Файл: Девятых Г.Г. Глубокая очистка веществ учеб. пособие.pdf

Уравнение (IV-31) выражает зависимость переноса при­ меси вдоль колонны от параметров колонны и разделяе­ мой смеси. Величины Я, Кс и Kd для данной смеси и дан­ ной колонны являются постоянными, характеризующими

реноса, полученные для колонн с нагреваемой проволо­ кой, при строгом рассмотрении задачи имеют вид:

вие чего они обычно заданы в табулированном виде. Из приведенных соотношений нетрудно видеть качественную аналогию между приближенными и точными выражения­ ми для коэффициентов переноса.

130

3. Фактор разделения в безотборном режиме

Опыт показывает, что асимметрия стенок колонны приводит к паразитному перемешиванию газовой смеси и, соответственно, к ухудшению разделения. Это переме­ шивание имеет конвективную природу и может быть уч­ тено введением в уравнение (IV-31) дополнительного коэффициента Кр, аналогичного Кс- В результате уравне­ ние (IV-31) принимает следующий вид:

В стационарном состоянии и безотборном режиме работы колонны т = 0 . В этом случае, как следует из уравнения (IV-35),

хKc + Kp + Kd

где FO=X2k/XO — фактор разделения; zK — длина колонны.

Из уравнения (IV-37) видно,, что, как и в других противоточных процессах, фактор разделения, достигаемый в термодиффузионной колонне, экспоненциально зависит от ее длины.

Вводя понятие теоретической тарелки как участка ко­ лонны, на концах которого отношение составов газовой смеси (например, в холодном потоке) отвечает коэффи­ циенту разделения, из уравнения (IV-37) нетрудно полу­ чить выражение для ВЭТТ:

н

К сожалению, теоретический расчет величины ВЭТТ в данном случае затруднен тем, что в выражение (IV-38) входит коэффициент паразитного перемешивания Кр, ко­ торый может быть определен только опытным путем; он зависит от того, насколько хорошо изготовлена колонна.

Экспериментальную оценку величины Кр, например, с целью определения ее влияния на эффект разделения, можно произвести следующим образом. Из кинетической

Выражение (IV-39) для удобства перепишем в следу­ ющем виде:

4. Пусковой период колонны

Представляет также интерес хотя бы приближенная оценка пускового периода термодиффузионной колонны, работающей в безотборном режиме. Пусть состав разде­ ляемой смеси на входе у одного конца колонны поддер­ живается постоянным (например, верхний конец колонны соединен с большим резервуаром, содержащим исходную смесь). Тогда после достижения стационарного состоя­ ния распределение примеси по высоте колонны можно выразить соотношением

"

132

вытекающим из выражения (IV-36). В начальный момент времени (/ = 0) вся колонна заполнена разделяемой сме­ сью исходного состава, т. е. при этом в любом сечении колонны х = х0 и dx/dz = 0. В соответствии с этим скорость начального переноса примеси по колонне.будет опреде­ ляться соотношением

Если приближенно считать, что скорость переноса приме­ си в течение всего процесса установления стационарного состояния не меняется, т. е. равна начальной, то матери­ альный баланс по накоплению примеси в колонне за пусг. ковой период выразится как

(П-84), выведенному для приближенной оценки пусково­

еще выше рассчитанного значения). С целью его сокра­ щения иногда вместо одной большой колонны использу­ ют каскад колонн меньшей длины. Такой каскад выпол­ няется в виде совокупности ряда ступеней с последова­ тельно уменьшающейся производительностью, обычно путем последовательного уменьшения числа колонн в каждой ступени.

Следует отметить, что, несмотря на часто достигае­ мый большой эффект разделения, производительность

133

термодиффузионных колонн в целом очень мала. Это и является сдерживающим 'Стимулом в применении термо­ диффузионного метода разделения и очистки. Указанный существенный недостаток, к сожалению, не удается уст­ ранить, например, путем увеличения сечения колонн или скорости конвекции. В этом случае резко возрастает ВЭТТ и термодпффузионный метод лишается своего ос­ новного преимущества — эффективности.

Все эти недостатки в той же мере относятся и к термо­ диффузионному разделению жидких смесей. Но посколь­ ку величина термодиффузионной постоянной в жидкостях обычно значительно меньше, чем в газах, то для дости­ жения желаемого эффекта разделения жидкой смеси при­ ходится прибегать к уменьшению зазора "между холод­ ной и горячей стенками в термодиффузионной колонне. Однако производительность Коломны при этом резко па­ дает. Этот недостаток можно устранить, используя кас­ кад параллельно включенных термодиффузионных ко­ лонн.

§ 3. Метод ионного обмена

Одним из методов разделения смесей, применяющим­ ся также и для глубокой очистки веществ, является метод ионного обмена. В основе этого метода лежат гетероген­ ные обменные химические реакции между ионами, т. е. между составляющими частями веществ — электролитов. Для осуществления метода обычно используется система, состоящая из твердой фазы, которая представляет собой способное к ионному обмену вещество — ионит, и жидкой фазы — раствора, содержащего разделяемую смесь (в частности, очищаемое вещество и примесь). В качестве ионитов применяются специально подбираемые некото­ рые природные, а также получаемые синтетическим пу­ тем материалы как органического (например, различные смолы), так и неорганического [например, цеолиты об­ щего химического состава (Na2 0, СаО, А12 03 , п S1O2, in Н 2 О ) ] происхождения. Рассматривая ионит как вещест­ во, состоящее из фиксированных и ионогенных групп, реакции ионного обмена, протекающие в указанной гете­ рогенной системе, схематически можно записать следую­ щим образом:

134