Теплотехника (стр. 25 )

у – безразмерная концентрация (доля) сорбтива в твердой фазе по отношению к общей концентрации Q;

х – безразмерная концентрация (доля) сорбтива в жидкой или парогазовой фазе по отношению к общей концентрации С0.

В дифференциальной форме:

(2.169)

где - коэффициент распределения для бинарного ионообмена в соответствии с уравнением

При бесконечном времени процесса две фазы приходят в равновесие друг с другом и их концентрации можно найти, путем решения уравнения материального баланса (2.167) и уравнения равновесия (2.123):

(2.170)

, (2.171)

где r – фактор разделения, определяемый по уравнению (2.120).

Рабочая линия – прямая материального баланса и равновесная кривая могут быть изображены на диаграмме у-х и найдены точки их пересечения. При определении времени для получения более полного равновесия (например, х=0,99хравн) в системе жидкость-твердое, можно определить графическим методом число противоположных равновесий, требуемых для того, чтобы обеспечить желаемую обработку исходной смеси.

Скорость процесса для фазы раствора (газа) определяется по формуле:

(2.172)

Ионообменное разделение применяют при производстве более чем одного насыщения и одного вымывания. Например, при ионообмене, когда два насыщенных компонента в различной степени вымываются третьим и, таким образом, разделяются.

Для расчета используется ступенчатый метод проб и ошибок с числом ступеней, соответствующим числу компонентов.

Расчет основан на предположении, что фактор разделения постоянен для каждой пары присутствующих компонентов.

Из уравнения:

в отношении компонентов А, В и растворителя Е, можно определить равновесный коэффициент вымывания b:

(2.173)

где у и х определяются в зависимости от Q и С0. Исключение из уравнения (2.172) х через его зависимость от r, b и у приводит к выражению:

(2.174)

Зависимости (2.173) и (2.174), описывающие равновесный процесс, могут быть применены к какой-либо ступени, например, к n-ой, совместно с уравнением материального баланса, подобно уравнению (2.167), могут быть использованы для решения специальных задач.

Рассмотрим уравнение сохранения энергии для противоточной системы, представленной на рис 2.25.

В безразмерной форме уравнение запишется в виде:

(2.175)

Пример. Ионообменная смола преимущественно в водородной форме (уЕ=уН=0,9952; уА=уLi= 0,0025; уВ=уК=0,0023) используется для разделения кислотного раствора, содержащего приблизительно равные количества и К+ (хА=хLi=0,308; хВ=хК=0,302; хЕ=хН=0,390). , полученное на основе относительных количеств двух разделяемых фаз и их ионных емкостей, равно 0,725. Тогда rАЕ=1 и rВЕ=0,316. Какова степень разделения и К+ в вытекающем растворе после двух контактов? (N=2).

Решение. 1. Принимаем значение концентраций вытекающего раствора для ступени N:

2. Определяем концентрацию извлекаемого вещества в смоле, выходящей из ступени I для всей системы из уравнения материального баланса:

3.  Определяем равновесный коэффициент вымываемости для первой ступени:

Определяем концентрации вытекающего раствора из первой ступени:

4.  Определяем концентрацию извлекаемого вещества в смоле, выходящей и ступени II по уравнению материального баланса:

5.  Расчеты по п. п. 3 и 4 повторяем для второй ступени:

6.  Принятые в пункте 1 значения (хА)КОН и (хВ)КОН не совпадают со значением, вычисленными в пункте 6. Принимаем новые средние значения:

(хА)КОН=0,165; (хВ)КОН=0,049.

и повторяем вычисления по пунктам 2 до 6.

7.  Расчет по п.7 повторяется до тех пор, пока принятые и вычисленные значения (хА)КОН и (хВ)КОН совпадут.

(хА)КОН=0,163; (хВ)КОН=0,049.

Таким образом, отношение в вытекающем из второй ступени растворе увеличивается до 3,33, вместо 1,02 в исходном растворе.

2.7.13. Применение адсорбции для очистки газов и жидкости

Адсорбционные и хемосорбционные методы очистки отходящих газов используют для очистки газов от оксидов азота, диоксида серы, галогенов и их соединений, сероводорода и сероорганических соединений, от паров ртути.

Адсорбция NOx составляющих выбросов контуров энергетических установок с теплоносителем на основе диссоциирующего тетраоксида азота осуществляется с применением цеолита на основе Н-морденита. Выбросы таких энергетических установок представляют собой концентрированные воздушные смеси N2O, NO и NO2 (содержание NO2 96-98%). Вначале их охлаждают до 265 К с целью выделения основного количества (до 83-87% NO2) NOx, возвращаемого в контур энергетической установки. Затем газовую смесь, содержащую несконденсировавшиеся N2O, NO и NO2, при 375-350 К подвергают адсорбционной очистки с целью полного поглощения NO и NO2. Газовоздушную смесь после адсорбции при 670-770 К катализатора цеолит на основе Н-морденита, и выбрасывают в атмосферу. Насыщенный цеолит регенерируют острым паром.

Для улавливания NOx из отводящих газов используют метод адсорбции торфощелочными сорбентами в аппаратах кипящего слоя. Степень очистки газов от NOx сорбентом (смесь торфа и извести-пушонки), при содержании NOx 0,1-2,0% и времени контакта фаз 1,6-3,0 с достигает пушонки 96-99%. Больший эффект достигается при обработке торфа аммиаком, или при введении аммиака в кипящий слой торфа. Торф способствует окислению нитритов до нитратов.

При адсорбционной очистке газов от диоксида серы SO2 используют твердые хемосорбенты, путем их введения в пылевидной форме в топки и (или) газоходы теплоэнергетических агрегатов.

В качестве хемосоорбентов используют известняк, доломит или известь и др.

Адсорбционный метод очистки газов от галогенов и их соединений.

Более глубокую очистку отходящих газов могут обеспечить хемосорбционные и ионообменные методы. Наиболее доступными твердыми хемосорбентами фторида водорода HF являются известняк, алюмогели, нефелиновые сиениты, фторид натрия.

Ионообменный метод обеспечивает более тонкую очистку. Сорбционная способность ионообменных волокнистых материалов по HF может достигать 12 мг-экв на 1 г сухого сорбента. Регенерация ионитов производится щелочными растворами NaOH и NH4OH.

Очистка от хлора и хлорида водорода осуществляется лигнином и лигносульфонатом кальция, которые образуются в виде отходов химической переработки древесины и другого растительного сырья.

В качестве твердых поглотителей хлорида водорода из отходящих газов промышленности могут быть использованы хлорид железа и хлорид закисной меди в смеси с оксидом магния и др.

В современной промышленной практике для очистки от сероводорода H2S и сероорганических соединений используют массу, приготовленную из болотной руды или отходов производства глинозема из бокситов – красных шламов влажностью 50-55%, содержащих 45-48% Fe2O3, в качестве адсорбента. Эффективным адсорбентом H2S является активный уголь. Для нейтрализации образующейся в угле серной кислоты используют раствор карбоната натрия (соды) или иодообразный аммиак и др.

Предотвращение загрязнения атмосферы сероорганическими соединениями (сероуглерод CS2, серооксид углерода COS, тиофены C4H4S, меркаптаны тиоспирты общей формулы RSH, тиоэфиры R-S-R и др.) осуществляют хемосорбционными и адсорбционными способами.

При очистки газов от паров ртути применяют методы, которые условно разделяют на физические (конденсационные, абсорбционные, адсорбционные, улавливания аэрозолей) и химические (хемосорбционные, газофазные). При демеркуризации отходящих газов активные угли предварительно модифицируют путем их обработки различными сульфатирующими, галоидирующими, сульфидирующими и другими реагентами: серной кислотой, хлоридами железа и ртути, серой, сульфидами металлов и т. п.

Адсорбент готовят в реакторе путем обработки активного угля типа АР водным раствором хлорида натрия, приготовляемым в смесительной емкости, с последующей его подсушкой горячим воздухом, поступающим из калорифера.