппаратом очистки конденсата и спецводоочистки, но широко
используются за рубежом на АЭС с кипящими реакторами [67—69]. По
конструкции и методике работы установки с намывными ионит-
ными фильтрами (рис. 4.4) (НИФ) аналогичны установкам с
намывными механическими фильтрами (перлитным,
целлюлозным). Установка включает в себя фильтр У, емкость для
приготовления суспензии ионитов 2 и емкости для сбора отработанных
ионитов 3. Простота таких установок, отсутствие реагентного
хозяйства, их малые габариты и являются наиболее
привлекательной чертой установок с НИФ.
Приготовленную суспензию ионитов в конденсате из емкости 2
подают насосом 4 в фильтр / и, организовав циркуляцию воды
через фильтрующие элементы 5 и емкость 2\ добиваются того,
120
чтобы на них осел плотный слой
ионитов толщиной 5—10 мм. За- ^льтрат
тем фильтр включают на
очистку конденсата. После насыщения
ионитов или забивания
фильтрующего слоя механическими
загрязнениями подача конденсата
прекращается и фильтр
выводится на регенерацию.
Регенерация намывного
фильтра заключается в замене
отработанной смеси ионитов новой. *
Для замены ионитов открывают
вентили 6, 7 и создают обратный
поток жидкости подачей через
вентиль 6 воды или в
большинстве случаев сжатого воздуха в
ВерХНЮЮ ПОЛОСТЬ аппарата. При ^иТ^'сусп^ши свежих ионитов; 3
этом слой ионитов с патронов 5 ^^_^™5£ 5££?- 1~7-
сбраСЫВаЮТ ВО ВНутреННЮЮ ПО- вентили
лость фильтра.
Полученную суспензию отработанных ионитов выгружают в
емкость 3, где она отстаивается. После этого отработанная )смесь
захоранивается. В это время в фильтре намывается новый
фильтрующий слой из емкости 3, и его работа возобновляется.
Рис. 4.4. Схема установки с
намывным фильтром:
4.3. УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ИОННОГО ОБМЕНА (НИО)
Установки непрерывного ионного обмена (УНИО) характера
зуются тем, что в них каждая технологическая операция
проводится в отдельном аппарате или выделенной секции аппарата, а
ионит непрерывно передвигается через эти секции, причем его
расход через все аппараты одинаков.
Кроме реакционных аппаратов, в установки НИО входит
вспомогательное оборудование для измерения расходов используемых
растворов или пульпы, для дозировки и транспортировки
сорбента, разделения смолы и транспортирующего раствора.
Преимуществом таких установок по сравнению с периодическими
является то, что они позволяют получить более богатые регенераты,
сократить загрузку смолы и расходы реагентов, промывных вод,
производственные площади и т. д.
При сравнении установок полу- и истинно непрерывного
действия с периодическими, работающими с различной
продолжительностью фильтроцикла и регенерации [87], видно, что установки
непрерывного действия превосходят периодические по времени
полезной работы, удельной нагрузке на смолу, требуют
минимального ее количества. Для достижения близких характеристик
установка на фильтрах должна работать по «быстрому» циклу с
малой продолжительностью регенерации, иметь в своем составе
121

минимум четыре параллельные нитки. При этом постоянно на
регенерации должны находиться 1 катиомитовый и 1 анионитовый
фильтры. По сложности обвязки, КИП, количеству управляемых
клапанов такая установка сложнее полунепрерывной и тем более
истинно непрерывной. Надежность ее значительно ниже,
поскольку при нечеткой работе одного из клапанов возможно
загрязнение фильтрата регенератом, что исключено в установках
непрерывного действия.
В простейшем виде установка НИО показана на рис. 3.11.
Реальные установки значительно отличаются от этой схемы в
зависимости от технологических особенностей процессов и типов
используемых аппаратов, устройств для транспортировки смолы
и отделения ее от транспортирующего раствора и т. п. При этом
к УНИО можно отнести и однокорпусные установки, в которых
все операции производятся в разных секциях аппарата,
имеющего общий законченный корпус (Арехард, Хиггинс и др.).
При необходимости извлечения из растворов нескольких
компонентов или его обессоливания схема установки состоит из
отдельных законченных однотипных УНИО, загруженных смолами
различного типа, через сорбционные аппараты которых поочередно
проходит очищенный раствор. Последовательность включения
сорбционных аппаратов аналогична последовательности
аппаратов периодического действия (см. рис. 4.1).
Основные принципы работы и расчета установок НИО
являются общими.
4.3.1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА И РАСЧЕТА УСТАНОВОК НИО
В отличие от установок периодического действия, в которых
ионообменный аппарат выбирается для оптимального проведения
одной, основной операции, обычно сорбции, а его
удовлетворительная работа на остальных операциях обеспечивается
подбором технологических режимов, в установках НИО имеется
возможность подобрать для каждой операции оптимальные по
конструкции аппараты и технологические режимы их работы. Для
создания установки НИО необходимо выбрать типы аппаратов и
рассчитать их габариты для всех операций; определить основные
параметры установки, выбрать и рассчитать вспомогательное
оборудование— дозаторы, разделители и т. п.
Рекомендации по выбору типа аппаратов для заданных
процессов даны в гл. 3.
В связи с многообразием типов ионообменных аппаратов
непрерывного действия разработано и множество методик их
расчета, которые рассмотрены в гл. 6. Методика же расчета основных
элементов УНИО в целом и выбора конкретных аппаратов с
учетом особенностей процессов пока не рассматривалась.
При расчете основных показателей работы установки обычно
считаются заданными расход исходного раствора (пульпы),
начальные и конечные концентрации в нем целевого компонента.
122
Предварительно в лаборатории проводится комплекс физико-
химических и технологических исследований характеристик
системы, которые служат основой для выбора и расчета массообмен-
ных аппаратов (см. гл. 2, 6) и определения основных показателей
установки — расхода и загрузки сорбента, расхода регенерацион-
ного и промывных растворов.
Поток смолы в установке определяется исходя из
материального баланса:
q q _%=*1_§ (41)
Ук — Уп
где Qc/Qp = n — соотношение потоков фаз.
Разность концентраций компонента в сорбенте (его
насыщения) в начале и конце процесса сорбции является его рабочей
емкостью
У = Ук — Ун = к(ур — у1д. (4.2)
Загрузка сорбента в установку определяется типом аппарата
и может быть найдена по уравнению
SFC = VCtKQc + Fp.KQp + VAp + Кс.доб, (4.3)
где Ус.к, ^р.к, ^пр.к — объем рабочей зоны сорбционных, десорб-
ционных и промывных колонн, a Qc, QP, Qnp— задержка сорбента
в сорбционной, десорбционной и промывных колоннах; Ус,.доб —
объем сорбента добавочный, необходимый для нормальной
эксплуатации установки.
На основании полученных данных по равновесию и кинетике
процесса определяют оптимальное соотношение потоков на
регенерации Яр при определенной концентрации регенерирующего
раствора. Зная расход смолы, расход регенерирующего раствора
рассчитывают как
Qp.P=Qp/V (4-4)
При этом концентрация целевого компонента в регенерате
составит
%к = (Qc/Qpp) (Ук — У*) + *Р.н
или
*Р.к = (Ук — Ун) "р + *Р.Н; (4.5)
*р.к = (*с.н — *с.к) (V"c) + *р.н- (4-6)
В соответствии с уравнением (4.6) следует, что для
получения максимальной концентрации компонента в регенерате
необходимо иметь минимальное соотношение потоков на сорбции и
максимальное на регенерации, т. е. стремиться обеспечить
максимальное насыщение сорбента в процессе сорбции при
минимальном расходе регенерирующего раствора на регенерации и
минимальной остаточной емкости. Следует отметить, что
установки НИО отличаются значительно большей гибкостью в подборе
123

*с,Уг
Кс^
gp/i Т
#пб
*р/*;
р;л2
<п.б
Як,
f
tfppi*p*
^PP?XP1
ф5
Рис. 4.5. Схема потоков в установке НИО:
/ — сорбционный; 2 — промывной; 3 — регенерационный аппарат; Qp — расход исходного
раствора; Qn в — расход промывной воды; QKp — расход концентрированного реагента;
Qpp ■—расход регенерата; Х\ — концентрация компонента в исходном растворе; х2 —
в сбросном растворе; *р — его концентрация в регенерирующем растворе; хр2 — в
регенераторе; ух — остаточное насыщение смолы; у2 — насыщение смолы
условии для проведения процессов регенерации по сравнению с
периодическими. Такие установки дают возможность в широких
пределах изменять концентрацию регенерацжжного раствора и
его расход, подбирая оптимальные условия.
В тех случаях, когда характеристика процесса позволяет
достигнуть таких показателей в аппаратах разумных габаритов, они
чаще всего выполняются. Если же процесс очень медленный и
изотерма сорбции пологая, т. е. для насыщения требуется очень
большое время контактирования, то необходимо проводить
оптимизацию процессов сорбции — регенерации и дальнейшей
переработки регенерата, исходя из минимизации приведенных затрат
или стоимости продукции.
В реальных условиях (практически во всех установках НИО)
регенерацию проводят при соотношении потоков /1=1:1-7-1:5.
Сорбент отмывают от илов и регенерационного раствора водой
или специальным реагентом. Расход этой воды стремится
максимально сократить, так как он может оказаться дополнительным
отходом установки, подлежащим переработке.
В идеальном случае количество образовавшихся промывных
вод Q'nB должно быть равно расходу регенерационного раствора
за вычетом добавки концентрированного реагента QK.P,
необходимого для введения в систему заданного количества
регенерирующего агента (рис. 4.5).
В отличие от идеализированной схемы (рис. 4.5) в реальных
условиях перемещающийся из аппарата в аппарат сорбент несет
с собой также и раствор, в котором он до этого находился.
Причем раствор может быть в нескольких состояниях: межзерновая
влага, пленочная влага и влага набухания. Межзерновая влага,
124
100мъ/ч
<•
♦ • •
tfc 'мУч
• • • •■
Dl
А
ю
5
\Н
Ш^=Г
3" ♦
ю
5
N*
др~100муч
А
U^/ч
7;0м3/ч;Н2О A 2m3/4}Zh.HN03
Ь;гм3/ч)ЮКНМ03 а)
10Оиъ/ч
• • • в в » • • ♦ • • « • •' •' ■—»п
Г^~К—1 ГЕЬ—i Q
Ч
т
Qp Шм3/ч
2ьлъ/ч Вода.
7м5/ч ; 2h.HN031 Регенерат
^Zm3/4;10hHN03
rr>J
в:
0,4 м3/ч
(в голову)
*)
Рис. 4.6. Схема потоков в реальной установке НИО для очистки 100 м3/ч
сбросных вод:
а — при использовании разделителей смола—раствор; б —- при введении дополнительной
операции вытеснения регенерата; / — сорбционная; 2 — промывная; 3 — регенерацион-
ные колонны; 4 — колонна вытеснения
находящаяся вследствие поверхностного натяжения в виде
мостиков между зернами, может быть частично удалена осушением
сорбента на различных грохотах, троммелях. При этом на зернах
остается тонкая пленка жидкости, которая механическим путем
не удаляется. Количество жидкости в этой пленке составляет
10—30 % объема зерна. Эту влагу можно удалить только в
лаборатории при осушивании зерен гигроскопическим материалом.
Влагу набухания, т. е. жидкость, находящуюся внутри зерна,
в обычных условиях удалить нельзя. Ее объем доходит до 70 %
объема зерна и может быть рассчитан исходя из коэффициента
набухания сорбента.
125

При переносе сорбента из раствора й раствор эта жидкость
вытесняется из зерна, разбавляет новый раствор и замещается
им. В результате в обычных схемах (рис. 4.6, а) даже при
качественном отделении смолы от транспортирующего раствора в
грохотах будет наблюдаться разбавление регенерата пленочной
влагой и влагой набухания. Причем разбавление тем больше, чем
больше соотношение потоков на регенерации. На рис. 4.6, а
показан баланс потоков очистной установки при учете уноса смолой
растворов и их взаимного разбавления. Из него следует, что
перенос растворов со смолой существенно влияет на концентрацию
получаемых продукционных растворов (в данном случае —
регенерата) и соотношение потоков фаз непосредственно в аппарате,
работающем при большом п. При увеличении п до 1:0,3—1:0,5
может быть получена парадоксальная ситуация: при вводе в
аппарат снизу регенерационного раствора сверху будет сливаться
чистая вода, а весь регенерирующий раствор уйдет вместе со
смолой в промывную колонну.
При необходимости дальнейшего увеличения концентрации
регенерата и снижения его объема в установку вводится
дополнительный аппарат (рис. 4.6, б) для вытеснения пленочной влаги
и влаги набухания регенератом. При этом в низ специальной
колонны подается регенерат п = 0,3-^0,5, а сверху выводится вода с
небольшим содержанием солей. Выводимая же снизу смола
полностью насыщена регенератом. В результате внутри регенераци-
онной колонны имеется то же соотношение потоков, что и на ее
вводах, а это позволяет увеличить в регенерационной колонне
соотношение потоков и, следовательно, поднять концентрацию
регенерата.
В тех случаях, когда очищается ценный продукт (из него
извлекают загрязнения) и его разбавление нежелательно, операция
вытеснения может быть использована после сорбции для
вытеснения из смолы этого продукта водой или регенератом и
возвращения его в процесс.
При расчетах следует учесть, что поток смолы измеряется
объемным методом, т. е. вместе с межпоровым пространством.
Истинный объем смолы составляет примерно 0,6 от ее насыпного
объема, поэтому при пересчете указанных объемов влаги,
отнесенных к объему зерна на весь объем слоя, получим, что она
составляет 0,3—0,4 от объема слоя. Соответственно при расходе
смолы 1 м3/ч расход сопутствующей жидкости составляет 0,3—
0,4 м3/ч.
Следует отметить, что установки НИО в зависимости от
проводимого процесса могут иметь существенно различный вид и
характеристики. Так, если проводится процесс очистки сбросных
вод действующих производств или АЭС (п^.1 : 100), расход
очищаемой воды и регенерационного раствора могут различаться в
50—100 раз, то соответственно и сечение регенератора может
быть значительно меньше, чем сорбера. Аналогично при
переработке урановых малоконцентрированных пульп или растворов
126
сюрбционные аппараты также имеют значительно большее
сечение, чем регенерационные. В случае же переработки
концентрированных растворов, когда соотношения потоков при сорбции и
регенерации близки, размеры, а часто и тип аппаратов для этих
процессов принимают одинаковыми.
4.3.2. ЭЛЕМЕНТЫ УСТАНОВОК НИО
Поскольку в установках НИО смола непрерывно или
периодически передвигается, то, кроме основных аппаратов, в которых
протекают все технологические процессы, эти установки
оснащаются дополнительными, иногда специфическими, устройствами
для транспортировки и дозировки смолы, ее отделения от
транспортирующего раствора и т. п.
В промышленной практике и для опытных работ
используются такие устройства самых различных типов, которые сильно
различаются для полностью непрерывных и полунепрерывных
установок. Поэтому мы их рассмотрим отдельно.
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА УСТАНОВОК НЕПРЕРЫВНОГО
ДЕЙСТВИЯ
Устройства для транспортировки сорбента [12, 24—26, 41—47,
62, 74, 80, 85]. Для непрерывного передвижения сорбента
используются: эрлифты, эжекторы, специальные насосы. Эрлифты
являются наиболее простым устройством по конструкции и управлению
и позволяют перекачивать от литров до десятков кубометров
сорбента в час.
Методы расчета эрлифтов подробно изложены в работах [41—
75, 162].
К сожалению, эрлифтам свойствен и ряд недостатков. Это
большой расход воздуха, в некоторых случаях требующего
последующей очистки, трудность измерения и регулирования расхода
сорбента, особенно при изменении количества смолы в аппарате,
возможность забивания трубопроводов при остановках и т. п.
Обычно эрлифт устанавливается вне (рис. 4.7, а) или внутри
аппарата (рис. 4.7, б) и сверху снабжается воздухоотделителем,
из которого пульпа смолы с транспортирующим раствором
подается в сепаратор, где смола отделяется от раствора,
обезвоживается и затем передается в следующий по схеме аппарат.
Транспортирующий раствор возвращается в ту часть аппарата, откуда
откачивается смола.
Эжектор (рис. 4.7, в) имеет перед эрлифтом только то
преимущество, что отсутствует загрязнение транспортирующего воздуха.
Однако он значительно сложнее конструктивно и в обслуживании,
поскольку к каждому аппарату необходим свой насос для
жидкости 7. Попытки избавиться от разделителя 4 использованием
режима перекачки с очень малым количеством дополнительной
127

'f£T'4£
ионного7об^еТнРаОЙСТВа ДЛЯ транспортиРовки ионита в установках непрерывного
tZ°™bmOCHblM эРлиФтом; б-с внутренним эрлифтом; е-с эжектором- г - пульсаиион-
^я„?оаЛСП^РТИруЮЩее УстРойство; д- гидравлические транспортирующие у?™йства i
lZ»l»l*l ФсЛЮИКОН« /-Реакционный аппарат; 2 - эрлифт; /-, воздухоотд1ли?ель 41
сепаратор; 5 - линия возврата раствора; 5-эжектор! 7-насос; 8 - пульсопровод- 9-
реакционная зона; 10 -зона транспортировки; //-обратный клапан- 12-^шпбиионна!
штЛо0кНкл:апа3нГ ЧГнГ^Я?*0"™™* *°Л°ННа; " ~ ^тичнаГюбка; 15 -То^вижный
шток клапана, 1Ь—1в— насосы-дозаторы
воды приводят к неустойчивой работе эжектора и в результате
всей установки.
Делались попытки создать аппараты, органически включающие
в себя эжекторные перекачивающие устройства. Так, например
противоточный аппарат [163] снабжен двумя эжекторами: для
ввода смолы в реакционную зону и ее выгрузки, причем в
качестве рабочей жидкости в каждом эжекторе используется раствор из
этой же зоны аппарата. Поток жидкости создается поршневыми
128
йасосами, установленными у каждого эжектора и подающими в
них раствор после его отделения на дренажной сетке.
Такая конструкция позволяет максимально эффективно
использовать все положительные качества эжекторов, но она очень
сложна и не может быть использована в промышленности.
При перекачивании смолы насосами можно обеспечить малое
избыточное количество воды, однако при использовании обычных
центробежных насосов наблюдается чрезвычайно интенсивное
разрушение смолы. Кроме того, необходимость размещения
насосов под аппаратами резко усложняет их обслуживание. Для
надежной работы необходимо иметь на каждый аппарат по два
насоса с соответствующими вентилями, работающими в слое смолы.
Создание новых насосов шнекового типа с эластичными
элементами, возможно, позволит немного уменьшить измельчение смолы,
но не устранит остальные недостатки насосной схемы.
Возможна также транспортировка смолы относительно
большими порциями клапанными насосами и пневматическим (рис. 4.7,
г) или гидравлическим приводом (рис. 4.7, д) [5, 75, 77, 80, 87^
В первом случае реакционная зона 9 колонны отделяется от
транспортирующей 10 обратным клапаном И, К нижней зоне 10
подсоединена пульскамера 12, в которую попеременно подают
через клапаны воздух, а затем быстро выпускают его в
атмосферу. При сбросе воздуха жидкость из нижней зоны движется в
пульскамеру, и эквивалентное ей количество смолы передвигается
через клапан 11 в нижнюю зону. Затем при подаче воздуха
давление в нижней зоне возрастает, клапан И закрывается и сорбент
вытесняется по трубопроводу 8 в сепаратор. Транспортирующая
жидкость возвращается в реакционную зону. Изменяя частоту и
амплитуду пульсации, можно в широких пределах регулировать
расход сорбента.
В установках Флюикон (рис. 4.7,5) [75, 77, 80, 87, 164, 165]
транспортирующая зона 10 сорбционной 12 и регенерационно-про-
мывной 13 колонн отделена от реакционной специальным
управляемым клапаном. Он состоит из эластичной юбки 14 и плоского
диска на подвижном штоке 15.
При открытом клапане сорбент из реакционной зоны
перетекает транспортирующую, вытесняя из нее эквивалентный объем
раствора. Для транспортировки смолы клапан закрывают и
насосом-дозатором 16, 18 вводят в зону транспортировки
определенный объем жидкости, которая вытесняет из этой зоны через
пульпопровод 8 в другую колонну равный ему объем сорбента. Затем
цикл повторяется. Причем в нижнюю зону подается отработанный
раствор из той колонны, в которую перекачивается эта смола,
что снижает его разбавление раствором из колонны, откуда
отбирается сорбент. Однако при этом наблюдается попадание
транспортирующего раствора в рабочую зону колонны в количестве,
равном истинному объему смолы. Поэтому такие устройства
можно использовать только в тех случаях, когда допустимо

попадание регенерата в исходный раствор, и наоборот, например,
при умягчении воды.
Используемые в установке поршневые насосы-дозаторы
обеспечивают точную регулировку расхода смолы и могут быть
установлены в удобном для обслуживания месте.
Работа всех насосов-дозаторов 16—18 и клапанов
синхронизирована и управляется командным устройством в зависимости от
расхода исходного раствора и его концентрации.
Такие системы транспортировки смолы обеспечивают меньшее
ее истирание, большее удобство обслуживания, однако наличие
внутри колонны малодоступного клапана делает перспективы их
применения в промышленных аппаратах, особенно в
гидрометаллургии, где растворы часто содержат механические загрязнения,
очень проблематичными.
Исследовались также системы передвижения смолы между
аппаратами созданием вакуума в одном из них [75] либо в
.промежуточном бачке [76, 77]. Однако они сложны и требуют
'использования большого количества запорных клапанов, в том числе на
линиях передвижения смолы. Единственное их преимущество
перед эрлифтами состоит в отсутствии образования аэрозолей.
В результате во всех промышленных устанрвках непрерывного
и в некоторых установках полунепрерывного действия (с
аппаратами СНК, ПИК, Кер—Мак, Портера и т. п.) используются
эрлифты.
Эжекторы применяются только на опытных установках.
Насосы иногда используют для разовой перекачки смолы из
емкостей для ее хранения в реакционный аппарат.
Устройства для отделения сорбента от раствора. Сорбент во
всех описанных схемах перекачивается с избыточным
количеством транспортирующего раствора. Обычно стремятся соблюдать
соотношение объемов смолы и раствора в перекачиваемой пульпе
1:2—1:5, однако часто избыток жидкости бывает значительно
больше. Поэтому во избежание взаимного смешения и
разбавления растворов из разных аппаратов необходимо отделить сорбент
от транспортирующего раствора.
Грубое отделение может быть проведено в гидроциклонах и
отстойниках, откуда смола выводится с очень небольшим
избытком жидкости (межпоровой влаги), занимающей примерно 40%
объема слоя, но вместе с влагой набухания это составляет около
80 % объема слоя. Кроме низкой эффективности таких устройств,
в них очень трудно обеспечить постоянную выгрузку плотной
пульпы смолы. В отечественной практике они практически не
используются. Несколько лучшие результаты можно получить при
отделении смолы на наклонной сетке (рис. 4.8, а). Такое устройство
содержит корыто 2, закрытое сверху наклонной сеткой <?, и
сборный желоб для сорбента 5. Пульпа смола — раствор подается
сверху сеткой <?, раствор отделяется и сливается через корыто
снизу. Осушенная смола, подталкиваемая новыми порциями
пульпы, движется к сливному желобу 5.
130
Рис. 4.8. Устройство для отделения сорбента от транспортирующего раствора:
п.— с наклонной неподвижной сеткой; б —с вибрирующей сеткой (грохот); в —с
вращающимся сетчатым барабаном (троммель); / — воздухоотделитель; 2 — корпус (корыто);
3 — сетка; 4 — слой осушенной смолы; 5 — желоб для сбора смолы; 6 — распределители
смолы; 7 —вибратор; 8 — амортизационные опоры; 9 — сетчатый барабан; 10-
шнек; // — подшипник; 12 — «ком» смолы; 13 — привод
• полый
Преимуществом такой конструкции является максимальная
простота, недостатком — необходимость частой очистки сетки и
высокая влажность отделения смолы.
Значительно более эффективно отделение смолы от раствора
механическим путем. Для этого используются вибрационные и
барабанные грохоты (троммели) (рис. 4.8,б, в).
Вибрационный грохот (рис. 4.8,6) представляет собой
наклонное корыто 2, закрытое сверху сеткой 3 с размером ячеек
меньшим, чем размер частиц смолы. Корыто установлено на
амортизирующих опорах 8 и соединено с вибратором 7.
Пульпа смола — раствор подается через воздухоотделитель 1
на сетку, по которой она распределяется с помощью решеток 6.
Колебания сетки заставляют пульпу интенсивно перемешиваться
на сетке; при этом раствор стекает через сетку в корыто, а смола
двигается вниз к сливному коробу 5, откуда она попадает в
следующий аппарат. Отделенный раствор выводится по эластичному
9* 131

трубопроводу. Вибрация сетки способствует ее очистке от мелких
частиц.
Вибрационные грохоты имеют высокую удельную
производительность, обеспечивают хорошее осушение смолы. Однако они
имеют недостаточно надежный механический привод, сложны в
налаживании, требуют специальных фундаментов. Их надежность
во многом определяется типом используемой сетки. Наиболее
надежна шпальтовая сетка (ГОСТ 9074—71).
Вибрационные грохоты (тип ГВ) серийно выпускаются для
горнорудной промышленности для отсева мелкой фракции руды.
Они снабжены шпальтовой сеткой и имеют ряд типоразмеров по
площади сетки, что позволяет их использовать для установок с
разным потоком сорбента [115]. При необходимости такие
грохоты могут быть выполнены из коррозионно-стойких материалов.
Разработаны грохоты и специально для ионообменных установок.
На ионообменных установках используются грохоты с
площадью фильтрации от 0,3 до 1,2 м2 и производительностью до
3—5 м3/ч по сорбенту. На них используются электродвигатели
мощностью 1—1,7 кВт. Частота колебаний сетки составляет от
6,6 до 15 Гц. Габаритные размеры грохота с площадью
фильтрации 0,38 м2 составляют 1790x1420X640 мм.
Вибрационные грохоты достаточно широко используются в
отечественных установках НИО, однако наибольшее
распространение получили разделители барабанного типа — троммели
(рис. 4.8, в).
Троммель представляет собой полый шнек 10, обтянутый
снаружи сеткой 9 и закрепленный в корпусе на подшипниках 11.
Под барабаном расположены корыто для сбора жидкости и
сливной короб для осушенного сорбента. Барабан приводится в
движение с помощью механического привода 13.
Пульпа сорбент — раствор поступает в барабан через полый
подшипник у задней стенки. Витки спирали 10 препятствуют
протеканию раствора к выходу из барабана. Раствор
профильтровывается через сетку 9 и удаляется через корыто 2. Влажная смола
постоянно остается в нижней части барабана в виде большого
кома 12, который при вращении барабана переваливается внутри
шнека, перемещаясь по направлению к сливному коробу 5. При
этом происходит осушение смолы с удалением основного
количества поверхностной влаги.
Периодически сетку очищают струей воды или щеткой.
Преимуществами троммелей являются высокая надежность,
простота налаживания и обслуживания. Их недостатком
являются большие габариты, особенно длина, которая может быть
существенно уменьшена при использовании электропроводов и
редуктора современных типов, а также большая, чем на
виброгрохотах, влажность сорбента.
Троммели различных габаритов выпускаются по ОСТ 97551—77
и широко используются на самых различных установках
непрерывного и полунепрерывного действия.
132
В троммелях используют металлические или полимерные
(полипропилен, капрон) сетки с квадратными или
прямоугольными отверстиями от 0,4 до 2 мм. Полимерные сетки
предпочтительнее, так как они меньше засоряются твердыми частицами и легче
очищаются от них.
Устройства для измерения расхода и дозировки смолы. Для
нормальной эксплуатации установок НИО необходимо знать
расход сорбента и уметь его регулировать. Выше отмечалось, что
устройства для транспортировки смол являются малонадежными
регуляторами расхода. Поэтому необходимо какими-то
дополнительными методами измерять и регулировать этот расход.
Измерение расхода смолы в трубопроводе очень
трудноосуществимо, поскольку обычно смола движется вместе с
транспортирующим раствором. Можно измерить их общий расход, однако
определить долю в этом потоке смолы очень трудно. Поскольку
по своим электрическим характеристикам (проводимость) раствор
и набухший в нем сорбент почти не различимы, то
многочисленные попытки создать измерители расхода смолы в
перекачивающих трубопроводах не увенчались успехом.
Для измерения может быть использован объемный метод,
однако при этом прерывается непрерывность процесса
транспортировки. Однако если измерения проводятся быстро, т. е. требуют
времени, значительно меньшего, чем время пребывания сорбента
в аппарате, то это не изменяет общего характера движения фаз
в установке.
Обычно в промышленных установках НИО расход смолы в
сорбционном аппарате определяется косвенным путем — по
анализам изменения концентрации компонента в растворе и сорбенте
и регулируется таким образом, чтобы обеспечить заданную
эффективность процесса сорбции. В остальных аппаратах расход
также регулируется косвенным путем, например в каскаде колонн
КДС — по высоте слоя смолы в каждой колонне. В цепочке
колонн ПСК, работающих в режиме свободного осаждения, расход
смолы регулируется только в одной колонне, в которой
содержится весь избыток смолы установки и откачивающий эрлифт
работает достаточно стабильно. Эрлифты всех остальных колонн
имеют избыточную производительность, перекачивают весь попавший
в колонну сорбент и не требуют обслуживания. При сочетании в
установке аппаратов непрерывного действия, например «пачуков»
с полунепрерывными колоннами (ПИК, КНСПР), расход смолы
задается в «пачуках» по анализам, а производительность
остальных колонн регулируется по скорости заполнения их бункеров
смолой.
Возможно введение в установку и дозаторов смолы.
Множество* таких устройств разработано для совместной работы (с ,различ-
ными типами аппаратов [12, 24, 26, 46, 80, 85]. Наиболее простым
и распространенным дозатором является тот же эрлифт, когда он
питается воздухом стабильного давления, расход которого
измеряется, например, ротаметром, а в аппарате, из которого он отка-
133

Смола
Рис. 4.9. Устройства для дозировки сорбента с регулировкой расхода за счет
изменения сопротивления:
а — заслонки; б — в зазоре между патрубком и тарелкой; в -— между патрубком и
сплошным слоем сорбента; г —- схема включения дозатора как отделителя
транспортирующего раствора; / — дозатор; 2 — слой сорбента; 3 — регулирующая заслонка; 4 —
аппарат; 5 — линия возврата раствора; 6 — линия подачи раствора; 7 — подвижный
патрубок; 8 — ситчатая тарелка; 9 — промывная колонна; 10 — эрлифт; 11 — сорбциониая
колонна; 12 — дозатор
чивает сорбент, постоянно находится большой его избыток, такой,
что высота слоя сорбента меняется мало. Как отмечалось выше,
точность такого дозатора невысока.
Имеются и другие варианты регулирования расхода смолы
скоростью истечения смолы из бункера или из самой колонны,
основанные на изменении сопротивления потоку вытекающей смолы
(рис. 4.9). Самым простым является дозатор (рис. 4.9, а) с
регулирующей заслонкой 3, которая и изменяет расход пульпы
смола— сорбент. Для нормальной работы такого дозатора, как и
всех, описываемых ниже, необходимо, чтобы смола всегда была
залита раствором, его уровень в бункере был постоянным, а
колебания уровня смолы были относительно невелики. Используемая
задвижка должна быть прямоточной, типа шайбы, шлангового
зажима, проходного крана и т. п.
Изменить сопротивления движению потока вытекающей смолы
можно изменением расстояния между выпускной трубой 7 и
неподвижной перфорированной тарелкой 8 (рис. 4.9,6) [46, 166]
либо плотным слоем смолы 1 (рис. 4.9, в) [46, 168]. Однако эти
устройства являются узкоспециализированными, т. е. могут
работать только совместно с аппаратами определенного типа.
Для стабилизации уровня жидкости в дозаторе в него
постоянно подается обработанная жидкость из колонны с помощью
циркуляционного насоса или эрлифта,
134
Рис. 4.10. Устройство для дозировки смолы с механическим приводом:
/ — корпус; 2 — запас смолы; 3 — поршень; 4 — окна; 5 — шток; 6 — обратный клапан;
7 — пульсопровод; 8 — напорный трубопровод; 9 — электромагнит; 10 — эрлифт; // —
промежуточный бачок; 12 — линия возврата раствора; 13 — грохот; 14 — дозатор; 15 —
колонна
Недостатками всех таких дозаторов являются малая точность
регулировки и относительная сложность (рис. 4.9,6, в).
Во все эти дозаторы желательно подавать смолу после ее
отделения от транспортирующего раствора, хотя при их
использовании между колонной отмывки смолы и сорбционной колонной
такие дозаторы могут быть одновременно и отделителями смолы
от основного количества раствора (рис. 4.9, г). В этом случае
отмывку смол нужно проводить очищенной водой, а расход
подаваемой воды в промывную колонну 9 должен учитывать ее ^потерю
с вытекающим из дозатора сорбентом.
Кроме дозаторов полностью непрерывного действия, в
установках ионного обмена могут использоваться и дозаторы
импульсного типа, в которых достаточно часто передвигаются мелкие
порции смолы определенного (измеренного) объема [12, 24—26,
80, 85, 168, 169].
Из последних разработок следует отметить импульсные
дозаторы с механическим (а), пневматическим (б) и
электромагнитным (в, г) приводом (рис. 4.10).
В дозаторе с механическим приводом (рис. 4.10, а) [169]
внутри трубки с отверстиями, которая погружена в слой смолы,
колеблется поршень 3, на определенное время открывающий окна 4,
£*ерез которые сорбент вместе с жидкостью стекает,через
внутреннюю трубку в аппарат. При постоянном уровне жидкости и
незначительном колебании уровня сорбента в бункере расход сорбента
достаточно стабилен. Расход сорбента регулируется временем, в
течение которого окна 4 остаются открытыми, т. е. частотой и
амплитудой колебания поршня 3,
135

Такой дозатор имеет незначительную производительность и
может быть использован на опытных установках.
В дозаторе с пневматическим приводом [168] (рис. 4.10,6)
периодически производится перегрузка заданного объема
сорбента с помощью импульса сжатого воздуха. В исходном состоянии
корпус дозатора 1 погружен в емкость с залитым жидкостью
сорбентом 2. При открытом нижнем клапане 6 пульпа сорбент —
раствор с определенным соотношением жидкое — твердое
перетекает в корпус дозатора 1. Затем в этот корпус, используемый как
пульсационная камера, подается сжатый воздух, клапан 6
закрывается и сорбент вытесняется по напорному трубопроводу 8 в
соответствующий аппарат. Затем воздух из корпуса /
выпускается, и в него поступает новая порция смолы. Расходы смолы
регулируются частотой подачи транспортирующих импульсов.
Преимущество такой конструкции, представляющей собой
погружной пульсационный насос, состоит в возможности не только
дозировки, но и транспортировки сорбента на некоторое
расстояние. Такие дозаторы можно использовать на пилотных и
промышленных установках небольшой производительности.
Дозатор с электромагнитным или пневматическим приводом
[170] (рис. 4.10, в) представляет собой емкость / с коническим
днищем, заканчивающимся клапанным устройством 6. При
постоянном уровне жидкости в емкости и меняющемся в небольших
пределах уровне смолы при открытии клапана 6 обеспечивается
постоянный расход смолы через отверстие. Изменяя частоту и
время открытия клапана, регулируют производительность
дозатора.
Узел клапана является самой сложной частью всех дозаторов,
так как он должен плотно закрываться в слое твердого вещества
и не измельчать его.
Оптимальной конструкцией, которая получила промышленное
применение, является конструкция «конус на острую кромку»
[170].
Дозаторы такого типа могут быть использованы и для
отделения основного количества жидкости от сорбента аналогично
схеме на рис. 4.9, г. Однако для уменьшения разбавления
раствора более целесообразна их установка после грохотов с введением
циркуляции обработанного раствора между дозаторами и
верхней зоной колонны (рис. 4.10, г).
Транспортирующие и дозирующие устройства для установок
полунепрерывного действия. Во всех установках
полунепрерывного действия (см. далее) дозировка сорбента и измерение его
расхода производится объемным методом. По конструкции такие
дозаторы, разработанные еще в начале 50-х годов, имеют много
общих черт, и лишь немного отличаются друг от друга (рис. 4.11).
Их идея состоит в периодическом полном заполнении сосуда
определенного объема вытекающим из аппарата сорбентом. При
этом транспортирующая жидкость отделяется на специальном
дренаже 9. Затем дозатор отключается от аппарата, и в него по-
136
Рис. 4.11. Устройство для дозировки и транспортировки смолы установок
полунепрерывного действия:
а, б — типовая схема в момент выгрузки • смолы из аппарата (а) и ее перегрузка в
другой аппарат (б); в — модернизированный вариант; г, д — дозирующие бачки
установок Асахи с управляемым (г) и обратным (д) клапанами; е — колонна отмывки и
дозировки смолы установки Серво-Контимат; / — сорбер; 2 — дозирующая емкость; 3 —
сорбент; 4—7 — клапаны; 8 — датчик уровня смолы; 9 — дренажные сетки; 10 — клапан в
положении при заполненной смолой емкости; // — клапан при опорожненной емкости;
12 — обратный клапан; 13 — колонна отмывки; 14 — пульпопровод выгрузки смолы
дается под давлением транспортирующий раствор, который
вытесняет смолу в другой аппарат.
Так, типичное устройство (рис. 4.11, а, б) [26, 75, 85, 101, 139,
140, 152, 157], которое одновременно служит для дозировки
и транспортировки смолы между аппаратами, устанавливается под
аппаратом. После периода транспортировки смолы внутри
аппарата, когда в его нижней зоне собирается насыщенная смола,
открываются клапаны 4У 7 и насыщенная смола под давлением
воды в аппарате перетекает в емкость 2У полностью заполняя ее.
Затем клапаны 4, 7 закрываются, а 5 и 6 открываются, и в ем-
137

кость подается вода или раствор под давлением, который
вытесняет смолу в другой аппарат. Изменяя частоту выгрузки, можно
регулировать расход смолы в цепочке. Окончание выгрузки
определяется по уровнемеру смолы 8 в дозаторе или датчиком
электрической проводимости на пульпопроводе.
Более простое решение, предложенное в работе [170] (рис. 4.11,
в), заключается в использовании в качестве запорного клапана
шара с плотностью, промежуточной между плотностями смолы и
раствора. При заполнении дозатора шар-клапан оказывается на
поверхности слоя смолы <?, а при его опорожнении закрывает
выгружной патрубок 10.
Видно, что такие дозаторы сложны по схемам обвязки и в
автоматизации (на каждый требуются минимум четыре
автоматических клапана с соответствующими коммуникациями).
Значительно проще устройства (рис. 4.11, г, д),
предназначенные только для дозировки смолы и используемые в установках
типа Асахи [171]. Они располагаются над колоннами и имеют два
автоматических клапана (рис. 4.11, г) либо один автоматический,
а второй обратный клапан, установленный в самой колонне
(рис. 4.11,д). Заполнение дозатора смолой происходит либо под
давлением обрабатываемого раствора в колонне, либо вследствие
соответствующего расположения дозаторов и колонн в установке
по высоте (см. ниже).
Лишняя транспортирующая вода отделяется на сетке 9 и
сливается через перелив. Над сеткой всегда имеется запас воды,
который вытесняет смолу из дозатора при открытии сливного
клапана.
Недостатком описанных выше устройств является трудность
согласования их работы друг с другом и с ионообменными
аппаратами.
Во многих схемах дозирующими устройствами являются части
самих ионообменных аппаратов. Так, в некоторых отечественных
разработках (СНК, ПИК, ИПК и т. п.) [89, 92, 96, 97, 103]
нижняя зона аппарата, расположенная под распределителем
жидкости, является дозирующей камерой, из которой сорбент постепенно
откачивается эрлифтом во время рабочего периода аппарата.
В пульсационных колоннах с транспортной пульсацией со
сплошным и взвешенным слоем сорбента дозировка расхода
смолы производится параметрами пульсации и вся смола, попавшая
в нижнюю зону, удаляется из нее либо эрлифтом [5, 77, 134, 135],
либо под давлением обрабатываемой жидкости [5, 77, 104—107].
В последнем случае в нижней зоне устанавливается
ультразвуковой уровнемер, закрывающий клапан выгрузки смолы.
Близким решением является использование верхней части
колонны в качестве дозирующих емкостей, как это сделано в
установке Серво—Контимат [85, 87, 88].
На рис. 4.11, е показана колонна обратной промывки смолы,
служащая одновременно ее дозатором. После прекращения
отмывки открывается клапан 6 на пульпопроводе 14 и весь сорбент,
138
лежащий выше нижнего среза пульпопровода, выгружается под
давлением подаваемой сверху через клапан 5 воды из колонны.
4.3.3. СХЕМЫ УСТАНОВОК НИО И ИХ ОСОБЕННОСТИ
В данном разделе мы рассмотрим особенности установок,
составленных из аппаратов истинно непрерывного действия,
полунепрерывного и их различных сочетаний, предназначенных для
переработки урансодержащих пульп, концентрированных и
разбавленных растворов, а также для водоподготовки АЭС и
промышленных предприятий и для очистки сбросных вод.
УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Классической установкой непрерывного ионного обмена
является установка, которую использовали в течение нескольких
десятилетий в гидрометаллургии урана и других тяжелых металлов
в СССР (рис. 4.12). Она предназначалась для сорбционного
извлечения урана из пульп различной плотности, и поэтому ее сорб-
ционная часть состояла из цепочки установленных
последовательно пачуков. На операциях отмывки смолы от твердых частиц, ее
регенерации и отмывки от регенератов использовались колонны
КДС [4, 41-45, 71].
Исходная пульпа поступала в первый «пачук», и затем с
помощью циркуляционно-транспортирующих эрлифтов она
последовательно перекачивалась через всю цепочку аппаратов. Поскольку
«пачуки» являются аппаратами смешения, то даже при среднем
времени нахождения в них смолы, равном времени установления
равновесия в системе, они не могут обеспечить одной
теоретической ступени контакта, а реальный их КПД составляет 0,3—0,6.
Поэтому для получения необходимого извлечения урана при
высоком насыщении смолы нужно последовательно установить
большое число аппаратов (5—10). Регенерированный ионит подается
в последний по ходу пульпы аппарат и транспортирующими
эрлифтами перекачивается из пачука в пачук, навстречу движению
пульпы. Таким образом в каскаде аппаратов организуется
противоположное движение фаз.
Насыщенный ионит отделяется на грохоте (обычно троммель)
;и подается в колонну отмывки от илов 4 типа КДС |В ней сорбент
отмывается восходящим потоком воды. Полученный раствор,
содержащий твердые частицы и некоторое количество урана,
возвращается в голову процесса. Отмытый ионит перекачивается
эрлифтом через грохот в колонну регенерации. Поскольку
колонны КДС имеют низкую эффективность, то на регенерации
последовательно устанавливают две-пять колонн. При перекачке
сорбента между ними грохоты могут не устанавливаться.
Регенерированная смола через грохот подается в колонну
отмывки, где она отмывается водой от остатков регенерирующего
139

Пульпа
u,
Сорбент
I 1
1 /
s^^ji^ кр \!рц; кр
l1
П
Сорбент
Сорбент
Вогбап
Рис. 4.12. Установка непрерывного ионного обмена для извлечения урана из
пульпы:
/ —пачуки; 2 — регулятор расхода пульпы; 3 — сепараторы; 4 — колонны КДС отмывки
сорбента от пульпы; 5 — регенерационная колонна; 6 — колонна отмывки от регенера-
ционного раствора
раствора. Отмытый сорбент возвращается в цепочку пачуков на
сорбцию.
Полученный промывной раствор, содержащий значительное
количество кислоты, доукрепляется концентрированной кислотой
и подается в цепочку регенерационных колонн. Полученный в них
товарный регенерат направляется на дальнейшую переработку по
экстракционной или осадительной технологии.
Система управления такой установки имеет целью обеспечить
минимальную концентрацию урана в сбросной пульпе и
максимальную в товарном регенерате. В соответствии с этим )постояндо
контролируются: концентрации урана в исходной и сбросной
пульпе и регенерате, насыщение сорбента после сорбции и
регенерации. Расход смолы определяется по показателям узла
сорбции. Он регулируется производительностью перекачивающих
смолу эрлифтов. При этом необходимо следить за содержанием
смолы в каждом пачуке, поддерживая его на определенном
уровне.
В цепочке промывных и регенерационных колонн задача
Состоит в поддержании определенной высоты псевдоожиженного
слоя в каждой колонне регулировкой производительности
откачивающего эрлифта. При этом ее расход через каждый аппарат
оказывается одинаковым.
В соответствии с рассчитанным по балансу расходом смолы
выбирается и расход регенерата и промывных вод.
140
Установки такогб тййа йспользбйалй для извлечения урана й
других тяжелых металлов из плотных и легких пульп и мутных
растворов с различным содержанием ценного компонента в
основном при малых его концентрациях. Их производительность
достигала нескольких сотен кубических метров в час.
Внедрение этих установок взамен ионитовых фильтров с
предварительной механической фильтрацией пульпы позволило
вследствие отказа от фильтрации и совмещения процесса
выщелачивания и сорбции снизить энергозатраты в 2—3 раза, повысить
производительность труда в 3—4 раза, экономить большое
количество фильтровальной ткани и реагентов, резко повысить
производительность предприятий и степень извлечения урана, сократить
водопотребление, производственные площади, поднять культуру
труда [71—74].
В настоящее время такие установки модернизируются, в
основном их узлы регенерации сорбента, заменой колонн КДС на
более эффективные аппараты полунепрерывного действия со
сплошным слоем типов КНСПР, ПИК. В некоторых случаях
отмывка смолы от илов и регенерационных растворов проводится в
колоннах непрерывного действия типа ПСК. Эти мероприятия
позволяют сократить загрузку смолы в установку и повысить
концентрацию урана в регенератах, что удешевляет их дальнейшую
переработку [73, 74].
Установки НИО, использующие колонны со взвешенным
слоем ПСК на всех операциях, применяются для различных
технологических процессов — переработки пульп, концентрированных
растворов и сточных вод. По схеме такие установки близки друг
к другу и к описанной выше. Различаются они прежде всего тем,
что, поскольку используются противоточные высокоэффективные
аппараты, имеется возможность осуществлять каждую операцию
в одной колонне, и только для медленных процессов требуется
установка каскада колонн с большим временем контакта смолы.
В зависимости от типа процессов (сорбция из легких или [тяжелых
пульп, концентрированных или разбавленных растворов)
выбираются варианты колонн ПСК. Так же как и в предыдущей
схеме между аппаратами, работающими на разных операциях,
сорбент отделяется на грохотах и транспортирующий раствор
возвращается в низ соответствующей колонны. В колоннах, работающих
на одной операции, сорбент можно не отделять от
транспортирующего раствора.
Необходимый расход смолы устанавливается по анализам в
сорбционной колонне. В одной из колонн сосредоточен весь
избыток смолы установки и ее эрлифт оттарирован. При работе всех
остальных колонн в режиме свободного осаждения, когда их
эрлифты имеют избыточную производительность, расход смолы
через них одинаков и изменение производительности тарированного
эрлифта автоматически вызывает изменение расхода сорбента
через все колонны. Поэтому управление установкой сводится к
регулировке расходов растворов и одного эрлифта.
141

Кат ион urn КУ~'1
Лиль па
Рис. 4.13. Схема установок непрерывного действия на пульсационных колоннах
для очистки РЗЭ (а) и извлечения урана из плотных пульп (б). Колонны:
/ — отмывки сорбента от исходного раствора; 2, 3 — сорбционные; 4 — отмывки от ре-
генерационного раствора; 5 — регенерационная; 6 — троммели; 7 — емкости
промежуточные; 8, 9 — эрлифты для смолы; W — циркуляционный эрлифт для пульпы; // —
напорный бачок
142
fa блица 4.1. Основные характеристики промышленных установок на колоннах
ПСК [107, 169]
Процесс
Извлечение и очистка РЗЭ
Извлечение Мо из
сбросных вод:
сорбция
регенерация
Очистка «белой сажи»:
сорбция (ПСК-П)
регенерация и
промывки
Размеры
колонн, м
°к
0,9
1,3
2,4
3,4
1,8
1,3
0,9
Нк
5,0
10,0
10,0
11,0
8,0
5,0
5,0
Число
колонн,
шт.
5
5
14
2
1
1
4
Удельная

производительность,
м3/(м2-ч)
10—15
25—35
8—10
15—20
8—12
Расход
воздуха,
м3/ч
120
500
1000
Соотношение
потоков
1:2—1:5
1:20— 1:20С
1:3
1:2—1:3
При использовании колонн ПСК в режиме стесненного
осаждения они регулируются так же, как и колонны КДС.
Установки с различными видами ПСК успешно работают в
отечественной промышленности при извлечении и очистке РЗЭ,
молибдена, урана, «белой сажи» и др. [5, 77, 126].
Характеристики некоторых установок приведены в табл. 4.1.
Типичная схема установки с колоннами ПСК для сорбции из
растворов показана на рис. 4.13, а. Эта установка,
предназначенная, для очистки РЗЭ, содержит пять колонн, в которых
Проводятся операции сорбции РЗЭ катионитом КУ-2-8 в двух
последовательно установленных колоннах 2, <?, отмывки катионита /от
исходного раствора (колонна /), десорбции чистых РЗЭ раствором
HNO3 (колонна 5) и отмывка катионита от регенерационного
раствора (колонна 4). Промывные растворы, полученные при
отмывке катионита от исходного и регенерационного растворов,
смешиваются с этими же растворами, что предотвращает потерю
продукта. Расход смолы в цепочке колонн регулируется
производительностью эрлифта 8 колонны /, в которой находится запас
смолы.
Если сравнить две установки близкой производительности,
собранные на колоннах ПСК и КДС [126], то видно, что по всем
основным характеристикам колонны ПСК имеют значительное
преимущество.
Схема установки для сорбции урана из пульпы высокой
вязкости и плотности (р—1800 кг/м3) показана на рис. 4.13,6. Она
отличается от предыдущей устройством для подачи смолы в
нижнюю зону колонны (напорный бачок 11 и циркуляционный
эрлифт 10) и перекачки ее из верхней зоны в грохот регенерацион-
ной колонны (специальный эрлифт 9) [5, 177].
г ИЗ

Схемы установок с ПСК для Других целей малб отличаются
от описанных Г51, 77, 126, 127].
В настоящее время многие установки состоят из аппаратов
непрерывного и полунепрерывного действия. Так, сорбция из
пульп ведется в пачуках или ПСК, а регенерация и отмывка смол
в колоннах ПИК, КНСПР.
В этом случае расход смолы устанавливается эрлифтами па-
чуков ипи дозатором смолы (для ПСК), а производительность
регенерационных и промывочных колонн регулируется так, чтобы
поддерживать определенный уровень смолы в их бункерах.
В установках, которые включают в себя аппараты только
полунепрерывного действия, может производиться одновременное
передвижение определенного (одинакового) объема смолы через
все аппараты, либо его последовательное передвижение от
аппарата к аппарату, либо перегрузка смолы от одного аппарата в
другой относительно небольшими порциями, почти непрерывно.
Выбор способа транспортировки зависит от конструктивных
особенностей выбранных аппаратов.
Так, если при переработке малоконцентрированных растворов
в цепочке установлены на сорбции колонны СНК, а на
регенерации ПИК, КНСПР и т. п., то в первых время между
передвижениями смолы составляет несколько часов, а во вторых —
несколько минут. Поэтому для их согласования необходимы
промежуточные бункера большого объема, в качестве одного из них может
использоваться нижняя зона колонны СНК, из которой
постепенно откачивается насыщенный сорбент, а сверху этой колонны
устанавливается сборник регенерированной смолы.
Если же при переработке концентрированных растворов в
цепочке работают только колонны с «частым» передвижением
смолы (ПИК, КНСПР, ИПК и т. п.), то их регулировка не
отличается от регулировки на установках полностью непрерывного
действия.
В некоторых установках с колоннами полунепрерывного
действия и псевдоожиженным слоем ионитов используется принцип
передвижения сорбента большими равными порциями.
Например, в установках Портера и Кер — Мак [1, 139—143],
которые представляют собой каскад аппаратов с ПОС, через
который последовательно проходит раствор, периодически
производится передвижение из аппарата в аппарат навстречу потоку
раствора всей находившейся в них смолы. Такие установки
используются для извлечения урана из неосветленных растворов.
• Установка Портера на заводе «Россинг юраниум» (Южная
Африка) имеет производительность 3600 м3/ч при содержании
урана до 0,15 г/л, взвесей до 0,5 г/л и состоит из четырех
параллельных ниток аппаратов Портера (см. гл. 3) по 960 м3/ч. В
каждой нитке последовательно установлено по шесть аппаратов
диаметром 6,2 м и высотой 3,8 м (табл. 4.2).
Регенерация насыщенной смолы из головной сорбционной
колонны производится в аппарате со сплошным слоем типа фильтра
144
Таблица 4.2. Сравнение основных характеристик некоторых установок
для извлечения урана из мутных растворов
Характеристика
Завод
Производительность
установки, м8/ч
Сорбер:
число, шт.
число тарелок, шт.
» ступеней, шт.
размеры, м
Удельная нагрузка, м3/(м8-ч)
Удельная производительность,
м3/(м2-ч)
Смола
Объем смолы, м3
Расход смолы
Время пребывания, ч:
на сорбции
на регенерации
Регенератор:
число, шт.
» тарелок, шт.
размеры, м
Удельная производительность,
м3/(м2-ч)
Удельная нагрузка на смолу,
м3/(м3*ч)
Концентрация урана:
исходная, мг/л
сбросная, мг/л
в насыщенной смоле, г/л
в регенерированной смоле,
г/л
в регенерате
Коэффициент
концентрирования
Портер
Россинг
3600
4 нитки
(24 шт.)
6
DK=6,2;
Як=38
1,05
24
Dowx FS
439116
750
22 м3
через 2,8 ч
19
7,3
3
£>к=3;
Як=4
7,3
4,8
150
3
20—30
1,4
3,2
21
Кер-Мак
Кер-Мак Ги
500
4 нитки
(8 шт.)
2
DK=2,43
3,4
28
—
35
8 м3
через 8 сут
48
Ук=8,3 м3
—
14,3
6—8
0,2
28
0,8
100
Химсли
Ваал-Риф
1050
5
6
#=20
0,83
16,7
Л-101
72,6
6 м3
через 6 ч
31
15
5
6
DK=1,5;
#к--=28
4,5
14,5
100
1
1 20
1,0
4,0
4Э
Нимсикс
Хемвес
542
2
12
DK=4,85
0,92
14,7
Л-101
320
6,3 м3
через 2,3 ч
40
15
2
8
DK=3;
#к=15
7,9
1,7
160
2,5
20—35
0,5
3,6-4,7
22—29
Ю Зак. 1735
145

Рис. 4.14. Схема установки Химсли:
7 — сорбционная колонна; 2 — дозирующая емкость; 3 — регенерационно-промывочная
колонна; 4 — тарелка с превдоожиженным слоем сорбента; 5 — сплошной слои; б—э —
вентили; 10 — насосы
диаметром 3 и высотой 4 м при использовании фракционирования
регенерата.
Установка Кер — Мак похожа по схеме на предыдущую,
отличаясь тем, что в ней используются только два аппарата,
установленные каскадом. Она предназначена для извлечения урана из
шахтных вод при его содержании не выше 10 мг/л. Так, на
заводе Нуклеар Корпорейшен (США) работает установка из четырех
параллельных ниток аппаратов диаметром 2,4 м
производительностью по 130 м3/ч. Поскольку содержание урана в исходном
растворе мало, а емкость смолы при этом относительно велика
(до 28 г/л), то передвижение смолы производится 1 раз в неделю.
При регенерации в сплошном слое получается регенерат с
содержанием урана до 0,8 г/л.
Установки такого типа наиболее просты, имеют малые
энергозатраты, и их можно располагать в низких помещениях.
Однако они занимают большие производственные площади,
требуют большого объема сорбента, выдают товарный регенерат
редко и очень большими порциями, а их технологическая
эффективность (глубина извлечения урана, насыщение сорбента, объем
регенератов) оказалась невысокой. Для ее повышения процессы
сорбции и регенерации нужно проводить при большем числе
ступеней контакта, что достигается при одновременном сокращении
производственных площадей и загрузки смолы в аппаратах
колонного типа.
146
При этом ё ряде колонн используется тот же принцип
передвижения всего объема смолы из секции в секцию.
Так, в установке Химсли (рис. 4. 14) [1, 85, 139, 140, 157]
передвижение смолы между колоннами осуществляется
поочередно относительно большими порциями (при пяти—девяти тарелках
переносится содержимое одной тарелки). В этой установке на
сорбции из мутных растворов используется колонна со
взвешенным слоем сорбента и движением раствора снизу вверх, а
регенерация и отмывка проводится в колонне со сплошным слоем и
движением смолы вверх, а раствора вниз.
Способ передвижения смолы внутри аппарата и в
дозирующую емкость 2 был подробно описан выше. Следует только
отметить, что объем дозирующей емкости больше, чем объем смолы
в одной секции колонны. Поэтому вся смола, собравшаяся в
нижней зоне, полностью перегружается в емкость. Однако для
поддержания в нижней секции колонны некоторого запаса смолы
из дозатора около 20 % смолы по пульпопроводу
возвращается в нижнюю зону. В этой емкости можно осушить смолу, слив
исходный раствор через вентиль 7, или провести отмывку смолы
от твердых взвесей, подав снизу воду через вентиль 6. Затем
вода из дозатора сливается через вентиль 7, и в нее насосом 10
Таблица 4.3. Основные характеристики установок Химсли
для извлечения урана из мутных растворов
Показатель
Суммарная производительность установки,
м3/ч
Сорбционные колонны:
число, шт.
диаметр, м
высота, м
число секций, шт.
объем смолы в секции, м3
производительность колонны, м3/ч
нагрузка, м3/(м2-ч)
время пребывания смолы, ч
Десорбционные колонны:
число, шт.
диаметр, м
высота, м
Содержание урана:
в исходном растворе, г/л
в насыщенной смоле, мг/г
в регенерированной смоле, мг/г
в регенерате, г/л
Агню-Лейк
162
2
2
7,3
9
1
54
17—20,5
13,3
3
1,4
6,25
0,165
13
0,1
5
Завод
Южный
1050
5
4
19,9
6
6
210
16,7
30
5
1,5
20,5
0,08—0,12
21
0,5
5
Аиамакс
1590
6
3,7
16
5
5,7
245
24,6
40
3
1,8
15,4
0,007—0,03
6
0,4
1,2
10* 147

Таблица 4.4. Сравнение характеристик установок для извлечения урана
из мутных растворов с содержанием 0,1 г/л U308 и 1—2,5 г/л твердого
при производительности 1050 м3/ч и сбросной концентрации 1 мг/лЦ
Тип установки
Колонны с ПОС
Химсли
Капитальные ^ Объем
затраты оборудования,
| м»
1
0,77
2700
1530
Концентрация
регенерата,
г/л
13
34
Площадь
помещений,
м2
2800
1000
подается регенерат, который вытесняет смолу из дозатора в низ
регенерационной колонны 3, в результате чего в ней весь слой
сорбента поршнем поднимается вверх и эквивалентный объем
регенерированной смолы перегружается из верхней части
регенерационной колонны на верхнюю тарелку сорбера. После
окончания передвижения смолы дозатор освобождается от
регенерата через вентиль 9.
В регенерационной колонне сверху подается вода, которой
смола отмывается от регенерационного раствора, а затем в ее
поток вводится концентрированная кислота. В нижней части
колонны происходит регенерация смолы образовавшимся регене-
рационным раствором.
Установки Химсли используются в промышленности для
извлечения урана из мутных растворов (табл. 4.2, 4.3).
Производительность установок достигает 1590 м3/ч при переработке
малоконцентрированных растворов. Исследовалась их работа
при концентрации урана от 0,01 до 1,0 г/л при содержании
твердого до 10 г/л. По своим характеристикам колонны Химсли
значительно превосходят колонны с ПОС (табл. 4.4).
Эти установки тщательно отработаны, но имеют очень
сложную систему передвижения смолы внутри аппарата и между
колоннами, снабженную очень большим числом вентилей, что
снижает их надежность и усложняет и удорожает эксплуатацию.
В установках Нимсикс [1, 85, 139, 140, 150—152], состоящих
из двух колонн одинакового типа (рис. 4. 15, а, табл. 4.2),
сначала производится передвижение смолы внутри колонны и в
бачок для транспортировки сорбента 3, являющийся как бы
неотъемлемой частью этой колонны (см. гл. 3). Затем из такого же
бачка регенерационной колонны в сорбционную загружается
новая порция смолы. После этого производится перегрузка
насыщенной смолы из бачка 3 в верхнюю зону регенерационной
колонны. Причем для уменьшения смешения растворов
транспортировка смолы производится раствором из той колонны, куда она
перемещается.
Установки Нимсикс используются в крупном промышленном
масштабе для извлечения урана и цинка из мутных растворов и
легких пульп с содержанием твердого до 1 г/л.
Производительность самой крупной установки 542 м3/ч. По схеме эта установка
148
Слиё
Исходный,
растдор
Регенерат
Ц у.
Рис. 4.15. Схема установки Нимсикс:
а — традиционный вариант; б — модификация; 1 — сорбционная колонна; 2 — регенера-
ционная колонна; 3 — бачки для транспортировки сорбента; 4 — насосы для перегрузки
сорбента из колонны в бачки; 5 — насосы для транспортировки сорбента; 6 — емкость
для регенерации отмывки сорбента
значительно проще установки Химсли за счет организации
одновременного перемещения смолы через все тарелки и имеет при
этом приблизительно те же показатели по глубине извлечения и
концентрации регенератов (см. табл. 4.2).
В США эту установку значительно упростили, организовав
регенерацию и отмывку смолы в одном аппарате со сплошным
слоем, который одновременно служит и бункером-дозатором для
смолы [152]. Ее преимуществами являются меньшие габариты и
загрузка смолы, упрощение технологической схемы, возможность
обойтись без виброгрохотов между сорбционной и десорбционной
колоннами, поскольку опасность перекрестного загрязнения
сбросного раствора и разбавления регенерата исключается благодаря
вытеснению растворов из сплошного слоя до и после десорбции
[1, 152]. Недостатком схемы является то, что необходимо
полностью отрегенерировать весь сорбент в десорбнионном
аппарате, а это требует больших объемов и расходов регенерационного
раствора. Для сокращения этих расходов и повышения
концентрации товарного регенерата необходимо использовать его
фракционирование, т. е. проводить регенерацию так, как это делается
в аппаратах периодического действия (см, выше).
149

Поэтому такую установку целесообразно использовать, когда
требуется редка^ регенерация смолы, т. е. при переработке ^
локонцентрированных растворов. Действующая в США установка
пРГзводителРьностью 270 шУч работает в процессе извлечения
?рана из вод подземного выщелачивания при его содержании ме-
"^ШлГсообразно также использовать один регенерационный
аппарат дляР обслуживания нескольких сорбционных колонн
В этом случае экономия капитальных затрат по сравнению с
обычным вариантом составляет до 60 % [152]. Однако это
возможно только при очень малом содержании урана.
Ттабл 4 2 дается сравнение установок полунепрерывного
действия для извлечения урана из мутных растворов. Видно что
по своим технологическим характеристикам они близки, что
вполне естественно, поскольку сорбцию и Регенерацию пров*дят при
приблизительно одинаковом времени и числе стУ"епнпетирпкя°"т^-
Большая удельная производительность колонн Портера
объясняется использованием более тяжелой смолы. Различие в загруз
ке смол и объеме аппаратов трудно оценить, поскольку
технологии процессов существенно различаются, а эти характеристики
у одХо и того же типа аппарата очень различаются для разных
процессов.
УСТАНОВКИ ДЛЯ ВОДОПОДГОТОВКИ И ВОДООЧИСТКИ
Установки с аппаратами истинно непрерывного действия в
промышленности для Рводоподготовки и водоочистки используют-
сяР очё^мало (установка Флюикон с тарельчатой колонной),
поскольку при малых концентрациях растворов их
целесообразнее обрабатывать в аппаратах полунепрерывного действия со
сплошным или взвешенным слоем ионитов (см. гл. 6).
К™ сказано выше, в водоочистке и водоподготовке
различают два типа технологических процессов: катионирование (Na*
£1 Na+-H+) т е. обработка раствора катеонитом в Na+- или
Н+'-форме, и обессоливание, т. е. последовавшая его о^шстка
на катеоните в Н+-форме и анионите в ОН -форме или на их
'^установках периодического действия для этих целей
используются одиночные фильтры, загруженные соответствующим сор
бен?о£ В установках непрерывного действия очищенный раствор
проходит только через сорбционные колонны ионообменных
цепочек которых может быт/несколько в зависимости от принятой
'^Уст^овкГс раздельными слоями ионитов. В наиболее рас-
простРане°нных в'мире водоподготовительных установок непре-
ПрГвноРго действия, созданных фирмой «А™™*«™£°™ Ка-
Гики^.МЯповия l^^&^Jk^
ного действия со сплошным и взвешенным слоем ионитов. При
150
Фильтрат
<
Исходный
раствор
Вода
~*Щ^УС
Исходный раствор
*)
конденсат
Рис. 4.16. Схемы установок Асахи:
а-типовая схема- б-упрощенная схема: / - сорСционная колонна; 2 - регенерационно-
ппТмывная колонна- 3 - отмывочная колонна; 4-6, 17 - дозатор смолы; 7 - обратный
клапан8- сплошной слой сорбента; 9 - псевдоожиженный слой; 10-1о - управляемый
кл1пан:, 16 -колена вытеснения; 18 - емкость исходного и сбора оборотных
растворов
151

этом смола из сорбционной колонны в регенерационную
передвигается относительно небольшими порциями (меньшими, чем
объем смолы, передвинутый в сорбционной колонне), такими же
порциями смола передвигается из регенерационной колонны в
колонну отмывки, а из последней она непрерывно движется в
бачок сорбционной колонны большого объема до его заполнения.
Установки Асахи выпускаются по лицензиям в США (фирма
«Гравер»), Франции (фирма «Дегремон») и др. В мире работает
около 200 установок этого типа, поэтому имеется большое число
их вариантов с учетом усовершенствований, сделанных каждой
фирмой.
В своем традиционном виде установка Асахи состоит из трех
колонн (рис. 4.16, а): сорбционной, регенерационно-промывной и
колонны отмывки от механических загрязнений и измельченной
смолы, эта же колонна является буферной емкостью для хранения
запаса смолы. Сорбционная и регенерационно-промывная
колонны работают со сплошным слоем сорбента с периодическим его
перемещением (см. выше).
Колонна для удаления твердых частиц работает с псевдоожи-
женным слоем сорбента.
Здесь необходимо отметить, что одним из важных элементов,
обеспечивших успех системы Асахи, является введение в схему
установки колонны с ПОС, в которой осуществляется вывод из
цепочки неизбежно образующихся в ней измельченных ионитов и
накапливающихся на частицах смолы механических загрязнений.
В других системах, использовавших только аппараты со
сплошным слоем, накопление ионитовой мелочи приводило со
временем к забиванию всех дренажных устройств и выходу аппаратов
из строя. Уместно заметить, что широкое использование
контактора Хиггинса (см. ниже) также стало возможным только после
введения в его конструкцию секции для удаления мелочи.
Работает установка Асахи следующим образом. В
сорбционной колонне происходит очистка раствора, пропускаемого снизу
вверх через сплошной слой ионита. При этом отработанный
(насыщенный) сорбент, перегруженный в нижнюю зону колонны
при предыдущей остановке подачи раствора, вытесняется
давлением воды в дозатор 5 регенерационной колонны 2. Его объем
меньше, чем объем нижней зоны колонны. После загрузки
дозатора клапан // закрывается и в регенерационной колонне
происходит передвижение смолы при прекращении подачи
растворов через клапаны 12—14 и сливе воды через клапаны 15. Затем
раствор подается вновь, и в нижней части колонны смола
отмывается от регенерационного раствора. Образовавшийся при этом
промывной раствор доукрепляется концентрированным
реагентом (кислотой, щелочью); полученным регенерационным
раствором в верхней части колонны производится регенерация
сорбента. Готовый регенерат сливается сверху. Одновременно бачок 5
заполняется новой порцией насыщенной смолы, а
регенерированная смола перекачивается в бачок 6, Затем цикл работы регене*
152
рационной колонны повторяется. Он значительно чаще, чем у
сорбционной.
В колонну отмывки смолы от механических загрязнений и
измельченного ионита смола загружается из бачка 6 через
управляемый клапан 10. Нижняя часть колонны является буферной
емкостью для хранения запаса смолы. Из нее отмытая смола
передвигается в бачок 4 сорбционной колонны вследствие
перепада высот установки колонн 3 и 1.
Подвод воды к линиям транспортировки сорбента сделан для
их промывки при засорении и для тех случаев, когда для
нормального его передвижения необходимо несколько разжижить
пульпу. Подвод воды под нижний дренаж колонн необходим для
их периодической очистки от загрязнений.
Компоновка таких установок может быть различной. Чтобы
уменьшить число дозировочных бачков и управляемых вентилей,
часто колонну отмывки от взвесей 3 располагают
непосредственно над сорбционной колонной (рис. 4. 16, б).
В установках Асахи впервые был практически реализован
принцип вытеснения одного раствора другим для
предотвращения разбавления одного из них [172, 173]. На рис. 4.16,6
показана схема установки для умягчения сахарного сиропа, потери и
разбавления которого недопустимы, включающая в свой состав
колонну вытеснения 16.
Насыщенная по катионам жесткости смола, несущая на себе
значительное количество сахарного сиропа, подается через
бачок-дозатор 17 в колонну вытеснения, в которую снизу вводится
обессоленная вода. Количество воды выбирается таким, чтобы
сверху колонны сливался чистый сироп с минимальным
разбавлением, а выводимый на регенерацию сорбент не содержал
сахара. Выделенный сироп возвращается в бачок с исходным
продуктом и подвергается дальнейшей переработке. По данным работы
[173], потери сахара не превышают 1 %, а разбавление
составляет менее 2 %.
Установку Асахи используют для очистки вод различного
солевого состава, для чего они комплектуются из нескольких
цепочек со слабокислотным и сильнокислотным катионитами и
сильноосновным анионитом. Их единичная производительность
достигает 240 м3/ч при получении воды с электрической
проводимостью до 10 мкСм/см. По сравнению с установками на
фильтрах установки Асахи обеспечивают значительную экономию, что
видно на примере установок для подготовки 225 м3/ч
питательной воды с электропроводностью менее 10 мкСм/см и содержанием
Si02 менее 0,1 мг/л из речной воды с солесодержанием
4,4 мг-экв/л (табл. 4.5).
Во многих установках полунепрерывного действия
передвижение смолы производится одинаковыми порциями. Так, в
установках Серво-Контимат (ФРГ) (рис. 4. 17) [85, 87, 88],
предназначенных прежде всего для очистки сбросных вод, но
используемых в настоящее время для зодоподготовки одной из АЭС,
153

Таблица 4.5. Сравнение основных характеристик установок для подготовки
225 м3/ч питательной воды
Показатель
Число и размеры колонн, м:
сорбционные
регенерационные
промывные
Стоимость, долл.:
основного оборудования
монтажа
Всего:
Эксплуатационные расходы
за год, долл.:
кислота
щелочь
Замена катионита
Замена анионита
Всего:
Установка Асахи
2 шт. DK=l ,65 м;
Як=1,65 м
2 шт. DK=1,65 м;
Як=1,8 м
2 шт. £>к=0,5 м;
Як=6,6 м
2 шт. DK=0,45 м;
Як=13 м
2 шт. DK=0,75 м;
Як=4,9 м
DK=0,9 м;
Як=4,8 м
260 000
140 000
400 000
34 200 '
39 900
(только износ 6%)
800
(только износ 8%)
3200
78 100
У
DK,
DK:
становка на фильтрах
3 катионитовых
=3,3 м; #к=3,9 м;
3 анионитовых
=2,6 м; Як=4,35 м
310 000
170 000
480 000
38 700
45 000
(истирание 5% + замена
1 раз в 10 лет)
46 000
(истирание 6% + замена
1 раз в о лет)
20 700
109 000
весь объем насыщенной смолы из сорбционной колонны /
передвигается сначала в колонну обратной отмывки 2, а из нее в
колонну регенерации — отмывки 3, откуда опять возвращается на
сорбцию без использования промежуточных бачков. Сорбционная
колонна 1 близка по конструкции и аппарату Асахи. Колонна
отмывки смолы от взвесей и мелочи 2 одновременно является
дозатором. Оригинально выполнен аппарат для регенерации и
промывки смол 3. Он представляет собой U-образную колонну, в
одном из колен которой проводится отмывка смолы, а в другом —
регенерация. Нижняя средняя часть U-образника снабжена
дренажным устройством, секции которого соединены через
циркуляционный насос 4, с большой производительностью, что позволяет
равномерно распределить раствор по всему сечению колонны.
Использование в качестве регенератора U-образной колонны
позволило вдвое сократить ее высоту и избежать перемещения смолы при
остановках аппарата.
Для того, чтобы избежать использование дозирующих и
транспортирующих устройств, т. е. для упрощения конструкции
154
Рис. 4.17. Схема установки Серво-Контимат:
/ — сорбционная; 2 — отмывочная; 3— регенерационно-промывная колонна; 4 —
циркуляционный насос; 5WZ — управляемые клапаны
установки и ее обслуживания, все колонны установки
одновременно исполняют и эти функции.
Во время рабочего периода в сорбционной колонне
происходит очистка раствора, пропускаемого снизу вверх.
В промывочной колонне идет отмывка порции смолы от
мелочи и твердых загрязнений, подаваемой снизу водой. В то же время
в колонне регенерации сверху ее правого колена подается вода,
в нижнюю часть U-образника вводится концентрированный
реагент, а готовый регенерат сливается сверху левого колена
аппарата.
После насыщения смолы в сорбере подачу исходного раствора,
промывной воды и реагента прекращают (вентили закрывают).
Открывают вентили 13, 16 и, подавая в правое колено
регенератора воду, перемещают порцию регенерированной смолы в сор-
бер 1. Транспортирующая вода сливается через дренаж и
клапан 6. Затем работа сорбера возобновляется, и из него
давлением обрабатываемого раствора в отмывочную колонну 2
вытесняется насыщенный сорбент. Транспортирующая вода при этом
выводится выше дренажа через клапан 9. После этого клапан И
на пульпопроводе между колоннами 1 и 2 закрывается, а 14
между 2 и 3 открывается. Транспортирующая вода вводится над
дренажем через клапан 8 и вытесняет порцию ранее отмытой
смолы в колонну регенерации, где транспортирующая вода
выводится сверху правого колена через вентиль 17. Затем подача
растворов возобновляется,
155

Таблица 4.6. Сравнение показателей установок для очистки 30 м8/ч раствора
Показатель
Объем помещения, м8
Загрузка смолы, м3:
катионит
анионит
Вес оборудования, т
Годовой расход:
катионит:
%
л/год
анионит:
%
л/год
Объем отходов
Стоимость реагентов
Расход энергии, кВг-ч/м3
Установки
противоточные
на фильтрах
160
1,6
2,0
49
3
48
5
100
1
1
1
0,44
Установка
Серво- Контимат
70
0,8
0,8
35
6
48
9
72
0,6
0,79
0,92
0,58
Видно, что установки Серво-Контимат существенно проще,
чем Асахи, они имеют хорошие технико-экономические
показатели (табл. 4.6), но распространены значительно меньше,
вероятно, из-за позднего появления на рынке, когда основные
поставщики аппаратуры уже ориентировались на Асахи.
Серво-Контимат рекомендуется для использования в установках очистки
жидких отходов, например, гальваноцехов, т. е. там, где жестко
ограничена высота помещения и другие типы установок НИО не
пригодны.
Возможности легкой переналадки установки НИО для
очистки воды с изменяющимся солесодержанием были
проиллюстрированы на примере очистки воды с электрической проводимостью
120 и 600 мкСм/см [87]. Увеличив частоту передвижения смолы
с 180 до 20 мин и расход реагентов, удается обеспечить лишь
незначительное увеличение электрической проводимости
очищенной воды. При этом расход воды на собственные нужды
остается на уровне 2,5 объема катионита и 4,5 на объем анионита,, а
объем отходов увеличивается пропорционально увеличению
содержаний солей.
Благодаря таким возможностям в последнее время сфера
применения установок Серво-Контимат расширилась, и они нашли
применение для водоподготовки одной из АЭС. Артезианская
вода с электрической проводимостью до 1000 мкСм/см
обессоливается на двух нитках из двух колонн с катионитом и аниони-
том и с декарбонизатором, установленным между ними,
имеющими производительность по 40 м3/ч, и доочищается на обычном
ФСД до электрической проводимости 0,05—0,06 мкСм/см [87].
156
Рис 4.18. Схема установки
полунепрерывного действия
ВНИИАМ: н
/ — сорбционная колонна; 2 —
промывная колонна; 3 — ре- Вода
генерационная колонна; 4 — г"
дозирующие насосы; 5—7 —
управляемые клапаны; 8, 9 —
вентили; 10 — запорное
устройство для смолы; И —
обратные клапаны; 12 — емкость
/^\0бессоленная вода.
Фильтрат
Для подготовки подпиточной воды на ТЭС разработана
оригинальная отечественная установка [174]. Ее основным отличием
от описанных выше является полное отсутствие клапанов на
линии передачи сорбента (рис. 4.18). Установка состоит из сорб-
ционной 1 и расположенной над ней регенерационно-промывной
колонны 3, а также колонны отмывки 2, выполняющей роль доза-^
тора. Установка снабжена большим числом обратных клапанов
на линиях растворов и лишь несколькими автоматическими.
Работает установка циклически, аналогично всем
описанным выше. Во время рабочего периода в колонны подаются все
растворы. Выдавливание сорбента вверх из сорбционной
колонны предотвращается массой большого слоя сорбента в регенера-
ционной колонне и запорным устройством 10 типа труба в трубе,
создающим дополнительное сопротивление для движения
сорбента. Затем подача раствора прекращается, и слой смолы
передвигается вниз. Этому способствует подача обессоленной воды через
обратные клапаны 11 и вывод транспортирующей воды снизу
сорбционной колонны через обратный клапан 6.
После передвижения сорбента из регенерационной колонны в
сорбционную подача растворов возобновляется и насыщенный
сорбент вытесняется в колонну-дозатор 2. При необходимости в
ней можно отмыть смолу от взвесей регулированием расхода
очищенной воды через колонну вентилем 8. Затем в колонну-дозатор
подается через клапан 7 исходный раствор, который вытесняет
насыщенный сорбент в верх регенерационной колонны.
Такая система исследовалась на установках
производительностью 0,5—3 м3/ч, а с 1983 г. отрабатывается в промышленных
условиях на ТЭС № 20 Мосэнерго [40]. Ее достоинством можно
считать относительную простоту. К недостаткам относится
разбавление регенерата транспортирующим раствором и
несовершенство распределительно-дренажных устройств.
157

Рис. 4.19. Схема установки с пульсационными колоннами непрерывного и
полунепрерывного действия:
/, 4 — сорбционные колонны; 2 — регенерационная колонна; 3 — промывная колонна;
5 — грохоты; 6 — клапаны системы пульсации; 7 — псевдоожиженный слой сорбента;
« — тарелка с проходным сечением /7С = 5 —15%; 9 — пульскамера; 10 — эрлифт; 11 —
частицы сорбента; 12— тарелка с /7с=40ч-60%; 13 — емкость с реагентом; 14 —
циркуляционный насос
Установка компактна (при производительности 120—150 м3/ч
диаметр сорбционной колонны 1,4 м, регенерационной 1,2 м,
общая высота 12 м) и имеет относительно простую схему КИП. Это
позволяет надеяться, что при тщательной отработке она может
быть принята за основу при создании установок водоподготовки
АЭС и ТЭС, где объем отходов пока жестко не лимитирован.
Для очистки жидких отходов гидрометаллургических и
радиохимических производств и машиностроительных заводов
разработаны установки с колоннами полунепрерывного действия с
транспортной пульсацией ПСК-Т, ПСК-Н на операциях очистки
и колоннами непрерывного действия типа ПСК на промывке и
регенерации сорбента (рис. 4.19).
В этих установках, испытанных в полупромышленном
масштабе при очистке жидких радиоактивных отходов и для
извлечения ценных компонентов из сбросных и оборотных вод [47, 51,
77, 107, 109, 131—135] и проектируемых для некоторых
предприятий, необходимый расход смолы создается параметрами
пульсации в сорбционных колоннах, а регенерационная и промывная
колонны ПСК работают в режиме свободного осаждения, и в
них расход смолы не регулируется. По частоте пульсации
определяются расход смолы через установку и устанавливают соот-
158
Таблица 4.7. Сравнение^экономических показателей очистных"установок
на колоннах ПСК и фильтрах производительностью 120 м3/ч. Показатели фильтра
приняты за единицу
Аппарат
Фильтр
ПСК
Объем
аппарата
1
0,5
Объем
здания
1
0,7
Загрузка
сорбента
1
0,1

Капитальные
затраты
1
0,4

Эксплуатационные
расходы
1
0,7
Себестоимость
очистки
1 м3/ч
раствора
1
0,66
ветствующие расходы промывной воды и кислоты. Сорбционные
колонны 1 и 4У а. также промывные и регенерационные 3 и 2
колонны устанавливаются с перепадом по высоте, что обеспечивает
самотечное движение растворов и исключает их перекачку.
По сравнению с установками на фильтрах такие установки
дают большой экономический эффект как по капитальным, так
и по эксплуатационным расходам (табл. 4.7).
Особенно заметно их преимущество в тех случаях, когда
регенераты подвергаются дальнейшей переработке (упариванию,
цементированию и т. п.), поскольку их объем значительно (в
1,5—3 раза) меньше, а стоимость их переработки составляет
60—70 % всех затрат.
Установки со смешанным слоем ионитов. Выше
подчеркивалось, что использование смеси катионита и анионита для
очистки воды является очень перспективным и привлекательным
процессом. Начиная с 50-х годов были сделаны попытки применить
сначала сорбционные фильтры со смешанным слоем для
водоподготовки и очистки сбросных вод, в том числе радиоактивных [62],
а затем разработаны и специальные установки НИО. Однако
сложность проблемы разделения ионитов в ФСД исключила
возможность их использования для очистки достаточно солевых
вод, а для НИО требовались особые аппараты для разделения
смол. Множество таких аппаратов и смол с высокой
механической и осмотической прочностью было разработано. Однако
первой и в настоящее время единственной промышленно-освоенной
конструкцией установок НИО со смешанным слоем является
установка Асахи. Она позволяет, пропуская воду через один сорб-
ционный аппарат, получать высокоомную воду, пригодную для
подпитки котлов ТЭС ВД и СКД.
Схема установки Асахи со смешанным слоем ионитов [13,
26, 36, 82, 173, 175—177] представлена на рис. 4.20. Она состоит
из сорбера 1, снабженного буферной емкостью 7 со смешанными
ионитами и дозаторами для анионита 5 и катионита 6, колонны
разделения смеси смол 2 и регенерационно-промывных колонн
5, 4 для анионита и катионита.
В сорбционной колонне раствор очищается, проходя со
скоростью 70—150 м/ч через плотный слой равномерной смеси реге-
v 159

Анионит
Рис. 4.20. Управляющая схема установки Асахи со смешанным слоем ионитов:
/ — сорбционная колонну; 2 — колонна разделения; 3, 4 — колонны регенерации и
отмывки катионита и анионита; 5, 5 —дозаторы анионита и катионита; 7 —
бункер-смеситель; 8—датчик уровня анионита; 9 — клапан
нерированных катионита и анионита. Периодически слой внутри
аппарата передвигается, и насыщенная смесь выводится в
среднюю часть колонны разделения. Подача смолы в колонну 2
растянута во времени во избежание нарушения режима ее работы.
В верхней части колонны установлен ультразвуковой датчик
уровня анионита 5, закрывающий клапан 9 и препятствующий
переполнению колонны и уносу анионита.
Смолы разделяются гидродинамическим методом
вследствие разности их плотностей и характеристических скоростей.
Для улучшения условий разделения колонна выполняется из
секций увеличивающегося снизу вверх диаметра. В нижней зоне
создается такая скорость раствора, что в ней может
присутствовать только чистый катионит. В верхней, широкой, зоне
скорость значительно (в 3—4 раза) меньше, и частицы катионита
опускаются на дно этой зоны и затем в нижнюю зону, поэтому
в верхней зоне находится чистый анионит. Верхний отстойник
служит для выделения из анионита мелких взвесей и
механических загрязнений, а также употребляется как буферная емкость
для анионита. Чистый анионит выводится в колонну регенерации
ниже уровня его слоя в колонне разделения. Этим
предотвращается попадание мелочи анионита, которая может забить
дренажные устройства, в регенерационную и сорбционную колонны.
Вывод обоих ионитов в бачки-дозаторы происходит с
помощью гидростатического давления, поскольку колонна разделения
установлена выше всех остальных аппаратов.
160
Таблица 4.8. Сравнение бсновных характеристик установок для подготовки
912 м3/ч с электрической проводимостью <0,5 мкСм/см и содержанием
SiO2<0,l мг/л обессоливанием воды с содержанием солей 3,5 мг-экв/л
Показатель
Число и размеры колонн, м:
сорбционные
регенерационные
разделения
Загрузка смолы, м3:
катионита
анионита
Помещение, м2
технологическое
нейтрализации стоков
Всего:
Стоимость оборудования,
долл.:
основного
нейтрализации стоков
монтаж
Всего:
Эксплуатационные расходы,
долл/год:
кислота
щелочь
Замена катионита
Замена анионита
Всего:
Установка Асахи
со смешанным слоем
4 шт. £>к=2,1;
Як=2,7
катионит 4 шт.
ZV=0,75; tfK=6,7;
анионит 4 шт.
£>к=0,75; #к=11,50
4 ш. DK= 1,05/0,75;
32,7
63,4
130
7,3
137,3
665 000
5000
350 000
1 020 000
76 300
165 000
(истирание 10%)
3000
(истирание 25%)
40 000
285 900
Установка на фильтрах,
2-ступенчатое обессоливание
5 катионитовых
DK=3,75; #к=3,75
5 анионитовых
DK=3,75; #к=4,65
120
143
223
310
553
710 000
75 000
400 000
1185 000
119 000
191000
(истирание 3% + замена
через 10 лет)
9000
(истирание 3% + замена
через 5 лет)
78 000
397 000
Регенерация и отмывка смол не отличаются от операций в
обычной установке Асахи. Регенерированные смолы подают в
индивидуальные бачки 5, 6 и из них в смесительную емкость 7,
где происходит их смешение при одновременном истечении смол
из дозаторов.
Для получения гомогенной смеси ионитов могут
устанавливаться специальные смесительные устройства [178, 179].
Имеется вариант, в котором функции бачков-дозаторов и буферной
емкости совмещены в одном бачке-дозаторе с двумя вводами
И Зак. 1735
161

АВ-17
Рис. 4.21. Схема установки НИО со смешанным слоем ионитов для очистки
жидких радиоактивных отходов:
/ —сорбционная; 2, 6 - промывные; 3, 5 - регенерационные колонны; 4 - колонна
разделения смеси ионитов; 7-сепараторы; 8 - смеситель регенерированных смол- 9 10 -
клапаны системы пульсации; // - пульскамера; 12 - эрлифт; 13 -пульсатор' 14 -
линия подачи воздуха ' р' л* ли
смол, разделенном вертикальной перегородкой, не доходящей
снизу до сливного отверстия [171].
Технико-экономические показатели работы установок Асахи
со смешанным слоем очень велики, они обеспечивают экономию
почти по всем статьям затрат (табл. 4.8).
Следует особо отметить, что созданный узел разделения
смеси ионитов и их раздельной регенерации может быть использован
не только в установках НИО, но и, например, для выносной
регенерации ФСД конденсатоочистки ТЭС или АЭС при их
большом количестве.
Такая схема, реализованная на одной из французских ТЭС,
дала возможность уменьшить расход реагентов, проводить
отмывку загрузки ФСД без регенерации при ее загрязнении
взвешенными частицами, т. е. повысить гибкость работы установки
[13, 87].
Имеются и другие установки НИО опытно-промышленного
масштаба со смешанным слоем ионитов. Так, установка Серво —
Мишомат со смешанным слоем использует практически то же
оборудование, что в обычном варианте (Серво —Контимат),
162
только разделение смол совмещено с их отмывкой от взвесей, а
выгрузка ионитов из колонны разделения производится
поочередно, сначала верхнего слоя — аиионита, а затем катионита. Иони-
ты выгружаются в две идентичные U-образные колонны
регенерации [87]. Разработана методика расчета колонны разделения
смол [87]. Такая установка проще, чем Асахи, и имеет, по
рекламным данным, лучшие показатели по расходу реагентов и
объему отходов.
В отечественной установке для очистки жидких
радиоактивных отходов (рис. 4.21) сорбцию проводят в колонне ПСК-Н с
транспортной пульсацией, а разделение и регенерацию в пульса-
ционных колоннах непрерывного действия с псевдоожиженным
слоем. Показана высокая эффективность и экономичность
процесса очистки [77, 109]. При очистке растворов низкого уровня
активности удается извлечь все радионуклиды до фоновых
значений при скорости раствора 70—100 м/ч и толщине слоя
сорбента 0J м. Электрическая проводимость очищенного раствора
составила менее 5 мкСм/см. Объем регенератов—1,5—2,0%
объема исходного раствора; вся промывная вода использовалась
для приготовления регенерациоиных растворов. Расход кислоты
и щелочи составил 150—250 % теоретического. При менее
жестких ограничениях на объем отходов, т. е. при увеличении
расхода промывных вод и регенератов, можно резко увеличить
глубину очистки.
Объем аппаратов и загрузка смолы были значительно меньше,
соответственно в 4 и 8 раз, чем у установки на ионообменных
фильтрах с аналогичной глубиной очистки. Такая установка
должна иметь четыре—шесть фильтров с катионитом и аниони-
том, включенных последовательно.
4.3.4. ОДНОКОРПУСНЫЕ ИОНООБМЕННЫЕ УСТАНОВКИ
Особую группу составляют установки, в которых все
технологические операции проводятся в одном корпусе. По идее такие
аппараты очень привлекательны, поскольку в установке
отсутствуют устройства для отделения смол от транспортирующих
растворов и передвижение сорбента производится одновременно
через все зоны.
Первые попытки создания таких аппаратов со сплошным
[12, 24, 41, 62, 80] и взвешенным слоем [36, 62] относятся к
середине 50-х годов. Однако практически все они оказались
безуспешными, поскольку простые схемы без клапанов, которые
разделяли бы слой смолы на отдельные секции, приводили к
взаимному смешению растворов из соседних зон и нарушению
нормального течения процесса.
Единственным аппаратом такого типа, прошедшим с 50-х
годов очень большую эволюцию, является контактор Хиггинса
(рис. 4.22). В нем все секции отделены друг от друга клапанами
11* 163

Исходный
раствор
11 1
12 '
<—ЙН
18 Вода
&—<»
Транспортирующая
/5 Транспортирующий.)
паствоп/
а)
Рис. 4.22. Схема однокорпусной ионообменной установки — контактора Хиггинса:
а —типовая установка для водоподготовки и водоочистки; б — Уставов^ для
извлечения урана и цинка; 1 — сорбциоцная секция; секция регенерации смоЛ£, 5 _ сек-
мывки; 3 - зона регенерации; 4 - зона вытеснения транспортирующего p*J- измельченных
ция транспортировки смолы; 6 — секция отмывки смолы от загрязнений "оах. jp — eii-
частиц; 7—10 — управляемые клапаны на смоле; И—18 — клапаны на pad" * •
кость для отстоя загрязнений; 20, 2/ — циркуляционные насосы
большого диаметра, а смола передвигается периодически при их
открывании [1, 5, 12, 26, 36, 41, 62, 74, 80, 85, 86, 140, 1801-
Первоначально контактор Хиггинса был разработан для ура
новой промышленности и разделения нуклидов, но в ней в э -
луатации находятся до сих пор в основном относительно неоо» -
шие пилотные установки и лишь несколько крупных Устан
[1, 139, 180]. Широкое же распространение контактор получил в
процессах водоподготовки и водоочистки. Для его пр0ИЗВ°Д^ d
организована фирма «КеМикал Сепарайшен», поэтому ЭТ0Т к "
тактор иногда называют системой Кем-Сеп. В современном °Ф°Р™"
лении имеются два варианта контакторов Хиггинса с ?ИЛЬТряН^"
нием воды в рабочей секции сверху вниз (классический вариа ;
(рис. 4.22, а) и снизу вверх (рис 4 22,6). *ляЗНую пет-
Контактор представляет собой замкнутую и"обРа "у рпяпии
лю, разделенную клапанами на секции: сорбции 1, P%ene^TJrhm
и отмывки смолы 2—4, дозировки и транспортировки я, отм
ки от загрязнений и измельченной смолы 6. Яптки
Поскольку эти аппараты предназначаются для перераоо и
малоконцентрированных вод, то сорбционная секция имеет з
чительно большее сечение, чем остальные.
В аппаратах для переработки концентрированных растворов
все секции имеют одинаковый диаметр. „
Во время рабочего периода все секции заполнены CM0JI0!l
все клапаны закрыты: в рабочей секции идет фильтрация исх д-
ного раствора через плотный слой сорбента. В секции реген р -
цип (рис. 4.22, а) сверху левого колена вводится промывная во-
164
да, ниже ее концентрированный раствор реагента, а сверху
правой части этой секции выводится товарный регенерат.
По окончании рабочего периода, продолжающегося 5—10 мин,
подача всех технологических растворов прекращается, для чего
закрываются клапаны 11—16, 18, затем клапаны 7—9
открываются, и в верх дозировочно-транспортирующей секции 5 под
давлением подается вода, которая вытесняет из нее вниз порцию
сорбента. Этот сорбент поршнем передвигает весь остальной
сорбент на определенное расстояние через все секции, вытесняя
насыщенный сорбент из сорбционной секции / в секцию
отмывки 6. Транспортирующая вода сливается сверху этой секции.
Транспортировка ионита занимает примерно 0,5 мин. Затем клапаны
7 g 17 закрываются и подача технологических растворов
возобновляется.
В секцию 6 через клапан 18 снизу подается вода, и слой
насыщенной смолы псевдоожижается. При этом из него удаляются
механические загрязнения и ионитовая мелочь. Затем подача
воды прекращается, открывается клапан 10 и отмытая смола
заполняет дозировочно-транспортирующую камеру 5. Некоторый
избыток смолы остается в секции 6 для компенсации изменения
ее объема в установке.
Установка с фильтрованием снизу вверх (рис. 4.22,6)
работает аналогично. Технологические и экономические характеристики
этих вариантов очень близки.
Хиггинс провел большое число работ по использованию его
установок для самых различных технологических процессов
[1801, и поэтому имеются некоторые различия в устройстве
отдельных установок.
Так, в ряде установок реализуется принцип вытеснения
регенератом транспортирующего раствора из регенерационной секции,
что дает возможность значительно увеличить концентрацию
регенерата и сократить его объем. Для этого регенерат выводится не
через клапан 16, а через дополнительный дренаж и клапан 15;
через клапан 16 в этом случае выводится транспортирующая
вода. Работа секции вытеснения регулируется рН-метром или
кондуктометром.
В установке Хиггинса могут осуществляться и более
сложные процессы, например раздельного элюирования со смолы
ценных продуктов. На рис 4.22,6 показан вариант установки
для совместной сорбции цинка и урана и их раздельного
выделения. Для этого в секции регенерации —промывки
—вытеснения 2—4 установлено дополнительное дренажное устройство для
выделения цинка. Для предотвращения разбавления фильтрата
(который используется в обороте) транспортирующей водой
сверху секции сорбции установлена дополнительная секция
вытеснения 4.
В зависимости от проводимого технологического процесса
схема установок Хиггинса имеет множество разновидностей,
описанных в работах [75, 80]. При обессоливании воды сорбционные
165

Таблица 4.9. Сравнение обессоливающих установок производительностью
60 м3/ч при большом солесодержании 1,8 г/л и установок для умягчения
400 м3/ч (в скобках)
Характеры стики
Число и размеры аппаратов,
Занимаемая площадь, ма
Объем оборудования, м3
Иониты, м3:
катионит
анионит
Объем отходов, %
Расход реагентов:
NH3, т/сут
HN03, т/сут
NaCl, т/год
Расход воды на собственные
Износ смолы, м3/год
Расход энергии, Вт/м3
установки
нужды,
Капитальные затраты, тыс. долл.:
оборудование
монтаж и наладка
всего
Стоимость реагентов, долл./м3
Годовая экономия, долл.
%
Установка
на фильтрах
4 катионитовых
DK=2,7 м;
#=1,2 м
(4 шт. DK=3,0 м)
4 анионитовых
£>к=2,4 м;
#=0,9>
55(120)
215
26,9(40,0)
15,6
5-8
0,5
6,6
(2025)
(30)
(1,2)
(30)
130
26
156
0,2
—
Установка
Хиггинса
3x3 м
#=8,3 М
(1 шт. Z)k=2,2m)
20(20)
145
5,4(18,5)
5,4
1,0—1,5
0,1
3,8
(1365)
(7)
(1,85)
(90)
120
12
132
0,11
48 500
секции установок с катионитом и анионитом включаются
последовательно, как показано на рис. 4. 1.
В установках Хиггинса используются самые высокие
скорости раствора; так, при деминерализации работают при Wp~
— 100 м/ч, при умягчении 80—190 м/ч, при сорбции урана 75—
130 м/ч. Максимальное давление до 0,83 МПа. Расход энергии
составляет примерно 0,4 кВт-ч/м3.
Проведены многочисленные технико-экономические сравнения
установок Хиггинса с установками на фильтрах, показавшие их
значительные преимущества (табл, 4.9),
166
Отечественная опытно-промышленная установка [182]
производительностью 70 м3/ч с периодическим передвижением
сорбента состоит из вертикального корпуса, по высоте которого
расположены зоны сорбции, регенерации, отмывки. Она
предназначена для умягчения воды. Во время рабочего периода очищаемый
раствор, подаваемый через клапаны в конусный распределитель,
фильтруется через слой катионита и выводится через дренаж.
Часть умягченной воды проходит в зону, где катионит
отмывается от раствора соли. Концентрированный раствор соли
выводится через распределитель, а регенерат, разбавленный водой,
транспортирующий насыщенный сорбент снизу колонны в ее верхнюю
зону, выводится через дренаж и сливается в канализацию,
При прекращении подачи всех растворов слой смолы в
колонне опускается.
Вследствие стремления к максимальному упрощению
установки ее характеристики хуже, чем у Хиггинса и Асахи. Так,
расход воды на собственные нужды составляет до 20%, расход
соли до 300 г/г-экв при жесткости исходной воды 17 мг-экв/л, а
фильтрата 60 мкг-экв/л [182]. Использование более
эффективных распределителей потоков могло бы повысить
характеристики этого аппарата.
Интересным конструктивным решением установки с одно-
корпусным аппаратом с выносной дозирующей камерой
является установка фирмы «Когреакс» (Франция) (рис. 4.23) [75, 80].
В ней сплошность слоя достигается вводом свежей смолы снизу
аппарата и выводом насыщенной сверху. При этом движение
растворов осуществляется сверху вниз.
Основной аппарат / установки состоит из верхней
сорбционной зоны 2 с кольцевым сборным желобом смолы 3, зоны
отмывки 4 и регенерации 5, транспортирующей зоны 6 и выносной
дозирующей камеры 7.
В рабочий период в колонну подаются все растворы, которые
фильтруются через сплошной слой сорбента. Поэтому скорость
в сорбционной зоне может быть очень высокой. Технологические
зоны разделяются только гидравлически путем вывода из слоя
сорбента части потока и ввода в него нового реагента. При этом
часть отработанной смолы, оказавшаяся при предыдущей
транспортировке в сборном желобе, вытесняется давлением
обрабатываемого раствора в дозирующую камеру 7.
Для транспортировки смолы подача растворов в аппарат
прекращается, клапан на линии смолы 5 открывается, и давлением
обрабатываемого раствора, подаваемого в 7 через клапан Р,
насыщенный сорбент перемещается в нижнюю зону колонны.
Транспортирующий раствор при этом выводится из верхней
части аппарата / через клапан 10. Причем для обеспечения его
равномерного ввода по всему сечению колонны сделана
специальная кольцевая транспортирующая зона 6. Затем цикл сорбции
возобновляется. Безусловно, интересным решением в данной
конструкции является организация фильтрования всех потоков сверху
167

Рис. 4.23. Схема установки фирмы «Когреакс»:
1 — реакционный аппарат; 2 — зона сорбции; 3 — кольцевой сборный желоб; 4 — зона
отмывки; 5 —зона регенерации; 5 —зона транспортировки смолы; 7 — дозирующая
камера; 8—10 — клапаны
вниз через слой смолы, который не может опуститься. Аппарат
относительно прост, число клапанов на смоле незначительно^ (всего
два, и они имеют небольшой диаметр). Если в дозирующей
камере 7 организовать отмывку сорбента от взвесей, то имеется
возможность перерабатывать и мутные растворы.
Недостатком установки, как и всех других, не имеющих
четко разграниченных технологических зон, является сложность их
гидравлического разделения, создания хороших распределителей
потоков, и, кроме того, в данном варианте происходит
разбавление регенерата транспортирующей воды.
В табл. 4.10 сравниваются характеристики ионообменных
установок полунепрерывного действия для водоочистки и водо-
подготовки. Видно, что по числу работающих установок
лидирует система Асахи, по единичной производительности —
контакторы Хиггинса. Установки Серво—Контимат и Хиггинса требуют
минимального расхода реагента. Объем отходов минимален у
отечественных установок. По потерям смолы установки НИО
близки к периодическим, а по стоимости замены смолы (см.
табл. 4.5; 3.17; 4.10) они экономичнее. По своей
механической сложности, металлоемкости, загрузке смолы, системам
КИПиА эти установки различаются очень сильно. Оценочное
сравнение этих показателей, дающее возможность более полно
оценить установку, сделано ниже.
169

4.4. СРАВНЕНИЕ И ВЫБОР ИОНООБМЕННЫХ УСТАНОВОК
Объективное и полное сравнение эффективности и
экономичности различных ионообменных установок можно провести
только при расчете приведенных затрат или стоимости единицы
продукции. Для такого сравнения требуются проекты
конкурирующих установок, и поэтому оно делается лишь в единичных
случаях при проведении технико-экономических исследований по
проектам больших установок.
Экономичность установок можно оценить и по фактору
эффективности (см. табл. 3.8) так же, как и для одиночных
аппаратов. В этом случае сравнение справедливо лишь для
определенного процесса. Причем сравнение \\0 Фэ полностью
справедливо только для аппаратов одной группы*, периодических или
непрерывных, поскольку в них не учитывается объем и количество
вспомогательного оборудования.
Существуют некоторые общие закономерности, справедливые
для всех типов ионообменных установок. Так, для установок
небольшой производительности для переработки
малоконцентрированных растворов (порядка 1 м3/ч) вклад стоимости аппаратуры
и реагентов в себестоимость переработки относительно мал.
Основной вклад вносят расходы на обслуживающий персонал. При!
увеличении производительности влияние этого фактора уменьшает-*
ся (поскольку численность персонала мало зависит от
производительности установки) и начинает возрастать доля расходов на
реагенты и амортизацию оборудования. Для установок средней
производительности (порядка 10 м3/ч) в#лад этих расходов в
себестоимость примерно одинаков. Для крупных промышленных
установок доминирующим фактором является либо расход
реагентов, либо амортизационные отчисления вместе со стоимостью
замены ионитов, т. е. факторы, зависящие от стоимости и
эффективности оборудования.
При увеличении концентрации извлекаемого компонента
общая картина не меняется, но расход реагентов становится
основным в себестоимости уже при относительно небольшой
производительности.
Как правило, стоимость переработки 1 м3 раствора
существенно зависит от производительности установки и содержания
извлекаемого компонента (табл. 4.11) [1#3].
Таким образом, стоимость оборудования со смолой, здания и
расход реагентов, которые в большой степени зависят от
технологической эффективности, удельной производительности,
металлоемкости и других характеристик аппаратов, а также от
способов их использования в ионообменной установке, являются
очень важными для установок средней и большой
производительности.
При малой производительности можно использовать
практически любые аппараты, стремясь к упрощению обслуживания и
минимизации стоимости самой установки- Поэтому в
большинство
Таблица 4.11. Экономические характеристики ионообменных
установок на фильтрах
Показатель
Среднегодовые капитальные
затраты на 1 м3 очищаемой воды,
руб.
Себестоимость очистки 1 'м3,
руб.
Среднегодовые приведенные
затраты на 1 м3 очищаемой воды,
руб.
Солесодержа-
ние, г/л
0,1
0,5
1,0
2,0
0,1
0,5
1,0
2,0
0,1
0,5
1,0
2,0
Qp, м«/сут
50—100
1,5
3,0
1,1
2,2
1,3
2,6
100—500
1,1
2,1
0,7
1,5
2,4
0,9
1,8
3,0
500—1000
0,8
1,6
3,1
4,6
0,4
0,8
1,4
2,6
0,5
1,0
1,8
3,3
1000-5000
0,6
1,1
2,3
3,4
0,3
0,5
0,9
1,8
0,4
0,7
1,2
2,3
5000—10 000
0,4
0,9
1,7
2,6
0,2
0,5
0,8
1,6
0,3
0,6
1,0
2,0
вё таких установок целесообразно и в дальнейшем использовать
простые аппараты периодического действия. Однако, если
имеются ограничения по сбросу регенератов и они должны
перерабатываться достаточно сложными способами (например,
выпаркой) или же регенераты достаточной концентрации могут быть
возвращены в технологический процесс, то в аппаратах
периодического действия такие концентрации достигаются при
значительном усложнении оборудования и обслуживания (ввод
многопорционного фракционирования регенерата, слива водяной
подушки и т. д.), а также при переработке концентрированных
растворов при малой производительности, и в этих случаях
установки непрерывного действия могут оказаться более
экономичными, чем периодические.
Для установок средней и большой производительности для
большинства процессов целесообразно использование
непрерывного ионного обмена в соответствующем аппаратурном
оформлении, зависящем от концентрации извлекаемого компонента,
наличия твердых частиц, от кинетических и статических
характеристик систем.
Так, для извлечения урана из малоконцентрированных
растворов целесообразно использовать установки с аппаратами
полунепрерывного действия со сплошным или взвешенным слоем
сорбента в зависимости от содержания взвесей в растворе. Для
переработки концентрированных растворов предпочтительнее уста-
171

«-Таблица 4.12. Оценочное сравненние ионообменых установок
>
Показатель
1. Эффективность переработки:
плотных пульп
легких пульп
мутных растворов
чистых растворов с
концентрацией:
высокой
малой
сверхмалой (конденсат)
2. Удельная
производительность для растворов,
м3/(м2-ч):
концентрированных
разбавленных
конденсат
3. Загрузка смолы
4. Металлоемкость
5. Объем вспомогательного
оборудования
6. Стоимость:
конструкции
КИП и управления
7. Площадь помещений
8. Расход реагентов
9. Потери смолы
10. Эксплуатационные
расходы |
Установка
на
фильтрах
0
0
2
4
! 4
3—8
10—15
50—150
I
3
1
4
4
1
1
5
2
" 1
На ФСД
0
о
0
1 0
! з
б
—
30—50
100—150
3
б
I |
3
3
4
1
5
2
Колонны
с ПОС
0
2
2
1
2
! °
3—8
3—8
—
1
1 .
1
4
5
1
1
4
1
Пачук-f-
кдс
3
з
3
1
2
0
5—15
5—15
—
3
2
3
4
5
1
2
2
3
J
Пачук +
ПИК
4
4
4
1
2
0
5—15
5-15
—
4
3
4
3
4
2
4
2
3
СНК +
пик
о
о
0
1
! 5
0
—
20—30
—
3
3
4
3
4
3
4
3
4
ПСК +
пек
5
5
5
5
3
0
10—15
25-35
—
5
2
5
2 1
б
5
4
3
4
ПСК-Т +
пек
5
5
5
4
5
0
10—15
25—35
—
5
2
5
2
5 1
5
4
3
4
1
ПСК-Н+
пек
0
0
0
2
5
1 0
5-15
50—100
—
4
2
4
з
4
5
4
3
4
1
КНСПР +
КНСПР
0
о
1 2
3
2
0
8—12
8—12
—
4
2
4
3
3
4
4
3
4
Продолжение табл. 4.12
Показатель
1. Эффективность переработки:
плотных пульп
легких пульп
мутных растворов
чистых растворов с
концентрацией:
высокой
малой
сверхмалой (конденсат)
2. Удельная
производительность для растворов,
м3/(м2-ч):
концентрированных
разбавленных
конденсат
3. Загрузка смолы
4. Металлоемкость
5. Объем вспомогательного
оборудования
6. Стоимость:
конструкции
КИП и управления
7. Площадь помещений
8. Расход реагентов
9. Потери смолы
10. Эксплуатационные
расходы
КНПДС +
КНПДС
0
1 о
1
2
4
0
5—10
40—50
—
3
2
3
3
2
4
4
4
4
Портера
0
4
4
1
3
0
—
15—25
—
4
4
5
4
4
2 i
5
4
4
Хиысли
0
5
5
1
4
0
—
15—25
—
4
2
4
1
1
б
5
3
5
Нимсикс
0
5
5
1
4
0
—
15—25
—
4
2
4
2
1
5
5
3
5
Кер—Мак
0
3
3
1
3
0
—
15—25
—
4
5
5
5
5
3
3
4
5
Реакторы
с мешалкой
2
3
2
1
2
0
—
—
—
3
1
3
4
5
1
3
1
2
Асахм
0
0
0
2
5
5 (ФСД)
—
60—70
150
4
3
4
2
1
5
5
3
5
Контиыат
0
0
0
2
5
0
—
50—100
—
4
3
4
3
1
5
5
3
5
Хиггинс
0
0
2
5
5
0
10—30
100— 18С
—
5
5
5
1
1
5
5
3
5

яовки непрерывного действия нлй полунепрерывного, но с Частым
перемещением сорбента.
Таким образом, технико-экономические показатели работы
установок непрерывного действия практически определяются
выбором наиболее подходящего для основного процесса, обычно
сорбции, аппарата. В связи с этим нами предлагается выбор
типа установки проводить следующим образом: на основании
анализа кинетических и технологических характеристик основного
процесса по методам, изложенным в гл. 3, выбирают
ионообменный аппарат. Этим определяется выбор типа установки, в
которую он входит составным элементом (табл. 4. 12).
Для облегчения выбора типа ионообменной установки для
данного класса аппаратов используется балльная система
оценки наиболее важных характеристик ионообменных аппаратов. При
оценке «О» аппараты и установки неприменимы в данных
условиях. Установки, набравшие максимальную суммарную оценку,
являются наиболее экономичными.
Глава 5
ОСНОВНЫЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ
ЗАКОНОМЕРНОСТИ СЛОЯ ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА
Гидродинамические характеристики слоя зернистого
материала являются необходимым элементом при обработке данных
лабораторных исследований, расчете массообменной зоны
ионообменного аппарата, выборе и расчете вспомогательных узлов
аппарата и установки в целом. Разделительные зоны аппарата,
устройства для транспортировки зернистого материала,
питатели, расходомеры и т. п. невозможно рассчитать без знания
диаметра и формы частиц, скорости их движения. В связи с этим в
данной главе сделана попытка обобщения материалов по
гидродинамическим характеристикам слоя ионита с учетом
необходимости решения чисто практических задач, а именно по расчету
аппарата и вспомогательных узлов.
Сорбционные аппараты (см. гл. 3), с точки зрения
гидродинамики, подразделяются на аппараты со сплошным
(стационарным) слоем и псевдоожиженным (кипящим) слоем сорбента.
К первой группе относятся ионообменные фильтры и аппараты
полунепрерывного действия типа Асахи, ПИК и т. п. Вторая
группа включает в себя аппараты периодического и непрерывного
действия. Последние могут различаться по взаимному движению
фаз в аппарате, что также влияет на гидродинамические
характеристики системы.
К основным параметрам слоя зернистого материала
(сплошного и псевдоожиженного) относятся порозность слоя, перепад
174
Давления в слое, скорости движения жидкости и твердых час--
тиц, скорости начала псевдоожижения и витания (оседания)
частиц, объемная концентрация частиц, расширение слоя и
поверхность твердой фазы в слое.
Важнейшими свойствами, определяющими значения
параметров сплошного и псевдоожиженного слоев, являются размер
частиц твердого зернистого материала, их форма, плотность (для
ионитов в набухшем состоянии), гранулометрический состав, а
также плотность и вязкость жидкой фазы.
5.1. РАЗМЕР ЧАСТИЦ
Характеристическим размером сорбента может служить диаметр частиц
d4y который является определяющим при описании параметров неподвижного и
псевдоожиженного слоев зернистого материала. Для полидисперсных систем
необходимо знать средний диаметр частиц и функцию распределения по
размерам.
Для большинства сорбентов, выпускаемых промышленностью (см. табл. 2.6,
а, б), диаметр частиц составляет 0,3—1,6 (класс А) и 0,25—0,8 мм (класс Б).
Их фракционный состав определяется рассевом на механических ситах (мокрым
или сухим способом).
Однако ситовый анализ, дающий представление о распределении частиц по
фракциям, крайние размеры которых отличаются более чем на 50 %, не снимает
необходимости учитывать распределение по размерам внутри фракции, так как
в противном случае погрешность в определении среднего диаметра может
составлять 20—30 % [184].
Средний диаметр фракции может быть рассчитан [185] как средняя
геометрическая величина
d4 = yd4 min d4 max (5.1)
или средняя арифметическая
d4 = (d4 min + d4 max) 12, (5.2)
где d4min и d4 max — граничные размеры фракции.
Для узких фракций эти диаметры очень близки. Для широкой фракции и
всего сорбента в целом средний диаметр вычисляется по формуле для средней
гармонической величины [186J
Зч= 1/2(А,/£/4), (5.3)
где А»— относительная доля (массовая или объемная) в смеси частиц
диаметром du вычисленным для каждой узкой фракции. Диаметр, определенный ПО'
этой формуле, является средиеповерхностным [187].
Средний размер частиц часто определяется как поверхностно-объемный'
диаметр:
34 = 2{V?)/2(V2)\ (5.4).
Но использование его для расчета ряда гидродинамических параметров, в
частности скоростей оседание частиц и перепада давления в стационарном
слое, может давать погрешность до 20 % [188, 189].
175

более точные результаты при расчете среднего размера частиц можно
получить при учете функции их распределения по размерам, если измерить диаметр
100—200 частиц под микроскопом и рассчитать Зч по уравнению (5.3) или
использовать седиментометрический метод анализа. Однако недостатком
последнего является необходимость дополнительного измерения с большой точностью
разности плотностей частицы и раствора.
Заслуживает внимания способ определения размеров частиц, основанный
на принципе клина-нониуса [184]. Две стеклянные пластины размером 200 X
Х200 мм закрепляют под углом а, тангенс которого равен, например, 0,01, и
опускают в раствор углом вниз для частиц тяжелее жидкости или углом вверх
для частиц легче жидкости. В щель сбрасывают или вводят сбоку 100—200
частиц, которые заклинивают на расстоянии I от основания угла. Диаметр частицы
равен / tga. Средний диаметр рассчитывают по уравнению (5.3).
Для частиц, имеющих несферическую форму, вводят понятие
эквивалентного диаметра d9t т. е. диаметра шара, равновеликого по объему частице. Для
частиц одинакового размера или для узкой фракции эквивалентный диэметр
можно рассчитать по формуле [185]
d3= ^65/яяр,, (5.5)
где т — масса навески; п — число частиц.
Отклонение формы частицы от сферической характеризуется коэффициентом
несферичности (f4), представляющим отношение площади поверхности частицы
к площади поверхности равновеликого ей по объему шара, или фактором формы
Ф-1/f,.
Для шара фактор формы, естественно, равен единице, а для тел другой
формы Ф<1. Так, для цилиндра, у которого диаметр равен высоте, Ф = 0,875,
для цилиндра с высотой в 5 раз больше диаметра Ф=0,69, для куба Ф = 0,806.
Фактор формы частицы может быть определен по методу Я. Беранека и
Д. Сокол [190]
Ф = В/В0, (5.6)
где B = v03p7K/gv(p4—рж)—критерий свободного падения частицы произвольной
формы, экспериментально определяемый через скорость свободного падения
частицы vo в испытуемой среде; В0 — критерий свободного падения для
сферических частиц.
lgB0 = —8,502 —У"2ГПЗб —lg(A-— 13,605)2 . (5.7)
Значения коэффициентов формы для ряда промышленных ионитов приге-
дены в работе [191].
В теории плотного и псевдоожиженного слоя очень часто приходится иметь
дело с произведением Ф^ч, поэтому удобно рассматривать этот комплекс как
единый параметр. Действительно, эта величина является однозначной
характеристикой слоя частиц различной формы й размера.
5.2. ПЛОТНОСТЬ ЧАСТИЦ
Плотность (рч) является важнейшей физической характеристикой
сорбентов, определяющей не только значения параметров псевдоожиженного слоя, но
и выбор того или иного типа сорбционного аппарата. На различии плотностей ка-
176
тионитов и анионитов основаны некоторые методы разделения их смесей для
раздельной регенерации при использовании сорбции смешанным слоем ионитов.
К. М. Салдадзе [192] предложил метод определения истинной плотности
ионита в сухом и набухшем состоянии, основанный на применении пикнометра,
наполненного водой (для набухшей смолы) или органической неполярной
жидкостью (для обезвоженных ионитов).
Для более быстрого определения плотности сорбентов может быть
использован следующий способ [10]: навеску ионита 0,5—1,0 г помещают в мерный
цилиндр, в котором содержится небольшое количество органического
растворителя, имеющего заведомо меньшую плотность, чем ионит. Затем из бюретки
добавляют при перемешивании неэлектролит с заведомо большей плотностью
до достижения плотности смеси, равной плотности ионита. При этом ионит
«парит» в жидкости. Плотность смеси растворителей измеряется ареометром.
Способ, исключающий использование органических растворителей,
предложен Н. И. Гельпериным. Он заключается во взвешивании мерного цилиндра
с ионитом, залитым водой, и в расчете плотности по формуле
Рч = (т — Щ—Ут — ^см80)/^см 0 — е0) > (5.8)
где т — масса цилиндра с ионитом; тц — масса пустого цилиндра; VCm —
объем ионита; Vm — объем воды над слоем ионита; е0—порозность
стационарного слоя ионита.
Недостатком данного способа является необходимость предварительного
определения порозности стационарного слоя ионита.
Исключить этот недостаток можно, изменив методику взвешивания: сначала
взвешивают цилиндр с определенным объемом воды, затем в него добавляют
некоторое количество набухшего и осушенного на фильтровальной бумаге ионита,
замеряют суммарный объем воды и ионита и повторно взвешивают цилиндр.
Плотность ионита рассчитывают по формуле
р,= (тя-т1)/(7я-71), (5.9)
где Ш\ — масса цилиндра с водой; т2 — масса цилиндра с ионитом; V\ —
первоначальный объем воды в цилиндре; V2 — суммарный объем воды и ионита.
Данная методика позволяет одновременно определить и порозность
стационарного слоя.
Плотности товарных ионитов, определенные по этой методике (рч),
приведены в табл. 5.1. Там же для сравнения представлены плотности (рч')>
измеренные способом, описанным в работе [10]. Как видно, предложенный более
простой способ позволяет с достаточной точностью определить плотность
ионита.
Таблица 5.1. Плотности ионитов некоторых марок, определенные
разными способами
Плотность,
г/см3
Рч
Рч
12 Зак. 1735
КУ-2-8
1,22
1,24
КБ-4
1,18
1,188
ВП-1АП
1,16
1,147
AM
1,08
1,098
АМП
1,12
1,117
ЭДЭ-1 ОП
1,13
1,14
177

5.3. НАБУХАЕМОСТЬ ИОНИТОВ
Большинство сорбентов (в том числе все иониты) при соприкосновении с
жидкостью поглощают раствор и могут существенно увеличиваться в размерах*
Измерение набухаемости заключается в последовательном измерении объемов
одного и того же количества сорбента в сухом (VCyx) и набухшем состоянии
{Унаб), т. е. после 24-часового контакта с исследуемым раствором:
P = VRa6/V07T. (5.10)
Изменение диаметра частиц в процессе набухания определяется соотношением
<*набА*сух = [Р (1 - 8Ha6)/(l - 8cyx)]V3. (5.11)
Так как форма частиц при набухании не изменяется, то
[(l-eHaeJAl-ecyx)]1/»^!, (5.12)
следовательно,
<*набЛ*сух = РЧл = (Унаб/Усух)1/8. (5ЛЗ)
Набухаемость ионитов зависит от многих факторов, в том числе от ионной
формы, в которой находится ионит, и его структуры. Наибольшее набухание для
сильнокислотных катионитов и высокоосновных анионитов наблюдается
соответственно в водородной и гидроксильной форме, а для слабокислотных и
низкоосновных ионитов — в солевых. На рис. 5.1 показана зависимость
набухаемости катионита КУ-2 в Н-форме в дистиллированной воде от количества
дивинилбензола, сшивающего матрицу ионита [193].
Размер частиц сорбента в одной и той же ионной форме может зависеть и
от рН раствора. Таким образом, при расчете аппарата для ионообменного
процесса необходимо учитывать возможные изменения объема сорбента вследствие
набухаемости как с точки зрения изменения размера частиц, скоростей их
движения и возможности разрушения аппарата, полностью заполненного сорбентом,
так и разрушения сорбента при большом числе циклов изменения рН среды.
5.4. ПОРОЗНОСТЬ СЛОЯ
Порозностью слоя зернистого материала называется
безразмерная величина, равная отношению объема пространства между
зернами к объему слоя зернистого материала.
В любом сечении аппарата доля сечения, незанятая частицами
(живое сечение), в соответствии с принципом геометрического
подобия Кавальери—Акера в среднем
также равна е. Эта величина зависит
от формы элементов, состояния их
поверхности, характера их упаковки
в слое и не зависит от абсолютной
величины геометрически подобных
элементов слоя [187].
Зерна многих материалов
(сорбентов, активированных углей) обладают
Рис. 5.1. Набухаемость катионита КУ-2 в
Н-форме в дистиллированной воде при раз-
/j,dd,/c личных концентрациях дивинилбензола
178
е0,отн.ед.
0,6
0,2
0,2 0,4- 0,6 Фуотн.ед.
Рис. 5.2. Зависимость пороз-
ности в плотных слоях
монодисперсного состава фактора
формы при укладке:
1 — произвольной; 2 — свободной;
3 — плотной
Рис. 5.3. Зависимость пороз-
ности в плотном слое
сферических частиц двух размеров от
относительного объемного
содержания Л крупных частиц
при различных соотношениях q
крупных и мелких частиц
внутренней пористостью (еВнУтр), которая существенно определяет
статику и кинетику сорбции. В этих порах происходит диффузия
сорбирующихся компонентов, но практически нет
гидродинамических потоков. Поэтому в величину е, характеризующую
гидродинамику зернистого слоя, еВнутр не входит.
Когда известна плотность материала частиц и их насыпная
плотность (рн), порозность стационарного слоя рассчитывают по
формуле
е0 = 1— Рн/Рч- С5-14)
Порозность стационарного слоя набухающего зернистого
материала может быть определена по следующей методике [184].
Некоторое количество набухшего сорбента, быстро
просушенного фильтровальной бумагой, помещается в мерный цилиндр и
заливается известным объемом раствора Унач. После энергичного
встряхивания измеряется суммарный объем раствора и сорбента
УСум и объем слоя сорбента УСор'.
Ч = (^сор + ^нач - ^cyM)AV (5.15)
В зависимости от укладки порозность слоя из упорядоченно
уложенных монодисперсных шаровых частиц изменяется от е0=
= 0,476 при максимально рыхлой структуре до ео = 0,259 при
максимально плотной структуре [187].
Порозность стационарного слоя зависит от фактора формы
частиц (рис. 5.2) [270].
В полидисперсных системах мелкие зерна могут
располагаться в промежутках между крупными и тем самым понижать
общую порозность слоя [186] (рис. 5.3 и 5.4).
Практически для не слишком полидисперсных систем е0
лежит в пределах от 0,3 до 0,5. Вблизи стенок аппарата е0
12* 179

10~5 10ч 10 /0 1Q Я
Рис. 5.4. Зависимость
минимальной порозности смесей
частиц в плотных слоях от
соотношения В наименьшего и
наибольшего размеров частиц в
слое при разном числе фракций
п
40 60 80 ЮО
АВ-17,%
Рис. 5.5. Зависимость
порозности смешанного слоя иони-
тов КУ-2-8 в Н-форме и
АВ-17-8 в ОН-форме от
объемного содержания при
различных нагрузках
в 1,3—1,6 раза больше, чем в средней части [184], поэтому
результаты лабораторных исследований при отношении DK/d4<30
переносить на аппараты большого диаметра следует с
осторожностью.
Порозность стационарного слоя ионитов имеет значения,
близкие к значениям е0 других зернистых материалов:
КУ-1* 0,37—0,42
КУ-2* 0,34—0,37
ЭДЭ-10П* 0,4—0,43
АН-2Ф* 0,43—0,46
АН-25 0,4—0,41
КУ-2 0,33
КБ-4 .
AM . .
АМП .
АН-31 .
ВП-1П
ВП-1АП
0,28
0,31
0,31
0,38
0,36
0,37
* Данные из работы [191].
На порозность слоя ионитов, частицы которых несут заряд,
могут сильно влиять электростатические силы. Особенно
заметно это при взаимодействии частиц, имеющих заряды разного
знака, например при смешении катионита и анионита —
компонентов смешанного слоя. Наибольшее разбухание слоя (до 8 раз)
происходит при смешении равных объемов сильнокислотного
катионита в Н-форме и сильноосновного анионита в ОН-форме
[194]. Увеличение объема зависит от диэлектрической
постоянной среды. Наибольшее разбухание наблюдается в обессоленной
воде и быстро уменьшается при добавлении солей.
Предварительная обработка катионита небольшим
количеством очень тонкой эмульсии анионита практически устраняет
разбухание слоя смеси. В промышленных установках разбухание
слоя исчезает уже после нескольких циклов работы,
по-видимому, в результате естественного истирания анионита.
180
К аналогичному результату приводит повышение давления на
слой смеси ионитов. Это подтверждается данными по
зависимости 8о от соотношения объемов в смеси ионитов КУ-2-8 и АВ-17,
подвергнутых одностороннему механическому сжатию (рис. 5.5)
[184].
Величиной, неразрывно связанной с порозностью слоя,
является объемная концентрация частиц в слое («задержка») Йи=
= 1—е. При расчете сорбционных аппаратов нередко пользуются
понятием кажущейся задержки (Q), т. е. доли объема аппарата,
занятой сорбентом. В этом случае за объем сорбента принимают
весь объем стационарного слоя сорбента, включая раствор,
находящийся между зернами. Очевидно, что Q является величиной,
обратной степени расширения псевдоожиженного слоя Н/Н0, и
связана с истинной задержкой соотношением
Q = fi^(l-8o). (5.16)
5.5. УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ СЛОЯ
Удельная поверхность частицы а0 определяется как
отношение площади поверхности частицы к ее объему. Суммарная
поверхность частиц в единице объема слоя равна
а = а0(1—е). (5.17)
Для частиц правильной формы расчет а0 не представляет
трудностей. Так, удельная поверхность шара диаметром d равна
a0 = 6/df удельная поверхность цилиндра с высотой Н равна
a0 = 6/d (при d/#=l), a0 = 4/d (при d/#>0,05) и a0 = 8fd (при
d/H=2).
В сорбционной технологии используются сорбенты различной
формы и различного фракционного состава, поэтому при
расчете гидродинамических характеристик слоя рекомендуется
учитывать фактор формы частиц и пользоваться понятием
эквивалентного диаметра порового канала, объединяющим два основных
параметра зернистого слоя а и г:
d3 = 4е/я = 4е/а0 (1 — е). (5.18)
Полная поверхность слоя может быть определена
адсорбционными методами или при нестационарном течении газа через слой
зерен [187]. Обтекаемая или внешняя поверхность определяется
методом пропускания газа или жидкости через слой при
относительно малых числах Рейнольдса и расчетом по уравнению Дар-
си [195].
5.6. ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗЕРНИСТОГО
СЛОЯ
Изучению гидравлического сопротивления зернистого слоя
при протекании через него потока жидкости или газа посвящено
большое число работ (например, [187, 196]).
181

Одним из наиболее распространенных уравнений является
обобщенная зависимость Эргуна [197]:
Ар/Я = 150 (1 — е)2|«уА# + 1 >?5 (1 — е) pmvJ/AJ,- (5.19)
Для смесей частиц различного размера и формы в уравнение
(5.19) вместо d4 следует подставить Ф d4.
При свободной укладке слоя зернистого материала это
выражение дает совпадение с экспериментом с точностью ±25%
[186], однако его не рекомендуется применять для плотных слоев
упорядоченной укладки с аномальной порозностью (например,
для колец Рашига) или засыпок повышенной порозности (слои
волокнистого материала), так как при очень высоких значениях
порозности перепад давления может быть значительно большим,
чем это следует из уравнения.
Согласно уравнению (5.19) перепад давления слагается из
двух составляющих: потерь на трение вследствие вязкости и
потерь кинетической энергии. При малых критериях Рейнольдса
(i?£~20) преобладают вязкостные потери и уравнение (5.19)
упрощается:
Ар/Я = 150(1 — г)2 ixv^dl (5.20)
При больших значениях критерия Рейнольдса (7?£>1000)
можно учитывать только потери кинетической энергии:
А/7/Я= 1,75(1- е) Рж1>р/еЧ
(5.21)
Уравнение (5.19) удовлетворительно описывает также и
гидравлическое сопротивление слоев ионитов и активированных
углей [184, 196], однако следует обратить внимание на то, что в
работах по ионному обмену, как правило, не уделяют должного
внимания геометрическим характеристикам слоя зернистого
материала. В частности, не приводятся данные о порозности слоя и
не всегда достаточно полно
характеризуется дисперсность ионитов, что
затрудняет сопоставление данных по
гидравлическому сопротивлению, полученных
различными авторами.
При определении сопротивления слоя
необходимо также учитывать
возможное искажение поля скоростей около
входных и выходных устройств,
включающих всякого рода дренажные
устройства.
4р///,МПа/м
0,15
70 80 90 100
Рис. 5.6. Зависимость сопротивления слоя
сорбента от нагрузки по воде:
/, 2 — КУ-2 (80=0,33); 3, 4 — ВП-1АП ,(?0-0,37)'>_
сплошная линия—расчет по управлению
ная — по уравнению (5.23)
(5Л9); пунктир-
182
Авторы проводили измерение сопротивления слоев сорбентов
КУ-2 и ВП-1АП в напорной колонне 0 100 мм с вертикальным
цилиндрическим дренажем из сетки с ячейкой 0,4 мм в
интервале нагрузок по воде TFp=50-r-100 м3/(м2-ч) (рис. 5.6).
Как видно из рисунка, наблюдается существенное отличие
экспериментальных данных от рассчитанных по уравнению
Эргуна (5.19), что объясняется, по-видимому, уплотнением сорбента
и снижением порозности слоя.
Зависимость сопротивления слоя от нагрузки по воде в
указанных интервалах достаточно точно описывается уравнением
вида
Ар/Н = а + bWv. (5.22)
Для КУ-2 а = — 2,4-Ю-2, & == 1,6-10~3, для БП-1АП а = —1,2Х
XIО"2, b = 7J.\0~\
5.7. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ ЧАСТИЦ
Параметром, наиболее полно характеризующим свойства
гетерогенной системы жидкость — твердое, является скорость
движения (всплытия или осаждения) одиночной частицы в
неподвижном растворе или скорость витания этой частицы.
Погрешности при определении характеристической скорости приводят к
грубым ошибкам при расчете параметров псевдоожиженного
слоя и габаритов аппаратов.
С учетом сил, действующих на частицу, равномерно
движущуюся в жидкости, ее скорость определяется по известному
уравнению:
*о = У4^(р,-Рж)/3&>ж . (5.23)
В литературе приведено много уравнений для расчета
коэффициента сопротивления частиц, однако почти все они
применяются в узких пределах изменения скоростей движения частиц.
Для ламинарного режима обтекания сферических частиц
(Re<2) коэффициент сопротивления рассчитывается по закону
Стокса:
Е = 24/#е. (5.24)
В турбулентном режиме (/?е>500) действует закон
сопротивления Ньютона и коэффициент сопротивления стремится к
постоянному значению: £=0,44.
В переходном режиме (2</?е>500) наиболее часто
используется эмпирическая формула Аллена [198]
£= l8y5Re-°-*. (5.25)
Для ламинарной и переходной области теоретически
получена формула Озеена [199]
EW24:(l+r3/te/16)//fe. (5.26)
183

Наиболее точным уравнением для расчета коэффициента
сопротивления, учитывающим несферичность частиц и
справедливым во всех областях обтекания частиц потоком, является
уравнение И. А. Вахрушева [200]
£= [28,47/(/?е- lg (15,38//а) + 4,565/4/tfeVs — 0,491/4//tev«] X
X (1— th[0,0128/?e(/4— 0,9805)]} + 2,86 (Д, —0,8531) th[0,0128/?e X
X (/ч - 0,9805)] + (7,76 - 2,86/ч - 4,88//,) th [0,0104/?e (/ч - 0,9038)].
(5.27)
Недостатками этого уравнения являются его громоздкость
и необходимость использования табличных функций.
Более простая формула предложена в работе [185]:
Z = 5,31 —4,88//, —{5,31 - 4>88//4-28>47/[/?6lg(16f38//0J}/[l -
— 0,142(2,052 —/J4 ^2'658/ч~2'218]. (5.28)
П. В. Лященко, преобразовав уравнение (5.23) путем
подстановки в него скорости осаждения, выраженной через Re, и
возведения обеих частей уравнения в квадрат, получил
обобщенное критериальное уравнение [201]
IRe = 4Ar/3. (5.29)
В критерий Аг скорость осаждения не входит, он состоит из
величин, которые либо заданы, либо могут быть заранее
определены.
Подставив в уравнение (5.29) значения £, соответствующие
различным режимам осаждения, можно получить аналитические
выражения функции Re=f(Ar) для этих режимов.
Для ламинарного течения
Re=Ar/l8. (5.30)
В турбулентном режиме
Re=VAr/0fi. (5.31)
В переходной области
#Л4 = 4Лг/55,5. (5.32)
Подставляя в уравнения (5.30) и (5.31) критические
значения Re для ламинарного и турбулентного режима, находят
критические значения Аг для этих режимов.
Переходная область осаждения соответствует изменению
критерия Аг в пределах 36<Лг<83 000.
Таким образом, рассчитав критерий Аг, определяют по его
значению область осаждения, рассчитывают критерий Re по
соответствующему уравнению (5.30), (5.31) или (5.32) и затем
находят скорость осаждения
v0 = Re\KldrpM. (5.33)
184
Таблица 5.2. Скорости оседания различных сорбентов в воде
Сорбент
КБ-4
ВП-1АП
ВП-1П
АМ-2Б
АМП
СГ-1
СГ-1
AM
АМК
КУ-2
ЭДЭ-ЮП
АН-31
СГ-1Г
СГ-1ГМ
Размер
частиц, мм
0,3—1,3
0,4—1,6
0,5—1,6
0,5—1,6
0,5—1,6
1,2-1,5
1,5—2,0
0,5—1,6
0,5—2,0
0,4—1,3
0,5—1,6
0,3—1,8
£>=2,04
/=2,87
Z)=l,81
/=2,59
Средний*
диаметр, мм
0,64
1,03
1,09
1,10
1,10
1,35*2
1,75*2
1,09
1,14
0,59
1,22
1,19
2,62*3
2,33*3
Скорость
оседания,
м/ч
82,3
104,6
112,0
77,8
97,5
150,4
175,3
76,8
1 Н2,3
82,1
97,5
79,9
180,1
127,4
Форма частиц; фактор
формы, Ф
Сферические частицы
То же
»
»
»
»
»
»
»
»
Угловатые частицы,
неправильной формы
То же
Цилиндрические частицы Ф=
=0,865
Цилиндрические частицы Ф=
=0,858
ч / ч nun ч max
Формула для расчета скорости витания одиночной
сферической частицы, охватывающая все режимы обтекания, предложена
О. М. Тодесом [187]
Re = Ar/(18 + 0,61 VAr). (5.34)
Авторами на специальной установке проводились измерения
скоростей оседания в воде различных фракций промышленных
и опытных партий ионитов. В верхнюю зону колонны 0 200 мм
импульсом вводилась небольшая порция сорбента, и в низу
колонны оптическим методом измеряли изменения концентрации
частиц во времени. При обработку полученных кривых
рассчитывали среднюю скорость оседания vQ (табл. 5.2).
Данные по скоростям оседания различных сорбентов
приведены в работах [10, 191].
Анализ зависимости коэффициента сопротивления от
критерия Re для исследованных сорбентов (рис. 5.7) показывает, что
средние скорости оседания как узких фракций, так и товарных
сорбентов лежат в переходной области (2<#е<500) и
достаточно точно описываются уравнением (5.25) с учетом
коэффициента формы для цилиндрических частиц.
На скорость оседания частиц может сильно влиять турбули-
зация жидкости, в частности возвратно-поступательное движе-
185

igt
0,8
0,6
"A
0,Z
Q
o,z
oA
h
~
-
0s
I
0,5
,o
o4
eO(5>^s
i
1,0
>r\°
О
o°
ЭЧ00
0 0^
oS)
i
1,5
tf^k °
ry.
zft
О u. J
Рис. 5.7. Зависимость коэффициента сопротивления от числа Re
ние жидкости (пульсация). Исследованию этого вопроса
посвящено множество работ [202—207] и предложен ряд уравнений
для расчета скорости движения частицы в пульсирующей
жидкости, представляющих в большинстве случаев приближенные
решения модифицированного уравнения Чена для нестоксовского
движения сферы в вертикально пульсирующей жидкости.
Критический анализ этих уравнений дан в работе [202], авторы
которой моделированием движения твердой частицы на аналоговой
вычислительной машине получили решение уравнения Чена без
каких-либо ограничений, связанных с направлением и
значением относительной скорости частицы (рис. 5.8).
Анализ результатов многих работ [203, 204, 207] позволяет
сделать вывод, что пульсация жидкости значительно влияет на
скорость движения твердой частицы (уменьшает ее) при
частоте пульсации f>2,0-^2,5 Гц. Скорость частицы тем меньше, чем
больше отношение плотностей частицы и жидкости, и может
составлять ип= (0,1 -f-0,8)zJo. Увеличение критерия Рейнольдса
может привести как к увеличению эффекта замедления, так и к его
уменьшению.
На рис. 5. 9 показаны результаты измерения скоростей
оседания различных фракций сорбентов (см. табл. 5.2) в
пульсирующей жидкости (f = 1,5 Гц, рч/рж= 1,07-ь 1,27).
WOf/u, 0,01
0,1 1,0 1,0
tf ц;ММ
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
lvn
Yv? j^—1
\ V^
_j 1 1 1
0,01
0,1 7,0 Ю
С(ч,ми
Рис. 5.8. Влияние пульсации на скорость движения твердой сферы (Ал =40 мм
Л2=2 мм, б1 = рч/рж = 1,6, б2=8) v П И
186
Рис. 5.9. Влияние пульсации жидкости на скорость оседания сорбентов
Как видно из рисунка, увеличение интенсивности пульсации
до 7=1500 мм/мин практически не влияет на скорость оседания
как отдельных фракций, так и сорбентов в целом.
На скорость движения твердых частиц более существенно
влияет различного рода распределительные устройства (насадки,
тарелки и др.)» устанавливаемые в ионообменных аппаратах
[191, 209], причем это влияние тем больше, чем меньше доля
свободного сечения насадки и меньше различие между
эквивалентным диаметром насадки и диаметром частицы [279].
Авторы проводили исследование совместного влияния
пульсации и конструктивных параметров насадки КРИМЗ (размер
отверстий в насадке 10x20 мм, угол наклона лопаток а = 30°) на
скорость оседания различных фракций сорбентов, приведенных
в табл. 5.2, и получили эмпирическое уравнение, описывающее это
влияние в интервалах /iT>0,05 м; 0,15<FCB<1,0; /<1500 мм/мин:
^пн/^о = 0,78 — 0,05/Л, + 0,15FCB//iT +
+ 1,707/й,"— 6,35FCB///zT + 0.22FL. (5.35)
Анализ этого уравнения показывает, что наибольший вклад
в снижение скорости движения частиц вносят свободное сечение
насадки и межтарельчатое расстояние.
Интенсивность пульсации значительно меньше влияет на
скорость частиц, поэтому для расчетов, не требующих высокой
точности, можно рекомендовать более простое уравнение:
v„JvQ = 0,78 - 0,02/Лт + 0,04F Jk, + 0,22F~B. (5.36)
187

5.8. НАЧАЛО ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ И РАСШИРЕНИЕ
ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ
Слой твердых частиц при малых скоростях восходящего
потока жидкости остается неподвижным, но при увеличении
скорости до некоторого значения, называемого критической скоростью
псевдоожижения, твердые частицы свободно взвешиваются в
жидкости и образуют псевдоожиженный слой. При дальнейшем
увеличении скорости слой продолжает расширяться вследствие
увеличения среднего расстояния между твердыми частицами.
При очень высокой скорости жидкостного потока твердые
частицы уносятся им из системы.
Псевдоожиженный слой образуется при увеличении скорости
восходящего потока ожижающего агента через неподвижный
слой. Следовательно, можно предположить, что при скорости
начала псевдоожижения к псевдоожиженному слою применимы
закономерности, справедливые для неподвижного. Если же слой
расширился до порозности, близкой к единице, и состоит
преимущественно из одиночных изолированных частиц, взвешенных в
потоке жидкости, то любая зависимость для псевдоожиженного
слоя при экстраполировании должна оказаться применимой к
одиночной частице. В промежуточных условиях однородный
псевдоожиженный слой по своим гидродинамическим свойствам
подобен отстаивающейся суспензии. При этом в псевдоожиженном
слое частицы в целом не перемещаются относительно стенок
аппарата, они поддерживаются восходящим потоком жидкости.
В оседающей суспензии твердые частицы непрерывно движутся
вниз, а движение жидкости обусловлено ее вытеснением
оседающими частицами. Очевидно, что зависимости скорость — пороз-
ность для оседающей суспензии и однородного
псевдоожиженного слоя окажутся сходными.
К основным параметрам, характеризующим
гидродинамические закономерности псевдоожиженного слоя, относятся значения
скорости начала псевдоожижения (WKV), гидравлического
сопротивления (Др) и степени расширения псевдоожиженного слоя
(#/#о). Условием перехода неподвижного слоя в
псевдоожиженный является равенство перепада давления в слое массе
содержащихся в нем твердых частиц с учетом силы Архимеда
Др = (Рч-рж)(1-80)Я0. (5.37)
Скорость начала псевдоожижения вычисляют, пользуясь
зависимостью между скоростью потока жидкости и перепадом давления
в неподвижном слое, например по уравнению (5.19), подставляя
туда значение перепада давления из уравнения (5.37).
После несложных преобразований, принимая го = 0,4, получают
следующее выражение [281]:
ReKV = 25,7(У1 + 5,53.10-5Лг - 1). (5.38)
188
Более удачная форма расчетного уравнения предложена
О. М. Тодесом [256]:
Я*кр = Ar J [l 50 (1 - г0)/г30 + |Л,75Лг/в§] (5.39)
или при 8о = 0,4
^кр -Лг/(1400 + 5,22 УАг).
(5.40)
Критическую скорость псевдоожижения измеряли в большом
числе экспериментальных работ, где изучались самые различные
зернистые и дробленые твердые материалы с частицами разных
размеров и формы. Обзор зависимостей для расчета скоростей
начала псевдоожижения для различных режимов обтекания
приводится в работе [187].
Сравнение опытных значений параметров псевдоожиженных
слоев ионитов с рассчитанными по различным уравнениям
показывает [191], что во многих случаях наблюдаются существенные
расхождения, объясняемые отличием ионитов от других зернистых
материалов (кварц, стеклянные и стальные шарики). Наиболее
удовлетворительное совпадение опытных и расчетных значений
скорости начала псевдоожижения дает уравнение (5.40), а значения
перепада давления Ар в большинстве случаев близки к
рассчитанным по уравнению (5.37).
Как отмечалось ранее, величиной, наиболее полно отражающей
свойства системы жидкость — твердые частицы, является
характеристическая скорость v0. Поэтому представляет особый интерес
связь скорости начала псевдоожижения с этой величиной. Если
принять порозность в точке начала псевдоожижения равной 0,4,
то отношение v0/WKI)=Re0/ReKp можно определить из
сопоставления уравнений для расчета скорости витания и начала
псевдоожижения, например уравнений (5.34) и (5.40) или уравнений
(5.38) и (5.30), (5.31), (5.32).
В работе [210] рассчитаны отношения Vo/W^ для трех значений
порозности в точке начала псевдоожижения (0,38; 0,40 и 0,42) и
получено удовлетворительное совпадение с экспериментальными
данными. На рис. 5.10 показаны
результаты этих расчетов.
Анализируя представленную
зависимость и учитывая, что для
большинства систем ионит —
раствор значение критерия
Архимеда лежит в переходной области
(102<Л/*<105), можно сделать
следующий вывод.
Отношение vo/WKP для
ионообменных материалов
существенно зависит ОТ ПОРОЗНОСТИ В ТОЧКе рис. 5.10. Зависимость отношения
начала псевдоожижения и Крите- v0/wKI> от числа Архимеда
189

рия Аг, т. е. скорость йачала псевдоожижейия может измениться
от №кр = 0,1 v0 до №кр = (0,015^0,02) у0.
При увеличении скорости потока выше №кр псевдоожиженный
слой начинает расширяться и его порозность возрастает по
сравнению с ео. Одновременно растет и высота слоя Н. При этом перепад
давления в псевдоожиженном слое остается неизменным
Ар-(Рч-Рж)(1-ео)Я0=(Рч-Рж)(1-8)Я, (5.41)
следовательно, при псевдоожижении в аппарате постоянного
поперечного сечения произведение (1—г)Н сохраняет постоянное
значение. Однако выражение (5.41) не дает возможности определить,
как меняются еий при изменении скорости потока. Расширение
слоев из различных частиц измеряли многие исследователи, при
этом закон расширения слоя (зависимость е от W) изучали в
неподвижном и движущемся псевдоожиженных слоях, а также при
оседании суспензий. Обзор зависимостей для расчета расширения
псевдоожиженных слоев приведен в работе [187].
Полуэмпирическая формула, охватывающая ламинарную,
турбулентную и промежуточную области, предложена в работе [187]:
Re= Are'75 J (18 + 0,6 /Лге4'75 ). (5.42)
Решение этого уравнения относительно е приближенным
методом дает:
е = [(l8Re + 0f36Re2)/Ar]0'21. (5.43)
Многие исследователи отмечают, что наиболее удобным
способом выражения связи порозности псевдоожиженного слоя и
скорости псевдоожижающей жидкости является соотношение
Wp/vQ = вт. (5.44)
Показатель степени т является функцией отношения d4/DKi
а также критерия Re0y рассчитанного по характеристической
скорости частицы, или критерия Аг. Однако при низких (менее 0,2)
и очень высоких (более 500) значениях Re он не зависит от
последнего.
Значение т можно определить, если известны соответствующие
значения W и е (при 0,4<е<;1), как тангенс угла наклона прямой
в координатах lg W —lg е.
Для точки начала псевдоожижения
m = — lg {RejRe^)l\g e0, (5.45)
следовательно, величина т может быть выражена как функция
критерия Аг и порозности в точке начала псевдоожижения.
В работе [210] проведено сравнение расчетной зависимости
показателя степени т от критерия Аг при различных ео с
экспериментальными данными (рис. 5.11). При этом отличие
экспериментальных значений от расчетных объясняется большим коэф-
.190
Рис. 5.11. Зависимость показателя
степени т от числа Архимеда
фициентоМ трения для неподвйЖ- 5
ного слоя (расчет), чем для псевдо- т
ожиженного в точке начала
псевдоожижения (эксперимент). Ч
Как видно из рис. 5.11,
показатель степени изменяется от т = 4,7 +
4,8 (Аг<\) до m = 2,35-f-2,45 J
(Лг>108). Аналогичные значения
показателя степени т для областей
преобладания сил вязкости или сил 1
инерции получаются из формулы <
(5.42) для 8о = 0,4 (т = 4,75 при
Лге4>75<1 и т = 2,375 при Лге4'75»
>1) [187].
Закономерности расширения
полидисперсных слоев широкого фракционного состава значительно
менее изучены. К наиболее характерным особенностям расширения
полидисперсных систем могут быть отнесены следующие [187]:
1. В псевдоожиженном полидисперсном слое мелкие частицы
должны расходиться на большие расстояния, чем крупные, и в
верхней части слоя должна скапливаться мелочь и повышаться
местная порозность. Однако этому препятствует интенсивное
перемешивание, обусловленное движением частиц.
2. При не слишком большом различии размеров максимальных
и минимальных частиц (d4maxjd4min^b) наблюдается лишь
частичное расслоение, возрастающее с увеличением скорости потока и
общего расширения слоя.
3. При большом отношении d4max/d4min наблюдается
значительное расслаивание. При возрастании скорости потока выше WKV
кипящий слой почти не расширяется и из него вымываются
сначала самые мелкие, а затем все более крупные фракции. Поэтому
такой псевдоожиженный слой состоит как бы из двух частей:
более плотного слоя крупных фракций с порозностью,
незначительно отличающейся от 8о, и разбавленного слоя мелких фракций.
Закономерности расширения псевдоожиженного слоя
различных сорбентов исследовались в работе [211]. Размер исследован-
Таблица 5.3. Значения средних скоростей осаждения (и0) различных
фракций смол КУ-2, AM, АВ-17
Сорбент
АВ-17
AM
КУ-2
Диаметр частиц, мм
более 1 ,0
процентный
состав
50,0
70,0
7,5
о. м/ч
90
103
144
от 0,75 до 1,0
процентный
состав
32,5
25,0
80,0
м м/ч
60
80
103
менее 0,75
процентный
состав
17,5
5,0
12,5
'о» м/ч-
40
55,5
78,5
А
19!

0,9 \—
0,8V
0,7
0,5
0,5
Ofi
0,3
0,2
0,1
• d>1,0 >
О 1,0'd'0,75 > Ы-2
О d<0,75 J
г
■ •
■ d>7,0
□ 1,0 >d> 0,75 J> AM
И d<0,75 J
Ld>1,0 ^
A 1,0>d>0,75 >AB-17
&d<0,75 J
® расчет поур-ию (5.45)
^bv ■ ~~ расчет по ур-ию (5Л7)
J_
0,1 0,1 0,3 0,<+ 0,5 0,6
wp/wb=wp/0,86uocp
0,3 1fl
Рис. 5.12. Зависимость кажущейся задержки сорбента в псевдоожиженном слое
от отношения нагрузки по воде к скорости витания частиц (d дан в
миллиметрах)
ных фракций и значения средних скоростей оседания этих фракций
приведены в табл. 5.3.
Так как для исследований использовались широкие фракции
сорбентов, экспериментально определена зависимость между
средней скоростью оседания и скоростью витания для различных
фракций
WjbQ = 0,86. (5.46)
Зависимость кажущейся задержки сорбента в
псевдоожиженном слое различных фракций от отношения нагрузки по воде к
скорости витания частиц (рис. 5.12) с достаточной точностью
описывается уравнением
Q = 0,8 (1 - WV/WB)/(WV/WB + 0,8) =
= 0,8 (0,86 - W/voViW^Iv, + 0,69). (5.47)
Из рис. 5.12 видно, что расчет по уравнению (5.43) дает
заниженные результаты.
Обработка экспериментального материала в координатах
lg(WVU7B)—lg 6 дала прямую с тангенсом угла наклона, равным
трем (рис. 5.13), т. е. зависимость порозности псевдоожиженного
слоя различных фракций сорбентов от нагрузки по раствору с
достаточной точностью описывается уравнением
WV/WB = е3 (5.48)
или
Wv/v0 = 0,86е3. (5.49)
192
Рис'. 5.13. Зависимость йороз-
нбсти псевдоожиженного слоя
сорбентов от отношения
нагрузки по воде к скорости витания
частиц. (Обозначения те же,
что и на рис. 5.12)
о 0,1 о;г о,з о,ч о}5 1,о
На параметры псевдоожиженного слоя существенно влияют
различного рода вставки и насадки, введенные в этот слой.
В аппаратах с неподвижной насадкой при псевдоожижении
жидкостью значения критических скоростей псевдоожижения
(WKV) и начала уноса (WY) во всех случаях больше, чем в
обычных цилиндрических аппаратах. Причем №кр увеличивается на
15—20%, a Wy — значительно больше [191, 212]. Следовательно,
в насадочных аппаратах расширяются пределы существования
псевдоожиженного слоя (Wy—№кр).
Для расчета критической скорости псевдоожижения в
аппаратах с хордовой насадкой может быть рекомендовано следующее
уравнение [191]:
^кР = О + k/Г) vArlldl (1400 + 5,22УЛг)], (5.50)
где Г — геометрический симплекс, равный отношению диаметра
элемента насадки к диаметру зерна; k—постоянный коэффициент,
равный 1,5 — для силикагеля, 3,4 — для ЭДЭ-ЮП, 3,8 — для КУ-1
и КУ-2.
При одинаковых геометрических параметрах гидравлическое
сопротивление псевдоожиженного слоя в насадочных аппаратах на
15—20 % [191], а в некоторых случаях на 35 % [213] ниже, чем
в обычных аппаратах.
Введение неподвижных насадок в слой псевдоожижаемого
материала позволяет существенно повысить однородность
псевдоожижения, снизить радиальные флуктуации и получить наиболее
равномерную структуру слоя [212, 214].
5.9. ГИДРОДИНАМИКА ДВИЖУЩЕГОСЯ
ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ
В гл. 3 показано, что сорбционные аппараты с псевдоожижен-
ным слоем по режиму работы подразделяются на аппараты
периодического и непрерывного действия. Последние, в свою очередь,
могут быть сгруппированы по характеру взаимного движения фаз
в аппарате: на противоточные, прямоточные, с перекрестным
током; они отличаются от периодических наличием общей
направленной скорости движения частиц твердой фазы {vc).
J3 Зак. 1735 193
-Igs

Известно [187], что гидродинамические закономерности все*
этих режимов тождественны закономерностям кипящего слоя при
одинаковой порозности.
При движении частиц с постоянной средней скоростью vc=
=const средняя сила, действующая на каждое зерно, равна нулю.
Другими словами, при движении частиц (прямоточном или проти-
воточном) вес этих частиц уравновешен силой трения со стороны
потока, и они также «взвешены» в потоке, как и в случае кипящего
слоя.
Для кипящего слоя твердых частиц с данной порозностью е
такое равновесие достигается при определенной скорости потока
в пространстве между зернами
^отн = ^р/е = /(е). (5.51)
Функция f(e) для различных сорбентов может быть
определена из уравнений (5.48) и (5.49):
/(e) = №Bea==0,86fl0e2. (5.52)
При противоточном или прямоточном движении частиц и
жидкости равновесие сил трения и веса частиц достигается при
скорости потока жидкости относительно движущихся частиц,
равной скорости потока относительно в среднем неподвижных частиц
в кипящем слое с той же порозностью.
Для противоточного движения
^с + ^р = *W (5-53)
При прямоточном движении следует различать два случая:
1) когда направление движения частиц совпадает с
направлением их естественного движения (прямоток):
^с— ;»p!=«w (5-54)
2) когда частицы транспортируются потоком жидкости в
направлении, противоположном направлению их естественного
движения (гидротранспорт):
vc = vJ> — v0TR. (5.55)
С учетом уравнений постоянства расхода и уравнений (5.16) и
(5.52) выражение (5.53) может быть представлено в виде
Wc (1 - е0)/(1 - е) + Wye = 0,86V- (5.56)
Так как Wc/Wp^n, то
п (1 - е0)/(1 - е) + 1/8 = 0,86еЧ/№р. (5-57)
Аналогичное выражение может быть записано и для задержки
твердых частиц:
n/Q + 1/[1 —Q(l —е0)] - 0,86 [1 -Q(l - е0)]Ч-0/№р. (5.58) ,
Это уравнение (рис. 5.14) объясняет принципиальную возмож-
194
/7=7.7
ч^_^ 1:3
> ' i i i i i 1 1 1
1 2 3 Ч 5 S 7 8 Wp/Uo
0 0,2 0,4 0,6 Wp/U0
Рис. 5.14. Зависимость задержки сорбента от нагрузки по раствору при
различных соотношениях потоков (противоточное движение фаз):
А — область свободного осаждения; Б — область стесненного осаждения;
задержка захлебывания
Рис. 5.15. Зависимость задержки сорбента от нагрузки по раствору при
различных соотношениях потоков (прямоточное движение фаз):
—прямоток; гидротранспорт; предельная задержка (^npe
-л/[1+л(1-80)]
ность существования двух режимов работы противоточных
аппаратов, т. е. получения двух различных задержек твердой фазы при
одной нагрузке по раствору (режимы свободного и стесненного
осаждения).
Кривая для я = 0 соответствует расширению кипящего слоя
и описывается уравнением (5.47).
Порозность (или задержку) слоя, при которой происходит
«захлебывание» аппарата, определяют, продифференцировав
уравнение (5.57) по е и приравняв производную нулю:
83 = [3-(1-80)П-У(1-80)2Д2+3(1-80)д]/3[1-(1-80)Аг].
(5.59)
Подставив значение е3 в уравнение (5.57), определяем
нагрузку захлебывания по сплошной фазе (№рз), т. е. максимальную
удельную производительность противоточного аппарата.
В интервале соотношений потоков 1,0^^^0,005 нагрузка
захлебывания может быть рассчитана также по эмпирическому
уравнению:
Ы^Я) = -0,9п0'35. (5.60)
Уравнения, аналогичные уравнению (5.58) для противотока,
могут быть написаны для режима прямоточного движения частиц
и жидкости:
n/Q-l/[l-Q(l-80)]=0,86[l-Q(l_e0)]^0/U7p (5.61)
13* 195
£
0,8
0,6
о,«
0,2
in ii ■
-\\
\ 1 1 \ VS.
'JJaJj
ь^.

и режима гидротранспорта частицг
л/О - 1/[1 — Й (1 — е0)] — 0,86 [1 — Q (1 — *J\*vjWv. (5.62)
На рис. 5.15 показаны графические решения уравнений (5.61)
и (5.62).
Анализ рис. 5.14 и 5.15 позволяет сделать вывод о том, что
значения задержек в режимах гидротранспорта и прямотока
близки к значениям задержек в режимах стесненного и свободного
осаждения соответственно, но достигаются при значительно
больших нагрузках по сплошной фазе. Очевидно, что для аппаратов,
в которых реализуются режимы прямотока и гидротранспорта, не
существует понятия: «нагрузка захлебывания», и они могут
работать с удельными производительностями, значительно
превышающими характеристическую скорость дисперсной фазы v0.
Глава 6
МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА И
МАСШТАБИРОВАНИЯ ИОНООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Для радиохимических процессов, в том числе и ионного обмена,
наличие надежных методик расчета и масштабирования
оборудования является одним из условий его применения, так как из-за
специфики производства организация испытаний аппарата любого
масштаба на реальных средах связана с большими затратами
средств и времени, а иногда просто невозможна. В
гидрометаллургии урана и других элементов создание и изучение работы
пилотных и головных образцов оборудования не вызывает затруднений,
однако эти исследования, а особенно испытание головных
промышленных образцов на производственных средах, требуют
значительных средств, которые могут быть существенно сокращены
при разумном сочетании расчетных и экспериментальных работ.
К настоящему времени для ионообменного оборудования проделан
большой объем работ по созданию методик их расчета и
масштабирования, однако большинство материалов по указанному вопросу
не обобщено, что сдерживает применение эффективных
конструкций аппаратов.
Ионообменный процесс состоит, как отмечалось выше, из
нескольких операций — сорбции, регенерации ионита, промывки
(отмывки) его от исходных (сорбционных, регенерационных)
растворов и др.
В аппаратах периодического действия (фильтрах и т. п.) все
операции — сорбции и т. д. — проводят в одном контакторе.
В аппаратах непрерывного действия каждая операция идет в
одном (или группе) контакторе, причем при выборе и расчете
аппаратов необходимо учитывать особенности каждой операции,
196
так как при этом можно уменьшить капитальные затраты. Для
процессов сорбции и регенерации предложен сравнительно
большой ассортимент оборудования (см. табл. 3.6), а для промывки
(отмывки) ионита выбор эффективных конструкций весьма
ограничен. По данным промышленной эксплуатации, для этих целей
наиболее подходит пульсационная колонна со свободным
движением сорбента (см. табл. 3.6). Следует отметить, что в
некоторых технологических процессах отмывку ионита приходится
проводить как от физически захваченной влаги, в которой содержится
удаляемый компонент, так и от иона, который прореагировал с
активными группами или матрицей смолы, т. е. операция отмывки
включает отмывку ионита от компонента, содержащегося в
захваченной влаге, и удаление иона из захваченной влаги и матрицы
ионита.
Эти два процесса существенно различаются по своим
технологическим характеристикам, что необходимо учитывать при расчете
этой операции.
Кроме основного массообменного оборудования, ионообменная
установка включает ряд вспомогательных узлов и аппаратов (см.
гл. 4) — дозаторы, разделители, систему КИПиА, которые также
необходимо выбрать и рассчитать.
Таким образом, при проектировании и создании ионообменной
установки должен быть проведен комплекс расчетных работ.
Существуют классификации инженерных методов расчета
ионообменного оборудования для операций сорбции, регенерации. Они
объединены в несколько групп:
методы, основанные на балансовых соотношениях;
методы, применяющие основы теории массообменных процессов;
методы, использующие математические модели ионообменных
аппаратов и процессов.
Методы, основанные на балансовых соотношениях, имеют
ограниченную область применения, они используются в основном Для
расчета аппаратов периодического действия или вспомогательного
оборудования. Поэтому они будут рассматриваться при
обсуждении особенностей расчета таких аппаратов. Специальному
обсуждению в работе подвергается метод, основанный на теории
массообменных процессов, как наиболее универсальный.
При расчете ионообменного аппарата задаются следующие
параметры: производительность (по раствору, пульпе) Q (м3/4),
начальные и конечные концентрации в фазах — х1Ъ уя; хКу ук (г/л),
тип и марка ионита. Предварительно в лаборатории определяются:
физико-химические свойства системы раствор (пульпа) —ионит: о\
р, ц, коэффициент набухания ионита &паб, скорость движения
ионита vo в растворе (пульпе) для всех операций процесса;
кинетические характеристики у, х— f\(x) процессов для
различных диапазонов концентраций;
равновесное распределение элемента (элементов) в
зависимости от условий (кислотности, содержаний солей и т.
п.)—изотермы сорбции, регенерации, промывок.
197

По изотерме определяется допустимое насыщение (регенерация)
ионита ук= (0,7-f-0,9)yp, соотношение потоков фаз п:
П=(ХЯ- *к)/(#к - Уп) = Qcop/Qp = ^сор/^р. (6Л)
Рассмотрим методы расчета диаметра и высоты массообменного
аппарата, а также необходимых элементов вспомогательных узлов
установки.
Расчет диаметра ионообменного аппарата ведется по
известному соотношению:
DK=l,13VQffi. (6.2)
Удельная производительность (нагрузка), линейная фиктивная
скорость раствора (пульпы) определяются типом аппарата и
режимом его работы. Методы расчета Wv для отдельных типов
аппаратов приведены в соответствующих разделах (см. ниже).
6.1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА, ОСНОВАННЫЕ НА ТЕОРИИ
МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Общая высота ионообменного аппарата складывается из
высоты, необходимой для проведения массообменного процесса, #р.3
и высот разделительных зон (нижней, верхней), предназначенных
для разделения смолы и раствора (пульпы) и предотвращения
уноса мелких фракций ионита:
^к = Яр.а + Яр + Я0Т. (6.3)
Габариты разделительных зон (диаметр, высота)
определяются типом аппарата и свойствами системы. Порядок их расчета
будет рассматриваться при обсуждении особенностей расчета
конкретных типов аппаратов.
Для расчета высоты массообменной части аппарата можно
использовать несколько подходов в зависимости от типа реактора,
имеющихся результатов гидродинамических исследований
выбранной конструкции:
#р.з = № КМП = А>т КМП; (6.5)
# р.з = hJJn КГП = [В7/Р (1 - 80)] ] dC/(C - Ср) КГП; (6.6)
о
Яр.в=й>тКГП. (6-7)
В общем случае высота массообменной части аппарата #рз
должна быть такой, чтобы обеспечить эффективное проведение
массообмена (время пребывания реагентов в аппарате, поверхность
контакта фаз и т. п.) и компенсировать возможное снижение
эффективности работы аппарата за счет несовершенства
гидродинамики— гидравлических помех (неравномерности распределения
198
фаз по сечению, канального движения реагентов, застойных зон,
продольного перемешивания).
Как отмечалось выше, в радиохимических процессах невозможно
получить достаточно надежную информацию о работе пилотного
образца аппарата на реальных производственных средах, поэтому
применение для расчета промышленных аппаратов коэффициента
масштабного перехода вызывает трудности. Выход один — искать
пути возможного расчета оборудования для таких процессов по
результатам лабораторных исследований. Здесь наряду с
методически новым подходом необходимо создание конструкций таких
аппаратов, изменение эффективности которых могло бы
происходить с ростом диаметра только вследствие продольного
перемешивания, которое можно сравнительно просто найти при
гидравлических испытаниях аппарата. Такие конструкции в принципе
имеются — пульсационные колонны с распределительной насадкой
КРИМЗ [51. В связи с этим для учета влияния гидродинамических
помех в массообменных аппаратах предлагается использовать
КГП — коэффициент гидродинамических помех, представляющий
гобой отношение эффективности промышленного аппарата ВЭТС,
ВЕП, КПД и т. п. к эффективности, обусловленной только массо-
передачей:
mi = hnJhH = (NjNnp). (6-8)
Преимущество оценки несовершенства гидродинамики через
КГП заключается в том, что для его определения необходимы
данные лабораторных исследований процесса и результаты
испытаний (гидродинамических, технологических) одного аппарата, в
то время как для нахождения КМП нужны результаты
технологических исследований двух аппаратов — пилотного и
промышленного.
Взаимосвязь между КМП и КГП описывается сравнительно
простыми соотношениями:
КМГГ='КГШМ/(ЛМ + hm6J; (6.9)
КГП = КМП (1 + hno6JhM). (6.10)
Выражение для расчета высоты единицы переноса
ионообменного промышленного аппарата описывается уравнением
"пр = "м1 + "м2 + ("доб..т + ^доб.у)пр = Ьм + ^доб.пр* (6.11)
Лпр = К +'?{%№ +%/W$, (6.I2)
где AiM — высота единицы переноса, обусловленная массопередачей
вследствие внешней (ftMi) и внутренней "(Ам2) диффузии \hM=hMi +
+ hM2), а для Лдоб = йдоб.х + АДоб.7/ — добавочные составляющие,
обусловленные гидродинамическими помехами, в частности продольным
перемешиванием.
199

Кроме того, Лщ, можно найти и через КМП, если имеются
результаты испытаний модельного образца:
Лпр = К КМП = (hM + /гдоб.л) КМП; (6.31
КМП = hnv!K = 1 + (/гдоб.пр-Адоб.л)/Ал; (6.14)
КГП = hlw/hM = 1 + /гдоб.пр/^м. (6.15)
Выражения (6.13), (6.14) справедливы и при расчете аппарата
через высоту, эквивалентную теоретической ступени (Л/ = ВЭТС),
но при этом необходимо учитывать их взаимосвязь [215]:
при линейной изотерме
hjti* - NT/Nn = (арп — 1)/1п о^п; (6,16)
при криволинейной изотерме
NT**(NntOX + Nn,oy)/2; (6.17)
l/h'K(l/hox+l/hoy)/2. (6.18)
Таким образом, расчет ионообменного аппарата состоит из двух
частей: расчет эффективности, обусловленной массопередачей (Лм),
и нахождение добавочных составляющих вследствие
гидродинамических помех (Лдоб). Надежно рассчитать эффективность работы
аппарата можно только для конструкций, в которых
гидродинамика и, в частности, распределение реагентов по сечению и высоте
реактора, как-то организованы. В другом случае учет таких
факторов, как каналообразование, особенно в промышленных
ионообменных аппаратах со сплошным слоем сорбента, практически
не представляется возможным, так как режимы их в процессе
эксплуатации не остаются постоянными. И здесь при отработке
конструкции ионообменников и особенно элементов, создающих
равномерное распределение фаз, — распределителей потоков,
тарелок и т. п., незаменим метод гидродинамического
моделирования [159].
Рассмотрим состояние работ по расчету ионообменного
оборудования и наметим комплекс экспериментальных исследований,
которые необходимы для создания надежных методов расчета и
масштабирования.
Для расчета высоты массообменной части аппарата необходимо
знать NUT, hM и КГП, Лм и Лд0б, йл и КМП [уравнения (6.4) —
(6.15)].
Число теоретических ступеней контакта для случая, когда
изотерма описывается прямой линией, находится по выражению
[215]
JVT = [lnfo-*9/fa-4)]/Invr. (6.19)
При криволинейной изотерме NT находится
графоаналитическим методом (рис. 6.1, а).
200
У1
УпЧ-
. ^^^_.
1
//fx-xp)
1
1 1
г
—*-|
*)
')
*и X
Рис. 6.1. Графические методы расчета числа теоретических ступеней контакта
Nr (а) и единиц пересноса (б) Nn
Общее число единиц переноса
Nn = JdC/(C-Cp)=S»
(6.20)
вычисляется аналитически, в частности методом графического
интегрирования (рис. 6.1, б).
с
Интеграл f dC/(C—Ср) показывает изменение концентрации
о
на единицу движущей силы.
Движущая сила процесса определяет области протекания
процесса и количество переданного вещества:
(6.21)
йМ = $xAxdVcop = ^AydV,
сор
ИЛИ
ряД* = Р,Ду. (6.22)
Она не постоянна по высоте аппарата (рис. 6.2), так в точке
В: A{/=(j/p.K —J/к), а Е\ Ау~= (yVM — ун). В общем случае
АС = (Сн - Q / Cf dC/(C - Ср) = (Сн - Cu)/Nn. (6.23)
/ с«
При линейной изотерме (или в пределах одной ступени
изменения концентрации)
АС = (ДСН - AQ/ln (ACH/AQ. (6.24)
Для технических расчетов в пределах одной ступени
ДСст = (АСн+АСк)/2. (6.25)
Движущая сила реального процесса существенно зависит от
типа аппарата (вытеснения, смешения), режима смешения (идеаль-
20!

Ур.к
^
Рис. 6.2. Средняя движущая
сила процесса в аппаратах
вытеснения (противоточных,
прямоточных) и смешения
(при х=const)
L " с 1
П/р.н Ь
1 / Е
/ /
L I
<^ ц
а\
•———i—*j
ное смешение обеих или одной фазы),
характера движения реагентов — проти-
воточное, прямоточное (табл. 6.1 ирис. 6.2
и 6.3). Сравнение движущих сил для
аппаратов различного типа, работающих
при прямоточном или противоточном
движении фаз, показано на рис. 6.2, из
которого видно, что поскольку в
противотоке Ау=[(Ур,к—Ук) + (Ур,я—Унл)]/2 =
= (BC + ED)/2, в прямотоке Ау=(урн—
—yH,i)/2= (AB + BC)_/2= (BC + ED)/2, а в
режиме смешения Дг/= (r/p.H—r/H,i)/2 = ED,
то
АС
противотока
дс,
прямотока
>АСС
аппараты вытеснения
Влияние характера смешения на АССТ в пределах одной
ступени и рекомендуемые соотношения для расчета и числа единиц
переноса Л^п.ст представлены в табл. 6.1 и на рис. 6.3. Режим
идеального смешения обеих фаз имеет наименьшую движущую
силу АС
Высоту слоя ионита, эквивалентную теоретической ступени
(ВЭТС), обусловленную массопередачей АМ = АМ1 + ЛМ2, можно
найти по уравнению Глюкауфа:
ВЭТСМ = 1,64#ч + ар/(ар + е)2 + 0,142/#Р/р2 + ар/(ар + е)2 X
X 0,266/$^ (1 + 70R4W). (6.26)
Высота слоя ионита, эквивалентная одной единице переноса, может
быть найдена по соотношению [25]!
К = ВЕП = W/ф, + р2) (1 - 80). (6.27)
Несмотря на то, что уравнения (6.25) и (6.27) учитывают
все стадии протекания ионообменного процесса — внешнедиффу-
зионную, внутридиффузионную и смешанную кинетику,
практический расчет hM' затруднен из-за отсутствия значений
коэффициентов внутренней (Рг) и внешней диффузии (Pi), учитывающих
специфику конкретного процесса. Их можно найти при лабораторных
исследованиях.
Расчет высоты аппарата нужно вести по требуемому времени
контактирования тт (при р = const по высоте колонны):
нм = hm^n = h'MIVT = тт/т(
сор»
где
тт = (Уп—Уи)/ДУВк.
(6.28)
(6.29)
которое может быть найдено для любого реального
технологического процесса по результатам лабораторных исследований кине-
202
О у
3
н
о
ю
а
а.
и
о
S
х.
*'*>
4>
О.
*
со
3 со
9
Я
е*
раз
в;
et
etf
0
в
X
О)
П.
<v
с
Я"
Я
X
со
(j
Я
а-
п
>—*
а
н
S
S
о
S
2
а>
о
«=;
о
+
■*
Vх
+
с^
О»
3 Э
3 со
я о
»я к
S*
г=[ 3
£ ее
«о
2 я
3 *
si.
3^
СО >>
н
О ев
«S
Н ев
ее?
+
СУ
СО.
О
<
о
S- О '—*- О.
* U. ~ °
с со. I =з>
Й
+ ,
I
V
+
+
I
+
■3
с а
V
^ I С
^
С
о
о
'Я
^
со
о
к
I
S
Is
я.
8."
i»P.
Ч
а>
I s g
* a 5
Он Зо
203

Рис. 6.3. Изменение рабочих концентраций и движущей силы процесса на высоте
аппаратов, работающих при противотоке (а), прямотоке (б) фаз, их идеальном
перемешивании (в), идеальном перемешивании раствора и идеальном
вытеснении сорбента (г), идеальном перемешивании сорбента и идеальном вытеснении
раствора (д) и при противотоке с обратным перемешиванием (е):
1 — кривая равновесия; 2 — рабочая линия процесса; 3 — изменение равновесной
концентрации и 4 — концентрации в сорбенте по высоте аппарата; At/H, Дг/К — движущая сила
в начале и конце процесса. Заштрихованные области соответствуют потери движущей
силы по сравнению с противотоком
тических и статических характеристик реальной системы, как это
рекомендуется в гл. 2:
Тсор ^ Wop> (6.30)
&, Wcop находятся для конкретного аппарата сравнительно просто
(гл. 5).
Следует заметить, что требуемое для процесса массообмена
время Тт различно для аппаратов смешения или вытеснения в
соответствии с изменением движущей силы процесса, т. е.
Тт противотока = Тт прямотока "СТт смеш (СМ. рИС. Ь.2) .
В случае необходимости при Вк = const по высоте аппарата по
результатам лабораторных исследований можно найти ВЕП и
205

У
Ук
Ун
Ур^У^УугМ 1
/с
А
/У
\S
/ 1
1
1_ 1
ВЭТС:
Лм=ВЕПм = ^сорЛ2Як; (6.31)
К = ВЭТС = W^NjN&B*- (6.32)
Если £K¥=const по высоте аппарата
(зависит от концентрации и т. п.),
высоту аппарата следует рассчитывать
по ступеням изменения концентрации
с учетом АССТ, Nn.ct (табл. 6.1)
Рис. 6.4. Определение числа
тарелок с помощью
вспомогательной кинетической кривой
ям =
hJV,
ст,п»
(6.33)
Нял = (Сн.ст - С„.И)/АССТ. ' (6.34)
При Вк = const высоту аппарата можно также найти по
ступеням изменения концентрации:
#м = hCTNnXTNT. (6.35)
Высоту массообменной части в многоступенчатых противоточ-
ных аппаратах со взвешенным слоем ионита, разделенных
тарелками (колонны с транспортирующей пульсацией), можно вести
с помощью так называемой кинетической кривой (рис. 6.4).
Положение точки С на кинетической кривой находится по
уравнениям, приведенным в табл. 6.1. Число тарелок пт определяется
ломаной линией между рабочей линией и кинетической кривой.
Общая высота колонны находится по уравнению: при ЛЯ>ЛТ и
Вк = const
#р.з = Мт5 (6-36)
ПрИ Ля<Лт #р.з = ЛяЯт-
На основе общего уравнения массопередачи можно найти и
высоту ионита при образовании стационарного фронта сорбции
в аппаратах периодического действия. Действительно, количество
сорбируемого ионита вещества определяется по основному
уравнению массопередачи:
dM = р (x-Xv)dVC0V = р (х-хр) (1 -e0)dVK =
= Р (* - *р) (1 — е0) 5кйЯк = SWdx,
откуда
dHK
= Р*7Р(1
[Щ (1 -
- г0)] dx/(x — хр);
о
е0)] J dx/(x — xp).
(6.37)
(6.38)
(6.39)
Интеграл j dx/(x—xp) находится в интеграле
0 + 6 = Ск (рис!°6.5).
206
Сп б = См
Уа
Ун
а)\
/Hi
//х-хр)|
лрм Лн Ло
*нх0
Рис. 6.5. Изменение рабочих концентраций (а) и определение АУ (б) в
аппаратах периодического действия
Средняя движущая сила для этого случая
о
Дл: = х0 J dx/(x — хр)
или, если принимать хв < х0 — S и хк > б + 0,
_ /*н
А* = (*н — *к) / f d*/(* — V'
/ хк
тогда при Q = М/х0
HK=\Qfdx/(x-xp)\ /p5K(l—е0);
.• = [#■
»»о Л
Q j dx/(x — xp)
[2pSK(l-8o)].
(6.40)
(6.41)
(6.42)
(6.43)
Гидродинамические помехи сильно влияют на эффективность
работы промышленных аппаратов, особенно в конструкциях, где
не происходит систематическое перераспределение реагентов
(табл. 6.2).
Гидродинамические помехи учитываются с помощью
добавочной составляющей эффективности йДОб, коэффицентов масштабного
перехода (КМП) и гидродинамических помех. Наиболее правильно
гидродинамические помехи учитываются через добавочную
составляющую Лдоб:
^пр — ^м "г ^доб.пр ^л ~г (Дцоб,пр ^доб.-ij»
(6.44)
причем здесь возможны три случая:
1. Для систем с малым временем устанавливаются равновесия
Тр.ст^1-^2 МИН, Лм<^доб И Лпр = Лдоб.
В ионообменной технологии этот случай встречается редко. Его
применяют при расчете аппаратов для процесса отмывки ионита
от компонента, находящегося в физически захваченной жидкости.
В этом случае изотерма — прямая линия, число ступеней отмывки
более четырех — шести. Для расчета высоты аппарата прини-
207

faблицa 6.2. Влияние гидродинамических помех на работу сорбцйонных
колонн диаметром 2,4 м (Як = 9 м) различного типа. Сорбция РЗЭ из растворов
сложного солевого состава катионитом КУ-2-8 (т ст=о,8 ч) [б]
Тип колонны
С движущимся слоем
(KDC)
Тарельчатая с
движущимся слоем
Пульса ционная
тарельчатая с малой
величиной задержки
пск-со
Пульсационная
тарельчатая со средним
значением задержки
Число колонн, шт.
5
4
4
2
Режим работы
с* 1
50
50
7
20
я
к
2
S
800—1000
800—1000
Среднее время
пребывания сорбента, ч
20
16
2,2
0,8
Число
теоретических
ступеней
расчет
266
213
30
10
1
о
4
8
8
7
•
и
67
26,6
3,8
1,44
кмп*
1,1
* КМП— коэффициент масштабного перехода, КМП=А /Лд; КГП — коэффициент
гидродинамических помех, КГП = h /h .
мается кя = кМу тогда #Р.3 находится по соотношению (для пульса-
ционных колонн с насадкой КРИМЗ)
#р.з = W (6.45)
2. Для систем с большой продолжительностью установления
равновесия тр.ст>10~12 ч при диаметре аппарата Z)K^2 м
йм»Лдоб, с определенным допущением можно принять к^^кШ1
расчет которой не составляет труда.
3. Наиболее часто встречаются в ионообменной технологии
системы, в которых 0,3 ч^,тр.ст<12 ч, поэтому здесь расчет вы^
соты массообменной части аппарата должен проводиться с учетом
как массопередачи, так и гидродинамических помех, т. е. Лщ> =
= Лм+/1Доб. В общем случае
Адоб = 6 [Ех (1 - Q)/Wx + £copQ/reQP]. (6.46)
Значение 8 зависит от массообменного фактора аРп. При арл=1
6 = 1; если арпф1, то 6<1 [288].
К настоящему времени данных о £СоР для ионообменного обо-
рудования практически нет, так как измерение продольного пере-
мешивания в фазе ионита не простая задача. В связи с этим
рассмотрим возможный вклад этой составляющей в общую эффек-
208
f аблица 6.3. Значения коэффициентов продольного перемешивани я для
пилотных образцов (DK=0,2 м) пульсационных колонн различного типа
Тип колонны
Со свободным
движением ионита
пск-со
Со стесненным
движением сорбента
С
транспортирующей пульсацией
С плотным слоем
ионита
Режим работы
Wp, м/ч
10—20
10—20
25—40
2,6
50—80
"Wм/4
10—20
10—20
0,3—0,7
0,16
—
/, мин-1
100—200
100—200
1
48
0,1
/, мм/мин
600—1800
600—1800
100—160
90—180
6—12
Ех, см*/с
1—2,5
20
4-6
20—40
смг/с
6,0—10
0,1—0,3
0,2—0,05
0,25—0,025
0,6—0,1
тивность процесса. Для этого проведем поэлементный анализ
СОСТаЕЛЯЮЩИХ /1доб.*/Лд0б.сор = ф
Ф=Л*Ао*я+1, (6.47)
где kw=Wcov/WVy kQ=(l — Q)/Q, kE = Ex/EC0V.
Для колонн со свободным движением сорбента, например
ПСК-СО; & технологических процессах kw=-n=l-i-4, £q=1-=-5.
Продольное перемешивание (табл. 6.3) в фазе раствора (пульпы)
в колоннах небольшого сечения /)к^0,2 м £х=1,5-=-2,5 см2/с и
существенно возрастает с увеличением DK до значения Ех =
= 20—25 сш2/с и более [5]. В фазе сорбента на рабочих режимах
ЕСОр=№—12 см2/с, т. е. для таких аппаратов промышленного
диаметра (Z)K>0,6 м) kE=l-±-2. Таким образом, коэффициент q>
значителен и вклад по смоляной фазе можно не учитывать. В
процессах очистки сточных вод kw = 0,1-=-0,01; &о = 10-=-20, т. е.
kwku&l, и, очевидно, вклад смоляной фазы в общую
эффективность необходимо принимать во внимание.
Для колонн с плотным слоем ионита £cop = 0,05-f-0,25 см2/с, а
^=10-7-20 см2/с [5]; В результате для всех технологических
процессов ф»1, ионообменные аппараты можно рассчитывать по
результатам измерений продольного перемешивания только в фазе
раствора.
Таким образом, для большинства процессов и аппаратов с
определенным допущением расчет можно вести с учетом только
продольного перемешивания в растворе (пульпе). Этот вклад можно
найти с использованием ряда соотношений, предложенных
различными авторами [216, 217]:
Лдоб.» = Фм^/Zc^cop; (6.48)
14 Зак. 1735 209

/с = 1/фс + [1 _ 1/ccpAzJ Ёх (1 - Q)/lTp/inp; (6.49)
Фв = 1 - [1 - exp (- Рех)/Рех; (6.50)
фм=1 — коэффициент, учитывающий влияние массопередачи при
аР/г=1, 1//с = Фс
При этом для учета влияния гидродинамических помех
используется эффективный коэффициент продольного перемешивания.
Предполагается, что он включает в себя такие гидродинамические
эффекты, как турбулентная диффузия (т), продольное
перемешивание (пп) и поперечная неравномерность (п) [159]:
ЕЭХ=ЕТ + Еп.и + ЕП = Е11 + Кп, (6.51)
где /Сп — коэффициент поперечной неравномерности, который
связан с коэффициентом поперечного перемешивания соотношением
Ka = f0DjEx, (6.52)
т. е.
E3x = Eb+foDK/E±. (6.53)
Здесь /о — характеристика поперечной неравномерности, зависящая
от конструктивных факторов и диаметра аппарата.
Практическое определение /о, Е± недостаточно разработано
даже для простых случаев. Применительно к сорбционным
колоннам даже не предпринимались попытки измерения указанных
величин. Поэтому задача конструктора и далее исследователя
сводится к тому, чтобы при проектировании, а затем при опытно-
промышленных наладках обеспечить равномерное распределение
реагентов по сечению и исключить канальное движение фаз и
застойные зоны. Это делается сравнительно просто методом
гидродинамического моделирования или созданием конструкции
ионообменного аппарата, в котором осуществляется систематическое
перераспределение фаз по высоте и сечению пульсационного
реактора [5]. Например, в пульсационной сорбционной колонне с
насадкой КРИМЗ диаметром 3,4 м обеспечивается распределение
реагентов по сечению без каналов и застойных зон (рис. 6.6)
при достаточно высоком значении коэффициента поперечной
неравномерности, т. е. в таких конструкциях с достаточной точностью
можно принять Ехэ = Ец.
Значений КМП для ионообменных аппаратов практически нет,
хотя в промышленности работает значительное число колонн типов
КНСПР, ПНК, СНК в процессах регенерации ионита, пачуков на
операциях сорбции урана из растворов и пульп. Поэтому пока
при расчете ионообменного оборудования приходится пользоваться
балансовыми соотношениями или принимать величину КМП с
большим запасом, что приводит к лишним капитальным затратам.
Необходимо обратить внимание разработчиков на недопустимость
такого положения, необходимы данные по гидродиамическим
характеристикам новых конструкций и величинам КМП.
Следует отметить, что для расчета промывных аппаратов не-
210
Рис. 6.6. Зависимость функции интенсивности
от безразмерного времени контактирования в
колонне диаметром 3,4 м:
/, 2 — ввод красителя в реакционную зону; 3, 4 —
ввод красителя в нижнюю отстойную зону
/ Z
безразмерное время
обходимо учитывать, где находится удаляемый компонент —
в захваченной ионитом влаге или матрице смолы. В общем случае
расчет Ярд промывных колонн следует вести по уравнению
Яр.з = hnNT + (hM + Адоб.х) #;,
(6.54)
где N/ n NT — число теоретических ступеней отмывки и удаления
компонента из матрицы соответственно.
Для рекомендованной конструкции аппарата — пульсационной
колонны с насадкой КРИМЗ, работающей в режиме свободного
движения ионита, имеются надежные данные по коэффициентам
продольного перемешивания Е и величинам КМП и КГП.
6.2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА, ОСНОВАННЫЕ
НА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ ИОНООБМЕННЫХ
АППАРАТОВ И ПРОЦЕССОВ
Типовые модели структуры потоков в аппаратах химической
технологии, в том числе и ионообменном оборудовании, показаны
на рис. 6.7. Наиболее часто используется диффузионная модель.
Применение двухпараметрической модели не представляется
возможным, так как данные по коэффициентам радиального
перемешивания по всем существующим конструкциям ионообменных
аппаратов отсутствуют. Использование однопараметрической
модели не вызывает затруднений, если есть данные о коэффициентах
продольного перемешивания Ех.
В общем виде для одномерного описания системы уравнение
имеет вид [24, 25]:
WdCjdZ + е0дС(/дт + ду/дт = г0д2Сг/д22. (6.55)
Для решения дифференциального уравнения материального
баланса необходимо дополнить кинетическими соотношениями
ду/дт = [г(ху у) (6.56)
и уравнением изотермы
y=f*(x)
(6.56а)
14* 211

Таблица 6.4. Расчетные и экспериментальные данные процесса сорбции РЗЭ
в пульсационных колоннах типа ПСК
П м
ик* м
0,2
0,6
0,9
1,5
2,4
Як, м
2,0
4,5
8,0
4,8
9,0
м3/(м*-ч)
10
10
10
10
6
ВЭТС, м
Расчет
1,3
1,5
1,8
1,7
2,2
Опыт
1,5
1,5
1,8
—
3,0
кмп
1,0
1,0
1,2
—
2,0
начальные и граничные условия. Для указанных систем существует
много решений в зависимости от видов уравнений кинетики,
изотерм. При этом в расчетах используются различные
математические методы и приемы решения задач: метод характеристик,
операционный метод статических моментов, метод сеток с
использованием конечно-разностных схем и т. п. Подробная
классификационная схема методов расчета приведена в работах [6, 24]. Для
примера рассмотрим результат использования такой модели при
расчете пульсационных сорбционных колонн типа ПСК. При этом
принимается, что процесс сорбции описывается диффузионной
моделью, кинетика — внутридиффузионным уравнением, равновесие —
уравнением типа изотерм Ленгмюра:
ЕхсРх/сРН - W^dxIdH - (GBJFHVC0V) (yv - у) = 0; (6.57)
-dy/dH = (B/V00P)(yj>-yy,
Ух>=УооХ/(А + x).
При решении системы уравнений использовался метод перехода
к нестационарной задаче:
Ехд*х/д2Н - Wdx/dH - (GBJFkvC0V) (yv — y)= дх/дх. (6.59)
Граничные и начальные условия: при # = 0, х=хп и ExFK(dxfdH) =
= 0; при Я = Яр.3 у = Ук\ т = 0 х = #н, т. е. колонна заполнена исход-
щам раствором. В табл. 6.4 приведены расчеты для процесса
сорбции РЗЭ из нитратно-фосфатных растворов сульфокатионитов
КУ-2Х8,
(6.58)
213

Взаимосвязь между диффузионной и ячеечной моделями
определяется с помощью критерия Pe = EJWH (при А^>5-^6):
(Мя—1) = Ре/2. (6.60)
6.3. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ОТДЕЛЬНЫХ ГРУПП
АППАРАТОВ
6.3.1. АППАРАТЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
В аппаратах периодического действия ионит может находиться
в сплошном или псевдоожиженном слоях. Методика их расчета
существенно различается, но в любом случае необходимо найти
сечение, высоту аппарата и продолжительность его работы или
для заданного слоя ионита (диаметр аппарата, высоты слоя)'
определить нагрузку и продолжительность эксплуатации. Выбор
методики расчета определяется технологическим назначением
аппарата.
РАСЧЕТ АППАРАТОВ СО СПЛОШНЫМ СЛОЕМ
Для процессов очистки промышленных и сбросных вод, водо-
подготовки можно использовать расчет по балансовым
соотношениям.
Выбрав скорость раствора в пределах 10—15 м/ч Г28—311,
рассчитывают общее сечение фильтров и подбирают один или
несколько параллельно включенных стандартных фильтров близкого
суммарного сечения. Затем определяют реальную скорость
фильтрации для выбранных аппаратов и, если она находится в
заданных пределах, размер фильтров считают выбранным, поскольку
высота загрузки в стандартных фильтрах также
стандартизована (см. табл. 3.3) [301.
Рассчитав объем ионитов в фильтрах, можно определить
продолжительность их работы на операциях сорбции, т. н. фильтро-
цикла, как
Тф.п = усорпот&, (6.6i)
где ДОЕ — динамическая обменная емкость — определяется в
лаборатории по выходным кривым (см. гл. 2) или по изотерме
ДОЕ = 0,8ПОЕ. Она также может быть найдена и по табличным
данным [22, 451.
Продолжительность полного цикла работы сорбционного
фильтра составляет
Тц = Тф.ц + Тр, (6.62)
где Гр — продолжительность операций, связанных с регенерацией
фильтра.
Выбор продолжительности фильтроцикла определяется, с одной
стороны, экономическими соображениями (чем короче Тф.ц, тем
меньше и дешевле аппараты), а с другой — усложнением обслу-
214
живанйй при коротких фильтроциклах и возрастающем числе
параллельных ниток аппаратов и необходимостью автоматизации
управления такими установками. В промышленности приняты
продолжительности фильтроцикла: 24; 12; 8 ч.
В случае, если продолжительность фильтроцикла близка к
выбранной, как указывалось выше, расчет считается законченным.
Если Тф.ц меньше необходимого, то идут на снижение скорости
фильтрации и увеличение количества ионита за счет сечения,
высоты и объема фильтров.
Возможен и второй вариант расчета фильтра по балансовым
соотношениям. Задавшись продолжительностью фильтроцикла,
определяют объем ионита, необходимый для обеспечения заданной
продолжительности работы:
^сор = <2рТф.ц*/ДОЕ. (6.63)
Зная Усор и подбирая Wp в пределах, рекомендованных в
работах [28—31J, выбирают число и оптимальный размер стандартных
фильтров.
Более точные результаты могут быть получены при
предварительном экспериментальном исследовании процесса в лабораторной
колонне стандартного размера на реальной системе [7J. Они
позволяют определить динамическую обменную емкость при заданной
скорости раствора и высоте слоя ионита. Это дает возможность
проводить расчеты по уравнениям (6.38) — (6.43) с большей
точностью, а также для тех процессов, для которых отсутствуют
табличные значения ДОЕ и оптимальные №р.
При этих опытах обычно получаются данные по числу
«колоночных объемов» — тк, т. е. числу объемов раствора, очищаемых
до проскока одним объемом сорбента, что позволяет наиболее
просто определить необходимый объем ионита в промышленной,
установке:
^сор = Тф.ц0р/тк. (6.64)
Расчет фильтров по балансовым соотношениям не учитывает
влияния гидродинамических помех, однако дает достаточно
надежные результаты. Это объясняется двумя причинами:
высота стандартного фильтра сравнительно небольшая Ясл =
= 1-^-3 м, и первоначально организованное распределение фаз на
такой высоте существенно не нарушается;
в настоящее время конструкция дренажных и
распределительных устройств в фильтрах усовершенствована до такой степени,
что обеспечивает достаточно равномерное распределение раствора
по сечению аппарата.
При расчете аппаратов периодического действия со сплошным
слоем, предназначенных для переработки концентрированных
растворов, используют другие методы. Это обусловлено тем, что
имеющиеся стандартные фильтры с малой высотой ионита для
проведения таких процессов непригодны из-за того, что высота
реакционной зоны близка к зысоте слоя сорбента. Для увели-
215

Рис. 6.S. Изменение коннф*-
траций компонента в фазе
смолы (й) и раствора" {б)
по высоте слой в раз-ные
моменты работы:
Tj 2 — формирование фронта;
t3_e — параллельный
перенос фронта; *fe — началЪ
проскока; -Вт — насыщение
смолы
чения ДОЕ используют аппараты с высоким слоем ионита, а также
часто применяют карусельную схему (см. гл. 4), при которой на
операции сорбции работают два-три последовательно включенных
фильтра, и реакционная зона последовательно переходит из
аппарата в аппарат. На регенерацию выводится головной фильтр с
полностью насыщенным ионитом; реакционная зона в этот момент
находится в следующем аппарате. Этот прием дает возможность
перерабатывать растворы при очень малой скорости обмена, когда
величина Яр.3 может составлять несколько метров и быть близкой
или даже больше, чем высота слоя в одном аппарате. В этих
случаях проводятся комплексные лабораторные исследования, по
результатам которых затем определяются ДОЕ, /г, Wv, ЯР>3 и т. п.
Как правило, в таких процессах время пребывания раствора не
лимитирует процесс, т. е. скорость фильтрации раствора целиком
определяется технологическими показателями, которые можно
обеспечить при выбранной Wv, хотя в общем даже для проведения
процесса очистки ЖРО время пребывания раствора в аппарате не
должно быть менее 0,3 ч. Рабочая нагрузка таких фильтров может
быть выбрана в зависимости от способа подачи очищаемого
раствора — снизу, сверху, по данным рекомендаций, приведенным в
гл. 3 и 4.
Для понимания методики расчета таких аппаратов рассмотрим
работу сплошного слоя сорбента. При подаче очищаемого раствора
в начале процесса очистка происходит в лобовом слое ионита*
затем формируется сорбционный фронт определенной длины
(высоты) Яр.з, который движется в направлении движения раствора
со скоростью W$ (рис. 6.8).
На этом участке, называемом рабочим слоем или реакционной
зоной, происходит извлечение ионов из раствора от хш до хк и
насыщение сорбента от уп до ук. При приближении фронта к концу
216
слой йоййта начинается проскок извлекаемого компонента в
очищенный раствор (фильтрат), который увеличивается до тех пор,
пока концентрации на входе и выходе из слоя не сравняются
(рис. 6.8, б).
При достижении заданной концентрации компонента в
фильтрате подачу раствора прекращают и слой ионита регенерируют.
Данная упрощенная модель реализуется при выпуклой
изотерме сорбции, когда сформировавшийся сорбционный фронт
перемещается через слой сорбента без искаженной формы и длины.
Следовательно, при остановке аппарата в момент начала
проскока слой ионита состоит из участка с полностью насыщенным
сорбентом высотой Hi и участка, в котором сорбент насыщен
частично. Длина этого участка равна высоте реакционной зоны
(рабочего слоя) Яр>3. Таким образом,
Н = Нг + Н9л. (6.65)
Поглощающая способность сорбента в слое Яь равная
£Ф1 = (*н - *к) Qp^i = ЗД ПДОЕ, (6.66)
отнесенная к единице объема ионита
Vi = £ф1/5к#1, (6-67)
называется полной динамической обменной емкостью ПДОЕ. Она
близка к статической обменной емкости (СОЕ) при данной
концентрации раствора.
Емкость сорбента в рабочем слое используется не полностью.
Степень использования этой емкости зависит от формы сорбцион-
ного фронта. Поглощающая способность всего слоя сорбента равна
сумме поглощающих способностей слоев Н\ и Яр>3
Еф == £ф1 + ^ф.р.з — ^к (Н1У1 + ^р.зУраб) =
= Sk [Н1У1 - #р.з (уг - */раб)] (6.68)
и емкости смолы с учетом неполного насыщения конечного участка,
т. е. емкость до проскока, называется динамической обменной
емкостью ДОЕ:
у2 - £ф/5кЯ = [Н1У1 - #р.3 (У1 -*/раб)]/Я. (6.69)
Из уравнения (6.69) следует, что ДОЕ тем больше, чем меньше
#р>3 и больше уРаб- Длина участка с полностью насыщенным
сорбентом пропорциональна продолжительности работы Ti и скорости
движения сорбционного фронта №<$:
#i = ТхТ^ф, (6.70)
где Ti может быть найдена по уравнению Шилова.
Скорость движения фронта определяется емкостью смолы
(ПДОЕ), скоростью раствора и его концентрацией
В7ф = хИуПДОЕ; (6.71)
Нг - Т^НуПДОЕ. (6.72)
15 Зак. 1735 017

х/хн\
0,95
0,05±
х\ х1 х2 ?i
Рис. 6.9. Зависимость времени защитного действия от высоты слоя для
реального аппарата (сплошная линия) и при бесконечно быстрой скорости обмена и
прямоугольной изотерме (пунктирная линия)
Рис. 6.10. Выходная кривая сорбции для аппарата с идеальной (сплошная
линия) и реальной (пунктирная линия) гидродинамикой:
Ть Х'\ — начало проскока; %* — полное насыщение смолы
Для расчета Ti можно использовать уравнение Н. А. Шилова,
связывающего продолжительность работы слоя — времени его
защитного действия с характеристиками системы
Т^ВН — т0, (6.73)
где В — коэффициент защитного действия слоя, характеризующий
особенности системы в условиях равновесия; то — эмпирический
коэффициент, называемый «потеря времени защитного действия»
и характеризующий кинетические особенности системы.
В представляет собой время защитного действия слоя при
бесконечно большой скорости ионного обмена и предельно
выпуклой изотерме. В таком случае проскок наступает при практически
полном насыщении слоя (ДОЕ = ПДОЕ и Яр.3 = 0), и значение В
можно рассчитать по соотношению
В = (у + xJ/W^x, (6.74)
где у— насыщение смолы при концентрации раствора х, которое
находится по изотерме сорбции.
Поскольку у*>х, то
B~y/Wvx, (6.75)
и В является величиной, обратной скорости движения фронта
сорбции W$.
Значения коэффициентов в уравнении Шилова могут быть
найдены при фильтрации реального раствора с заданной скоростью
в стандартной колонне при нескольких значениях высоты слоя
сорбента Ясл (рис. 6.9). Пунктирная прямая из начала координат
относится к случаю с мгновенной кинетикой, когда Яр.3=0 и
потери времени защитного действия нет. Коэффициент В равен
тангенсу угла наклона кривой к оси Я.
218
Уравнение Шилова ё неявном виде связывает все основные
характеристики системы
T = yH/Wvx-x0. (6.76)
По уравнению можно определить время работы слоя при
заданном Яр.3 или высоту реакционной зоны
#р.з = #ел (Тр - ^/[Тр - (1 - Ф) (Хр - тн)], (6.77)
где тн—время появления за слоем проскоковой концентрации,
равной 0,05 хя\ тр — продолжительность опыта до появления за
слоем концентрации 0,95 хн; ф — фактор симметричности выходной
кривой, определяемый графически как соотношение площадей
(рис. 6.10)
<P = SA/(SA + SB). (6.78)
Определив значения Яр>3 для нескольких скоростей раствора,
рассчитывают минимальную высоту слоя ионита, при которой
уменьшение обменной емкости по сравнению с полной составит
10—20%, так как считается, что при Ярз = (0,1-^0,2)Я ДОЕ
должна быть не менее 80—90 % ПДОЕ.
Следовательно, для расчета необходимой длины слоя при
заданных Т, Wv и С необходимо определить ПДОЕ и высоту
реакционной зоны Яр>3.
Рабочая емкость сорбента при данной исходной концентрации
раствора находится по изотерме сорбции (см. рис. 6.1).
Высоту рабочей зоны можно рассчитать также по уравнениям
массопередачи (6.39) — (6.42) через ВЭТС, как это показано выше.
Она зависит от скорости раствора, причем тем больше, чем
медленнее процесс сорбции, и от концентрации извлекаемого
компонента, возрастая вместе с ней (поскольку увеличивается
необходимое ЧТС). Кроме того, в реальных аппаратах из-за
неравномерности поля скоростей движения раствора проскок наступает
раньше, чем при поршневом его движении, т. е. реальная Яр>3
оказывается больше, чем рассчитанная только по уравнениям
массопередачи. Следовательно, при расчете Яр.3 необходимо
учитывать как технологические характеристики процесса, так и
гидродинамическую обстановку в аппарате. Это может быть сделано
по изложенным выше методикам.
Такие расчеты могут быть проведены только при наличии
данных по кинетике и статике процесса, т. е. изотермы и кинетической
кривой сорбции, а также данных по гидродинамике слоя сорбента
применяемого типа в аппаратах промышленных габаритов,
которых в литературе нет.
Расчет высоты реакционной зоны можно выполнить по
многочисленным эмпирическим и полуэмпирическим формулам,
описанным в работах [24, 27, 31, 35]. Однако они справедливы только
для определенных ионообменных материалов и процессов и не
учитывают гидродинамику реальных аппаратов. Поскольку данных
по гидродинамике таких конструкций пока нет, их рассчитывают
по выходным кривым, принимая Яр.3 с запасом.
15* 219

РАСЧЕТ АППАРАТОВ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ
Колонны с псевдоожиженным слоем ионита (ПОС) широко
использовались для извлечения металлов из мутных растворов и
легких пульп. Их основные отличия от фильтров состоят в том,
что сорбент интенсивно перемешивается по высоте и сечению
аппарата и его объемная концентрация меньше, чем в сплошном
слое.
Такие аппараты не могут быть рассчитаны с помощью
уравнений массопередачи, так как данных по продольному
перемешиванию нет, поэтому их рассчитывают по упрощенной схеме.
Рис. 6.11. Распределение концентрации извлекаемого компонента в растворе и
сорбенте по высоте аппарата с псевдоожиженным слоем при идеальном
перемешивании сорбента (а), в реальных условиях (б) и в каскаде из трех колонн
(в):
т —время работы аппарата; хп, хк — начальное и конечное содержание компонента в
растворе; 1—3 — номер аппарата
220
В идеальном случае, когда весь слой сорбента в аппарате
идеально перемешан по высоте, а раствор движется через него
в поршневом режиме, концентрация в смоле возрастает
одновременно во всем слое. В растворе концентрация изменяется на
некоторой длине слоя, причем концентрация выходящего раствора
равна равновесной концентрации с сорбентом. При насыщении
сорбента до значения, при котором xv = xViTh начинается проскок
извлекаемого вещества (т2 на рис. 6.11, а). В дальнейшем аппарат
работает на насыщение смолы.
В реальном аппарате перемешивание сорбента по высоте
происходит с конечной скоростью, поэтому в слое сорбента всегда
существует градиент концентраций (см. рис. 6.3, г и 6.11,6).
Степень перемешивания сорбента зависит от расширения слоя, причем
она тем больше, чем выше расширение слоя, т. е. отношения высот
кипящего слоя Я к его первоначальной высоте Я0.
При изучении работы псевдоожиженных слоев сорбента
различной высоты установлено, что при расширении слоя от 1 до 2
в слое формируется такой же сорбционный фронт, как и при
неподвижном сорбенте. При этих условиях скорость перемешивания
слоя оказывается меньше, чем скорость насыщения сорбента. При
этом имеется потеря времени защитного действия (по Шилову) и
аппарат может быть рассчитан таким же образом, как и аппарат
с плотным слоем, с учетом того, что объемное содержание ионита
в ПОС меньше, чем в сплошном слое, на величину расширения
слоя и равно задержке смолы Йс, определенной по рис. 5.14. Во
столько же раз больше скорость движения фронта сорбции.
При скоростях раствора, обеспечивающих расширение слоя
более чем в 2 раза, скорость сорбции оказывается меньше, чем
скорость перемешивания сорбента, и аппарат по характеру
изменения концентрации приближается к аппарату с идеальным
перемешиванием сорбента. Сорбционный фронт не формируется, и
потеря времени защитного действия равна нулю (рис. 6.11,6).
В этом случае %=kH, т. е. время защитного действия слоя прямо
пропорционально его высоте, и
^=>pQ/fi7p*H. (6.79)
Задаваясь величиной т, можно определить общую высоту
взвешенного слоя.
Колонны со взвешенным слоем сорбента обычно работают при
скорости раствора, обеспечивающей расширение слоя около 1,5—2.
Для разных ионитов эту скорость можно найти по кривой
Q — f(WJvo) (см. рис. 5.14) для значения Q = 0,5-h0,7. Для катио-
нита КУ-2-8 в воде она равна 7—15 м/ч. Сечение колонны
рассчитывают по обычной методике.
Для обеспечения достаточно высокого насыщения сорбента,
выводимого на регенерацию, колонны с ПОС всегда устанавливают
каскадом из трех—пяти аппаратов, которые работают чаще всего
по карусельной схеме. В этом случае в головной колонне проис-
221

ходит насыщение сорбента, а основная очистка проводится во
второй— третьей колоннах (рис. 6.11, в).
Для улучшения характеристик колонн с ПОС стремятся
уменьшить продольное перемешивание ионита введением различных
секционирующих устройств (решеток, тарелок). В этом случае по
характеру работы слоя — наличие сорбционного фронта,
постоянной скорости его движения — он приближается к фиксированному,
но с меньшим объемным содержанием ионита. И их можно
рассчитать по тем же методикам, что и фильтры.
В заключение приведем схему одного из вариантов расчета
фильтра применительно к процессу водоподготовки.
Для заданных Тф.ц, хп и табличных значений ДОЕ (у2) по
уравнению (6.63) находят необходимый объем сорбента. По
данным работы [28] определяют оптимальный для данной
концентрации раствора диапазон скоростей и по уравнению (6.2)
рассчитывают суммарное сечение аппаратов. Исходя из требований
организации непрерывной работы, выбирают по табл. 3.3 размеры
стандартного фильтра, их число в цепочке и число цепочек таким
образом, чтобы общее сечение фильтров и объем ионитов были
близки к определенным выше. Число параллельных ниток
фильтров должно быть больше на одну нитку, так как одна из них
постоянно находится на регенерации, либо же на две нитки
в тех случаях, когда требуется обеспечить 100%-ную надежность
установки (водоподготовки и водоочистки ТЭС и АЭС) и одна
из этих цепочек является резервной и не загружена ионитами.
6.3.2. АППАРАТЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
АППАРАТЫ СМЕШЕНИЯ И ПРЯМОТОЧНЫЕ КОЛОННЫ ВЫТЕСНЕНИЯ
Как следует из табл. 3.6, для урановой технологии
рекомендуются два типа аппаратов: пачуки (аппараты смешения) и пуль-
сационные прямоточные колонны с распределительной насадкой
ПСК (аппараты вытеснения), поэтому в данном разделе
рассматриваются особенности расчета указанных конструкций, хотя в
принципе описанные методики могут применяться для любых
аппаратов подобного типа. Такие аппараты любой высоты
обеспечивают менее одной теоретической ступени контактирования,
однако аппараты вытеснения имеют большую движущую силу
процесса (см. рис. 6.2), что обусловливает различие в необходимом
времени контактирования [см. уравнение (6.29)], объеме
оборудования и загрузки реагентов, в том числе и ионита (табл. 6.5).
Несмотря на преимущество аппаратов вытеснения, их широкое
внедрение тормозится из-за недостаточной промышленной
проверки. К настоящему времени применительно к процессам сорбции
из пульп (сорбция золота из пульп) успешную проверку прошел
опытно-промышленный каскад прямоточных колонн диаметром
0,2 м. Пачуки широко применяются в атомной промышленности
в процессах сорбции урана из растворов, пульп,
222
Таблица 6.5. Объемы оборудования для аппаратов различных типов
(для реакции 1-го порядка)
Тип аппарата
Пачуки
Аппараты вытеснения
0,5
1*
0,7
Выход (Ск—С)/Ск, отн. ед.
0,75
1,95
0,92
0,95
4,94
1,26
0,99
49,4
2,3
* Объем пачука с КПД=0,5 принят за единицу.
При расчете аппарата необходимо найти диаметр, высоту,
определить число аппаратов, обеспечивающих получение заданных
технологических показателей, загрузку ионита. Кроме заданных
технологических характеристик, считается известным число
теоретических ступеней контакта. Поскольку для полного насыщения
ионита требуется значительно большее время контактирования,
чем при работе с насыщением y = 0,8yv (ti/t2^>2), to находится
минимальное число аппаратов, которое необходимо поставить в
каскад Nmin = NT/KUJl = 1,25 NT.
Расчет каскада аппаратов смешения. Для расчета габаритов
пачука необходимо знать время тт, требующееся для получения
заданных показателей в одном аппарате. Оно находится по
уравнению (6.29). Для определения движущей силы процесса исходят
из предпосылок, что в пачуке идеально перемешиваются обе фазы,
или считают, что идеально перемешивается раствор, а сорбент
меняет свою концентрацию за время пребывания в аппарате (см.
табл. 6.1).
В первом случае (см. рис. 6.3, а) изменение концентрации в
обеих фазах при переходе из аппарата в аппарат происходит
ступенчато; в каждом из пачуков концентрация в сорбенте и растворе
постоянна и равна концентрации на выходе. В этом случае
движущая сила процесса постоянна по всему объему и высоте
аппарата и равна Ay = yvn—yn (см. табл. 6.1). Она будет минимальной
из всех возможных вариантов осуществления процесса (см. рис.
6.3, в) и тем меньше, чем выше насыщение смолы на ступени
сорбции, т. е. чем оно ближе к равновесному. Потеря движущей
силы по сравнению с противоточным процессом оказывается
значительной (заштрихованные участки на рис. 6.3, в).
Значение Vn рассчитывают по наименьшему значению Ау, чем
обеспечивают определенный запас. Принимая тСОр = тт.ст, но не
менее 15—60 мин (время, необходимое для перемешивания пачука
большого объема), находят объем пачука
tV^Qp'VcT = QcoPtt.ct^ (6.80)
223

IV/Ь
0,3
0,6
w
0,2
i—\
i
-
\ ^ /
1 l \ 1 T-
Рис. 6.12. Влияние числа
аппаратов смешения на отношение
суммарного объема к объему
единичного аппарата при КПД-0,9 (1) и
0,99 (2)
Из условия, что отношение
высоты пачука к его диаметру
должно быть в пределах 2—5 (6>
>#/D>2), находим диаметр
пачука и его высоту.
Общий объем аппаратов,
необходимый для обеспечения заданного
извлечения, сильно зависит от
числа пачуков в цепочке (рис. 6.12).
Их оптимальное число и объем
выбирают из соображений получения
ю п приемлемого объема при
минимально возможном числе пачуков.
При совместном рассмотрении
изотермы сорбции и рабочей линии
процесса видно, что в пределах
одной теоретической ступени контакта
одинаковое извлечение и насыщение
смолы может быть получено в одном аппарате или в нескольких,
соединенных последовательно. В первом случае движущая сила
процесса значительно меньше, чем при двух последовательно
соединенных аппаратах. Это различие тем больше, чем ближе процесс к
равновесию. Следовательно, в одиночном аппарате с большим КПД =
= У/Ур необходимо выдерживать сорбент большее время, чем в
двух с меньшим КПД, включенных последовательно. Таким
образом, число пачуков существенно влияет на объем аппаратуры и
загрузку ионита, т. е. в конечном счете на технико-экономические
показатели процесса. Ранее было определено минимально
необходимое число пачуков как Nmmin=l,25 NT. Рассмотрим этот
вопрос с точки зрения среднего времени пребывания частиц в па-
чуке.
В пачуке как аппарате смешения вероятность уноса частиц из
аппарата объемом V за время т при производительности Q
описывается уравнением
а = 1— exp(Qr/V). (6.81)
В случае, когда объем аппарата обеспечивает заданное время
пребывания тср раствора (или сорбента), подаваемого с
расходом Q, т. е. Qx^^an, большинство частиц (около 60 %) находится
в аппарате меньше времени, чем расчетное (тСр), а меньшая их
часть — значительно большее. Частицы, которые находятся время
больше или равное, чем тСр, близкое к тт, насыщаются до
равновесной концентрации вне зависимости от продолжительности их
дальнейшего пребывания в аппарате. В то же время насыщение
частиц с меньшим^ временем контактирования, чем тср, прямо
пропорционально (Az/ = const) времени их пребывания в аппарате.
В результате среднее насыщение смолы оказывается значительно
меньше, чем расчетное.
224
Для увеличения среднего насыщения смолы можно увеличить
ее среднее время пребывания, т. е. объем пачука и загрузку в него
смолы. Однако для того, чтобы большинство частиц пребывало
в аппарате время, близкое к тср (рис. 6.12), требуется увеличение
его объема в 3—5 раз.
Выравнивание времени пребывания всех частиц в аппарате
достигается установкой нескольких последовательно включенных
аппаратов. Когда сорбент проходит через три-четыре аппарата
идеального смешения, время пребывания всех частиц оказывается
достаточно близким к тср, т. е. максимальное число пачуков в
цепочке должно быть NAUmnx = 3NT (рис. 6.12). Таким образом,
число аппаратов в каскаде пачуков лежит в пределах ЛГап =
= (1,254-3,0) ЛГТ.
Число пачуков в каскаде можно найти также по кинетическим
кривым (изохронам) сорбции [46], являющимся неравновесными
изотермами, т. е. кривыми равновесия между смолой и раствором
при определенном времени их контакта. Изохроны можно
получить в лаборатории, либо простроить графически на основе
кривых изотермы и скорости процесса. Изохооны располагаются
между изотермой и рабочей линией и тем ближе к первой, чем
больше время контакта. Число реальных аппаратов определяется
обычным графическим построением между выбранной изохронои
и рабочей линией.
Этот метод не учитывает реального времени пребывания частиц
в аппарате.
После расчета числа пачуков определяют их объем, загрузку
смолы и расход воздуха. При этом обычно проводят оптимизацию,
т. е. считают каскад аппаратов при различном числе аппаратов
или КПД. Общее правило при этом состоит в том, что при
высокой скорости процесса выгоднее поставить аппараты большого
объема с высоким КПД, а при малой —меньшего объема с малым
КПД. Обычно пачуки работают с КПД от 0,3 до 0,8 [Nau=
= (1,25-т-З) ЛГТ].
Первоначально время пребывания раствора тлас принималось
равным времени пребывания сорбента в аппарате [68—71], однако,
поскольку процесс лимитируется внутренней диффузией, время
пребывания раствора может быть значительно меньше, чем время
пребывания сорбента. Для обеспечения контактирования всего
объема раствора с сорбентом трас должно быть равным или
большим времени полного его перемешивания, которое для
промышленных пачуков в зависимости от расхода воздуха на
перемешивание составляет 15—60 мин.
Загрузка смолы в каждый аппарат составляет
v;>P=;W2cop," <6-82)
а суммарная
2Усор = Ы,УС0Р = QpntfanTcop. (6.83)
Количество смелы в пачуке обычно составляет от 1 до 20%.
225

Рис. 6.13. Зависимость отношения
оптимальной скорости к стандартной от отношения
производительностей ори значении
приведенных затрат П/Пт<„ = 1,1-7-1,2 для
одного из вариантов пульсационной
прямоточной колонны (Qc=20 м3/ч)
Выбрав число пачуков, их размеры и загрузку смолы,
необходимо рассчитать расход воздуха на перемешивание. Исходными
данными являются объем аппарата и удельный расход воздуха на
перемешивание 1 м3 раствора, составляющий 4—8 м3 на 1 м3
объема аппарата в 1 ч.
Расчет каскада прямоточных колонн вытеснения.
Прямоточные колонны вытеснения могут работать с подачей реагентов в низ
и в верх аппарата. Выбор способа подачи определяется
значением v0. При vo-+0 более удобна подача фаз снизу, так как при
этом выходящие из колонны реагенты могут поступить на
разделение самотеком. При г;0>0 (г;0>3^5 м/ч) более целесообразен
режим с движением фаз в направлении, противоположном
естественному движению смолы, так как в этом случае обеспечивается
большее время пребывания ионита в аппарате T=l/vcox>=l/(W.n —
— г;0)ф [5]. р р
Скорость движения раствора (пульпы) в прямоточных колоннах
может быть любой (ТРР =104-100 м/ч) при условии, что выбранная
высота аппарата достаточна для обеспечения необходимого на
ступени времени пребывания лимитирующей процесс фазы —
обычно сорбента. Поскольку тоор=Я/исор, a усор- функция диаметра,
то процесс может протекать в аппарате большого диаметра
(малые Wp и усор), но небольшой высоты, или малого сечения
(большие Wp и vcop), но значительной высоты. С точки зрения
гидродинамических помех лучше проводить процесс в колонне меньшего
сечения, но большей высоты. Однако, кроме этого фактора, здесь
необходимо учитывать высоту производственного помещения и
стоимость аппарата. Выбор оптимальных отношений DK и Як
необходимо проводить с учетом приведенных затрат. На рис 6 13
показано изменение скорости раствора от производительности при
минимальных приведенных затратах для одного из вариантов
аппарата. L учетом приведенных данных прямоточная колонна
вытеснения рассчитывается в следующей последовательности: по
формуле (6.29) находится время, необходимое для проведения
процесса с насыщением сорбента у = 0,8 у». Движущую силу процесса
определяют для каждой ступени (см. табл. 6.1, рис. 6.3). По тт
226
Таблица 6.6. Значения КГП для прямоточных колонн типа ПСК
и
"ж
0,5
1,0
3,0
0,2
1,35
1,2
1,1
0,6
1,36
1,2
1,1
1,2
1,45
1,3
1,2
DK, м
2,0
1,9
1,7
1,5
2,4
2,0
1,8
1,6
3,0
2,5
2,1
1,95
и графику на рис. 6.13 выбирают оптимальную нагрузку Wv и
затем находят диаметр аппарата.
Высоту колонны рассчитывают по уравнениям (6.4) — (6.7) с
учетом гидродинамических помех Ярз = Ям + Яд0б = Ям КГП или
Яр.з=№РттКГП.
Коэффициенты продольного перемещения определяют по
уравнению
Ех = [(33,7- 10"3DK + 0,61 • КГ8) + (0,8DK + 0,26) J] v°pJ\ (6.84)
Значения КГП для различных диаметров аппаратов приведены
в табл. 6.6.
По выражению Я/усор проверяют время пребывания сорбента.
Число аппаратов принимают равным (Nmin+l) = (JVV/КПД) + 1.
Далее находят объемы аппаратов 2Уап, загрузку сорбента 2УСор-
2VM = l,2Van(tfT.mln+l); (6.85)
(Mr.mfn+1). (6.86)
ПРОТИВОТОЧНЫЕ КОЛОННЫ СО ВЗВЕШЕННЫМ СЛОЕМ ИОНИТА
Колонны со взвешенным слоем ионита могут эксплуатироваться
в двух режимах — со свободным движением ионитов (ПСК-СО) и
стесненным (ПСК-СТО, КДС). Граница между ними определяется
значением Q. При Q<Q3 режим свободного движения, при
Q>Q3— стесненный (см. рис. 5.14),
Q3=[(n?+8n)0'5 — Зя]/4(1—я). (6.87)
Задержка ионита влияет на два важнейших показателя —
поверхность и время пребывания фаз в колонне:
S - 6Q/d4; (6.88)
т.ор = Q,Wcov = Q(n+ 1)/Ш*; (6.89)
тр = (1 - Q)/Wp = (1 - Q) (п + 1)/Ш. (6.90)
227

Перед тем как перейти к порядку расчета таких аппаратов,
следует отметить, что с разработкой эффективных пульсационных
колонн применение КДС следует ограничить ввиду того, что
гидродинамические помехи в них настолько велики — каналообразо-
вание, застойные зоны и т. п., что колонны Д<> 0,6-4-1,0 м любой
высоты практически не дают более одной-двух ступеней контакта
(см., например, табл. 6.2).
Выбор типа колонны — со свободным или стесненным
движением ионита — в случае возможного использования обоих типов
(сорбция из растворов, регенерация ионита, см. табл. 3.7) зависит
от соотношения тт/тСор. При тт/тСор>6 м выбирают колонну со
стесненным осаждением ионита. Для этого при известном п
принимают Q = 0,7Q3 (режим свободного движения), находят тСОр и
затем отношение тт/тСор-
Удельную нагрузку на аппарат определяют по значению
задержки Q с использованием данных, показанных на рис. 5.14.
Для колонны со свободным движением ионита Q
рассчитывается (Q = 0,7Q3), а со стесненным задается. Далее по графику
(на рис. 5.14) находят отношение WJvo и по значению v0
[рассчитывают по уравнению (5.36) или замеряют в лаборатории]
определяют Wv и затем диаметр колонны [уравнение (6.2)1
Высоту аппарата, обусловленную массопередачей Ям,
определяют по уравнению (6.28). Гидродинамические помехи
учитываются на основе данных по продольному перемешиванию (АДОб)
или значений КМП, КГП.
Для колонн типа ПСК-СО диаметром 0,2 м (пилотный
образец) значение £л в двухфазном потоке составляет 2—3 см2/с, а
£-ор = 6,0—15 см2/с, причем наличие второй фазы приводит к
увеличению Ер в 2—3 раза [5]. Увеличение диаметра аппарата
приводит к росту продольного перемешивания (табл. 6.7) [5].
Для расчета £р в колоннах типа ПСК-СО с достаточной
точностью можно использовать соотношение (6.84), причем т—\
для однофазного потока и 2,5 для двухфазного.
Значения КМП и КГП для колонн типа ПСК-СО приведены
в табл. 6.8.
Таблица 6.7. Коэффициенты продольного перемешивания в пульсационных
колоннах типа ПСК-СО различного диаметра (однофазный поток)
D "м
К'
0,6
0,9
1,5
2,4
3,4
Характеристика'насадки
раямер
отверстий, м
0,03x0,06
0,04x0,08
0,07x0,14
0,1x0,2
0,15x0,3
а, град
33
20
30
20
30
т
0,15
0,2
0,25
0,25
0,4
Режим "работы
Wp, м/ч
20'
18
7—8
5
30^
/, мм/мин
600-800
600-800
600-800
350—400
400—500
£р. см2/с
8-10
16-18
12-15
-8—10
18—20
228
Таблица 6.3. Коэффициенты масштабного перехода, и гидродинамических поме*
сорбционных пульсационных колонн со свободным осаждением ионита
тр. ст' ч
<2
2<тр ст<6
тр. ст>6

Коэффициент
кмп
кгп
кмп
кгп
кмп
кгп
DK. м
0,2
1,01
1,1
1.0
1,03
1.0
1,01
0,6
1,02
1,13
1.0
1,03
1,0
1,01
0,9
1,06
1,2
1,02
1,05
1,0
1,01
1.3
1,1—1,2
1,2—1,3
1,02
1,05
1,0
1,01
2,4
1,2—1,5
1,3-1,7
1,2—1,3
1,3
1,1
1,1
3,4
1,5—2,0
1,7-2,2
1,5
1,55
1.1-1.2
1.2
Для колонн со стесненным движением ионита в пилотном
аппарате диаметром 0,2 м £р= 15-4-20 см2/с, £сор = 0,3—0,1 см2/с, т. е.
отношение коэффициентов продольного перемешивания колонн
ПСК-СО и ПСК-СТО составляло £ = 5-4-6 соответственно. Для
аппаратов большого диаметра данных по продольному
перемешиванию нет, но, очевидно, полученные значения £ должны сохранить
свою величину.
Общую высоту массообменной части аппарата можно
рассчитать с учетом значений КГП.
Габариты верхнего отстойника находятся из следующих
соотношений: SB.0T = 2SK, Яв.от = 0,5-г-1,0 м, нижнего — DBt0T=DKt
Нн.оТ = 0,5-т-1,0 м.
Расстояние между тарелками выбирается в зависимости от
диаметра колонны:
DK, м 0,2—0,6 0,9 1,2—1,8 2,0 3,0 3,4—4,0
/iT, м. • . . . 0,1 0,15 0,25 0,3 0,35 0,4
Таким образом, порядок роста колонн с псевдоожиженным
слоем ионита следующий.
1. По значению Q = 0,7Q3 [уравнение (6.87)] находят тСОр
[уравнение (6.89)] и затем, используя результаты лабораторных
исследований, по которым найдено NT, iVn, BK, тт, vo [уравнения (6.29),
(3.36)], определяют тт/тСор и выбирают тип аппарата.
2. По значению Q находят 2WP (см. рис. 5.14) и, зная vo
229

Грасчетбм по уравнейию (5.36) или измерив в лаборатории]
рассчитывают ШГрй затем диаметр колонны по уравнению (6.2).
3. По уравнению (6.28) рассчитывают Ни (/iM или /iM') и затем
Яр. з [уравнения (6.4) —(6.7)].
4. Находят габариты отстойников (см. рекомендации на с. zzv),
выбирают расстояние между тарелками и затем общую высоту
КОЛОННЫ #к = #р.3 + #в.от + ^н.от-
5. По выражению
Q, = K3SKP^J (6.91)
для рабочих режимов пульсации / = /а = 60а== 600-^900 мм/мин
рассчитывают расход воздуха на пульсацию.
6.3.3. АППАРАТЫ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ПСЕВДООЖИ-
ЖЕННЫМ СЛОЕМ ИОНИТА
К аппаратам такого типа относятся баковые реакторы типов
Портера, Кер-Мак, колонны Химсли, Нимсикс, ПСК-Т и т. п. Они
характеризуются общим принципом — ионит периодически
порциями перемещается из секции в секцию навстречу непрерывно
двигающемуся раствору. Методы передвижения ионита в таких
аппаратах значительно различаются. Они подробно рассмотрены
в гл. 3. Во всех этих аппаратах скорость раствора должна быть
меньше скорости уноса мелких фракций смолы, составляющей в
зависимости от размера частиц и их плотности от 25 до 50 м/ч.
С увеличением скорости раствора уменьшается диаметр, но
увеличивается высота массообменной части аппарата. Поэтому одни
исследователи считают целесообразным работать с относительно
низкими скоростями раствора, обеспечивающими расширение слоя
в 15 2 раза, а другие —с максимально возможными. Линейная
фиктивная скорость псевдоожиженных частиц ионита определяется
с помощью критерия Архимеда:
WKV = ReKV\i/dQpv; ^ (6.92)
ReKV> = Ж/0 400 + 5,22 УАг). (6.93)
Скорость раствора, при которой обеспечивается устойчивый
режим «кипения» ионита, может быть найдена из соотношений
Re = Лге4'75/(18 + 0,6 уЛТ^) ; (6.94)
W = /teii/drfy (6.95)
Тарельчатые колонны с транспортирующей пульсацией
рекомендуются для процессов сорбции урана из различных пульп (при
Рп>рсоР и рп<рсор). Имеются разработки таких конструкций для
переработки 1000 м3/ч и более пульпы (см. табл. 4.6). Методика
расчета таких аппаратов разработана в последние годы авторами
данной работы и ранее не публиковалась. Поэтому рассмотрим ее
подробно. Предварительно напомним принцип их работы.
230
Рис. 6.14. Схемы работы колоний б
транспортной пульсацией:
/ — реакционная зона; 2 —
распределительная тарелка; 3 — слой сорбента; 4 — эрлифт;
5 —нижняя зона; 6 — пульскамера; 7 —
верхняя отстойная зона; 8, 9 — клапаны
Сврдент
Особенностью расчета
удельной нагрузки для колонн типов
ПСК-Т, Химсли является то, что
на ее значении сказывается
поток раствора (пульпы),
поступающей из пульсационной камеры.
Колонны такого типа
(рис. 6.14) состоят из
реакционной зоны / с тарелками 2 (с
небольшим проходным сечением,
в частности колонны типа ПСК-Т
снабжены распределительными
тарелками различного типа, в том
числе и несколько измененной
КРИМЗ с /7т= Ю-^15 %), сверху и снизу которой имеются
отстойные зоны 5, 7. В нижней отстойной зоне подключена пульсацион-
ная камера 6.
В колонну снизу непрерывно подается раствор со скоростью
(рассчитанной на свободное сечение колонны, т. е. с нагрузкой)
Wvi [м/ч, м3/(м2-ч)], а сверху сорбент с нагрузкой WW В течение
рабочего периода в реакционную зону колонны непрерывно
вытесняется раствор из пульскамеры, создавая дополнительный
поток №р2. Следовательно, при рабочем периоде суммарная скорость
юЛ
Л Tin Ш
УР5
Юг
Рис. 6.15.
Идеализированная циклограмма работы
колонны ПСК-Т:
а — движение жидкости в
рабочей зоне; б —
движение жидкости на сливе
из колонны; в — движение
смолы в рабочей зоне
231

pacfgopa ё реакционной зойе вверх составит (рис. 6.15)
ZWP = Wpl + Wv2. (6.96)
2№р должна быть меньше скорости уноса самых мелких рабочих
частиц сорбента. Поскольку FT= (0,1 -^0,2)SK, то в отверстиях
тарелок скорость в 5—20 раз больше 2№р и частицы смолы не
могут проникнуть через тарелки и задерживаются на них заданное
время.
Допустимое значение 2№р находят по значению г?о, найденному
ранее в лаборатории или рассчитанному по уравнению (5.14). Как
правило, 2№р= (0,7-4-0,8)г;0. Однако для того, чтобы рассчитать
диаметр колонны (по значению Wpi), необходимо знать Wv2.
Дополнительный поток раствора Wv2 определяют объемом
транспортирующего импульса Уи и его амплитудой А:
^Р2 = W*A = Afa (6.97)
где ti — рабочий период цикла, в течение которого движется
раствор.
Сорбент подается непрерывно (рис. 6.15), движется по колонне,
падает в нижнюю зону и отводится из нее порциями в период
транспортировки с расходом
Qcop = W = VM = AfSKQCT. (6.98)
Отсюда WcoV>=AfQi а поскольку одновременно WC0V=Wvn, то
/ ^W^n/AQ^ (6.99)
При работе колонны с транспортирующей пульсацией ti>T2,
с небольшой погрешностью можно принять, что Wv2 = A/%n=Af.
Теперь, подставив это выражение в уравнение (6.96), находим
2№р = Wvl + Wvln/QCT = Wvl (1 + я/Рог)- (6-10°)
Задаваясь значением 2Wp/ao, можно найти значение ЙСт по
обобщенному графику (рис. 5.14) и определить Wp и DK. По величине
DK выбирают /iT и далее находят A = 0,8hT.
Зависимость hT от DK для колонны с транспортирующей
пульсацией (для распределительных насадок) приведена ниже:
DKt и 0,02—0,9 0,9—1,8 1,8—4,0
V. м 0,2 0,5 1,0
V*. м 0,2 0,3 0,5
* Специальные виды тарелок. Высота помещения не ограничена.
** Высота помещения менее 8 м.
Во избежание выноса мелких фракций смолы на следующую
тарелку высота слоя ионита не должна превышать 0,7—0,8
межтарельчатого расстояния /iT. Высота слоя смолы равна амплитуде
импульса. Формула (6.100) позволяет найти, при каких п и ЙСт
начинает сказываться влияние дополнительной нагрузки Wv2, т. е.
пульсации на производительность колонны. На рис. 6.16 показано
232
i
изменение WP\ от п при
нескольких значениях Q. Видно, что
малым соотношениям потоков (/г<
<1 : 100) соответствуют в колонне
ПСК-Т наибольшее время
пребывания сорбента и практическое
равенство скорости движения
жидкости в колонне Wp со
скоростью ее подачи Wp\.
Следовательно, в этой области колонны
ПСК-Т должны быть наиболее
эффективны, и размеры колонн
можно рассчитать без учета
влияния пульсации на скорость рас
wpi7wP3 л^^^^
0,8
0,6
0,4
0,2
0
УУ/'у'у'
-/////
У/У
1 1~ L 1 1 ! 1
Г.1 112 1:5 1:20 1:100
1:10 1:50
1:1000 п
Рис. 6.16. Зависимость рабочей
нагрузки колонны ПСК-Т от
соотношения потоков при разной за-
гвора в колонне, т. е. "2WP=WP\. держке смолы
При больших соотношениях
потоков времени пребывания и нагрузка значительно меньше. При
расчете необходимо учитывать, что S\^p^>W^pi.
Как указывалось выше, для расчета высоты аппарата
необходимо знать время пребывания сорбента и результаты
гидродинамических исследований. Для колонны с транспортирующей
пульсацией время пребывания сорбентана тарелке и в колонне
определяет частота пульсации. При отсутствии продольного
перемешивания сорбента время пребывания его в колонне составит
"сор
V*t = (1//) Ят,
(6.101)
где пт — число тарелок в колонне^
Одновременно тСОр = й/№сор, т. е. с помощью балансовых
соотношений можно найти Ям:
пт = /QCT/1FC0P,
(6.102)
(6.103)
В то же время Як можно определить и по п [см. уравнение (6.28)].
К сожалению, учет гидродинамических помех в таких аппаратах
затруднен из-за отсутствия данных о продольном перемешивании.
В литературе имеются результаты таких исследований для колонн
типа ПСК-Т диаметром 0,2 и 0,9 м (рис. 6.17).
Рисунок 6.17 показывает, что данные по продольному
перемешиванию для колонн ПСК можно использовать и для учета
влияния гидродинамических помех в аппаратах ПСК-Т, причем
для них hK^hT.
Для колонн ПСК-Т авторы разработали метод расчета,
основанный^ на кинетических кривых сорбции и того положения, что
в одной ячейке смешения концентрация раствора, а
следовательно, и равновесная с ней концентрация в сорбенте постоянны.
Интегрируя уравнение скорости ионного обмена dy/dx =
=zB(yv — у) в пределах изменения насыщения смолы от у\ до у2,
16 Зак. 1735 233

Рис. 6.17. Зависимость Ev от
интенсивности пульсации для колонны диаметром
0,2 (1) и 0,9 (2) и с транспортирующей
(Л) и распределительной (о)
пульсацией
которое происходит за
промежуток времени от п до тг, равный
времени пребывания смолы в
ячейке смешения, и преобразуя
полученное уравнение
искусственной подстановкой, получаем, что
0 100 200 300 400 J,mm/muh (#р — #г)/(Ур — Уг) = * — iHi ~ У^1
(Ур-Уг) -ехр [- В (т2 - т1)],(6.104)
причем по определению (г/р — #г)/(*/р—У\)=Ц— КПД тарелки,
т. е.
КПДТ = 1 - ехр (- Втц). (6.105)
Следовательно, КПД тарелки или ячейки смешения описывается
обычной кинетической кривой в координатах у — т (см. рис. 2.16).
Причем применительно к колоннам ПСК-Т hn^.hTy т. е. их КПД
совпадает и в этом случае с учетом гидродинамических помех
#Р.з = Мт/КПДт. (6.106)
Габариты верхней разделительной зоны принимают из условий,
чтобы SB.oT=l,5SK, а #в.от = 0,5-М м. Габариты нижнего
отстойника находят из соотношений Dn.0T = DK, ННтОТ = 1-т-195 м.
Загрузка смолы в аппарат
^cop = (0,8-l,0)KKQCT. (6.107)
Таким образом, расчет колонн полунепрерывного действия со
сплошным слоем ионита сводится к следующему:
для систем с л<0,1 по лабораторным исследованиям находят
#т, NUl Ду, Тт, п, t>0;
задаваясь рабочей нагрузкой wp= (0,5-^0,6) v0y по рис. 5.14
определяют Qct и уравнению (6.2)—DKy а по величине DK —
расстояние между тарелками;
находим высоту колонны hK как hK = nThT = hTNT/r\. Если высота
удовлетворяет заданным требованиям — расчет закончен. В
случае, когда необходима меньшая Як, она достигается при
снижении шр;
по уравнению 6.99 находим частоту пульсации.
Для переработки концентрированных растворов необходимо
задаться набором Wp (0,5; 0,45; 0,4), найти для них QCt и по
уравнению (6.100) рассчитать скорости подачи раствора в колонну №рь
а также соответствующие им сечение и диаметр колонны. В
остальном расчет аналогичен первому случаю.
J I 1 I I L
234
6.14. АППАРАТЫ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ СО СПЛОШНЫМ
СЛОЕМ ИОНИТА
Аппараты полунепрерывного действия со сплошным слоем
сорбента можно разделить на две большие группы по времени
передвижения сорбента:
1-я группа с тц=10 мин-ьчасы. Это аппараты типа Асахи, СНК,
ИПК и т. п.
2-я группа с тц — минуты: КНСПР, ПИК, ПСК-Н и т. п.
В таких конструкциях удельная производительность не
лимитируется значением г;о и определяется в основном технологическим
назначением аппарата. В процессах переработки
концентрированных растворов они применяются в основном на операциях
регенерации ионита. Поскольку объемы регенерируемых смол невелики
(до 10 м3/ч), то основная задача аппаратов типов КНСПР, ПИК,
ПСК-Н — получить богатые регенераты при любых нагрузках.
Лучше, конечно, при больших Wv, так как при этом необходим
аппарат небольшого сечения и влияние гидродинамических помех
невелико. Но, как правило, скорость фильтрации растворов
принимается равной 10—15 м/ч.
При переработке малоконцентрированных растворов в
процессах очистки промышленных (извлечение урана из вод подземного
выщелачивания, водоподготовка и т. п.) и сбросных вод объемы
перерабатываемых растворов велики (до 2000 м3/ч), поэтому здесь
аппарат должен работать при максимально возможных скоростях
потока.
Аппараты со сплошным зажатым слоем ионита типа Асахи,
ПСК-Н допускают нагрузки до 100—150, СНК — 30—40 м/ч. Здесь
все определяется перепадом давления Ар.
На рис. 5.6 показаны результаты измерений зависимости
сопротивления слоя различных ионитов. Иониты различаются по
свойствам и гранулометрическому составу. Видно, что зависимость
Ар от Wv практически линейная и для обеспечения больших
скоростей раствора необходимо значительное давление. При
больших п оказывается трудно обеспечить высокую удельную
производительность №Р1, поскольку она достигается при значительно
большей скорости Wv2, что требует большого давления раствора
[уравнение (6.96)].
Для выбора рабочей нагрузки №pi колонн различного типа
рекомендуется табл. 6.9.
Режим работы аппаратов можно выбрать и рассчитать на
примере анализа работы колонны типа ПСК-Н. Так же как и для
колонны типа ПСК-Т, частота пульсации определяется уравнением
/=Qp/l/Vcap (6Л08)
ИЛИ С уЧеТОМ ТОГО, ЧТО Vcop=^H— QplT2,
f = n/(A/Wvl-Tjt
16* 235
(6.109)
(6.110)

Таблица 6.9. Рекомендуемые рабочие нагрузки для аппаратов различного типа*
(гранулированные органические и неорганические сорбенты с с?ч>0,3 мм)
ТигГаппарата
Переработка концентрированных
технологических растворов
Очистка промышленных и сбросных вод
КНСПР
5—10
пик
5—15
кнспд
юо—зоо
Асахи
50—150
Продолжение табл. 6.9
Тип аппарата
Контимат
Хиггинс
пск-н
Переработка концентрированных
технологических растворов
Очистка промышленных и сбросных вод
50—100
100—150
10—15
60—150
Для правильного выбора режимов работы таких аппаратов
удобно принять КПД использования транспортирующего импульса
КПДИ = Усор/Уи = (Ки - Qp1t2)/Kh (6.111)
или
КПДи = 1-(\^рт2/Л). (6.112)
При этом частота пульсации может быть выражена через КПД
/ = WvtilA КПДИ. (6.113)
С учетом того, что скорость раствора в колонне при
транспортирующем импульсе 2№р.т = Л/т2, КПДИ можно выразить через
отношение UPpi/2№p.T:
КПДи=1-^р1/2^р.т. (6.114)
Анализируя расчетные данные по изменению КПД от нагрузки
по раствору, амплитуды пульсации, времени транспортировки,
можно констатировать (рис. 6.18),
что при малых нагрузках H?pi<
<10 м3 (м2-ч) (операции
регенерации сорбента) амплитуду
импульсов и время
транспортировало ки можно выбирать в широком
диапазоне. При увеличении
нагрузки по раствору КПД падает,
"Юс рис. 6.18. Зависимость КПД
импульса от нагрузки по раствору и
амплитуде пульсации при разном времени
перемещения смолы (т)
236
поэтому для процессов очистки промышленных сбросных вод она
может выбираться в пределах 0,1—0,3 м.
Скорость раствора в реакционной зоне, необходимую для
расчета динамики колонны, можно найти также через КПДИ:
S1FP = ТС>/КПДИ = ^соР/КПДи, (6.115)
а уравнение (6.96) (IiWl)=Wvl + Wv2) представить в виде 1>WV=
= Wvl + WC0VIKJlRa.
При расчете высоты слоя ионита в аппаратах первого типа
(с длительным временем рабочего цикла) необходимо учитывать
не только высоту реакционной зоны, но и также, как в аппаратах
периодического действия, высоту, на которую переместится
реакционная зона за рабочий период, т. е. в промежутке между
передвижениями смолы. Поэтому расчет таких аппаратов близок к
расчету аппаратов периодического действия.
Высота слоя смолы в них должна быть
#СОР> #Р.3+#8.С> (6.116/
где #3.с — высота защитного слоя, равная
#з.с = -Гц(*н-*к)Шр/#, (6.П7)
где Хц — продолжительность периода сорбции.
Следует отметить, что для аппаратов, работающих на
операциях переработки малоконцентрированных растворов, высота Нзс
при /2=1:200, Ах = 5 мг-экв/л, у=\000 мг-экв/л, Wv = 50 м/ч и
тц = 0,3 ч составляет всего 7,5 см, что значительно меньше HV3 при
тех же условиях.
На методике учета гидродинамических помех мы остановимся
ниже. *1
Для аппаратов с частым перемещением смолы (2-я группа)
высота Я3.с оказывается значительно меньше, чем Яр.3; так, даже
при лг = 1:1, №р = 5 м/ч и тц = 0,1 ч Я3.с не превышает 0,5 м, а
Яр.л составляет при этом 5—7 м, и поэтому их расчет можно вести
только по Яр.3.
Таблица 6.10. Коэффициенты продольного перемешивания для аппаратов
со сплошным напорным слоем ионита
Тип
аппарата
пск-н
С плотным
движущимся
слоем
Z)K, м
0,1
0,6
0,22—
0,33
Тип
сорбента
КУ-2
АВ-17
Wp. м/ч
№р=20-т-100
WcoP=4,0
Wcop-0,07-^0,3
/, м/ч
0,36
0,2—0,8*
5—12
см2/с
20—40
Е
ссор'
см2/с
0,6—1,0
0,1—0,3
' «Ъф-чун.зв л
237

KM
у
1 ° /
>/o
о
1
Г
О к
jjLt-*-
/ Дс,м
Рис. 6.19. Зависимость КГП
от диаметра колонны
различного типа
Высоту реакционной зоны
рассчитывают на основе данных о кинетике и
статике процесса по уравнениям
(6.4) — (6.7) либо на основе
лабораторных данных по выходным кривым
сорбции с учетом неидеальности аппарата.
К сожалению, учет
гидродинамических помех в аппаратах такой конст-
, рукции весьма сложен, поскольку
данных о распределении фаз и
продольном перемещении практически нет.
В табл. 6.10 приведены коэффициенты
продольного перемешивания,
опубликованные в различных работах.
В колоннах с плотным слоем ионита типа ПСК-Н коэффициент
предельного перемешивания составил в фазе раствора Ev =
= 20-^30 см2/с, а в фазе смолы Ecov — 0,6-=-1 см2/с и для
исследованных аппаратов практически не зависит от диаметра колонны.
На величину Ер в основном повлияла нагрузка по раствору
Ep = K(yp+nJ)9 (6.118)
однако независимо от режима работы аппарата высота ячейки
идеального перемешивания составляла 0,1—0,15 и 0,003—0,0045 м
соответственно по фазе раствора и смолы. Добавочная
составляющая Лдоб = 0,15-^0,2 м (hJ[o6 = ET!fWJi).
Для колонны диаметром 0,22 м взаимосвязь между нагрузкой и
интенсивностью пульсации была получена в виде [159]
£р = 2,0Гр +0, НЛ/ — 0,017; (6.119)
(6.120)
Есор = 2,2.10-3/ТГэф + 41,2 • 10^эф.
Добавочные составляющие, обусловленные гидродинамическими
помехами, составляли по фазе смолы 0,02, по раствору 0,020—
0,070 м.
На рис. 6.19 показано изменение коэффициента гидравлических
помех КГП для колонн ПСК-Н исследованных размеров с плотным
слоем ионита. Эти данные не могут служить основой для расчета
колонн с плотным слоем диаметром более 1 м, однако они могут
быть использованы для ориентировочного выбора КГП и КМП.
Следует отметить также важность организации равномерности
распределения фаз в точках подачи, выгрузки реагентов и по
высоте колонн такого типа большого диаметра. Так, отработка
этих узлов в аппарате диаметром всего 0,22 м позволила снизить
влияние гидродинамических помех на порядок [159].
Таким образом, расчет аппаратов полунепрерывного действия
с плотным слоем ионита ведется по следующей схеме:
в лаборатории определяются технологические параметры
системы (Лгттт, тр, пит. д.) и характеристика сплошного слоя ионита
[AP = f(TFp)];
238
задаются скоростью раствора И?р>50 м/ч и по уравнению (6.2)
рассчитывают DK\
для выбранной скорости раствора подбирают параметры
пульсации, определяют частоту пульсации, КПД использования
импульса и амплитуду колебаний в пульсационной камере (см.
рекомендации на с. 236);
по уравнениям массопередачи с учетом продольного
перемешивания фаз определяют высоту реакционной зоны [уравнения (6.11),
(6.13), (6.28)]. Расчет Яр.3 можно вести и по высоте ячейки
идеального перемешивания аналогично с колоннами ПСК-Т. Затем,
учитывая частоту пульсации, определяют высоту защитного слоя и
общую высоту слоя.
Для уменьшения влияния концевых эффектов минимальная
высота слоя не должна быть меньше 1,0—1,5 м.
По графику на рис. 5.6 находим перепад давления в слое.
Если ДР^О,2-^0,3 МПа, то расчет окончен, если больше, то
целесообразно повторить расчет с меньшей Wv.
Расчет колонн для переработки концентрированных растворов
ведут аналогично с теми отличиями, что задаются скоростью Wv =
= 5-М0 м/ч, а АР определяют в зависимости от скорости раствора
в реакционной зоне, т. е. от 2WP.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смирнов Ю. В., Ефимова 3. И., Скороваров Д. И. и др.//Атомная
техника за рубежом. 1979. № 5. С. 14—24; 1982. № 1. С. 3—9; 1982. № 11. С. 7—
12; 1982. № 2. С. 9—15.
2. Ласкорин Б. Н., Голынко 3. Ш.//Атомная техника за рубежом. 1981.
№ 4. С. 20—24. 1981. № 10. С. 10—15.
3. Егоров Е. В., Новиков П. Д. Действие ионизирующих излучений на
ионообменные материалы. М.: Атомиздат, 1965.
4. Громов Б. В. Введение в химическую технологию урана. М.: Атомиздат,
1978.
5. Карпачева С. М., Захаров Е. И. Основы теории и расчета пульсацион-
ных колонных реакторов. М.: Атомиздат, 1980.
6. Иониты в химической технологии/Л. К. Архангельский, Ф. А. Белинская,
А. И. Волжинский и др. М.: Химия, 1982.
7. Сенявин М. М. Ионный обмен в технологии и анализе неорганических
веществ. М: Химия, 1980.
8. Егоров Е. В., Макарова С. Б. Ионный обмен в радиохимии. М.:
Атомиздат, 1971.
9. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды. Л.: Химия, 1982.
10. Богатырев В. Л. Иониты в смешанном слое. Л.: Химия, 1968.
11. Громов Б. В., Савельева В. И., Шевченко В. Б. Химическая технология
облученного ядерного топлива. М.: Энергоатомиздат, 1983.
12. Рябчиков Б. Е., Захаров Е. И. Оборудование для ионного обмена. М:
ЦНИИЦВЕТМЕТИНФОРМАЦИЯ, 1974.
13. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Л.:
Химия, 1983.
14. Промышленность ядерного топливного цикла за рубежом/ Ю. В.
Смирнов, 3. И. Ефимова, И. Д. Соколова и др. М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1982.
15. Ядерная технология/В. П. Шведов, В. М. Седов, И. Л. Рыбальченко
и др. М.: Атомиздат, 1979.
16. Охрана окружающей среды на предприятиях атомной промышленности/
Ф. 3. Ширяев, В. И. Карпов, В. М. Крупчатников и др. М.: Энергоиздат, 1982.
17. Дубровский В. Г. Критические параметры систем с делящимися веще-,
ствами и ядерная безопасность. М.: Атомиздат, 1976.
18. Ионообменные материалы для процесса гидрометаллургии, очистки
сточных вод и водоподготовки. М.: ВНИИХТ, 1982.
19. Зубакова Л. Б., Тевлина А. С, Даванков А. Б. Синтетические
ионообменные материалы. М.: Химия, 1978.
20. Зайцев Б. Н., Квасницкий И. В., Попик В. П.//Радиохимия. 1982. Т. 24.
№ 4. С. 536.
21. Соколова И. Д., Цуканова Л. Н., Смирнов Ю. В. Химические методы
выделения трансплутониевых элементов. М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1978.
22. Зеликман А. Н., Вальдман Г. М., Белявская Г. В. Теория
гидрометаллургических процессов. М.: Металлургиздат, 1983.
23. Иониты. Каталог. 2-е изд./Под ред. А. Б. Пашкова. НИИ ПМ НПО
Пластмассы — Черкассы, 1980.
24. Корольков Н. М. Теоретические основы ионообменной технологии. Рига:
Лиесма, 1968.
240
25. Ионообменные процессы. Теоретические основы, расчет и аппаратурное
оформление/Н. П. Фигуровская, Л. М. Журавлева, А. М. Черемисова и др.
Куйбышев: КАИ, 1981. 98 с.
26. Горшков В. И., Сафонов М. С, Воскресенский Н. М. Ионный обмен в
противоточных колоннах. М.: Наука, 1981. 224 с.
27. Водоподготовительное оборудование для ТЭС и промышленной
энергетики. Отраслевой каталог/НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ. М.: 1983. 258 с.
28. Лившиц О. В. Справочник по водоподготовке котельных установок. М.:
Энергия, 1976.
29. Гребенюк В. Д., Мазо А. А. Обессоливание воды ионитами. М.: Химия,
1980.
30. Коростелев Д. П. Водный режим и обработка радиоактивных вод АЭС.
М.: Энергоатомиздат, 1983.
31. Водоподготовка. Процессы и аппараты/Под ред. О. И. Мартыновой.
М.: Атомиздат, 1977.
32. Solt G. S.— Ion Exchange in the process industries. L.: 1970, p. 85—90.
33. Abrams I. M.//Int. water cont. Vol. 34; Pittsburgh: 1973. P. 111 — 120.
34. Strauss S. D., Kunin R.//Power. 1980. Vol. 124. № 9. P. 1 — 16.
35. Гурвич С. М., Кострикин Ю. М. Оператор водоподготовки. М.:
Энергоиздат, 1981.
36. Пат. 3674685 (США); Ion exchange in the process industries/Clayton R. L.
L. 1970. P. 98—109.
37. Siegers G., Martinola F.//VGB—Kraftwerkstechnik, 1981. Bd 61. № 6.
S. 586—587.
38. Kanczor H.-W.//Galvanotechnik. 1982. Bd 72. № 8. S. 843-845.
39. Martinola F., Siegers G.— Int. water Conf. Pitttsburg: 1981. P. 325—
331.
40. Белан Ф. И. Водоподготовка. М.: Энергия, 1980.
41. Иониты в цветной металлургии/К. Б. Лебедев, Е. И. Казанцев,
В. М. Розманов и др. М.: Металлургия, 1975.
42. Судариков Б. Н., Раков Э. Г. Процессы и аппараты урановых
производств. М.: Машиностроение, 1968.
43. Шевченко В. Б., Судариков Б. Н. Технология урана. М.: Госатомиздат,
1961.
44. Технология урана/Н. П. Галкин, Б. Н. Судариков, У. Д. Верягин и др.
М.: Атомиздат, 1964.
45. Галкин Н. П., Тихомиров В. Б. Основные процессы и аппараты
технологии урана. М.: Госатомиздат, 1961.
46. Когановский А. М. Адсорбция и ионный обмен в процессах
водоподготовки и очистки сточных вод. Киев: Наукова думка, 1983.
47. Очистка и использование сточных вод в промышленном
водоснабжении/А. М. Когановский, Н. А. Клименко, Т. М. Левченко и др. М.: Химия,
1983.
48. Ehrlich F. H.//Effluent and water treat. J. 1978. Vol. 18. № 1. P. 21—24.
49. Jackson E. W., Smith J. H.//Ibid. 1978. Vol. 8. № 2. P. 27—33.
50. Grand P.//Ind. water eng. 1975. Vol. 12. № 1. P. 17—20.
51. Вода в атомной энергетике/Л. А. Кульский, Э. Б. Страхов, А. М. Во-
лошинова и др. Киев: Наукова думка, 1983.
52. А. с. 521904 (СССР)/В. И. Ларичев, П. А. Болотов, В. Н. Торлина и
др.//Б. И. 1976. № 27.
53. А. с. 695674 (СССР)/А. Н. Венедиктов, Н. И. Полозов, Л. П. Подко-
венко и др.//Б. И. 1979. № 41.
54. Алексеева Т. В., Прохорова А. М.//Теплоэнергетика. 1979. № 2. С. 74—
79; 1982. № 9. С. 7—12; 1980. N° 6. С. 7—9.
55. Marchewka W. //Przem. Chem. 1981. Vol. 60. № 7—8. P. 377—379.
56. Sierakowski E.//Energetika. 1981. Vol. 35. № 6. P. 216—219.
57. Brost H., Martinola F.//VGB — Kraftwerkstechnik. 1980. Bd 60. № 1.
S. 53-62.
58. Scott R. A. F.//Effluent and Water Treat. J. 1981. Vol. 21. № 3. P. 113—
120.
59. Strauss S. D,//Power. 1978. Vol. 122. № U. P. 14—17.
241

60. Рогов К. Д., Баронкин Ю. Ф., Шавлова Т. С. и др.//Теплоэнергетика.
1977. № 12. С. 10—14.
61. Wirth L. F.//Combustion. 1981. Vol. 51. № 7. P. 33—41.
62. Находа Ф., Дж. Шуберт. Ионообменная технология. М.: Металлург-
издат, 1959.
63. Nagy О., Hilt L.//Energia es atomtechnika. 1977. Vol. 30. № 1. P. 1—7,
18-21.
64. Jenkins S. D., Wallace J. T.//Proc. Amer. Power Conf. 1979. Vol. 141.
p g2g 933
65. Мамет А. П.//Теплоэнергетика. 1976. № 7. С. 68—71.
66. Grits G. J.//Combustion. 1974. Vol. 45. № 12. P. 33—38.
67. Grant J. S., Grous R. P.//Amer. Power Conf. 1966. Vol. 28. P. 773—791.
68. Jackson E. W.//Water Chem. Nucl. React. Systems. L.: 1978. P. 459—466.
69. Svoboda R.//VGB—Kraftwerkstechnik. 1981. Bd 61. № 2. S. 133—142.
70. Громогласов А. А., Субботина Н. П., Белова Г. Н.//Теплоэнергетика.
1982. № 2. С. 53—56.
71. Зефиров А. П., Ласкорин Б. Н., Невский Б. В.//Атомная энергия. 1961.
Т. 11. 2. С. 253—269.
72. Ласкорин Б. Н., Мамилов Б. А., Корейшо Б. А. и др.//Там же. 1983.
Т. 54. № 4. С. 286—292.
73. Ласкорин Б. Н., Водолазов Л. И., Токарев Н. Н. и др.//Там же. 1977.
Т. 43. № 6. С. 477—481.
74. Гидрометаллургическая переработка уранорудного сырья//Ю. В.
Смирнов, 3. И. Ефимов, Д. И. Скороваров и др. М.: Атомиздат. 1979.
75. Mei F.//Techn. et sciences municipales. 1974. Vol. 69. № 4. P. 397—406.
76. Slater M. J.//Effluent and water treat. J. 1981. Vol. 21. № 10. P. 461 —
466; Tran. inst. chem. eng. 1982. Vol. 60. № 1. P. 54—58.
77. Карпачева С. M., Рябчиков Б. Е. Пульсационная аппаратура в
химической технологии. М.: Химия, 1983.
78. Gold H.//Desalination. 1975. Vol. 17. № 1. P. 97—109.
79. Vermuelen T.//Chem. eng. progr. 1977. Vol. 72. № 10. P. 57—61.
80. Lermigeaux G., Roques H.//Technique del'eau. 1971. Vol. 299. P. 31 —
44; Vol. 300. P. 63—79.
81. A. c. 422435 (СССР)/И. М. Паршков, А. А. Майоров, М. Е. Куприн//
Б. И. 1974. № 13.
82. Пат. 1433666 (Великобритания); Пат. 4126548 (США).
83. Пат. № 2418666 (Франция) Barraque С.
84. Пат. заявка № 56—8658 (Япония).
85. Bolto В. A., Pawlowski L.//Effluent and Water Treat. J. 1983. Vol. 23.
№ 6. P. 233—239.
86. Serper A.//Water and Sewage works. 1979. Vol. 126. P. 170—173.
87. Marquardt K.//Galvanotechnik. 1975. Bd 19. № 21. S. 188—195; 1983.
Bd 74. № 12, P. 1430—1438; 1985. Bd 76. № 5. S. 559-564; Пат. 2029720.
88. Маркварт К. Химия и технология воды. 1982. Т. 4. № 4. С. 344—349.
Пат. 712010, 712011 (СССР)//Б. И. 1980. № 3.
89. А. с. 789157 (СССР)/В. М. Бородачев, В. Н. Сухоруков, В. А. Кузьмин
и др.//Б. И. 1980. № 47.
90. А. с. 789127 (СССР)/В. В. Хабиров, Л. П. Михайлов, В. Н. Федин
и др.//Б. И. 1980. № 47.
91. А. с. 657835 (СССР)/В. М. Бородачев, В. А. Кузьмин, В. Н.
Сухоруков и др.//Б. И. 1979. № 15.
92. А. с. 740270 (СССР)/Н. Н. Токарев, В. Н. Федин, В. В. Хабиров и др.//
Б. И. 1980. № 22.
93. А. с. 446284 (СССР)/Е. И. Тюрин, Ю. В. Иванов, Л. Е. Цодыкович и др.//
Б. И. 1974. № 38.
94. Цветные металлы/Л. А. Иванов, Ю. В. Иванов, В. И. Скороходов и
др.//1982. № 5. С. 14—16.
95. Поздняков В. Я.//Там же. 1983. № 1. С. 34—36.
96. А. с. 936992 (СССР)/В. И. Полтавцев//Б. И. 1982. № 23.
97. А. с. 791416 (СССР)/В. И. Полтавцев, Т. И. Орлова, Б, Д. Шерин//
Б. И. 1980. № 48.
242
98. А. с. 833276 (СССР)/Б. Н. Ласкорин, Л. И. Водолазов, X. А. Барсе-
гян//1981. № 20.
99. А. с. 627846 (СССР)/Е. Н. Барышев//Б.И. 1978. № 38.
100. А. с. 605632 (СССР)/В. В. Хабиров, М. П. Петров, В. Н. Горбань//
Б. И. 1976. № 17.
101. А. с. 831139 (СССР)/Л. И. Сорокин, А. С. Шереметьев, Н. Н. Токарев//
Б. И. 1981. № 19.
102. А. с. 814441 (СССР)/В. В. Хабиров, М. П. Петров//Б. И. 1981. № 11.
103. А. с. 710569 (СССР)/В. Б. Брагик, Л. П. Сошина, И. Ф, Нешков//
Б. И. 1980. № 3.
104. А. с. 712118 (СССР)/Б. Е. Рябчиков, Е. И. Захаров, В. С. Дьяков//
Б. И. 1980. № 4.
105. А. с. 915877 (СССР)/Б. Е. Рябчиков, А. Л. Левченко, А. И. Шабанов
и др.//Б. И. 1982. № 12.
106. Пульсационная аппаратура. Вып. 2. Пульсационные колонны. М.:
Энергоиздат, 1981.
107. Мурабулдаев М. Ч., Рябчиков Б. Е., Дьяков В. С. и др. Сб.:
Пульсационная техника. М.: Энергоатомиздат, 1983.
108. Медведев Г. А. Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1977.
109. Атомная энергия/Б. Е. Рябчиков, Е. И. Захаров, А. П. Дариенко и др.//
1983. № 6. С. 373—376.
ПО. А. с. 565705 (СССР)/Л. М. Илюшин, В. В. Шаталов, П. И. Шапиров
и др.//Б. И. 1977. № 27.
111. А. с. 762914 (СССР)/Л. М. Илюшин, Н. Н. Шаталов, Б. Н. Ласкорин
и др.//Б. И. 1980. № 34.
112. Волохонская В. Н., Торочешников Н. С, Жилин А. Г. и др.//Химическая
промышленность. 1982. № 6. С. 37, 38.
113. А. с. 747509 (СССР)/В. И. Попов, А. М. Карпман, Н. Б. Коростышевский
и др.//Б. И. 1980. № 26.
114. А. с. 806109 (СССР)/Н. Н. Токарев, А. И. Новиков, Ю. В. Иванов и
др.//Б. И. 1981. № 7.
115. Барченко В. В. Основы сорбционной технологии извлечения золота и
серебра из руд. М.: Металлургия, 1982.
116. Очистка и контроль сточных вод предприятий цветной металлургии/
Н. Т. Баймаханов, К. Б. Лебедев, В. Н. Антонов и др. М.: Металлургия, 1983.
117. А. с. 695690 (СССР)/П. Н. Петров, В. И. Полтавцев//Б. И. 1979. № 41.
118. А. с. 789158 (СССР)/В. И. Полтавцев//Б. И. 1980. № 47; А. с. 889091
(СССР)//Б. И. 1981. № 46.
119. А. с. 837393 (СССР)/Л. П. Большаков, Д. Е. Бугримов, А. И. Фролов
и др.//Б. И. 1981. № 22.
120. А. с. 899119 (СССР)/Ю. А. Жданов, Л. А. Болыдаков//Б. И. 1982. № 3.
121. А. с. 882598 (СССР)/В. К. Филимонов//Б. И. 1981. № 43.
122. А. с. 791418 (СССР)/С. П. Фоминых, Ю. П. Тархин//Б. И. 1980. № 48.
123. А. с. 982778 (СССР)/Н. В. Кальянов//Б. И. 1982. № 47.
124. Slater M. J., Cooper P. F., Itari G. B.//Chem. ing.—techn. 1975. Bd 47.
№ 14. S. 588—594.
125. Марутовский Р. М., Когановский А. М., Сатыбалдиева Д. К-//Хим. и
технология воды. 1982. Т. 4. № 5. С. 409—413.
126. Карпачева С. М., Захаров Е. И., Кошкин В. Н. Сб.: Разработка и
применение пульсационной аппаратуры. М.: Атомиздат, 1974. С. 161 —170.
127. Захаров Е. И., Рябчиков Б. Е., Кошкин В. Н. и др. Сб.: Разработка и
применение пульсационной аппаратуры. М.: Атомиздат, 1974. С. 170—188.
128. Коростышевский Н. Б., Медведев С. Ф., Рыбальченко и др.//Цветные
металлы. 1983. № 3. С. 91—93.
129. Медведев С. Ф., Балакирев С. М., Коростышевский Н. Б. и др.//Цветные
металлы. 1983. № 1. С. 91—94.
130. Заграй Я. М., Довгуша П. И. Водоподготовка и очистка промышленных
стоков. Вып. 11. Киев: Наукова думка, 1975; Хим. технология//1974. № 6 (78).
С. 36-39.
243

131. Пульсационная аппаратура в народном хозяйстве. Ч. 2/С. М. Карпачева,
Е. И. Захаров, Б. Е. Рябчиков и др. М.: Атомиздат, 1979.
132. Захаров Е. И., Сахаров Ю. А., Калинин Л. М. и др. Сб.:
Пульсационная аппаратура в народном хозяйстве, ч. 2. М.: Атомиздат, 1979. С. 148—152.
133. Захаров Е. И., Кодубенко Л. К., Рябчиков Б. Е. и др.//Хим.
промышленность. 1975. № И. С. 858—860.
134. Рябчиков Б. Ем Трофимов Д. И., Захаров Е. И. и др.//Атомная энергия.
1975. Т 38 № 4. С 222 225.
J35 Рябчиков Б. Е., Захаров Е. И., Дьяков В. С. 3-я Всесоюзная
конференция. Химтехника, 83, Навои 4-6. 10. 83. Черкассы: НИИТОХИМ, 1983. С. 58.
136. Карпачева С. М., Медведев С. Ф. Сб.: Разработка и применение пуль-
сационной аппаратуры. М.: Атомиздат, 1974, с. 189—198.
137. А. с. 728895 (СССР)/С. Ф. Медведев, С. М. Балакриев//Б. И. 1980.
№ 15.
138 А. с. 791417 (СССР)/А. И. Шабанов, А. Л. Левченко, С. М. Карпачева
и др.//Б. И. 1980. № 48.
139. Boydell D. W.//Hydrometallurgv 81, pt 2. L., E—1.
140. Slater H. J.//J. of Separation Proc. Technol. 1981. Vol. 2. № 3. P. 2—12.
141. Пат. 1382450 (Великобритания); 3879887 (США).
142. Seidel С—Uranium ore processing. Vienna. IAEA. 1976. P. 76—83.
143. Boydell D. W., Laxen P. A., Bosch D. W.//Canad. Mining and Metall.
Bull. 1979. Vol. 72. № 805. P. 127—134.
144. Пат. 1070251 (Великобритания)/?. Cloete, M. Street.
145. Rosenbaum J. В., Ross J. R.—Int. Symp. on Hydrometallurgy. N. Y.
1973. P. 525—551.
146. Ritcey G. M., Slater M. J., Lucas B. H.//Ibid. P. 417-479.
147. Гидрометаллургия/Под ред. Б. Н. Ласкорина. М.: Металлургия, 1978.
С. 417—453.
148. Пат. 1261082 (Великобритания).
149. Пат. 1262791 (Великобритания).
150. Janson J. H., Teylor A.//Mining Congress J. 1977. Vol. 63. № 4. P. 26—
28.
151. James U. E.— Uranium ore Processing. Vienna. IAEA. 1976. P. 85—94.
152. Hendriksz A. R. Hydrometallurgy-81, pt 2. L., E—2.
153. Street M., Qassin R. Y. Int. Symp. on Hydrometallurgy. N.-Y., 1975.
P. 475-496.
154. Захаров E. И., Рябчиков Б. Е., Дьяков В. С. и др. Сб.: Пульсационная
аппаратура в народном хозяйстве. Ч. 2. М.: Атомиздат, 1979. С. 162—170.
155. Рябчиков Б. Е., Дьяков В. С. Сб.: Пульсационная техника. М.: Энерго-
атомиздат, 1983. С. 63—68.
156. А. с. 816478 (СССР)/Б. Е. Рябчиков, Е. И. Захаров, В. С. Дьяков и
др.//Б. И. 1981. № 12.
157. Himsly A.//Canad. Mining J. 1975. Vol. 96. № 6. P. 59—61; Canad.
Mining and Metall. Bull. 1977. Vol. 70. № 785. P. 148—154; Пат (1586492)
(Великобритания); Пат (1439396) (Великобритания); Hydrometallurgy—81, pt 2. L.,
E—3; Environment Science and Technol. 1976. Vol. 10. № 10. P. 976—977.
158. A. c. 283175 (СССР)//Б. И. 1982. № 21; А. с. 502649 (СССР)//Б. И.
1976. № 6; А. с. 625761 (СССР)//Б. И. 1976. № 36./Е. Н. Барышев и др.
159. Розен А. М. Сб.: Масштабный переход в химической технологии. М.:
Химия, 1980. С. 250—258.
160. Стерман Л. С, Покровский В. Н. Химические и термические методы
обработки воды на ТЭС. М.: Энергия, 1981.
161. Dallman С. Н., Askew A. A.//Power Eng. 1971. Vol. 75. № И. P. 44—
47; № 12. P. 45—47.
162. Шебатин В. Г., Доманский И. В., Соколов В. И. и др.//Журн. приклад,
химии. 1977. Т. 50. № 4. С. 867—870.
163. А. с. 645694 (СССР)/А. А. Балобанов, В. Н. Старцев//Б. И. 1979. Я<> 5.
164. Пат. 1767171 (ФРГ); пат. 1517936 (ФРГ).
165. Rub F.//Energy und Technik. 1971. Bd 23. № 6. S, 204—207.
166. H. Firewiez, R. Koch. Пат. 64726 (ПНР),
244
167. А. с. 218070 (CCCP)/A. К. Карташев, Ю. Д. Головняк, Я. О. Kpaeetf
и др.//Б. И. 1968. № 16.
168. А. с. 398827 (СССР)/В. И. Голыш, С. Н. Николаенко, П. И. Глухих
и др.//Б.И. 1973. № 38; А. с. 808096 (СССР)//Б. И. 1981. № 8.
169. А. с. 258281 (СССР)/Л. Д. Стремовский, Н. И. Гальперин,
Л. М. Клюева//Б. И. 1970. № 1; А. с. 509285 (СССР)//Б. И. 1976. № 13.
170. Пат. 404962 (Австралия).
171. Пат. 3432429 (США).
172. Пат. 1024824 (Великобритания).
173. Bouchard J. Ion Exchange in the Process Industries. L.: 1970. P. 91—97.
174. A. c. 844039 (СССР)/И. Б. Бум//Б. И. 1981. № 25.
175. Thorborg С—Power. 1969. Vol. 113. № 6. P. 76—79.
176. Dallman C.//Int. Water Conf. 1971. Vol. 32. P. 113—127; 131—134.
177. Levendusky J. A.//Ibid. 1967. Vol. 28. P. 35—55.
178. Пат. заявка 55—32425 (Япония).
179. А. с. 709155 (СССР)/Г. К. Гончаренко, В. Я. Шубеев, В. Л. Лещенко//
Б. И. 1980. № 2.
180. Higgins I. R//Environment Science and Technol. 1973. Vol. 7. № 12.
P. 1110—1114; AIChE Symp. ser. 1982. Vol. 78. № 216. P. 143—150; Ion exchange
in the process industries. L.: 1970. P. 121—126.
181. Gold H., Sonin A.//AIChE Symp. ser. 1975. Vol. 71. № 152. P. 48—58.
182. Брилинский Б. М. Сб.: Доклады и научные сообщения Львовского
политехнического института. Львов: Высшая школа, 1973. С. 21—25.
183. Даубарас Р. Ю., Будрис Р. П., Гадийошайтенс И. А.//Техника средств
связи, серия: Технология производства и оборудование. Вып. 2. 1983. С. 12—14.
184. Веницианов Е. В., Рубинштейн Р. Н. Динамика сорбции из жидких
сред. М.: Наука, 1983.
185. Ефремов Г. И. Сб.: Трехфазный кипящий слой и его применение в
промышленности. Ярославль: 1977. С. 73—79.
186. Куний Д., Левеншпиль О. Промышленное псевдоожижение. М.: Химия,
1976.
187. Аэров М. Э., Тодес О. М. Гидравлические и тепловые основы работы
аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1968.
188. Scott К. S., Mandersloot W.//Power Technol. 1979. Vol. 24. № 1. P. 99—
101.
189. Тимошенко М. Н., Рода И. Г., Черкасов В. М.//Химия и технол. воды.
1981. Т. 3. № 6. С. 486—490.
190. Беранек Я.. Сокол Д. Техника псевдоожижения. М.: Гостоптехиздат,
1962.
191. Ризаев Н. У., Юсупбеков Н. Р., Юсипов М. М. Основы оптимизации
экстракционной и ионообменной технологии. Ташкент: УКИТУВЧИ, 1975.
192. Салдадзе К. М., Пашков А. В., Титов В. С. Ионообменные
высокомолекулярные соединения. М.: Госхимиздат, 1960.
193. Колосова Г. М., Сенявин М. М.//Журн. физ. химии. 1964. Т. 38. № 12.
q 2819 2892
194. Grubhofer N.//Angew. Chem. 1959. № 6. P. 215—217.
195. Carman P. C. Flow of Gases through Porous Media. L.: 1956.
196. Беннет К. О., Майерс Дж. Е. Гидродинамика, теплообмен и массопе-
ренос. М.: Недра, 1966. С. 726.
197. Ergun S.//Chem. Eng. Progr. 1952. Vol. 48. P. 227—236.
198. Лева М. Псевдоожижение. М.: Гостоптехиздат, 1961.
199. Повх И. Л. Теоретическая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1969.
200. Вахрушев И. А.//Хим. пром. 1965. № 8. С. 54—57.
201. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.
М.: Химия. 1973.
202. Бояджиев Л., Сапунджиев Ц.//ТОХТ. 1970. Т. IV. № 4. С. 597—602.
203. Molininer S., Kuychoukov G., Angelino H.//Chem. Eng. Sci. 1971. Vol. 26.
№ 9. P. 1401 — 1412.
204. Cornelia Balaban, Cheorghita J. Jinescu//Revista de chimie. Vol. 26.
№ 2. P. 138—144.
205. Осипов А. В.//ТОХТ. 1981. T. 15. № 3. С 416—423.
245

206. To jo К., Nishimura К., Iwanaka H.//Bull. Univ. Osaka Prefect. 1981.
V°So7°'KSiIe SP//Ch7m53Eng. Sci. 1980. Vol. 35. № 8. P. 1787-1793. [
208. Максименко М. 3.//Изв. вузов. Нефть и газ. 1976. №5.1. 16—/b.
209. Ефимцев В. С, Цедик В. А.//Изв. вузов. 1982. № 4. С. 65-69^
210 Девидсон И. Ф., Харрисон Д. Псевдоожижение. М.: Химия, 19/4.
211 Захаров Е.И., Дьяков В. С, Бродецкий О. А.//Хим. и нефт.
машиностроение. 1978. № 9. С. 18, 19. 1QQ_ _0 *
212. Flaschel E., Fanguex P.-F., Renken A.//Chem. Ind. Techn. 1982. Vol. 52.
213 Ravindrapandian Т., Ramamoorthy S., Lakshminarayana K.//Indian J. Tech-
nol. 1980. Vol. 18. № 1. P. 1—3. _c
214. Mayrhofer В., Neuzil L., Mala S.//Sb. VSCH Praze. 1981. K. 16. P. 55 - '
69
215 Кафаров В. В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1972.
216 Розен А. М., Рубежный Ю. Г.//Теорет. основы хим. технологии. 1974.
Т. 8. №5. С. 763-767. л . f
217. Мишек Т., Род В. Сб.: Последние достижения в области жидкостной
экстракции. М.: Химия, 1974, с. 173—203.
i
\
6ГЛАВЛЕНЙЁ
Предисловие 3
Условные обозначения 5
Глава 1. Место и роль ионного обмена в атомной промышленности . 7
Глава 2. Основы ионного обмена 18
2.1. Характеристики ионообменных материалов, применяемых в
ядерной технологии 18
2.2. Физико-химические свойства ионитов 36
2.2.1. Обменная емкость 36
2.2.2. Селективность 37
2.2.3. Устойчивость ионитов 38
2.2.4. Радиационная стойкость ионитов 40
2.3. Кинетика ионного обмена 41
2.4. Равновесие ионного обмена 48
Глава 3. Ионообменное оборудование 55
/ 3.1. Классификация ионообменного оборудования 56
3.2. Конструкции ионообменных аппаратов периодического действия . 57
3.2.1. Аппараты со сплошным слоем сорбента — фильтры ... 58
Фильтры с прямоточной и противоточной регенерацией . 58
Фильтры для радиохимических производств . ... 67
Многослойные фильтры 69
Фильтры смешанного действия 69
Намывные фильтры 74
3.2.2. Аппараты со взвешенным слоем 75
3.3. Конструкция ионообменных аппаратов непрерывного и
полунепрерывного действия 77
3.3.1. Аппараты со сплошным движущимся слоем сорбента . . 79
Аппараты с противоточным движением фаз ..... 79
3.3.2. Аппараты со взвешенным слоем 88
Аппараты со смешанным и прямоточным движением фаз . 88
Аппараты с противоточным движением фаз .... 92
3.3.3. Аппараты непрерывного действия для радиохимических
производств к Ю1
3.4. Выбор аппарата для конкретного процесса ЮЗ
3.5. Методы оценки и сравнения эффективности ионообменной
аппаратуры Ю5
Глава 4. Установки для ионообменных процессов .... ПО
4.1. Выбор технологических схем ионообменных установок . . . ПО
4.2. Установки периодического действия ИЗ
4.2.1. Установки со смешанным слоем ионита П6
4.2.2. Установки с намывными ионитными фильтрами .... 120
4.3. Установки непрерывного ионного обмена (НИО) .... 1^1
4.3.1. Основные особенности выбора и расчета установок НИО . 122
4.3.2. Элементы установок НИО 127
Вспомогательные устройства установок непрерывного
действия . . . . .......... 127
4.3.3. Схемы установок НИО и их особенности 139
Установки для технологических процессов 139
Установки для водоподготовки и водоочистки . . . . 150
4.3.4. Однокорпусные ионообменные установки 163
4.4. Сравнение и выбор ионообменных установок 170
Глава 5. Основные гидродинамические закономерности слоя зернистого
материала 174
5.1. Размер частиц 175

5.2. Плотность частиц -....-.. 1/6
5.3. Набухаемость ионитов 178
5.4. Порозность слоя 178
5.5. Удельная поверхность слоя 181
5.6. Гидравлическое сопротивление зернистого слоя 181
5.7. Характеристическая скорость частиц 183
5.8. Начало псевдоожижения и расширение псевдоожиженного слоя 188
5.9. Гидродинамика движущегося псевдоожиженного слоя . . . 193
лава 6. Методы инженерного расчета и масштабирования
ионообменного оборудования 196
6.1. Методы расчета, основанные на теории массообменных процессов 198
6.2. Методы расчета, основанные на математических моделях
ионообменных аппаратов и процессов 211
6.3. Особенности расчета отдельных групп аппаратов 214
6.3.1. Аппараты периодического действия 214
Расчет аппаратов со сплошным слоем 214
Расчет аппаратов с псевдоожиженным слоем .... ~220/
6.3.2. Аппараты непрерывного действия 222
Аппараты смешения и прямоточные колонны вытеснения . 222
Противоточные колонны со взвешенным слоем ионита . . 227
6.3.3. Аппараты полунепрерывного действия с псевдоожиженным
слоем ионита 230
6.3.4. Аппараты полунепрерывного действия со сплошным слоем
ионита 235
Список литературы 240
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
ЕВГЕНИЙ ИВАНОВИЧ ЗАХАРОВ
БОРИС ЕВГЕНЬЕВИЧ РЯБЧИКОВ
ВЯЧЕСЛАВ СЕРГЕЕВИЧ ДЬЯКОВ
Ионообменное оборудование атомной промышленности
Редактор Т. А. Зайцева
Художественные редакторы А. Т. Кирьянов, Т. Я. Хромова
Технический редактор О. Д. Кузнецова
Корректор М. Г. Гулина
ИБ № 1196
Сдано в набор 21.10.86. Подписано в печать 16.01.87. Т-00028.
Формат 60X907i6. Бумага офсетная № 1. Гарнитура литературная.
Печать высокая. Усл. печ. л. 15,5. Усл. кр.-отт. 15,5.
Уч.-изд. л. 17,92. Тираж 1900 экз. Заказ 1735. Цена 1 р. 30 к.
Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Московская типография № 6 Союзполиграфпрома при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной
торговли.
109088, Москва, Ж-88, Южнопортовая ул., 24.