Аппараты теплообменные кожухотрубчатые

Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными труб­ными решетками и поперечными перегородками в межтрубном пространстве, применяемые в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, обозначаются индексами и классифициру-ются:

· по назначению (первая буква индекса): Т – теплообменники;
Х – холодильники; К – конденсаторы; И – испарители;

· по конструкции (вторая буква индекса) – Н – с неподвижными трубными решетками; К – с температурным компенсатором на кожухе; П – с плавающей головкой; У – с U-образными трубами; ПК – с плавающей головкой и компенсатором на ней;

· по расположению (третья буква индекса): Г – горизонтальные; В – вертикальные.

Теплообменники с неподвижными трубными решетками

Теплообменники с температурным компенсатором на кожухе

Теплообменники с плавающей головкой

Теплообменники с U-образными трубами (тип У)

Теплообменники с сальниками

Витые теплообменники

Аппараты теплообменные трубчатые без кожуха

Теплообменники погружные спиральные

Теплообменники оросительные

Аппараты теплообменные с прямой теплоотдачей

В смесительных (контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. К смесительным теплообменникам относятся, например, градирни.

Аппараты теплообменные с наружным обогревом

Теплообменные аппараты «труба в трубе» используют главным образом для охлаждения или нагревания в системе жидкость– жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния. Иногда такие теплообменники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др.

Аппараты с двойными стенками (рубашками)

Аппараты теплообменные с электрическим обогревом

Аппараты теплообменные регенеративные

Запишем дифференциальное уравнение конвективного переноса теплоты – уравнение Фурье–Кирхгофа

. (4.33)

Для полного описания конвективного переноса теплоты необходимо присоединить к уравнению Фурье–Кирхгофа уравнения Навье–Стокса и неразрывности потока и алгебраические уравнения, описывающие зависимость физических свойств жидкости от температуры. Аналитические решения основных задач теплоотдачи разработаны для ламинарных потоков жидкости в каналах различной формы. Для турбулентных потоков получить аналитические решения значительно труднее в связи с незавершенностью теории турбулентности.

Поэтому в общем случае зависимости для расчета скорости процесса теплоотдачи получают преобразованием дифференциальных уравнений, описывающих этот процесс методом теории подобия. Подобное преобразование дифференциальных уравнений можно производить формальным, но простым способом: отбрасывая знаки математических операторов, делим одну часть уравнения на другую и находим критерии подобия. Тогда уравнение (4.33) преобразовывается следующим образом:

; (4.34)

; (4.35)

. (4.36)

Поделив выражение (4.36) на (4.34), получим соотношение между конвективным переносом теплоты и теплопроводностью:

.

Критерий Фурье является аналогом критерия гомохронно-
сти и характеризует условия подобия неустановившихся процессов теплоотдачи.

Далее, разделив выражение (4.35) на (4.36), получим

.

Критерий Пекле характеризует соотношение между интенсивностью переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью в движущемся потоке.

Теперь рассмотрим подобие граничных условий. При турбулентном движении через пограничный слой у стенки теплота проходит в основном за счет теплопроводности

.

Это же количество теплоты по уравнению теплоотдачи (из ядра потока к стенке) будет определяться по формуле

.

При установившемся процессе количества теплоты, проходящие через пограничный слой и из ядра потока к стенке, равны. Поэтому

. (4.37)

В общем случае аналитически это уравнение решить затруднительно, так как неизвестна толщина пограничного слоя , которая является функцией многих переменных. Поэтому неизвестно и распределение температуры по толщине пограничного слоя . Подобное преобразование уравнения (4.37) дает

.

Критерий Нуссельта характеризует отношение суммарного переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью (т. е. теплоотдачей) к теплоте, передаваемой теплопроводностью ( – определяющий геометрический размер: например, для потоков, движущихся в трубе, – диаметр трубы). Поскольку коэффициент теплоотдачи в в условия однозначности не входит, этот критерий является определяемым.

Необходимым условием подобия процессов переноса теплоты
является соблюдение гидродинамического и геометрического подобия, т. е.

.

Таким образом, критериальное уравнение теплоотдачи принимает вид

или .

Критерий Пекле часто представляют в виде произведения двух безразмерных комплексов .

Критерий Прандтляхарактеризует подобие физических свойств теплоносителей. Для капельных жидкостей значение Рr с увеличением температуры уменьшается. Для газов , для жидкостей .

Для установившегося процесса теплообмена критериальное уравнение теплоотдачи принимает вид .

При вынужденной теплоотдаче, когда явлением силы тяжести можно пренебречь (например, при движении жидкостей по трубам), критерий Фруда из уравнения может быть исключен. Тогда , или , где А, т, п определяют опытным путем.

При теплоотдаче в условиях естественной конвекции в число определяющих критериев должен войти критерий Фруда , отражающий действие сил тяжести. Однако ввиду трудности определения скорости движения жидкости при естественной конвекции целесообразно заменить производным критерием Архимеда

,

где – критерий Галилея.

Для расчета тепловых процессов более удобно разность плотностей выразить через разность температур, или температурный напор , так как пропорциональна Dt. При этом

или ,

где и – плотности жидкости в точках при температурах соответственно и ; – обычно разность температур между температурой стенки и температурой жидкости; – коэффициент объемного расширения, К^–1.

Тогда

.

Критерий Грасгофа показывает отношение сил вязкости к произведению подъемной силы, определяемой разностью плотностей в различных точках неизотермического потока и силы инерции. Критерий Грасгофа является аналогом критерия Фруда и определяющим критерием теплового подобия при естественной конвекции, когда движение жидкости обусловлено самим процессом теплообмена. Он характеризует движение при естественной конвекции. С учетом сказанного выше критериальное уравнение теплоотдачи при естественной конвекции принимает вид .

Таким образом, на коэффициент теплоотдачи влияют следующие определяющие факторы:

1. Характер движения теплоносителя и его скорость. При турбулентном режиме с увеличением скорости теплоносителя толщина пограничного слоя уменьшается и увеличивается.

2. Физические свойства теплоносителя (вязкость, теплопроводность, теплоемкость, плотность и т. д.). Коэффициент теплоотдачи увеличивается с уменьшением вязкости и увеличением . Поскольку физические свойства жидкостей и газов изменяются с температурой, то, следовательно, значение зависит и от температуры.

3. Размеры и форма поверхности теплообмена, ее обработка(гладкая, шероховатая и т. д.).

Пневматическое диспергирование, принцип действия.

Установлено, что перевод зернистого слоя в псевдоожиженное (кипящее) состояние позволяет интенсифицировать многие процессы химической технологии (адсорбции, сушки, теплообмена и т. п.), а также создать условия для перемещения и смешивания сыпучих материалов. При этом размер частиц должен быть небольшим, что приводит к увеличению поверхности их контакта с жидкостью или газом (а это очень важно для ускорения процессов тепло- и массообмена) при сравнительно невысоком гидравлическом сопротивлении. Скорость процессов тепло- и массообмена повышается еще и потому, что в условиях псевдоожижения практически вся поверхность всех частиц омывается потоком, причем при значительных скоростях. Рассмотрим три основных состояния слоя зернистого материала в зависимости от скорости жидкости или газа/

Пневматическое диспергирование. При этом способе энергия подводится к жидкости в основном в результате динамического взаимодействия жидкости с потоком газа. Благодаря большой относительной скорости потоков в диспергирующем элементе жидкость сначала расслаивается на отдельные нити (струи), которые затем распадаются на капли.

Обычно выбор пневматического диспергирования обусловлен необходимостью получения мелкодисперсных капель жидкости (диаметром порядка 100–200 мкм), что трудно реализовать другими способами диспергирования. На рис. 3.18 приведена схема одной из разновидностей пневматической форсунки. Диспергируемую жидкость подают на тарелку 3, куда поступает также сжатый воздух, который сдувает с тарелки жидкость и диспергирует ее.

Рис. 3.17. Схема тарельчатого рабочего элемента	Рис. 3.18. Схема пневматической форсунки: 1 – патрубок для подачи сжатого воздуха; 2 – патрубок для подачи диспергируемой жидкости; 3 – направляющий диск (тарелка)

К достоинствам пневматического способа диспергирования относятся малая зависимость качества диспергирования от расхода жидкости, надежность в эксплуатации, возможность диспергирования высоковязких жидкостей. К недостаткам этого способа следует отнести большой расход энергии (50–60 кВт на 1 т жидкости), необходимость в диспергирующем агенте (обычно сжатый воздух) и оборудовании для его сжатия и подачи.

Эффективность пневматического диспергирования может быть существенно повышена, если газу сообщить колебания ультразвуковой частоты, что при прочих равных условиях обеспечивает более тонкое и однородное дробление жидкости.

Распад струи и пленок жидкости при различных способах диспергирования. Разрушение струи (пленки) жидкости является в основном следствием развития в ней колебательных процессов, возникновение которых обусловлено внешними и внутренними факторами. К внешним относятся аэродинамические силы, стремящиеся деформировать и разорвать струю (пленку), к внутренним – возмущения, обусловленные качеством изготовления диспергирующего устройства, его вибрациями, конструктивными особенностями и т. п.

На процесс распада струи (пленки) жидкости влияют также физические свойства жидкости и окружающей среды. (Отметим, что в ряде случаев в качестве окружающей среды может быть не только газ, но и жидкость, например при получении эмульсии). Так, вязкость жидкости оказывает стабилизирующее воздействие, затрудняя развитие волновых явлений, а следовательно, и диспергирование, при увеличении поверхностного натяжения наблюдается замедление распада струи жидкости.

Механизм дробления жидкости, покинувшей диспергирующий элемент, зависит в основном от формы вытекающей струи и соотношения ее скоростей и окружающей среды, которые, в свою очередь, определяются способом диспергирования и конструкцией диспергирующего устройства.

При пневматическом диспергировании определяющим фактором разрушения струи является воздействие скоростного потока газа, выходящего из канала с большой скоростью (50–300 м/с), в то время как скорость истечения струй жидкости сравнительно невелика. При этом возникает трение между струями газа и жидкости, в результате чего струя жидкости как бы вытягивается в отдельные нити. Эти нити быстро распадаются в местах утончения и образуют мелкие капли. Длительность существования статически неустойчивой формы в виде нитей зависит от относительной скорости газа (чем больше относительная скорость, тем тоньше нить, короче период ее существования и тоньше диспергирование) и от физических свойств жидкости.

Гидравлическое диспергирование, принцип действия.

Гидравлическое диспергирование, при котором основным энергетическим фактором, приводящим к распаду жидкости на капли, является давление нагнетания. Проходя через диспергирующее устройство, жидкость приобретает достаточно высокую скорость и преобразуется в форму, способствующую быстрому и эффективному распаду (струя, пленка и т. п.).

Форсунки для гидравлического диспергирования по принципу действия подразделяют на струйные, с соударением струй, центро­бежные.

Струйные форсункипредставляют собой насадок с цилиндрическим или какой-либо другой формы отверстием (соплом). Вытекающая из него под действием перепада давления струя распадается
на капли с довольно большим разбросом размеров по диаметру. На рис. 3.16 в качестве примера приведены схемы струйных форсунок с цилиндрическим, щелевым, кольцевым соплом и с соплом в виде круговой прорези.

а б в г

Рис. 3.16. Формы сопловых каналов и образующихся струй в струйных форсунках: а – цилиндрическое сопло; б – щелевидное сопло; в – кольцевое сопло; г –сопло в виде круговой прорези

Форсунки с соударением струй работают по принципу разбивания на капли нескольких струй, вытекающих из соответствующих насадков. Из точки столкновения двух цилиндрических струй результирующий поток растекается радиально, образуя плоскую пленку, распадающуюся на капли.

Центробежные форсунки обычно имеют тангенциальные входные отверстия, что способствует более интенсивному распаду струи при ее выходе из сопла.

Гидравлическое диспергирование – простой и самый экономичный по потреблению энергии способ диспергирования (2–4 кВт на диспергирование 1 т жидкости), поэтому он наиболее широко распространен в технике.

К недостаткам гидравлического диспергирования следует отнести довольно грубое и неоднородное дробление жидкости, трудное диспергирование высоковязких жидкостей.

Повысить эффективность гидравлического диспергирования можно наложением пульсации давления или расхода (чаще – и того,
и другого) на поток диспергируемой жидкости. Возникающие при пульсационном диспергировании дополнительные колебания жидкостной струи или пленки способствуют увеличению поверхностной энергии, быстрой потере устойчивости потока и, как следствие, более тонкому диспергированию.

Другим методом повышения эффективности гидравлического диспергирования является сообщение потоку жидкости дополнительной энергии за счет высоковольтного электрического разряда (пробоя жидкости) в полости распылителя. При этом происходит выброс высокоскоростного потока капель, которые догоняют и дополнительно дробят капли, покинувшие диспергирующий элемент в период между импульсами. Кроме того, сопровождающие разряд эффекты (ударная волна, кавитация) длятся практически весь промежуток времени между импульсами и также приводят к дроблению жидкости, покидающей распылитель за это время.

Распад струи и пленок жидкости при различных способах диспергирования. Разрушение струи (пленки) жидкости является в основном следствием развития в ней колебательных процессов, возникновение которых обусловлено внешними и внутренними факторами. К внешним относятся аэродинамические силы, стремящиеся деформировать и разорвать струю (пленку), к внутренним – возмущения, обусловленные качеством изготовления диспергирующего устройства, его вибрациями, конструктивными особенностями и т. п.

На процесс распада струи (пленки) жидкости влияют также физические свойства жидкости и окружающей среды. (Отметим, что в ряде случаев в качестве окружающей среды может быть не только газ, но и жидкость, например при получении эмульсии). Так, вязкость жидкости оказывает стабилизирующее воздействие, затрудняя развитие волновых явлений, а следовательно, и диспергирование, при увеличении поверхностного натяжения наблюдается замедление распада струи жидкости.

Механизм дробления жидкости, покинувшей диспергирующий элемент, зависит в основном от формы вытекающей струи и соотношения ее скоростей и окружающей среды, которые, в свою очередь, определяются способом диспергирования и конструкцией диспергирующего устройства.

При гидравлическом диспергированиискорость окружающего газа (жидкости) обычно значительно ниже скорости истечения, а жидкость вытекает из диспергирующего устройства в виде цилиндрической струи или пленки различной формы.

При постепенном увеличении скорости истечения (начиная от нулевого значения) наблюдаются следующие явления (рис. 3.19). Сначала жидкость (вода) выходит из сопла в виде единичных капель (рис. 3.19,а). Увеличение скорости истечения до 1,5 м/с приводит к образованию короткой струи и неравномерных капель (рис. 3.19,б).После отрыва капель создаются неравномерные расширения по длине струи. Под действием давления в расширении струи меньшего диаметра жидкость перетекает в расширение большего диаметра. Слияние или неслияние соседних расширений приводит к неравномерности и увеличению крупной фракции получаемых капель. При скорости истечения воды 1,85–2,5 м/с образуются наиболее равномерные капли (рис. 3.19,в), примерно 99 % их имеют диаметр , капли 0,45–0,75 мм. При скорости истечения более 2,5 м/с длина струи увеличивается до максимума (рис. 3.19,г), число капель одинакового размера при этом уменьшается, происходит образование дополнительных маленьких капелек «спутников». Число таких «спутников» увеличивается с ростом скорости истечения; при этом возрастает и число крупных капель.

w = 0 w =1,5 м/с w = 1,5–2,5 м/с w > 2,5 м/с а б в г д

Рис. 3.19. Схема разрушения цилиндрической струи при постепенном увеличении скорости ее истечения из сопла

Отметим, что длина струи увеличивается с уменьшением поверхностного натяжения и вязкости жидкости. С увеличением поверхностного натяжения и вязкости возрастает диаметр образующихся при распаде струи капель.

Расчет абсорбера. Расчет числа теоретических ступеней.

Адсорбция. Кинетика процесса.

Адсорбция с неподвижным зернистым слоем адсорбента.

Расчет тарельчатого абсорбера. Определение коэффициентов массоотдачи.

Расчет тарельчатого абсорбера. Определение коэффициент массопередачи.

Расчет абсорбера. Расчет гидравлического сопротивления абсорберов.

Расчет абсорбера. Расчет коэффициентов массоотдачи.

Расчет абсорбера. Расчет плотности орошения и активной поверхности насадки.

Расчет тарельчатого абсорбера. Расчет скорости газа и диаметра абсорбера.

Расчет абсорбера. Движущая сила массопередачи.

Расчет абсорбера. Расчет числа теоретических ступеней.

Классификация адсорберов.

Уравнение рабочей линии процесса адсорбции. Равновесные зависимости.

Ответы отдельным файлом ПА_ЗОС!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Сушка. Определение условий равновесия.

Сушка – процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров.

Схема перемещения вещества из твердой фазы (рис. 6.15) может быть представлена следующим образом. В начальный момент времени концентрация распределяемого вещества (влаги) постоянна во всем объеме. Поверхность омывает поток воспринимающей фазы (воздух), и концентрация растворяемого вещества в ядре омывающей фазы постоянна в течение процесса.

Рис. 6.15. Схема перемещения влаги из твердой фазы в газовую

Влага перемещается из твердой фазы в ядро омывающей фазы, причем от средней плоскости пластины к поверхности вещества перемещается массопроводностью, а от поверхности в ядро омывающей фазы конвективной диффузией. Это и есть сушка.

Процесс сушки имеет большое значение во многих производствах, где влажные природные вещества до их переработки должны быть предварительно обезвожены (зерно, древесина и т. п.) или должен быть обезвожен готовый продукт в последней стадии производства (сахар, лекарства, минеральные удобрения и т. п.).

Сушка в технике осуществляется следующими способами:

а) конвективная сушка, проводимая путем непосредственного контакта материала и сушильного агента. Подвод теплоты осуществляется газовой фазой (воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива), которая в процессе сушки охлаждается с увеличением своего влагосодержания (рис. 6.16,а);

б) контактная (кондуктивная) сушка, которая реализуется путем передачи теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку (рис. 6.16,б);

в) радиационная сушка осуществляется путем передачи теплоты инфракрасным излучением;

г) сублимационная сушка, при которой влага удаляется из материала в замороженном состоянии (обычно в вакууме);

д) диэлектрическая сушка, при которой материал высушивается в поле токов высокой частоты.

б а

Рис. 6.16. Принципиальные схемы сушки: а – газовая сушка; б – простая (контактная) сушка; 1 – сушилка; 2 – топка или теплообменник; 3 – вентилятор

Любой высушиваемый материал может характеризоваться сорбционной емкостью по влаге, т. е. количеством влаги, сорбированной единицей массы продукта при контакте с влажным газом. Влагоемкость высушиваемых материалов, а также условия сушки, ее интенсивность и полнота зависят от природы высушиваемого вещества, которая определяет вид связи влаги с продуктом. Виды связи влаги с материалом можно классифицировать по величине энергии этой
связи.

В порядке убывания энергии различают следующие формы связи влаги с материалом:

1) химически связанная влага прочно удерживается веществом в виде гидроксильных ионов или молекулярных соединений типа кристаллогидратов; может быть удалена в результате химических взаимодействий или прокаливания. В процессе сушки химически связанная влага не удаляется;

2) адсорбционная связь вызывается дисперсионными, электростатическими и индукционными силами. Вследствие энергетической не­насыщенности поверхностных молекул и ионов твердого тела на границе раздела образуется мономолекулярный слой адсорбированной влаги. Этот слой наиболее сильно связан с материалом. Последующие слои удерживаются менее прочно, а свойства влаги, формирующей эти слои, приближаются к свойствам свободной жидкости;

3) капиллярная связь обусловлена адсорбционной связью полимолекулярных слоев со стенками капилляров и более низким давлением пара над вогнутым мениском в капилляре по сравнению с плоской поверхностью. Понижение давления пара наблюдается в случае, если диаметр капилляра м. Такие размеры микрокапилляров только у очень простых тел;

4) осмотическая связь наиболее сильно выражена в растворах: она проявляется в том, что давление пара над раствором меньше давления пара над чистым растворителем;

5) физико-механическая связь определяет влагу, свободно удерживаемую в макрокапиллярах. Она может быть удалена механическими способами, причем процесс обезвоживания в этом случае лимитируется гидравлическим сопротивлением пор тела, подобно сопротивлению фильтрующей перегородки и осадка при фильтровании.

Резкой границы между различными формами связи влаги с материалом не существует. По мере исчезновения одной формы начинает превалировать другая.

Все влажные материалы делят на 4 группы в порядке уменьшения критического диаметра пор, внутри которых различают подгруппы, учитывающие адгезионно-когезионные свойства материала (налипание на металлические поверхности, комкование и т. д.). К пер-
вой группе отнесены материалы с критическим диаметром пор бо-лее 100 нм. Продолжительность сушки материалов этой группы невелика (например, во взвешенном слое 0,5–3 с). Во вторую группу входят материалы с критическим диаметром пор от 100 до 6 нм. Продолжительность сушки материалов второй группы значительно больше, чем первой (во взвешенном состоянии – до 30 с). К третьей группе отнесены материалы с критическим диаметром пор от 6 до 2 нм. Продолжительность сушки таких материалов составляет минуты и даже десятки минут. Материалы четвертой группы, критический диаметр пор которых менее 2 нм, характеризуются очень низкой ско­ростью сушки, при этом продолжительность сушки исчисляется часами.

Направление массопереноса определяется абсолютными значениями величин и . Если , перенос влаги осуществляется из газа к твердому телу, т. е. происходит процесс сорбции (увлажнения). В противоположном случае, когда , перенос влаги осуществляется из твердой фазы в газовую, т. е. идет процесс десорбции (сушки).

Когда давление пара жидкости в материале становится равным парциальному давлению пара в газовой фазе , массообмен прекращается и достигается состояние динамического равновесия. При этом в условиях постоянных давления и температуры каждому значению относительной влажности соответствует определенная величина влагосодержания материала. Можно построить изотерму (рис. 6.17). Здесь влагосодержанию материала соответствует равновесная относительная влажность , и если – десорбция (сушка); – сорбция (увлажнение).

Рис. 6.17. Диаграмма состояния влажного материала

Ионнообменные процессы. Физическая сущность процесса.

Ионообменный процесс – извлечение вещества из раствора, основанное на способности некоторых твёрдых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы извлекаемого вещества. Ионный обмен является частным случаем хемосорбции.

Ионный обмен можно рассматривать как гетерогенную химическую реакцию и представить в виде примера следующими уравнениями:

а) катионный обмен:

;

б) анионный обмен:

.

Промежуточное положение между катионитами и анионитами занимают амфолиты, которые включают кислотные и основные ионогенные группы, выступая (в зависимости от условий проведения процесса) в роли катионита или анионита.

В промышленности используют как природные ионообменные сорбенты (цеолиты, бентонитовые глины, фосфаты титана, циркония и др.), так и синтетические, среди которых преобладают ионообменные полимеры. Синтетические сорбенты – иониты – представляют собой полимерную матрицу с трехмерной структурой макромолекул, имеющую ионогенные группы. В растворе иониты образуют неподвижные макромолекулярные ионы и подвижные ионы противоположного знака. В настоящее время преобладающее значение в технике приобрели иониты на основе синтетических смол.

В соответствии со степенью ионизации в растворе катиониты делятся на сильнокислотные (КУ) и слабокислотные (КБ); аниониты подразделяют на высокоосновные (АВ) и низкоосновные (АН).

По степени пористости синтетические иониты можно подразделить на гелевые и макропористые. Макропористые иониты обладают гораздо более развитой пористой структурой, чем гелевые, что значительно ускоряет транспорт вещества внутри гранулы.

При контакте ионообменных смол с растворами электролитов подвижные противоионы замещаются на эквивалентное количество ионов раствора электролита, например по уравнениям (6.57) и (6.58). В зависимости от противоиона, которым насыщена ионообменная смола, различают Н-форму, Na-форму, Са-форму и т. п. для катионитов и соответственно ОН-форму, Сl-форму и т. п. для анионитов. Отметим, что активные группы находятся во всем объеме ионитов. Трехмерная структура ионита представляет собой как бы губку, в порах которой при набухании находятся растворитель и противоионы. Для обмена ионы раствора должны продиффундироватъ в матрицу и обменяться с ее противоионами.

Кинетические свойства ионообменных смол и их обменная емкость зависят также от строения матрицы. В зависимости от сшивки углеводородных цепей меняется набухаемость ионита. Увеличивая степень сшивки, можно добиться такого размера элементарной ячейки матрицы, когда диффузия ионов внутрь ионита будет невозможна из-за их размеров. В этом случае ионный обмен возможен только на поверхности частицы ионита. Матрица ионита вместе с фиксированными ионами в растворах представляет собой твердый нерастворимый полином, заряд которого компенсируется зарядами противоионов противоположного знака.

У катионитов фиксированные ионы заряжены отрицательно, у анионитов – положительно.

Сильнокислотные катиониты способны к обмену ионов в щелочной, нейтральной, кислой средах. В качестве фиксированных ионов сильнокислотные компоненты обычно содержат группу .

Слабокислотные катиониты способны к обмену катионов только при . В качестве фиксированных ионов они имеют различные слабодиссоциирующие группировки, например – .

Сильноосновные аниониты способны к обмену в широком диапазоне рН. Эти аниониты наиболее часто содержат в качестве фиксированных ионов группу .

Слабоосновные аниониты способны к обмену анионов только при . К ним относятся аниониты с первичными, вторичными и третичными аминогруппами: , , .

Некоторые иониты содержат одновременно сильно- и слабодиссоциирующие активные группы.

Ионообменные смолы обладают большой емкостью, химической стойкостью и механической прочностью. Изменяя состав активных групп и матрицы, получили ионообменные смолы самых различных свойств.

Создание ионообменной смолы сводится к синтезу нерастворимого в воде и других растворителях твердого органического полимера, образующего трехмерный высокомолекулярный каркас с активными группами путем «сшивания» линейного высокомолекулярного соединения – полистирола – в пространственную сетку с помощью различных «мостикообразующих» веществ (например, дивинилбензола).

Сухая ионообменная смола ещё не является ионитом. Им она становится после набухания. В воде происходит диссоциация ионогенных групп с образованием подвижных противоионов и неподвижных, связанных с матрицей ионов. При взаимодействии ионообменных смол с растворами электролитов противоионы замещаются эквивалентным количеством ионов, находящихся в растворе.

Процесс ионообмена можно представить в виде следующей
схемы:

1. На основе ряда Фреймана (закона замещения одних ионов другими) выбирают соответствующий ионит (рис. 6.27).

Рис. 6.27. Сухой полимер с активными центрами

2. Набухание полимера (рис. 6.28).

Рис. 6.28. Набухание полимера

3. Диссоциация ионов из активных центров и их переход в раствор (рис. 6.29).

Рис. 6.29. Диссоциация ионов из активных центров и их переход в раствор

4. Замещение вакансий на удаляемые ионы(рис. 6.30).

Рис. 6.30. Замещение вакансий на удаляемые ионы

5. Слив электролита.

6. Регенерация катионита или анионита. Для регенерации катионита, насыщенного извлекаемыми из электролита катионами,
используют растворы кислот, к примеру 5 %-й раствор НСl, а регенерация анионита осуществляется раствором щелочи, к примеру
5 %-м раствором NaOH. Недостаток в том, что некуда девать соли, получаемые после регенерации ионитов.

7. Тщательная отмывка водой от регенерирующих растворов.

Процесс применяется в тех производствах, где требуется извлечь вещества из растворов, в которых эти вещества находятся в малых концентрациях.

Ионообменные процессы позволяют удалять из водных растворов нежелательные ионы и получать деминерализованную воду: питьевую, для производства особо чистых веществ и т. д. Возможно применение в ряде производств неорганических и органических веществ, в катализе, при получении лекарственных препаратов, в медицине, в производстве ряда пищевых продуктов, при водоподготовке на тепловых электростанциях, при очистке вод ядерных реакторов и т. п. Один из серьезных недостатков ионного обмена необходимость довольно частой регенерации ионитов с последующей их промывкой, что связано с дополнительным расходом реагентов (обычно кислот и щелочей) и образованием значительного объема сточных вод.

Схемы ионообменным процессов принципиально не отличаются от схем процессов физической адсорбции. Весь цикл ионообменного процесса, независимо от его конкретного назначения, включает следующие стадии:

1) сорбцию ионов из растворов;

2) отмывку ионита от исходного раствора;

3) регенерацию ионита;

4) отмывку ионита от регенерирующего раствора.

Мембранные процессы. Физическая сущность процесса.

Процессами мембранного разделения смесей или мембранными процессами, называют процессы разделения смесей посредством полупроницаемых мембран.

Мембранные процессы применяют для очистки и концентрирования растворов; разделения близкокипящих компонентов, азеотропного и нетермостойких смесей; отделения высокомолекулярных веществ от низкомолекулярного растворителя, глубокой очистки стойких вод и т. д.

Разделяемая в аппарате смесь вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной стороны, и вследствие особых свойств мембраны прошедший через неё фильтрат обогащается одним из компонентов смеси. Процесс разделения может происходить настолько полно, что в фильтрате практически не содержатся примеси тех компонентов смеси, которые задерживаются мембраной. Не прошедшая через мембрану смесь компонентов в виде концентрата выводится из аппарата.

Процессы мембранного разделения характеризуются проницаемостью и селективностью.

Проницаемость (удельная производительность) равна расходу фильтрата W (кг/ч) через единицу поверхности мембраны F(м²). Она определяет скорость процесса мембранного разделения в кг/м² ×ч

G = W/F.

Селективность может быть выражена в виде:

a) фактора разделения a_АВ = (Y_A/Y_B)/(X_A/X_B);

б) коэффициента j = 1 – (Y_A/Y_B)

и характеризует эффективность процесса мембранного разделения.