Курсовая работа (т): Ионообменные установки

Плотность частицы набухшего катионита:

                        (4)

Критерий Архимеда:

  (5)

Находим критерий Re:

               (6)

Скорость жидкости:

      (7)

Диаметр аппарата:

          (8)

Принимаем D - 0,6 м.

Уточним значение скорости и Re:

                              (9)

Значение порозности, соответствующее уточненному значению Re:

    (10)

Определение лимитирующего диффузионного сопротивления. Фазу, в которой сосредоточено лимитирующее диффузионное сопротивление, можно определить по значению критерия Био:

                                                             (11)

где R - радиус частицы, м; рс - коэффициент внешней массоотдачи, м/с; D3 - эффективный коэффициент диффузии в частице, м2/с; Г - тангенс угла наклона равновесной линии, м'/кг; р„ - плотность ионита, кг/м!.

При Bi'>20 общая скорость массопереноса определяется внутренней диффузией, тогда как при Bi'<1,0 преобладающим является внешнее диффузионное сопротивление. Коэффициент внешней массоотдачи рг определяем по критериальному уравнению:

                                        (12)

     (13)

Коэффициент внешней массоотдачи:

       (14)

В области сравнительно низких концентраций равновесная зависимость близка к линейной. Приближенно можно принять изотерму сорбционного обмена линейной с тангенсом угла наклона, равным:

где Сср - средняя концентрация ионов Na + . Среднюю концентрацию ионов Na+ в потоке можно найти как среднюю логарифмическую:

              (15)

Средний тангенс угла наклона равновесной зависимости:

                        (16)

Критерий Био:

                  (17)

         (18)

Полученное значение критерия Bi' показывает, что процесс ионного обмена протекает во внешнедиффузионной области.

Среднее время пребывания частиц ионита в аппарате. Степень отработки зерна ионита сферической формы, находящегося в течение времени t в жидкой среде концентрацией Сср при Bi0, определяется следующим выражением:

где Хк - конечная концентрация ионов Na+ в катионите, кг/кг.

Ввиду того что в цилиндрических аппаратах с псевдоожиженным слоем твердая фаза полностью перемешана, плотность распределения частиц ионита по времени пребывания определяется соотношением :

Считая, что равновесная концентрация в ионите соответствует средней концентрации в потоке жидкости (Сср), найдем среднюю по всему слою степень отработки ионита:

    (19)

Конечную концентрацию ионов Na+ в катионите найдем из материального баланса, определив предварительно минимальный и рабочий расход ионита. Минимальный расход находим из условия равновесия твердой фазы с раствором, покидающим аппарат:

    (20)

Рабочий расход сорбента по опытным данным в 1,1 -1,3 раза превышает минимальный [19]. Приняв соотношение рабочего и минимального расходов, равное 1,2, подучим рабочий расход катионита:

                      (21)

Конечная концентрация катионита:

      (22)

Подставив известные величины в уравнение , получим:

                          (23)

Высота псевдоожиженного слоя ионита. Объемный расход ионита:

              (24)

Объем псевдоожиженного слоя:

        (25)

Высота псевдоожиженного слоя:

                              (26)

Высота сенарационной зоны должна быть выше предельной, при которой возможно существование псевдоожиженного слоя. Предельная высота псевдоожиженного слоя определяется уносом самых мелких частиц смолы КУ-2. Минимальный размер частиц смолы КУ-2 составляет 0,3 мм. Скорость уноса определяется из уравнения:

Скорость уноса найдем из уравнения :

  (28)

Для достаточной сепарации частиц примем высоту слоя на 30 % больше:

                                                         (29)

Объем псевдоожиженного слоя и его высоту можно также определить интегрированием уравнения массопередачи, записанного для псевдоожиженного слоя бесконечно малой высоты. Такой подход дает следующую расчетную формулу для объема псевдоожиженного слоя :

                                                    (30)

где Kоб - объемный коэффициент массопередачи, с-1.

С учетом того, что лимитирующее сопротивление массопередачи сосредоточено в жидкой фазе, получим:

       (31)

Величину С* (Хк) определим из уравнения изотермы:

С* (Хк) =0,0054/(1,32 - 2*0,0054) =0,0041 кг/м3                        (32)

С учетом найденных величин Кос и С*(Л-,,) получим на основе уравнения массо- передачи объем псевдоожижеиного слоя ионита:

                   (33)

Эта величина на 30 % превышает найденный ранее объем псевдоожиженного слоя 10,094.

В случае односекционной колонны следует отдать предпочтение первому методу, учитывающему различие времени пребывания частиц ионита в аппарате, хотя и у этого метода есть недостаток, заключающийся в том, что концентрация жидкой фазы принимается средней по всему объему слоя.

4.2 Расчет многосекционной катионообменной колонны

Односекционные сорбционные аппараты с псевдоожиженным слоем требуют значительного расхода сорбента ввиду того, что конечная концентрация и твердой фазе ионита должна быть меньше Л* (Ск), что является следствием перемешивания частиц в аппарате. Поэтому аппараты со сплошным псевдоожиженным слоем ионита используют для обработки малоконцентрированных растворов.

Для снижения расхода ионита обычно используют многосекционные аппараты, где влияние неравномерности времен пребывания частиц значительно меньше.

Многосекционные аппараты требуют значительно меньшего расхода ионита, поскольку перемешивание твердых частиц наблюдается лишь внутри каждой секции а весь аппарат при достаточном числе секций приближается по структуре потоков к МИВ.

Адсорбционные аппараты с псевдоожиженным слоем(рис 4), предназначенные для очистки жидких смесей, обычно включают небольшое число секций, что не позволяет воспользоваться методикой , применяемой при расчете многосекционных газофазных адсорберов, где число секций позволяет принять модель идеального вытеснения. Поэтому при расчете многосекционных ионообменных колонн необходимо определять концентрацию раствора, покидающего каждую секцию.

Рис 4 Схема адсорбционной установки

Выражение для концентрации раствора, покидающего п-ю секцию, можно получить решением уравнения материального баланса для участка ионообменного аппарата от его начала до п-й секции включительно :

                                             (34)

Решение системы уравнений дает следующее уравнение:

              (35)

Проведем расчет числа секций многоступенчатого катионообменного аппарата, принимая те же исходные данные, что были взяты при расчете односекционного аппарата, и пользуясь полученными при его расчете значениями диаметра (D = 0,6 м) и коэффициента массопередачи (Км = 0,101 с ').

Примем высоту псевдоожиженного слоя на каждой секции Нс = 0,25 м. Минимальный расход ионита определим по уравнению [32]:

Схmin=V(Сн-Ск)/X*(СH)

Концентрацию Na+ в ионите, находящемся в равновесии с исходным раствором, найдем из уравнения изотермы ионного обмена:

*(СH) = 1,32*0,1/(1+2*0,1) =0,11 кг/кг.                                       (36)

Подставив значение X* (СH) в уравнение ,получим:

G xmin= 10*(0,1 -0,005)/0,11 =8,64 кг/ч.                                               (37)

Приняв коэффициент избытка ионита равным 1,3 (в интервале 1,1 -1,3) найдем рабочий расход ионита и конечную концентрацию Na+ в ионите:

Gx= 1,З*Gxmin = 1,3*8,64= 11,2 кг/ч                                          (38)

Хк = 10*(0,1- 0,005)/11,2=0.085 кг/кг.

Найдем объем псевдоожиженного слоя и константу А:

                      (39)

Константы уравнения изотермы сорбции: а=1,32; b=2.

Подставляя полученные данные В уравнение (34)при n=1,2 и т. д., получим значения концентрации раствора, покидающего 1-ю, 2-ю и т. д. ячейку.

Аналогичные вычисления для остальных секций дают такие результаты:

С3=0,0377кг/м3;

С4=0,0244кг/м3;

С5=0,0144кг/м3;

С6=0,0071кг/м3;

С7=0,0020кг/м3.

Таким образом, для достижения необходимой конечной концентрации раствора требуется 7 секций.

С учетом того, что высота псевдоожиженного слоя в каждой секции равна 0,25м, найдем высоту слоя с учетом сепарационной зоны:

                                      (40)

Полная высота тарельчатой части катионообменнои колонны

Hт = 7H = 7*0,35 = 2,45 м.                                                           (41)

Приведем сравнительные результаты расчетов односекционного и многосекционного катионообменных аппаратов

Заключение

В данной курсовой работе мы рассчитывали односекционную ионнообменную установку и многосекционную. Ионообменные установки универсальны, менее громоздки, чем выпарные, и проще в эксплуатации. После поглощения радиоактивных изотопов отработанные иониты становятся высокоактивными твердыми отходами, которые при отсутствии возможности регенерации хоронят в специальных могильниках.

По сравнению с существующими, синтезированные порошкообразные иониты имеют преимущество в том, что их можно спрессовать. Под давлением 20 - 40 кг / см2 они уменьшают свой объем в 2 - 2 3 раза. Это позволяет использовать в 2 раза меньший объем могильников по сравнению с тем случаем, когда используются гранулированные иониты. После выдержки спрессованных брусков для снижения активности до уровня слабоактивных их можно сжечь в специальных печах, оборудованных установками для очистки отходящих газов.

Ионообменные установки не требуют сложного ухода. Большинство затруднений при их эксплуатации связано с неисправностью арматуры и дренажной системы, повреждение которой может вызвать неравномерное распределение жидкости и снижение рабочей обменной емкости, а также привести к потерям ионообменного материала. По расчетам высота ионообменной установки должна достигать 2,45 м.

Список литературы

1. Громов С.Л. Технологические преимущества процесса противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE : промывка взрыхлением // Теплоэнергетика. 1998. № 3. С. 52-55.

. Громов С.Л. Основные пути совершенствования технологии водоподготовки в СНГ // Химическое и нефтяное машиностроение. 1998. Кй 12. С. 47-48.

. Юрчевский Е.Б., Яковлев А.В. Внедрение технологии противоточного ионирования на базе реконструкции установленного оборудования // Энергосбережение и водоподготовка. 1998. № 1. С. 52-59.

. Внедрение противоточной технологии UPCORE фирмы «Дау Кэмикал» (США) на ВПУ по обессоливанню ТЭЦ-12 МОСЭНЕРГО / И.И. Боровкова, И.С. Бадаев, С.Л. Громов и др. Электрические станции. 2000. № 5. С. 29-31.

. Алексеева Т.В., Федосеев Б.С. Совершенствование техники ионного обмена на основе противоточной технологии Энергетик. 2001. №7. С. 17-19.