1.5. Расчет ионообменной установки

Схема ионообменной установки представлена на рисунке 1.8. Исходный раствор из емкости Е1 подается в катионообменную колонну К1. Очищенный от катионов Na⁺ раствор направляется в емкость Е2. Отработанный ионит с помощью эрлифта через приемную емкость ЕЗ подается в регенерационную колонну К2, питаемую регенерирующим раствором из емкости Е4. Отрегенерированный ионит гидротранспортом вновь подается из приемника Е5 в ионообменную колонну. Воздух для эрлифтов нагнетается воздуходувкой В1. Подача растворов осуществляется насосами Н1–Н2.

Задание на проектирование

Рассчитать ионообменную установку непрерывного действия с псевдоожиженным слоем ионита для удаления ионов натрия из раствора, содержащего хлорид натрия, если производительность по исходному раствору V = 10 м³/ч; исходная концентрация раствора С_н = 4,35 моль экв/м³; концентрация очищенного раствора составляет 5 % от исходной; температура в аппарате t = 20 °С; марка катионита КУ-2; регенерация проводится в плотном, движущемся под действием силы тяжести слое ионита 1 н. раствором HCl.

Рис. 1.8. Схема ионообменной установки:

Е1 – емкость исходного раствора; К1 – катионообменная колонна; К2 – регенерационная колонна;

Е2 – емкость очищенной воды; ЕЗ – приемник отработанного ионита; Е4 – емкость регенерирующего раствора; Е5 – приемник регенерированного ионита; В1 – воздуходувка; Н1–НЗ – насосы;

потоки: 1 – вода; 2 – отработанный Раствор

1.4.1. Расчет односекционной катионообменной колонны

Согласно Приложению 2 принимаем следующие параметры катионита КУ-2: полная обменная емкость Х₀ = 4,75 ммоль экв/г; удельный объем v = 3,0 см³/г; средний диаметр гранулы d = 0,9 мм; насыпная плотность с_нас = 800 кг/м³.

Уравнение изотермы сорбции

Константа равновесия в системе катионит КУ-2 – ионы: = 1,2 [2]. Уравнение изотермы сорбции для обмена равнозарядных ионов Н⁺ на Na⁺ на основе закона действующих масс записывается следующим образом:

где кг/кг; кг/м³.

С учетом приведенных значений концентраций и константы равновесия получим:

(1.17)

Скорость потока жидкости

Фиктивную скорость жидкости в псевдоожиженном слое находят из уравнения, связывающего критерии Re, Аr с порозностью слоя [4]:

(1.18)

Порозность слоя в ионообменных аппаратах с псевдоожиженным слоем можно определить из данных эксплуатации промышленных ионообменных установок, согласно которым высота псевдоожиженного слоя в 1,5–2 раза превышает высоту неподвижного слоя. С учетом этих данных, принимая порозность неподвижного слоя = 0,4, получим интервал изменения порозности = 0,6–0,7. Принимаем порозность слоя в этом интервале: = 0,65.