способ проведения массообменных сорбционных процессов, аппарат для его осуществления, промышленная установка для разделения компонентов водных растворов неорганических веществ и аппарат для отделения органических жидких веществ от водных растворов

Формула изобретения

1. Способ проведения массообменных сорбционных процессов, при котором перерабатываемый водный раствор пропускают через слой гранулированного сорбционного материала с уменьшенным объемом доступного для перерабатываемого водного раствора пространства между гранулами в этом слое, отличающийся тем, что уменьшение указанного объема обеспечивают путем пропускания перерабатываемого водного раствора через слой гранулированного сорбционного материала, предварительно заполненный органическим жидким веществом или смесью таких веществ, не смешивающихся ни с водой, ни с перерабатываемым водным раствором и химически не взаимодействующих ни с компонентами перерабатываемого водного раствора, ни с сорбционным материалом, не допуская при этом псевдоожижения гранулированного сорбционного материала в указанном слое.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве указанных органического жидкого вещества или смеси таких веществ используют органическое жидкое вещество или смесь таких веществ с плотностью, меньшей, чем плотность воды, а перерабатываемый водный раствор пропускают через слой гранулированного сорбционного материала в направлении сверху вниз.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве указанных органического жидкого вещества или смеси таких веществ используют вещество или смесь веществ из группы: жидкие соединения из ряда парафинов, ненасыщенные углеводороды, ароматические соединения, элементоорганические вещества, высшие спирты, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве указанных органического жидкого вещества или смеси таких веществ используют органическое вещество или смесь таких веществ с плотностью, более высокой, чем плотность перерабатываемого водного раствора, а перерабатываемый водный раствор пропускают через слой гранулированного сорбционного материала в направлении снизу вверх.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве указанного органического жидкого вещества или смеси таких веществ используют вещество или смесь веществ из группы: жидкие соединения из ряда галогензамещенных парафинов, в том числе, перфторуглероды, галогензамещенные ненасыщенные углеводороды, галоген и нитро замещенные ароматические соединения, элементоорганические вещества, циклосоединения из ряда высших спиртов, кетонов, карбоновых кислот, простых и сложных эфиров.

6. Аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с крышкой, днищем и стенкой, в верхней и нижней частях корпуса установлены, соответственно, верхняя и нижняя дренажно-распределительные системы, в крышку и днище корпуса введены соответственно, верхний и нижний патрубки, предназначенные для подачи в аппарат или отвода из него жидкостей и гидравлически связанные соответственно с верхней и нижней дренажно-распределительными системами, отличающийся тем, что между нижней и верхней дренажно-распределительными системами размещен слой гранулированного сорбционного материала, пространство между гранулами которого заполнено органическим жидким веществом или смесью таких веществ, не смешивающихся ни с водой, ни с перерабатываемым водным раствором и химически не взаимодействующих ни с компонентами перерабатываемого водного раствора, ни с гранулированным сорбционным материалом, верхняя дренажно-распределительная система установлена и гидравлически связана с верхним патрубком с возможностью ее перемещения в вертикальном направлении, а между верхней дренажно-распределительной системой и крышкой корпуса имеется пространство, в котором размещено прижимное средство для воздействия в вертикальном направлении на эту систему и размещенный под нею слой гранулированного сорбционного материала для предотвращения псевдоожижения последнего, один из указанных двух патрубков является входным патрубком указанного аппарата, предназначенным для подачи перерабатываемого водного раствора и воды, а другой - выходным патрубком указанного аппарата, при этом на нижнем патрубке установлен кран.

7. Аппарат по п.6, отличающийся тем, что гидравлическая связь верхней дренажно-распределительной системы с верхним патрубком осуществлена с помощью гибкой трубки.

8. Аппарат по п.7, отличающийся тем, что прижимное средство выполнено в виде слоя упругого пористого материала, заполняющего пространство между крышкой корпуса и верхней дренажно-распределительной системой и окружающего указанную гибкую трубку.

9. Аппарат по п.8, отличающийся тем, что указанный слой пористого упругого материала выполнен из поролона.

10. Аппарат по п.7, отличающийся тем, что прижимное средство выполнено в виде расположенного над верхней дренажно-распределительной системой диска с отверстием для указанной гибкой трубки и установленной между этим диском и крышкой корпуса витой пружины, окружающей указанную гибкую трубку.

11. Аппарат по п.7, отличающийся тем, что прижимное средство выполнено в виде установленного в корпусе над верхней дренажно-распределительной системой поршня, через отверстие в центре которого герметично проходит указанная гибкая трубка, при этом крышка в ее верхней части снабжена патрубком для соединения с источником находящихся под давлением газа или жидкости.

12. Аппарат по п.6, отличающийся тем, что гидравлическая связь верхней дренажно-распределительной системы с верхним патрубком осуществлена с помощью сильфона.

13. Аппарат по п.12, отличающийся тем, что прижимное средство выполнено в виде слоя упругого пористого материала, заполняющего пространство между крышкой корпуса и верхней дренажно-распределительной системой и окружающего указанный сильфон.

14. Аппарат по п.13, отличающийся тем, что указанный слой пористого упругого материала выполнен из поролона.

15. Аппарат по п.12, отличающийся тем, что прижимное средство выполнено в виде расположенного над верхней дренажно-распределительной системой диска с отверстием для указанного сильфона и установленной между этим диском и крышкой корпуса витой пружины, окружающей указанный сильфон.

16. Аппарат по любому из пп.6-15, отличающийся тем, что указанные органическое жидкое вещество или смесь таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала, имеют меньшую плотность, чем вода, при этом входным патрубком указанного аппарата для подачи перерабатываемого водного раствора и воды является верхний патрубок, а выходным патрубком является нижний патрубок.

17. Аппарат по п.16, отличающийся тем, что каждая из указанных дренажно-распределительных систем выполнена в виде горизонтальных радиально расходящихся дренажных элементов для входа или выхода жидкости, соединенных с одним и тем же расположенным в центре данной системы вертикальным патрубком.

18. Аппарат по любому из пп.6-15, отличающийся тем, что указанные органическое жидкое вещество или смесь таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала, имеют более высокую плотность, чем перерабатываемый водный раствор, при этом входным патрубком указанного аппарата для подачи перерабатываемого водного раствора и воды является нижний патрубок, а выходным патрубком является верхний патрубок.

19. Аппарат по п.18, отличающийся тем, что каждая из указанных дренажно-распределительных систем выполнена в виде горизонтальных радиально расходящихся дренажных элементов для входа или выхода жидкости, соединенных с одним и тем же расположенным в центре данной системы вертикальным патрубком.

20. Аппарат по п.17 или 19, отличающийся тем, что каждый дренажный элемент представляет собой трубку с отверстиями, не проницаемыми для гранулированного сорбционного материала или закрытыми сеткой с ячейками, не проницаемыми для этого материала.

21. Аппарат по п.20, отличающийся тем, что между нижней дренажно-распределительной системой и днищем корпуса имеется пространство, заполненное нейтральным гранулированным материалом с размером гранул, превышающим размер гранул гранулированного сорбционного материала.

22. Аппарат по п.17 или 19, отличающийся тем, что каждый дренажный элемент представляет собой цилиндр со стенками из пористого материала с порами, не проницаемыми для гранулированного сорбционного материала.

23. Аппарат по п.22, отличающийся тем, что между нижней дренажно-распределительной системой и днищем корпуса имеется пространство, заполненное нейтральным гранулированным материалом с размером гранул, превышающим размер гранул гранулированного сорбционного материала.

24. Промышленная установка для разделения компонентов водных растворов неорганических веществ, содержащая аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов и средство для перекачивания жидкости, аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов имеет вертикальный цилиндрический корпус с крышкой, днищем и стенкой, в верхней и нижней частях корпуса установлены, соответственно, верхняя и нижняя дренажно-распределительные системы, в крышку и днище корпуса введены соответственно верхний и нижний патрубки, предназначенные для подачи в данный аппарат или отвода из него жидкостей и гидравлически связанные соответственно с верхней и нижней дренажно-распределительными системами, отличающаяся тем, что в аппарате для проведения массообменных сорбционных процессов между нижней и верхней дренажно-распределительными системами размещен слой гранулированного сорбционного материала, пространство между гранулами которого заполнено органическим жидким веществом или смесью таких веществ, не смешивающихся ни с водой, ни с перерабатываемым водным раствором и химически не взаимодействующих ни с компонентами перерабатываемого водного раствора, ни с гранулированным сорбционным материалом, верхняя дренажно-распределительная система установлена и гидравлически связана с верхним патрубком с возможностью ее перемещения в вертикальном направлении, а между верхней дренажно-распределительной системой и крышкой корпуса имеется пространство, в котором размещено прижимное средство для воздействия в вертикальном направлении на эту систему и размещенный под нею слой гранулированного сорбционного материала для предотвращения псевдоожижения последнего, один из указанных двух патрубков является входным патрубком указанного аппарата и входным патрубком всей указанной промышленной установки, предназначенным для подачи перерабатываемого водного раствора и воды, а другой - выходным патрубком указанного аппарата, при этом на нижнем патрубке установлен кран, кроме того, указанная промышленная установка снабжена аппаратом для отделения органических жидких веществ от водных растворов, имеющим вход для разделяемой эмульсии, выход для подлежащего отделению органического жидкого вещества и выход для водного раствора, очищенного от органического жидкого вещества, причем выход указанного аппарата для водного раствора, очищенного от органического жидкого вещества, является выходом всей указанной промышленной установки, вход для разделяемой эмульсии соединен с выходным патрубком аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов, а выход для подлежащего отделению органического жидкого вещества соединен с аппаратом для проведения массообменных сорбционных процессов линией в виде трубки, конец которой введен в стенку корпуса данного аппарата возле дренажно-распределительной системы, гидравлически связанной со входным патрубком этого аппарата для перерабатываемого раствора и воды, со стороны слоя гранулированного сорбционного материала, при этом указанное средство для перекачивания жидкости представляет собой циркуляционный насос с обратным клапаном, установленный в указанной линии.

25. Промышленная установка по п.24, отличающаяся тем, что указанные органическое жидкое вещество или смесь таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала, имеют меньшую плотность, чем вода, при этом выходным патрубком аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов является нижний патрубок, а входным патрубком этого аппарата и входным патрубком всей промышленной установки, предназначенным для подачи перерабатываемого водного раствора и воды, является верхний патрубок этого аппарата, причем данный патрубок снабжен краном.

26. Промышленная установка по п.25, отличающаяся тем, что конец трубки, соединяющей первый выходной патрубок аппарата для отделения органических жидких веществ от водных растворов с аппаратом для проведения массообменных сорбционных процессов, введенный в стенку корпуса этого аппарата, закрыт дренажной сеткой, не проницаемой для гранулированного сорбционного материала.

27. Промышленная установка по п.24, отличающаяся тем, что указанные органическое жидкое вещество или смесь таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала, имеют более высокую плотность, чем перерабатываемый водный раствор, при этом входным патрубком аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов и входным патрубком всей промышленной установки, предназначенным для подачи перерабатываемого водного раствора и воды, является нижний патрубок этого аппарата, а его выходным патрубком является верхний патрубок, причем последний снабжен краном.

28. Промышленная установка по п.27, отличающаяся тем, что конец трубки, соединяющей первый выходной патрубок аппарата для отделения органических жидких веществ от водных растворов с аппаратом для проведения массообменных сорбционных процессов, введенный в стенку корпуса этого аппарата, закрыт дренажной сеткой, не проницаемой для гранулированного сорбционного материала.

29. Промышленная установка по любому из пп.24-28, отличающаяся тем, что аппарат для отделения органических жидких веществ от водных растворов имеет корпус, выполненный в виде вертикального цилиндра с закрытыми торцами, содержащий две крайние камеры, примыкающие к торцам, и расположенную между ними среднюю камеру, последняя отграничена от одной из крайних камер сеткой, предназначенной для предотвращения турбулентности, а от другой - гидрофобным дренажным слоем, проницаемым для органического жидкого вещества или смеси таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала в массообменном сорбционном аппарате, но не проницаемым для воды и перерабатываемого водного раствора, в торец крайней камеры, отграниченной от средней камеры гидрофобным дренажным слоем, введен первый выходной патрубок, который доходит не более чем до середины этой камеры, в торец другой крайней камеры, отграниченной от средней камеры сеткой, введены входной патрубок, который проходит через эту крайнюю камеру и сетку в среднюю камеру и доходит, по крайней мере, до ее середины, и второй выходной патрубок, который проходит не более чем до середины указанной крайней камеры, указанный входной патрубок является входом данного аппарата для разделяемой эмульсии, первый выходной патрубок является выходом для подлежащего отделению органического жидкого вещества, а второй выходной патрубок - выходом для водного раствора, очищенного от органического жидкого вещества.

30. Промышленная установка по п.29, отличающаяся тем, что гидрофобный дренажный слой содержит диск с отверстиями, выполненный из не смачиваемого водой материала, или слой гранул из не смачиваемого водой материала, предварительно обработанного органическим жидким веществом, идентичным тому, которым заполнено пространство между гранулами сорбционного материала в аппарате для проведения массообменных сорбционных процессов.

31. Промышленная установка по п.30, отличающаяся тем, что указанным не смачиваемым водой материалом являются фторопласт или углеродсодержащий сальниковый материал.

32. Промышленная установка по любому из пп.24-28, 30, 31, отличающаяся тем, что гидравлическая связь верхней дренажно-распределительной системы аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов с верхним патрубком корпуса этого аппарата осуществлена с помощью гибкой трубки.

33. Промышленная установка по п.32, отличающаяся тем, что между нижней дренажно-распределительной системой и днищем корпуса аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов имеется пространство, заполненное нейтральным гранулированным материалом с размером гранул, превышающим размер гранул гранулированного сорбционного материала.

34. Промышленная установка по п.32, отличающаяся тем, что прижимное средство аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов выполнено в виде слоя упругого пористого материала, заполняющего пространство между крышкой корпуса этого аппарата и верхней дренажно-распределительной системой и окружающего указанную гибкую трубку.

35. Промышленная установка по п.34, отличающаяся тем, что между нижней дренажно-распределительной системой и днищем корпуса аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов имеется пространство, заполненное нейтральным гранулированным материалом с размером гранул, превышающим размер гранул гранулированного сорбционного материала.

36. Промышленная установка по любому из пп.24-28, 30, 31, 33-35, отличающаяся тем, что в стенку корпуса аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов возле дренажно-распределительных систем со стороны слоя гранулированного сорбционного материала, в верхнюю часть крышки и нижнюю часть днища, а также в среднюю камеру аппарата для отделения органических жидких веществ от водных растворов и в торец крайней камеры этого аппарата, отграниченной от средней камеры гидрофобным дренажным слоем, встроены дополнительные патрубки с кранами.

37. Аппарат для отделения органических жидких веществ от водных растворов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, входной патрубок, являющийся входом для разделяемой эмульсии, и два выходных патрубка, первый из которых является выходом этого аппарата для подлежащего отделению органического жидкого вещества, а второй - выходом для водного раствора, очищенного от отделяемого органического жидкого вещества, отличающийся тем, что корпус выполнен с закрытыми торцами и содержит две крайние камеры, примыкающие к торцам, и расположенную между ними среднюю камеру, последняя отграничена от одной из крайних камер сеткой, предназначенной для предотвращения турбулентности, а от другой - гидрофобным дренажным слоем, проницаемым для органического жидкого вещества, подлежащего отделению, но не проницаемым для воды и очищаемого водного раствора, в торец крайней камеры, отграниченной от средней камеры сеткой, введены входной патрубок, который проходит через указанную камеру и сетку в среднюю камеру и доходит, по крайней мере, до ее середины, и второй выходной патрубок, проходящий не более чем до середины указанной крайней камеры, а в торец другой крайней камеры, отграниченной от средней камеры гидрофобным дренажным слоем, введен первый выходной патрубок, доходящий не более чем до середины этой камеры.

38. Аппарат по п.37, отличающийся тем, что гидрофобный дренажный слой представляет собой диск с отверстиями, выполненный из не смачиваемого водой материала.

39. Аппарат по п.38, отличающийся тем, что указанным не смачиваемым водой материалом является фторопласт.

40. Аппарат по п.37, отличающийся тем, что гидрофобный дренажный слой представляет собой слой гранул, выполненных из не смачиваемого водой материала, предварительно обработанного органической жидкостью, идентичной жидкости, подлежащей отделению.

41. Аппарат по п.40, отличающийся тем, что указанным не смачиваемым водой материалом является фторопласт или углеродсодержащий сальниковый материал.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к средствам для проведения массообменных сорбционных процессов разделения компонентов водных растворов неорганических веществ, а именно к способу проведения массообменных сорбционных процессов и аппарату для его осуществления, а также к включающей такой аппарат промышленной установке для разделения компонентов водных растворов неорганических веществ и используемому в этой установке аппарату для отделения органических жидких веществ от водных растворов.

Массообменная переработка водных растворов, содержащих ионные компоненты, с целью разделения содержащихся в нем веществ, концентрирования растворов по отдельным компонентам или группе компонентов, выделения отдельных компонентов или очистки растворов от отдельных компонентов или группы компонентов является одним из наиболее распространенных, базовых процессов в современных химических производствах и технологиях.

Известно большое количество стандартных способов проведения массообменных сорбционных процессов разделения компонентов водных растворов неорганических веществ с использованием разнообразных сорбентов, в том числе ионообменных материалов (см., например: М.М.Сенявин. Ионный обмен в технологии и анализе неорганических веществ. Москва, изд. Химия , 1980, 272 с. [1]). Эти способы включают периодическое пропускание перерабатываемого раствора через слой гранулированного ионообменного материала в колонне, например слой ионита, предварительно переведенного в какую-либо ионную форму. В результате происходящего при этом ионообменного процесса, а также из-за различной селективности ионита к разным компонентам имеет место перераспределение последних между твердой и жидкой фазами, то есть перерабатываемый раствор очищается от одних компонентов и обогащается другими компонентами. Указанные способы имеют следующие основные ограничения: требуется применение химических реагентов для осуществления регенерации ионитов и повторного их использования в циклах сорбции-десорбции. В связи с этим стандартные ионообменные процессы обычно применяют лишь для переработки разбавленных растворов. Переработка концентрированных растворов, для которых характерны так называемые короткие сорбционные циклы, становится невыгодной из-за большого расхода реагентов для регенерации на единицу объема перерабатываемого раствора. Кроме того, при переработке растворов в режиме коротких циклов за счет разности в плотностях жидкостей в системе, а именно раствора, подаваемого в ионообменную колонну, и раствора, находящегося в пространстве между гранулами в слое ионита, то есть в пространстве, соответствующем порозности слоя, имеют место эффекты продольного перемешивания. Это приводит к существенному снижению эффективности переработки и появлению больших объемов сточных вод в виде смешанных растворов. В особенности это касается так называемых прямоточных систем ионного обмена, в которых пропускание перерабатываемых и регенерационных растворов через массообменные колонны осуществляется в одном и том же направлении сверху вниз.

Расход реагентов и объемы образующихся сточных вод сокращаются при использовании так называемых противоточных схем, в которых регенерационные растворы с повышенной плотностью пропускаются через колонны в направлении снизу вверх. Однако и в этом случае эффекты продольного перемешивания трудно устранимы из-за образования каналов течения в слоях сорбционных материалов, что связано с эффектами сжатия гранул ионообменных материалов в концентрированных растворах электролитов [1].

Известны также безреагентные способы проведения массообменных сорбционных процессов разделения компонентов водных растворов неорганических веществ с применением ионитов с терморегулируемой селективностью (B.A.Bolto, D.E.Weiss. In Ion Exchange and Solvent Extraction (Eds. J.A.Marinsky and Y.Marcus). Marsel Dekker, New York, 1977. P.221 [2]; патент Российской Федерации № 2034651, опубл. 10.05.95 [3]. В этих способах для осуществления регенерации ионитов в циклических процессах используются горячая вода или сам перерабатываемый раствор, или получаемые промежуточные растворы при температурах, отличающихся от температур проведения процессов сорбции. Указанные способы также предназначены для переработки разбавленных растворов. Предельные степени обогащения или очистки растворов, достигаемые при их использовании, помимо прочих факторов, также ограничены наличием свободного пространства между гранулами в слое сорбента. Другими ограничениями этих способов являются небольшой возможный ассортимент применяемых термоселективных ионитов, а также повышенные энергетические затраты, связанные с необходимостью нагрева и (или) охлаждения растворов и ионообменных материалов.

Кроме того, известен способ проведения массообменных сорбционных процессов разделения компонентов концентрированных водных растворов неорганических веществ, в частности концентрированных смешанных растворов солей и кислот с общим анионом, а именно способ отделения кислот от солей с применением анионитов, названный методом удерживания кислот ( acid retardation ) (M.J.Hatch, J.A.Dillon. Industrial and Engineering Chemistry Process Design and Development, 1963, V.2, No.2, P.253 [4]). В указанном способе нет ионного обмена. Разделение катионов проводится не на катеоните, а на анионите, взятом в форме одноименного с электролитами аниона. Например, выделение серной кислоты из смеси сульфатных солей проводится при пропускании смешанного раствора через анионит в сульфатной форме, в случаях переработки смеси нитратов используется анионит в нитратной форме, а в случаях переработки хлоридов - в хлоридной форме. Способ состоит в том, что в концентрированных смешанных растворах с суммарной концентрацией компонентов от 3 до 20 г·экв/л активность воды незначительна и существенно меньше степень диссоциации солей и, особенно, кислот. В растворах формируются сильно связанные ионные пары и молекулы, способные к необменной сорбции на анионите. При пропускании смешанных концентрированных растворов через слой ионита в колонне происходит разделение компонентов: вначале из колонны выходят соли многовалентных катионов, затем с небольшим запаздыванием - соли одновалентных катионов, наконец, со значительным запаздыванием, сравнимым по объему пропущенного раствора с объемом слоя ионита, начинает выходить раствор кислоты. После достижения равновесия, то есть насыщения ионита, составы растворов на входе в колонну и выходе из нее становятся одинаковыми. Разделение проводят следующим образом: пропускают раствор через колонну до появления раствора кислоты, десорбцию последней вместе с небольшими примесями сорбированных солей проводят водой, используемой в качестве элюента, после чего колонна становится готовой к разделению следующей порции перерабатываемого раствора электролита.

Указанному выше способу [4] практически аналогичен способ, который предусматривает пропускание смеси растворов электролитов через ионит или другие сорбционные материалы при использовании в качестве элюента воды или одного из компонентов разделяемой смеси (патент Российской Федерации № 2056899, опубл. 27.03.1996 [5]). В этом способе, помимо отделения кислот от солей, достигаются небольшие эффекты разделения солей друг от друга.

Основные ограничения способов [4] и [5] состоят в том, что при использовании стандартных ионообменных аппаратов и прямоточного режима пропускания растворов через слои сорбционных материалов образуются, в основном, смешанные растворы за счет эффектов продольного перемешивания менее плотных и более плотных растворов в объеме порозности. При использовании противоточного режима, когда концентрированный раствор электролита пропускают через колонну снизу вверх, а воду - сверху вниз, и при использовании большинства известных ионообменных смол (катеонитов и анионитов) также имеет место образование относительно больших объемов смешанных растворов за счет меньшей селективности сорбции электролитов на ионитах по сравнению с сорбцией воды, а также за счет эффекта образования каналов течения в слое гранулированного сорбционного материала из-за сжатия гранул ионообменных материалов. В указанных способах [4, 5] химическими реагентами, теряющимися из-за образования смешанных растворов или наносящими вред окружающей среде, являются не растворы для регенерации, а сами перерабатываемые растворы. В настоящее время во многих областях химической промышленности, гидрометаллургии, черной и цветной металлургии, в гальваническом производстве и других областях, где используются процессы растворения и выщелачивания, образуются требующие переработки дорогостоящие либо наносящие большой вред окружающей среде концентрированные растворы. В особенности это касается разделения концентрированных растворов кислот и солей.

Известен другой способ проведения массообменных сорбционных процессов разделения компонентов концентрированных водных растворов неорганических веществ (Р.Х.Хамизов, Б.Ф.Мясоедов, Б.А.Руденко, Н.А.Тихонов. Доклады Академии Наук, 1997, Т.356, № 2, с.216-218 [6]; D.N.Muraviev, R.Kh.Khamizov, N.A.Tikhonov, V.V.Kirshin. Langmuir, 1997, V.13, No.26, p.p.7186-7192 [7]). Этот способ позволяет снижать расходы химических реагентов до минимальных количеств, эквивалентных количествам получаемых продуктов, а также предотвращать образование трудноутилизируемых смешанных растворов. В указанном способе используется явление изотермического перенасыщения растворов в ионообменных процессах и стабилизации перенасыщенных растворов в слое ионита. Ионообменный материал, используемый в качестве сорбента, предварительно переводят в определенную ионную форму, например в форму иона металла, а затем обрабатывают концентрированным раствором вещества, содержащего анион, образующий с указанным ионом металла соединение, менее растворимое, чем вещество для обработки. Например, для получения карбоната магния магниевую форму катионита обрабатывают концентрированным раствором карбоната натрия или аммония, а для получения сульфата калия калиевую форму катионита обрабатывают концентрированным раствором сульфата натрия или аммония. В результате ионообменного процесса в слое ионита образуется и на некоторое время стабилизируется перенасыщенный раствор целевого соединения. При выходе перенасыщенного раствора из колонны имеет место спонтанная кристаллизация чистого целевого продукта, который отделяют от раствора. Последний доукрепляют регенерирующим веществом и направляют на очередной цикл обработки ионита в нужной ионной форме. В указанном способе, независимо от эффектов продольного перемешивания, нет потерь реагентов или образования смешанных сточных вод, требующих дополнительной переработки. Однако недостатки способа [6, 7] состоят в том, что стабилизация перенасыщенных растворов в слое ионита имеет временный характер, и для многих компонентов время стабилизации незначительно. Это, с одной стороны, ограничивает ассортимент используемых ионообменных систем, а с другой стороны - создает риск цементации колонн, то есть осадкообразования в пространстве между гранулами сорбента, в объеме порозности.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ проведения массообменного сорбционного процесса разделения компонентов концентрированных водных растворов неорганических веществ по патенту США № 4673507 (опубл. 16.06.1987) [8]. В соответствии с этим способом переработку водных растворов осуществляют с использованием слоев гранулированных сорбционных материалов с уменьшенным объемом доступного для перерабатываемого раствора пространства между гранулами сорбента. Переработку растворов по указанному способу ведут при их пропускании через короткий сильно сжатый слой мелкодисперсного гранулированного сорбционного материала. Сжатие слоя достигают разными методами: например, при работе с разбавленными растворами в аппарат загружают гранулированный ионообменный материал в среде сильно концентрированного электролита так, чтобы в средах рабочих растворов имело место набухание сорбентов. Другим методом является загрузка в открытый аппарат (без крышки) избыточного количества сорбционного материала, из которого под давлением крышки специальной конструкции принудительно формируют сильно сжатый слой. В связи с высоким давлением, необходимым для прокачивания перерабатываемого раствора через такой аппарат, в способе по патенту [8], как правило, используют короткий сорбционный слой. Для уменьшения протяженности фронтов ионного обмена или молекулярной сорбции, что необходимо при использовании коротких слоев, используют мелкодисперсный сорбент с хорошими кинетическими характеристиками.

Наличие отмеченных требований говорит о том, что имеются определенные ограничения при осуществлении способа по патенту [8]. Недостатки этого способа состоят также в необходимости использования высоких давлений. Кроме того, к недостаткам относится недолговечность сорбентов при их использовании в циклах сорбции-регенерации. Наконец, в указанном способе не достигается повышения стабильности перенасыщенных растворов в слое сорбента по сравнению со стандартными методами, что ограничивает ассортимент перерабатываемых растворов.

Предлагаемое изобретение, относящееся к способу проведения массообменных сорбционных процессов, направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности массообменных сорбционных процессов разделения компонентов водных растворов неорганических веществ за счет повышения степени разделения при переработке концентрированных растворов, в том числе сильнокислых концентрированных растворов, повышения долговечности использования сорбционных материалов, а также обеспечения стабилизации перенасыщенных растворов в сорбционном слое при отсутствии специальных требований к размерам гранул сорбента и к условиям проведения процесса переработки водных растворов, включая поддержание высоких давлений и выбор определенных направлений потоков жидкостей. Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении примеров его использования будут названы и другие виды достигаемого технического результата.

В предлагаемом способе проведения массообменных сорбционных процессов, как и в указанном выше наиболее близком к нему известном способе по патенту [8], перерабатываемый водный раствор пропускают через слой гранулированного сорбционного материала с уменьшенным объемом доступного для перерабатываемого водного раствора пространства между гранулами в этом слое.

Для достижения указанного технического результата уменьшение объема доступного для перерабатываемого водного раствора пространства между гранулами в слое гранулированного сорбционного материала обеспечивают путем пропускания перерабатываемого водного раствора через слой указанного материала, предварительно заполненный органическим жидким веществом или смесью таких веществ, не смешивающихся ни с водой, ни с перерабатываемым водным раствором и химически не взаимодействующих ни с компонентами перерабатываемого водного раствора, ни с сорбционным материалом, не допуская при этом псевдоожижения гранулированного сорбционного материала в указанном слое.

Как установлено авторами, при заполнении сорбционного слоя органическим жидким веществом, не смешивающимся ни с водой, ни с перерабатываемыми водными растворами, или смесью таких веществ, можно пропускать воду или водные растворы через слой гранулированного сорбционного материала в условиях, когда практически отсутствует свободное пространство между гранулами, так как оно заполнено органической жидкостью. Органическая жидкость отталкивает воду и водные растворы, которые стремятся к контакту с гидрофильным сорбентом. Вследствие этого пропускаемый через сорбционный слой перерабатываемый водный раствор внедряется на межфазной границе между органической жидкостью и поверхностью гранул сорбента, образуя тончайшую пленку, обволакивающую каждую гранулу сорбента и стекающую по точкам контакта между гранулами. В результате компоненты перерабатываемого раствора немедленно оказываются на выходе из сорбционного слоя.

При этом происходит многократное увеличение площади контакта перерабатываемого водного раствора с поверхностью сорбционного материала, что и обусловливает повышение степени разделения, в том числе при переработке концентрированных растворов, без предъявления специальных требований к размерам гранул сорбента и без создания высоких давлений на сорбционный слой. Кроме того, повышается долговечность использования сорбционных материалов и обеспечивается стабилизация перенасыщенных растворов в сорбционном слое. Благодаря выбору органических жидких веществ, удовлетворяющих указанным выше требованиям, в сочетании с отсутствием высокого давления, сжимающего сорбционный материал, обеспечиваются сохранение свойств используемого сорбционного материала и возможность его длительной эксплуатации в повторяющихся циклах сорбции-десорбции, предотвращаются загрязнение и потеря растворов, загрязнения и потери самих указанных органических веществ.

В частности, в качестве упомянутых веществ для заполнения слоя сорбционного материала могут быть использованы органические жидкие вещества с плотностью меньшей, чем плотность воды (или смесь таких веществ), например жидкие соединения из ряда парафинов, ненасыщенные углеводороды, ароматические соединения, элементоорганические вещества, высшие спирты, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры. В этом случае перерабатываемый водный раствор пропускают через слой сорбционного материала в направлении сверху вниз.

В качестве указанных веществ могут быть использованы также органические жидкие вещества с плотностью большей, чем плотность перерабатываемого водного раствора (или смесь таких веществ), например жидкие соединения из ряда галогензамещенных парафинов, в том числе перфторуглероды, галогензамещенные ненасыщенные углеводороды, галоген- и нитрозамещенные ароматические соединения, элементоорганические вещества, циклосоединения из ряда высших спиртов, кетонов, карбоновых кислот, простых и сложных эфиров. В этом случае перерабатываемый раствор пропускают через слой сорбционного материала в направлении снизу вверх.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью предлагаемого аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов.

Известны устройства для проведения массообменных сорбционных процессов, в которых принимаются различные меры для повышения их эффективности.

Так, устройство по авторскому свидетельству СССР № 1183146 (опубл. 07.10.1985) [9] содержит вертикальный цилиндрический корпус с днищем и крышкой, предназначенный для заполнения сорбентом и имеющий размещенные в днище и крышке соответственно входной и выходной патрубки, а также особым образом выполненную распределительную систему, соединенную с входным патрубком. Эта система содержит пакет уложенных друг на друга полотен с тоннельными ячейками, кромки которых на каждом последующем полотне смещены относительно предыдущего полотна в горизонтальной плоскости в одном и том же направлении. Благодаря этому обеспечиваются спиральное закручивание обрабатываемого раствора и более равномерное и интенсивное взаимодействие его с сорбентом. Однако при описанном выполнении распределительной системы она создает повышенное сопротивление потоку перерабатываемого раствора, и его нужно подавать под увеличенным давлением.

Устройство по авторскому свидетельству СССР № 1533750 (опубл. 07.01.1990) [10] имеет вертикальный корпус с крышкой, днищем и патрубками для ввода и вывода раствора, а также коаксиально размещенную в корпусе цилиндрическую микропористую дренажную систему с установленным в ней поршнем. Пространство между дренажной системой и стенками корпуса предназначено для заполнения сорбентом. Поршень при работе устройства совершает возвратно-поступательное движение, благодаря которому интенсифицируются как всасывание очищенного раствора через дренажную систему, так и очистка ее поверхности от налипшего сорбента. Недостатком этого устройства является необходимость в механическом приводе.

К предлагаемому аппарату для проведения массообменных сорбционных процессов, предназначенному для осуществления предлагаемого способа, наиболее близок аппарат, известный из патента США № 4673507 [8], предназначенный для осуществления описанного в этом патенте способа.

Данный аппарат имеет цилиндрический корпус с днищем, крышкой, стенкой, верхним и нижним патрубками, введенными, соответственно, в крышку и днище. В корпусе размещены верхняя и нижняя дренажно-распределительные системы, гидравлически связанные, соответственно, с верхним и нижним патрубками. Пространство между этими системами предназначено для заполнения гранулированным сорбционным материалом. Последний образует сильно сжатый слой. В аппарате предусматривается использование мелкодисперсного сорбента с хорошими кинетическими характеристиками.

Этому аппарату присущи недостатки, коррелированные с отмеченными выше недостатками способа по патенту [8], для осуществления которого данный аппарат предназначен. Они заключаются, в частности, в необходимости создания и использования высоких давлений при работе аппарата. С этим связана недолговечность сорбентов при их использовании в циклах сорбции-регенерации. Сильное сжатие сорбционного слоя обусловливает его высокое гидравлическое сопротивление, поэтому слой должен быть коротким. Вследствие этого невысока достигаемая стабильность перенасыщенных растворов в слое сорбента и ограничен ассортимент перерабатываемых растворов.

Предлагаемое изобретение, относящееся к аппарату для проведения массообменных сорбционных процессов, направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении степени разделения, в том числе при переработке концентрированных растворов, включая сильнокислые растворы, в повышении долговечности использования сорбционных материалов, а также в обеспечении стабилизации перенасыщенных растворов в сорбционном слое. При этом отмеченное повышение эффективности массообменных сорбционных процессов, осуществляемых в данном устройстве, обеспечивается при отсутствии специальных требований к размерам гранул сорбента и к условиям проведения процесса переработки водных растворов, в частности к поддержанию высоких давлений. Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении примеров его использования будут названы и другие виды достигаемого технического результата.

Предлагаемый аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов, как и наиболее близкий к нему известный аппарат по патенту США № 4673507 [8], содержит вертикальный цилиндрический корпус с крышкой, днищем и стенкой. В верхней и нижней частях корпуса установлены, соответственно, верхняя и нижняя дренажно-распределительные системы. В крышку и днище корпуса введены соответственно, верхний и нижний патрубки, предназначенные для подачи в аппарат или отвода из него жидкостей и гидравлически связанные соответственно с верхней и нижней дренажно-распределительными системами.

Для достижения указанного выше технического результата в предлагаемом аппарате, в отличие от наиболее близкого известного аппарата, между нижней и верхней дренажно-распределительными системами размещен слой гранулированного сорбционного материала, пространство между гранулами которого заполнено органическим жидким веществом или смесью таких веществ, не смешивающихся ни с водой, ни с перерабатываемым водным раствором и химически не взаимодействующих ни с компонентами перерабатываемого водного раствора, ни с гранулированным сорбционным материалом. Верхняя дренажно-распределительная система установлена и гидравлически связана с верхним патрубком с возможностью ее перемещения в вертикальном направлении, а между ней и крышкой корпуса имеется пространство, в котором размещено прижимное средство для воздействия в вертикальном направлении на эту систему и предотвращения псевдоожижения находящегося под ней слоя гранулированного сорбционного материала. Один из указанных двух патрубков является входным патрубком указанного аппарата, предназначенным для подачи перерабатываемого раствора и воды, а другой - выходным патрубком указанного аппарата. При этом на нижнем патрубке установлен кран.

Использование в данном аппарате слоя гранулированного сорбционного материала, в котором свободное пространство между гранулами заполнено органическим жидким веществом, приводит к тому, что практически отсутствует свободное пространство между гранулами. Органическая жидкость отталкивает воду и водные растворы, которые стремятся к контакту с гидрофильным сорбентом. В результате пропускаемый через сорбционный слой перерабатываемый водный раствор, внедряющийся на межфазной границе между органической жидкостью и поверхностью гранул сорбента, образует тончайшую пленку, которая обволакивает каждую гранулу сорбента и протекает по точкам контакта между гранулами. Вследствие этого многократно возрастает площадь контакта перерабатываемого водного раствора с поверхностью сорбционного материала. Это, в свою очередь, обусловливает повышение степени разделения при переработке концентрированных растворов и позволяет исключить специальные требования к размерам гранул сорбента и необходимость использования высоких давлений. Давление, оказываемое прижимным средством на слой гранулированного сорбционного материала через верхнюю дренажно-распределительную систему, несоизмеримо мало по сравнению с давлением в сжатом слое аппарата по патенту [8], поскольку в предлагаемом аппарате оно создается лишь для того, чтобы не допустить псевдоожижения сорбционного материала в слое. Одновременно повышается долговечность использования сорбционных материалов, а также обеспечивается стабилизация перенасыщенных растворов в сорбционном слое. Выбор органических жидких веществ в соответствии с приведенными выше требованиями в сочетании с отсутствием высокого давления, сжимающего сорбционный материал, обеспечивает сохранение свойств этого материала и возможность его длительной эксплуатации, предотвращает загрязнение и потерю растворов, загрязнение и потерю самих указанных органических веществ. Наличие крана на нижнем патрубке предотвращает вытекание жидкости из аппарата, не подсоединенного к магистралям для подачи или отвода из него жидкостей.

В предлагаемом аппарате в одном из частных случаев его выполнения гидравлическая связь верхней дренажно-распределительной системы с верхним патрубком может быть осуществлена с помощью гибкой трубки. В этом случае прижимное средство может быть выполнено в виде слоя упругого пористого материала, например поролона, заполняющего пространство между крышкой корпуса и верхней дренажно-распределительной системой и окружающего указанную гибкую трубку. Прижимное средство может быть выполнено также в виде расположенного над верхней дренажно-распределительной системой диска с отверстием для указанной гибкой трубки и установленной между этим диском и крышкой корпуса витой пружины, окружающей указанную гибкую трубку.

В другом частном случае прижимное средство может быть выполнено в виде установленного в корпусе над верхней дренажно-распределительной системой поршня, через отверстие в центре которого герметично проходит указанная гибкая трубка, при этом крышка корпуса в ее верхней части снабжена патрубком для соединения с источником находящихся под давлением газа или жидкости.

Каждая из указанных дренажно-распределительных систем может быть выполнена в виде горизонтальных радиально расходящихся дренажных элементов для входа или выхода жидкости, соединенных с одним и тем же расположенным в центре данной системы вертикальным патрубком.

При этом каждый дренажный элемент может представлять собой трубку с отверстиями, не проницаемыми для гранулированного сорбционного материала или закрытыми сеткой с ячейками, не проницаемыми для этого материала. Каждый дренажный элемент может представлять собой также цилиндр со стенками из пористого материала с порами, не проницаемыми для гранулированного сорбционного материала.

Гидравлическая связь верхней дренажно-распределительной системы с верхним патрубком может быть осуществлена также с помощью сильфона. В этом случае прижимное средство может быть выполнено в виде слоя упругого пористого материала, например поролона, заполняющего пространство между крышкой корпуса и верхней дренажно-распределительной системой и окружающего указанный сильфон.

При осуществлении гидравлической связи верхней дренажно-распределительной системы с верхним патрубком с помощью сильфона прижимное средство может быть выполнено также в виде расположенного над верхней дренажно-распределительной системой диска с отверстием для указанного сильфона и установленной между этим диском и крышкой корпуса витой пружины, окружающей указанный сильфон.

Разнообразие возможных конструкций различных частей аппарата и их сочетаний обеспечивает свободу выбора при разработке аппарата в зависимости от технологических особенностей условий производства и предстоящей эксплуатации.

В любом из указанных выше случаев выполнения предлагаемого аппарата указанные органическое жидкое вещество или смесь таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала, могут иметь меньшую плотность, чем вода. При этом входным патрубком указанного аппарата для подачи перерабатываемого раствора и воды является верхний патрубок, а выходным патрубком является нижний патрубок.

Кроме того, в любом из указанных выше случаев выполнения аппарата указанные органическое жидкое вещество или смесь таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала, могут иметь более высокую плотность, чем перерабатываемый водный раствор. При этом входным патрубком указанного аппарата для подачи перерабатываемого водного раствора и воды является нижний патрубок, а выходным патрубком является верхний патрубок.

Указанные две возможности расширяют выбор органических жидких веществ для заполнения пространства между гранулами сорбционного материала, позволяя осуществлять пропускание перерабатываемого водного раствора через аппарат как сверху вниз, так и снизу вверх (соответственно, при первой и второй из описанных выше возможностей).

В любом из названных выше случаев выполнения аппарата и его частей между нижней дренажно-распределительной системой и днищем корпуса может находиться пространство, заполненное нейтральным гранулированным материалом, преимущественно гравием, с размером гранул, превышающим размер гранул гранулированного сорбционного материала.

Такой слой предотвращает возможность перемешивания жидкости, находящейся в слое сорбционного материала, с жидкостью, попавшей в застойную зону под нижней дренажно-распределительной системой.

Предлагаемый аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов входит как часть в состав предлагаемой промышленной установки для разделения компонентов водных растворов неорганических веществ.

Известны установки указанного назначения, в частности, по патенту Российской Федерации № 2034651 (опубл. 10.05.1995) [3] и по патенту США № 4673507 (опубл. 16.06.1987) [8].

В установке по патенту [3] реализуется безреагентный способ проведения массообменных сорбционных процессов разделения компонентов водных растворов неорганических веществ. Эта установка содержит соединенные между собой параллельно ионообменные колонны, теплообменник, несколько насосов, линию отбора целевого продукта и систему электронного управления, а также нагреватели-термостаты исходного раствора и концентрата, систему трубопроводов и ряд других частей.

В данной установке из-за наличия свободного пространства между гранулами сорбента достигаемая степень обогащения невелика. Установка позволяет перерабатывать только разбавленные растворы, конструктивно сложна и требует при своей эксплуатации повышенных энергетических затрат из-за наличия нагревателей-термостатов.

Наиболее близкой к предлагаемой является установка по патенту [8]. Эта установка содержит аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов и средства для прокачивания через него жидкостей. При этом указанный аппарат имеет цилиндрический корпус с днищем, крышкой, стенкой, верхним и нижним патрубками, введенными, соответственно, в крышку и днище. В корпусе размещены верхняя и нижняя дренажно-распределительные системы, гидравлически связанные, соответственно, с верхним и нижним патрубками. Пространство между этими системами предназначено для размещения гранулированного сорбционного материала. Последний образует сильно сжатый слой. В аппарате предусматривается использование мелкодисперсного сорбента с хорошими кинетическими характеристиками.

В этой установке достигается уменьшение свободного пространства между гранулами сорбента в массообменном сорбционном аппарате, что способствует повышению эффективности массообменных сорбционных процессов разделения компонентов водных растворов. Однако указанное уменьшение свободного пространство достигается путем сильного сжатия сорбционного слоя, что увеличивает его гидравлическое сопротивление и обусловливает необходимость использования в составе установки средств, создающих повышенное давление для прокачивания жидкостей. Сильное сжатие слоя сорбента приводит также к недолговечности сорбента. Кроме того, сильно сжатый слой должен быть коротким, вследствие чего невысока достигаемая стабильность перенасыщенных растворов в слое сорбента и ограничен ассортимент перерабатываемых растворов.

Предлагаемое изобретение, относящееся к промышленной установке для разделения компонентов водных растворов неорганических веществ, направлено на достижение технического результата, который заключается в повышении степени разделения при переработке концентрированных растворов, в том числе сильнокислых концентрированных растворов, в повышении долговечности использования сорбционных материалов, а также в обеспечении стабилизации перенасыщенных растворов в сорбционном слое и в исключении необходимости использования средств для подачи жидкостей под повышенным давлением. Кроме того, отмеченное повышение эффективности массообменных сорбционных процессов, осуществляемых в предлагаемой установке, обеспечивается при отсутствии специальных требований к размерам гранул сорбента. Ниже при раскрытии данного изобретения и рассмотрении примеров его использования будут названы и другие виды достигаемого технического результата.

Предлагаемая промышленная установка для разделения компонентов водных растворов неорганических веществ, как и наиболее близкая к ней известная, содержит аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов и средство для перекачивания жидкости. Аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов имеет вертикальный цилиндрический корпус с крышкой, днищем и стенкой. В верхней и нижней частях корпуса установлены, соответственно, верхняя и нижняя дренажно-распределительные системы. В крышку и днище корпуса введены соответственно, верхний и нижний патрубки, предназначенные для подачи в данный аппарат или отвода из него жидкостей и гидравлически связанные соответственно с верхней и нижней дренажно-распределительными системами.

Для достижения указанного выше технического результата в предлагаемой промышленной установке, в отличие от наиболее близкой к ней известной установки, в аппарате для проведения массообменных сорбционных процессов между нижней и верхней дренажно-распределительными системами размещен слой гранулированного сорбционного материала, пространство между гранулами которого заполнено органическим жидким веществом или смесью таких веществ, не смешивающихся ни с водой, ни с перерабатываемым водным раствором и химически не взаимодействующих ни с компонентами перерабатываемого водного раствора, ни с гранулированным сорбционным материалом. Верхняя дренажно-распределительная система установлена и гидравлически связана с верхним патрубком с возможностью ее перемещения в вертикальном направлении, а между ней и крышкой корпуса имеется пространство, в котором размещено прижимное средство для воздействия в вертикальном направлении на эту систему и предотвращения псевдоожижения находящегося под ней слоя гранулированного сорбционного материала. Один из указанных двух патрубков является входным патрубком указанного аппарата и входным патрубком всей установки, предназначенным для подачи перерабатываемого водного раствора и воды, а другой - выходным патрубком указанного аппарата, причем на нижнем патрубке установлен кран.

Кроме того, указанная промышленная установка снабжена аппаратом для отделения органических жидких веществ от водных растворов, имеющим вход для разделяемой эмульсии, выход для подлежащего отделению органического жидкого вещества и выход для водного раствора, очищенного от органического жидкого вещества. Выход указанного аппарата для водного раствора, очищенного от органического жидкого вещества, является выходом всей промышленной установки, вход для разделяемой эмульсии соединен с выходным патрубком аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов, а выход для подлежащего отделению органического жидкого вещества соединен с аппаратом для проведения массообменных сорбционных процессов линией в виде трубки, конец которой введен в стенку корпуса данного аппарата возле дренажно-распределительной системы, гидравлически связанной со входным патрубком этого аппарата для перерабатываемого водного раствора и воды, со стороны слоя гранулированного сорбционного материала. При этом указанное средство для перекачивания жидкости представляет собой циркуляционный насос с обратным клапаном, установленный в указанной линии.

Использование в данной промышленной установке аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов, в котором пространство между гранулами в слое гранулированного сорбционного материала заполнено органическим жидким веществом, приводит к тому, что практически отсутствует свободное пространство между гранулами, так как оно заполнено органической жидкостью. Органическая жидкость отталкивает воду и водные растворы, которые стремятся к контакту с гидрофильным сорбентом. В результате пропускаемый через сорбционный слой перерабатываемый водный раствор, внедряющийся на межфазной границе между органической жидкостью и поверхностью гранул сорбента, образует тончайшую пленку, которая обволакивает каждую гранулу сорбента и протекает по точкам контакта между гранулами. Вследствие этого многократно возрастает площадь контакта перерабатываемого водного раствора с поверхностью сорбционного материала. Это, в свою очередь, обусловливает повышение степени разделения при переработке концентрированных растворов и позволяет исключить специальные требования к размерам гранул сорбента и необходимость использования высоких давлений. Одновременно при этом обеспечивается стабилизация перенасыщенных растворов в сорбционном слое. Выбор органических жидких веществ в соответствии с приведенными выше требованиями в сочетании с отсутствием высокого давления, сжимающего сорбционный материал, обеспечивает сохранение свойств этого материала и возможность его длительной эксплуатации, предотвращает загрязнение и потерю растворов, загрязнения и потерю самих указанных органических веществ. Давление, оказываемое прижимным средством на слой гранулированного сорбционного материала в аппарате для проведения массообменных сорбционных процессов через верхнюю дренажно-распределительную систему, несоизмеримо мало по сравнению с давлением в сжатом слое по патенту [8], поскольку в предлагаемой промышленной установке оно создается лишь для того, чтобы не допустить псевдоожижения сорбционного материала в слое.

Наличие в составе предлагаемой промышленной установки аппарата для отделения органических жидких веществ от водных растворов при описанном соединении его с аппаратом для проведения массообменных сорбционных процессов обеспечивает не только предотвращение попадания органического жидкого вещества на выход установки, но и полный возврат этого вещества без потерь в аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов. Возврат обеспечивается с помощью циркуляционного насоса с обратным клапаном, установленного в указанной линии, соединяющей два аппарата.

В одном из частных случаев в предлагаемой промышленной установке указанные органическое жидкое вещество или смесь таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала, могут иметь меньшую плотность, чем вода. В этом случае входным патрубком аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов и входным патрубком всей промышленной установки, предназначенным для подачи перерабатываемого водного раствора и воды, является верхний патрубок этого аппарата, а его выходным патрубком является нижний патрубок. Присутствие крана на этом патрубке не только предотвращает неконтролируемое вытекание жидкости из массообменного сорбционного аппарата, но и позволяет вместе с другими кранами осуществлять переключения в рабочих режимах установки и в процессе заполнения аппаратов жидкостями при подготовке установки к работе. В данном частном случае входной патрубок этого аппарата (которым является верхний патрубок) тоже снабжен краном, который вместе с другими кранами позволяет осуществлять переключения в рабочих режимах промышленной установки и в процессе заполнения аппаратов жидкостями при подготовке установки к работе.

В другом частном случае указанные органическое жидкое вещество или смесь таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала, могут иметь более высокую плотность, чем перерабатываемый водный раствор. В этом случае входным патрубком аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов и входным патрубком всей промышленной установки, предназначенным для подачи перерабатываемого водного раствора и воды, является нижний патрубок этого аппарата, а его выходным патрубком является верхний патрубок. В данном частном случае кран, установленный на нижнем патрубке, как и в предыдущем случае, предназначен для предотвращения неконтролируемого вытекания жидкости из массообменного сорбционного аппарата. При этом выходной патрубок этого аппарата (которым в данном случае является верхний патрубок) тоже снабжен краном, который вместе с другими кранами позволяет осуществлять переключения в рабочих режимах промышленной установки и в процессе заполнения аппаратов жидкостями при подготовке установки к работе.

Описанные две возможности выполнения предлагаемой промышленной установки позволяют осуществлять выбор органического жидкого вещества с большей или меньшей плотностью, чем у перерабатываемого раствора, и подавать этот раствор и воду снизу вверх или сверху вниз.

Конец трубки, соединяющей выход аппарата для отделения органических жидких веществ от водных растворов с аппаратом для проведения массообменных сорбционных процессов, введенный в стенку корпуса этого аппарата, может быть закрыт дренажной сеткой, не проницаемой для гранулированного сорбционного материала. Это предотвращает засорение указанной трубки, которое может привести к нарушению работы установки.

В предлагаемой промышленной установке аппарат для отделения органических жидких веществ от водных растворов может иметь корпус, выполненный в виде вертикального цилиндра с закрытыми торцами, который содержит две крайние камеры, примыкающие к торцам, и расположенную между ними среднюю камеру. Последняя отграничена от одной из крайних камер сеткой, предназначенной для предотвращения турбулентности, а от другой - гидрофобным дренажным слоем, проницаемым для органического жидкого вещества или смеси таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала в массообменном сорбционном аппарате, но не проницаемым для воды и перерабатываемого водного раствора. В торец крайней камеры, отграниченной от средней камеры гидрофобным дренажным слоем, введен первый выходной патрубок, доходящий не более чем до середины этой камеры. В торец другой крайней камеры, отграниченной от средней камеры сеткой, введены входной патрубок, который проходит через указанную камеру и сетку в среднюю камеру и доходит, по крайней мере, до ее середины, а также второй выходной патрубок, проходящий не более чем до середины указанной крайней камеры. Указанный входной патрубок является входом данного аппарата для разделяемой эмульсии, первый выходной патрубок является выходом для подлежащего отделению органического жидкого вещества, а второй выходной патрубок - выходом для водного раствора, очищенного от органического жидкого вещества.

Такое выполнение аппарата для отделения органических жидких веществ от водных растворов в предлагаемой промышленной установке позволяет осуществить эффективное отделение непосредственно в ходе работы установки со скоростью, соответствующей скорости подачи в нее жидкостей, причем как сверху вниз, так и снизу вверх.

В предлагаемой промышленной установке указанный гидрофобный дренажный слой аппарата для отделения органических жидких веществ от водных растворов может содержать диск с отверстиями, выполненный из не смачиваемого водой материала, или слой гранул из не смачиваемого водой материала, предварительно обработанного органическим жидким веществом, идентичным тому, которым заполнено пространство между гранулами сорбционного материала в аппарате для проведения массообменных сорбционных процессов. Указанными не смачиваемыми водой материалами могут быть, например, фторопласт или углеродсодержащий сальниковый материал.

Гидравлическая связь верхней дренажно-распределительной системы аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов предлагаемой промышленной установки с верхним патрубком корпуса этого аппарата может быть осуществлена с помощью гибкой трубки.

При этом прижимное средство указанного аппарата может быть выполнено в виде слоя упругого пористого материала, заполняющего пространство между крышкой корпуса этого аппарата и верхней дренажно-распределительной системой и окружающего указанную гибкую трубку.

Между нижней дренажно-распределительной системой и днищем корпуса аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов предлагаемой промышленной установки может находиться пространство, заполненное нейтральным гранулированным материалом, преимущественно гравием, с размером гранул, превышающим размер гранул гранулированного сорбционного материала.

Разнообразие возможных конструкций различных частей промышленной установки и их сочетаний обеспечивает свободу выбора при ее разработке в зависимости от технологических особенностей условий производства и предстоящей эксплуатации.

В стенку корпуса аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов возле дренажно-распределительных систем со стороны слоя гранулированного сорбционного материала, в верхнюю часть крышки и нижнюю часть днища, а также в среднюю камеру аппарата для отделения органических жидких веществ от водных растворов и в торец крайней камеры этого аппарата, отграниченной от средней камеры гидрофобным дренажным слоем, могут быть встроены дополнительные патрубки с кранами. С помощью этих кранов может быть реализован режим заполнения аппаратов указанными органическим жидким веществом или смесью таких веществ.

В составе описанной выше предлагаемой промышленной установки для разделения компонентов водных растворов неорганических веществ в качестве ее части, которой является аппарат для отделения органических жидкостей от водных растворов, могут быть использованы известные средства соответствующего назначения, однако предпочтительно использование аппарата для отделения органических жидкостей от водных растворов по предлагаемому ниже изобретению, относящемуся к такому аппарату.

Известно устройство для отделения органических жидкостей от водных растворов по авторскому свидетельству СССР № 476009, опубл. 05.07.1975 [11]. Оно содержит вертикальный корпус, входной патрубок, расположенный в нижней части корпуса, и расположенный в верхней части корпуса выходной патрубок, являющийся выходом этого аппарата для легких отделяемых жидкостей. Кроме того, устройство содержит разделительную перегородку в виде обратного усеченного конуса, снабженного вторым выходным патрубком, который является выходом данного устройства для водного раствора, очищенного от отделяемых жидкостей, и обратный конус, установленный под указанным усеченным конусом. В средней части корпуса выше входного патрубка установлена жалюзийная перегородка, перекрывающая поперечное сечение корпуса. В днище части корпуса расположен патрубок, являющийся выходом для тяжелых отделяемых жидкостей.

Данное устройство предназначено для отделения как легких, так и тяжелых органических жидкостей. Однако, как показывает анализ его работы, упомянутый обратный конус не обеспечивает полного отделения легких органических жидкостей, и они частично проникают на выход для тяжелых жидкостей, поэтому при наличии во входной эмульсии только легких органических жидкостей их нужно собирать с обоих выходов для отделяемых жидкостей.

Известно также устройство для отделения органических жидкостей от водных растворов по авторскому свидетельству СССР № 865818, опубл. 23.09.1981 [12]. Это устройство содержит вертикальный корпус с входным патрубком, являющимся входом устройства для разделяемой эмульсии, установленным под жалюзийной перегородкой в нижней части корпуса, а также установленную в верхней части корпуса первую цилиндроконическую емкость, разделенную наклонной перегородкой на верхнюю и нижнюю части. Внизу верхней части над указанной перегородкой установлен выходной патрубок для отделяемой органической жидкости, а вверху нижней части под указанной перегородкой - выходной патрубок для раствора, очищенного от отделяемой жидкости. Устройство снабжено также второй цилиндроконической емкостью, установленной ниже первой. Под указанными цилиндроконическими емкостями размещены перегородки в виде обратных усеченных конусов.

Данное устройство обеспечивает лучшее по сравнению с предыдущим отделение легких органических жидкостей, однако оно предназначено для отделения только таких жидкостей.

К предлагаемому аппарату для отделения органических жидких веществ от водных растворов наиболее близко устройство по авторскому свидетельству [12].

Предлагаемое изобретение, относящееся к указанному аппарату, направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении более высокого качества отделения как менее плотных, так и более плотных по сравнению с водой органических жидкостей. Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении примеров его использования будут названы и другие виды достигаемого технического результата.

Предлагаемый аппарат, как и наиболее близкое к нему известное устройство, содержит вертикальный корпус и имеет входной патрубок, являющийся входом для разделяемой эмульсии, и два выходных патрубка, первый из которых является выходом этого аппарата для подлежащего отделению органического жидкого вещества, а второй - выходом для водного раствора, очищенного от отделяемого органического жидкого вещества.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом аппарате, в отличие от наиболее близкого к нему известного устройства, корпус выполнен в виде вертикального цилиндра с закрытыми торцами, который содержит две крайние камеры, примыкающие к торцам, и расположенную между ними среднюю камеру. Последняя отграничена от одной из крайних камер сеткой, предназначенной для предотвращения турбулентности, а от другой - гидрофобным дренажным слоем, проницаемым для органического жидкого вещества, подлежащего отделению, но не проницаемым для воды и очищаемого водного раствора. Указанный первый выходной патрубок введен в торец крайней камеры, отграниченной от средней камеры гидрофобным дренажным слоем, и доходит не более чем до середины этой камеры. Указанные входной патрубок и второй выходной патрубок введены в торец другой крайней камеры, отграниченной от средней камеры указанной сеткой, причем входной патрубок проходит через указанную крайнюю камеру и сетку в среднюю камеру и доходит, по крайней мере, до ее середины, а второй выходной патрубок доходит не более чем до середины указанной крайней камеры.

Для отделения органической жидкости, имеющей меньшую плотность по сравнению с водным раствором, который должен быть очищен, предлагаемый аппарат ориентируют первым выходным патрубком вверх. Разделяемая эмульсия поступает в среднюю камеру. Более плотный водный раствор опускается через сетку вниз в крайнюю камеру и из нее - во второй выходной патрубок. Менее плотная органическая жидкость поднимается через гидрофобный дренажный слой в другую крайнюю камеру и из нее выходит в первый выходной патрубок. Сетка препятствует возникновению завихрений потока входной эмульсии, которые могли бы обусловить попадание органической жидкости в крайнюю камеру со вторым выходным патрубком, а гидрофобный дренажный слой не позволяет водному раствору проникнуть в крайнюю камеру с первым выходным патрубком.

Для отделения органической жидкости, имеющей более высокую плотность по сравнению с водным раствором, который должен быть очищен, предлагаемый аппарат ориентируют первым выходным патрубком вниз. Роль элементов аппарата в этом случае аналогична описанной.

Гидрофобный дренажный слой данного аппарата может представлять собой диск с отверстиями, выполненный из не смачиваемого водой материала, или слой гранул из не смачиваемого водой материала, предварительно обработанного жидким органическим веществом, идентичным тому, которое подлежит отделению. Указанными не смачиваемыми водой материалами могут быть, например, фторопласт или углеродсодержащий сальниковый материал.

Аппарат универсален и может быть использован для отделения от водных растворов как менее плотных, так и более плотных по сравнению с ними органических жидкостей, не содержит подвижных механических элементов, не требует в процессе работы управления им и использования внешних источников энергии.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами фиг.1-24 и приводимыми ниже примерами 1-16.

Фиг.1 иллюстрирует предлагаемый способ и принцип действия предлагаемого аппарата для его осуществления.

На фиг.2, относящейся к примеру 1, приведены кривые разделения, то есть распределение концентраций компонентов во фракциях растворов, выходящих из сорбционного слоя, на стадиях сорбции и десорбции водой при осуществлении сорбционного процесса переработки модельного раствора кислотного выщелачивания нефелинового концентрата в соответствии с предлагаемым способом.

Пример 2, как и пример 1, относится к осуществлению сорбционного процесса переработки модельного раствора кислотного выщелачивания нефелинового концентрата, но без предусмотренного предлагаемым способом заполнения органическим жидким веществом пространства между гранулами сорбционного материала. В этом примере перерабатываемый раствор пропускают в направлении сверху вниз.

На фиг.3, относящейся к примеру 3, приведены выходные кривые разделения при осуществлении сорбционного процесса переработки такого же раствора, как и в примере 1, но без предусмотренного предлагаемым способом заполнения органическим жидким веществом пространства между гранулами сорбционного материала. В этом примере перерабатываемый раствор пропускают в направлении снизу вверх.

Примеры 4-9 иллюстрируют использование различных органических жидких веществ при осуществлении сорбционного процесса переработки такого же, как в предыдущих примерах, модельного раствора в соответствии с предлагаемым способом.

На фиг.4, относящейся к примеру 10, представлены выходные кривые сорбционного разделения кислоты и солевых компонентов при осуществлении процесса пробоподготовки в аналитической химии в соответствии с предлагаемым способом.

На фиг.5, относящейся к примеру 11, приведена выходная кривая для суммарной концентрации йода во всех формах при осуществлении ионообменного процесса щелочной десорбции йода из анионита в технологии извлечения йода из гидроминерального сырья в соответствии с предлагаемым способом.

На фиг.6, относящейся к примеру 12, приведена выходная кривая для суммарной концентрации йода во всех формах при осуществлении такой же технологии, как и в примере 11, но без предусмотренного предлагаемым способом заполнения органическим жидким веществом пространства между гранулами сорбционного материала.

На фиг.7 и 8, относящихся к примерам 13 и 14 соответственно, приведены выходные кривые сорбции иона аммония и десорбции иона калия из калийной формы катионита в ионообменной технологии получения бесхлорных калийных удобрений с использованием предлагаемого способа при разных концентрациях перерабатываемого раствора.

На фиг.9-11 показаны некоторые из возможных модификаций предлагаемого аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов, различающихся выполнением прижимного средства:

- на фиг.9 - в виде слоя упругого материала;

- на фиг.10 - в виде диска и витой пружины;

- на фиг.11 - в виде гидравлического или воздушного поршня.

На фиг.12 и фиг.13 показана предлагаемая промышленная установка для разделения компонентов водных растворов неорганических веществ в случаях ее исполнения, различающихся направлением подачи перерабатываемого водного раствора и воды, содержащая предлагаемый аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов и аппарат для отделения органических жидких веществ от водных растворов.

На фиг.14 показан предлагаемый аппарат для отделения органических жидких веществ от водных растворов.

На фиг.15 и 16 - то же, что на фиг.12 и 13, при использовании в предлагаемой промышленной установке аппарата для отделения органических жидких веществ от водных растворов, выполненного в соответствии с предлагаемым изобретением, относящимся к такому аппарату.

На фиг.17-20 и фиг.21-24, относящихся, соответственно к примерам 15 и 16, показано использование предлагаемой промышленной установки по фиг.15 и фиг.16 и управление ею на разных стадиях производственного процесса.

Предлагаемый способ проведения массообменных сорбционных процессов поясняет фиг.1, на которой показана схема образования системы динамических пленок из перерабатываемой жидкости, проходящей через сорбционный слой. Данный способ предусматривает пропускание перерабатываемого водного раствора через слой гранулированного сорбционного материала, предварительно заполненный органическим жидким веществом или смесью таких веществ, не смешивающихся ни с водой, ни с перерабатываемым водным раствором и химически не взаимодействующих ни с компонентами перерабатываемого водного раствора, ни с сорбционным материалом, не допуская при этом псевдоожижения гранулированного сорбционного материала в указанном слое.

Как уже отмечалось при раскрытии сущности предлагаемого способа, авторами был обнаружен эффект, заключающийся в том, что при пропускании перерабатываемого водного раствора через заполненный указанным образом слой сорбционного материала, когда практически отсутствует свободное пространство между гранулами, органическая жидкость отталкивает воду и водные растворы, которые стремятся к контакту с гидрофильным сорбентом. В результате пропускаемый через сорбционный слой перерабатываемый водный раствор, как показано на фиг.1, внедряется на межфазной границе между органической жидкостью 1 и поверхностью гранул сорбента 2, образуя тончайшую пленку 3, обволакивающую каждую гранулу сорбента и стекающую по точкам контакта между гранулами. Экспериментально эффект проявляется в том, что компоненты пропускаемого сверху раствора немедленно оказываются на выходе из слоя. Упомянутый контакт между гранулами достигается при отсутствии псевдоожижения, для чего его достаточно создать в слое небольшое давление (порядка 0,1 бар).

Выбор органического жидкого вещества или смеси веществ в соответствии с указанными требованиями может быть произведен на основании табличных данных о свойствах органических веществ, приведенных в справочниках по химии (см., например: Справочник химика. Под. ред. Б.П.Никольского, в 6 томах, т.6, Химлитиздат, Ленинград, 1963 [13]).

В приведенных ниже примерах 1-14 используются лабораторные ионообменные колонки, выполняющие роль массообменных сорбционных аппаратов. Удержание слоев гранулированных сорбционных материалов, заполненных жидкими органическими веществами или смесями таких веществ, обеспечивают прижатием загрузок в колонках с помощью кусков поролона, вставляемых в верхнюю часть колонок. В примерах описываются не только операции, соответствующие действиям предлагаемого способа, но и операции по подготовке экспериментов и другие операции, не относящиеся к предлагаемому способу как таковому.

Пример 1

Используют предлагаемый способ для осуществления сорбционного процесса переработки модельного раствора кислотного выщелачивания нефелинового концентрата, представляющего собой концентрированный раствор смеси нитратов алюминия, натрия и азотной кислоты. При этом осуществляют перечисленные ниже операции.

А. Образец анионита АВ-17 в промышленно выпускаемой форме, набухший в дистиллированной воде, переносят в ионообменную колонку, обрабатывают пропусканием через колонку 300 мл 1М раствора соляной кислоты для очистки от загрязняющих примесей, отмывают дистиллированной водой до нейтральной реакции, переводят в OH-форму пропусканием через колонку 600 мл 1М раствора NaOH и отмывают дистиллированной водой до нейтральной реакции. Здесь и далее полноту отмывки контролируют по универсальной индикаторной бумаге. Затем анионит переводят в NO₃-форму пропусканием через колонку 300 мл 1M раствора азотной кислоты и тщательно отмывают дистиллированной водой. Характеристики полученной загрузки анионита AB-17-NO₃ приведены в таблице 1.

Таблица 1
Характеристики загрузки анионита АВ-17
Объем загрузки, см3	Высота слоя, см	Сечение колонки, см2	Свободный объем загрузки, см3	Диаметр зерна загрузки, мм
120	20	6	40	0,75÷1,00

Б. Воду из свободного пространства (порозного пространства) колонки вытесняют и слой анионита АВ-17 в полученной NO₃-форме заполняют пеларгоновой (нонановой) кислотой. Для этого пеларгоновую кислоту пропускают через колонку в направлении сверху вниз до тех пор, пока вся вода (40 мл) не будет вытеснена из колонки.

В. Проводят опыт по разделению компонентов исходного модельного раствора кислотного выщелачивания нефелинового концентрата, содержащего следующие вещества в соответствующих концентрациях: Al(NO₃)₃ - 2,6 моль/л (553,8 г/л); HNO ₃ - 1,3 моль/л (81,9 г/л); NaNO₃ - 0,92 моль/л (78,2 г/л).

Для этой цели указанный раствор пропускают через анионит в направлении сверху вниз со скоростью 0,037 колоночных объемов в минуту до выравнивания концентраций HNO₃ на входе и выходе колонки. Всего пропускают 157 мл раствора. Затем подачу перерабатываемого раствора прекращают и промывают анионит дистиллированной водой. Подачу дистиллированной воды осуществляют с той же скоростью в направлении сверху вниз до отмывки загрузки анионита от азотной кислоты. Всего пропускают 113 мл воды. Общий объем жидкостей, пропущенных через колонку в ходе осуществления операций по п.В, 270 мл. Ход процесса виден по результатам эксперимента, приведенным на фиг.2.

Г. Повторяют все операции, перечисленные в п.В, и получают снова выходные кривые, показанные на фиг.2.

Как видно из этой фигуры, азотная кислота (выходная кривая 4) задерживается на анионите при пропускании перерабатываемого раствора и затем полностью вытесняется обратно из колонки при пропускании воды. В то же время нитраты алюминия и натрия (кривые 5 и 6 соответственно) начинают выходить из колонки практически сразу в ходе пропускания перерабатываемого модельного раствора. Таким образом, в предлагаемом процессе имеет место разделение солевых компонентов и кислоты. Первые 125 мл выходящих из колонки фракций растворов (до пунктирной прямой 7 на фиг.2) объединяют и получают рабочий раствор со средним содержанием солевых компонентов, близким к их исходному содержанию (552 г/л по нитрату алюминия), а также со средним остаточным содержанием азотной кислоты не более 10% от исходного содержания ( ). Рабочий раствор направляют на нейтрализацию и выделение гидроксида алюминия щелочной обработкой. Фракции от 125 мл до 165 мл (между прямыми 7 и 8) объединяют, и раствор общим объемом 40 мл с составом, аналогичным составу исходного модельного раствора, возвращают на переработку. Кислотные фракции от 165 мл до 270 мл используют для разбавления концентрированной азотной кислоты и получения рабочего раствора кислоты, используемого для выщелачивания алюминия из нефелинового концентрата.

Проведение сорбционного процесса переработки раствора кислотного выщелачивания нефелинового концентрата предлагаемым способом перед его щелочной обработкой с целью выделения гидроксида алюминия позволяет сократить расходы: кислоты - на 25%, щелочи - на 25% и воды - на 50%.

Пример 2 (сравнительный со способом, описанным в [4] и [5]).

Проводят процесс как описано в примере 1, за исключением операций по п.Б, то есть перед осуществлением операций по п.В, свободный объем в слое анионита заполнен дистиллированной водой, а не органическим жидким веществом. Операции по п.В осуществляют, как и в примере 1, при пропускании исходного модельного раствора в направлении сверху вниз. Во всех фракциях раствора, выходящего из колонки, не наблюдается разделения солевых компонентов и кислоты, что связано с продольным перемешиванием компонентов из более плотного перерабатываемого раствора по сравнению с водой.

Пример 3 (сравнительный со способом, описанным в [4] и [5]).

Проводят процесс как описано в примере 1, за исключением всех операций по п.Б, то есть перед осуществлением операций по п.В свободный объем в слое анионита заполнен дистиллированной водой. Операции по п.В осуществляют так же, как и в примере 1, за исключением того, что модельный раствор пропускают через колонку в направлении снизу вверх. До достижения исходной концентрации кислоты на выходе из колонки через нее пропускают 230 мл модельного раствора. Затем до полного вытеснения кислоты из колонки еще пропускают 90 мл дистиллированной воды. Ход процесса виден по результатам эксперимента, приведенным на фиг.3. Выходные кривые компонентов, как и на фиг.2, обозначены номерами 4 (кислота), 5 (нитрат алюминия) и 6 (нитрат натрия).

В начале процесса из колонки выходит вода (40 мл), солевые компоненты выходят, как показано на фиг.3, начиная с точки, ограниченной пунктирной прямой 9. При этом разделение компонентов происходит менее эффективно, чем в примере 1: фронт выхода солевых компонентов и кислоты сильно размывается, что приводит к выходу разбавленных растворов; кислота начинает выходить практически в начале выхода солевых компонентов. При прочих равных условиях продолжительность процесса больше, чем в примере 1, почти на 20%.

После выхода воды следующие 125 мл выходящих из колонки фракций растворов (между прямыми 9 и 10 на фиг.3) объединяют и получают рабочий раствор со средним содержанием солевых компонентов, близким к половине их исходного содержания, а также с остаточным содержанием азотной кислоты не более 10% от исходного содержания ( ), который направляют на нейтрализацию и выделение гидроксида алюминия щелочной обработкой. Фракции от 165 мл до 250 мл (между прямыми 10 и 11) объединяют, и раствор общим объемом 85 мл с составом, аналогичным составу исходного модельного раствора, возвращают на переработку. Кислотные фракции от 250 мл до 330 мл используют для разбавления концентрированной азотной кислоты и получения рабочего раствора кислоты, используемого для выщелачивания алюминия из нефелинового концентрата.

Проведение сорбционного процесса переработки раствора кислотного выщелачивания нефелинового концентрата перед его щелочной обработкой с целью выделения гидроксида алюминия в описанном примере позволяет сократить расходы: кислоты - на 12,5%, щелочи - на 12,5% и воды - на 30%.

Из сравнения с примером 1 видно, что при большей продолжительности процесса при его проведении по известному ранее способу масса алюминия, получаемого в растворе для его дальнейшей переработки, почти в два раза меньше, кроме того, соотношение концентраций солевых компонентов и кислоты в этом растворе также в два раза меньше, чем при проведении процесса по предлагаемому способу.

Примеры 4-9 (см. таблицу 2).

Проводят процессы в полном соответствии с описанием, данным в примере 1, за исключением того, что для заполнения слоя сорбционного материала используют различные органические жидкости и их смеси, перечисленные в таблице 2. Получают результаты, также приведенные в этой таблице.

Из таблицы 2 видно, что при использовании различных органических жидкостей достигаются практически одинаковые результаты.

Пример 10

С использованием предлагаемого способа проводят снижение кислотности сильнокислого раствора катионов металлов, полученного разложением трудно анализируемого твердого образца (костной ткани) в автоклаве в ходе аналитической пробоподготовки и предназначенного для дальнейшего сорбционного концентрирования и аналитического определения.

Состав полученного раствора нитратов в 5,89 М азотной кислоте: кальция - 1,47 моль/л, железа (II) - 1·10^-3 моль/л, марганца (II) - 4·10^-4 моль/л, меди (II) - 1·10 ^-4, цинка (II) - 2·10^-4 и кобальта (II) - 1·10^-4 моль/л.

Используют ионообменную колонку с загрузкой 25 мл анионита AM 102 в нитратной форме с параметрами слоя: площадь сечения: S=1,0 см²; высота слоя: l=25 см.

Воду из свободного порозного пространства колонки вытесняют, и слой анионита AM 102 в полученной NO ₃-форме заполняют деканолом. Для этого 8,5 мл деканола пропускают через колонку в направлении сверху вниз до тех пор, пока вся вода (8,5 мл) не будет вытеснена из колонки.

Через колонку пропускают 25 мл исходного раствора со скоростью 0,2 мл/мин в направлении сверху вниз, отбирая фракции по 3 мл.

На фиг.4 показаны выходные кривые: 12 - для нитратов соответствующих металлов на примере нитрата кобальта и 13 - для азотной кислоты. В области, ограниченной прямыми 14 и 15, концентрация металлов в выходящих фракциях практически не изменяется по сравнению с исходным раствором (C/C₀=1), а содержание кислоты становится незначительным. Указанные фракции выходящего из колонки раствора объединяют и приводят в контакт с 50 мг селективного сорбента ДЭТАТА, в результате чего добиваются концентрирования микрокомпонентов в 240 раз. Содержание металлов в твердой фазе сорбентов определяют с использованием атомной абсорбции с графитовой печью или рентгеновской флуоресценции.

Пример 11

С использованием предлагаемого способа осуществляют десорбцию йода и регенерацию анионита в рабочих циклах извлечения йода из йодсодержащих природных рассолов.

A. Через колонку, содержащую 40 мл сильноосновного анионита АВ-17 в Cl-форме с параметрами слоя: площадь сечения: S=1,6 см ²; высота слоя: l=25 см, пропускают 400 мл раствора, предварительно полученного введением 500 мл 1% раствора гипохлорита натрия в 400 мл природного рассола с исходной концентрацией йодида 40 мг/л и общей минерализацией 56 г/л. При этом йод извлекается из раствора, а анионит переходит в I₂Cl-форму (см.: В.И.Ксензенко, Д.М.Стасиневич. Химия и технология йода, брома и их соединений, Москва, Химия , 304 с [14]). В ходе указанного процесса на весь слой анионита в колонке сорбируется 15,6 г йода.

Б. После окончания процесса сорбции оставшийся в колонке раствор сливают через нижний выход до уровня верха слоя ионита. Раствор из свободного порозного пространства колонки вытесняют, и слой анионита заполняют деканолом. Для этого 13,5 мл деканола пропускают через колонку в направлении сверху вниз до тех пор, пока вся вода (13,5 мл) не будет вытеснена из колонки.

B. Через колонку пропускают 48 мл 4,4 М раствора щелочи (NaOH, 176 г/л) со скоростью 0,2 мл/мин в направлении сверху вниз, отбирая в пробирках фракции по 4 мл и анализируя в них содержание йода. Выходная кривая йода показана на фиг.5 (кривая 16). Она имеет сложную форму: вначале падает от суммарной концентрации всех форм йода 470 г/л до минимальной концентрации 200 г/л, затем опять проходит через максимум, который соответствует концентрации 420 г/л. Такое поведение объясняется реакцией диспропорционирования, при которой в ходе десорбции йода щелочью образуется слабо удерживаемый на ионите йодат и сильно удерживаемый йодид натрия:

3R-I₂Cl+6NaOH=3R-Cl+NaIO₃+5NaI+3H₂ O

Отрезок прямой 17 разделяет выходящий из колонки объем концентрата йода на две зоны, первая из которых обогащена йодатом натрия (на фоне йодида натрия), а следующая зона представлена, в основном, йодидом натрия.

Г. Вытесняют деканол из слоя ионита в делительную воронку пропусканием исходного раствора через колонку в направлении снизу вверх, деканол отделяют и используют в следующих циклах десорбции йода. Повторяют операции АБВ по извлечению йода.

Д. После каждого эксперимента пробирки с отобранными фракциями раствора оставляют на 2 часа, в течение которых происходит самопроизвольное разрушение перенасыщенных растворов с выпадением и осаждением кристаллов и получением равновесных растворов, состав которых показан на кривой 18.

Разница между кривыми 16 и 18 соответствует кристаллизации чистого йодата натрия. Суммарное количество вытесняемых из колонки компонентов в ходе десорбции составляет 14,8 г в расчете на йод. Это соответствует степени регенерации 95%. После регенерации анионит переходит обратно в форму R-Cl.

Е. Деканол вытесняют из колонки предварительным пропусканием через колонку рассола со скоростью 0,2 мл/мин в направлении снизу вверх, выходящую из колонки жидкость собирают в делительную воронку, отделяют деканол, который используют в следующих операциях. Повторяют все операции в соответствии с пп.А-Е.

Пример 12 (сравнительный)

Проводят процесс, как описано в примере 11, за исключением того, что не используют деканол или иное жидкое органическое вещество. Для этого повторяют последовательно друг за другом операции по пп.А, В и Д, описанные в примере 11.

Выходная кривая йода показана на фиг.6 (кривая 19). Выходящие из колонки фракции раствора соответствуют трем зонам, разделенным отрезками прямых 20 и 21. Сначала в первой зоне выходит исходный рассол из свободного пространства колонки, следующая зона, обогащенная йодатом, проходит через максимум, соответствующий суммарной концентрации йода 270 г/л, в следующей зоне, соответствующей йодиду натрия, максимум концентрации соответствует величине 180 г/л. Кривая 22 показывает состав равновесных растворов после кристаллизации йодата натрия из перенасыщенных растворов в отобранных фракциях. Разница между кривыми 19 и 22 соответствует количеству полученного в твердом виде йодата натрия, которое существенно меньше, чем в примере 11. Суммарное количество вытесняемых из колонки компонентов в ходе десорбции составляет 7,5 г в расчете на йод. Это соответствует степени регенерации 48%, из чего следует, что после первого цикла регенерации анионит переходит в форму R-ICl. Таким образом, процесс, описанный в данном примере, в два раза менее эффективен: в нем в каждом цикле используется только половина емкости анионита по сравнению с предлагаемым способом.

Пример 13

С применением предлагаемого способа модифицируют процесс получения бесхлорного калийного удобрения (R.Khamizov, D.Muraviev, N.Tikhonov, A.Krachak, T.Zhiguleva, O.Fokina. Ind. Eng. Chem. Res., 1998, V37, No.5, p.1950-1955 [15]) с использованием явления изотермического перенасыщения растворов в ионном обмене [6, 7].

А. Образец катионита КУ-2х8 в промышленно выпускаемой форме, набухший в дистиллированной воде, переносят в ионообменную колонку, обрабатывают пропусканием через нее 450 мл 1М раствора соляной кислоты для предварительного перевода в Н-форму и для очистки от загрязняющих примесей, отмывают дистиллированной водой до нейтральной реакции, переводят в К-форму пропусканием через колонку 450 мл 1М раствора KCl и отмывают 300 мл дистиллированной воды. В указанных процессах скорости пропускания растворов выбирают равными 10 мл/мин.

Характеристики полученной загрузки катионита КУ-2 в калиевой форме приведены в таблице 3.

Таблица 3
Характеристики загрузки катионита КУ-2
Объем загрузки, см3	Высота слоя, см	Сечение колонки, см2	Свободный объем загрузки, см3	Диаметр зерна загрузки, мм
80	10,53	7,6	30	0,75÷1,00

Б. Воду из свободного (порозного) пространства колонки вытесняют, и слой катионита КУ-2 в полученной К-форме заполняют деканолом. Для этого деканол пропускают через колонку в направлении сверху вниз до тех пор, пока вся вода (30 мл) не будет вытеснена из колонки.

В. Через колонку в направлении сверху вниз со скоростью 3,6 мл/мин пропускают 90 мл раствора сульфата аммония с концентрацией 247,5 г/л (что соответствует эквивалентной концентрации 3,75 г·экв/л), собирая фракциями по 10 мл. Полученные растворы оставляют отстаиваться в течение времени осуществления следующей операции (п. Г). В течение этого времени происходит кристаллизация сульфата калия из перенасыщенных растворов.

Г. Через колонку в направлении сверху вниз со скоростью 3,6 мл/мин пропускают 90 мл раствора хлорида калия с концентрацией 188 г/л (что соответствует эквивалентной концентрации 2,5 г·экв/л). При этом катионит переходит обратно в К-форму. Выходящий из колонки раствор хлорида аммония собирают в отдельную емкость.

Д. Полученные после операций по п.В фракции суспензий кристаллов сульфата калия в равновесных растворах сульфата аммония и сульфата калия последовательно фильтруют через бумажный фильтр, кристаллы отделяют и сушат, фильтраты объединяют в один раствор, добавляют туда воду и твердый сульфат аммония так, чтобы получить 90 мл раствора с содержанием сульфата аммония 3,75 г·экв/л, который используют в последующей операции.

Е. Повторяют операции по пп.В-Д для проведения следующих циклов получения сульфата калия.

Собираемый раствор хлорида аммония, получаемый в соответствии с операцией по п. Г, можно перевести обычным ионообменным методом с использованием сульфата натрия в легкоутилизируемый хлорид натрия, а получаемый при этом раствор сульфата аммония можно возвращать в процесс.

Начиная со второго цикла повторения операций по пп.В-Д, получаются повторяющиеся результаты. На фиг.7 показаны выходные кривые компонентов, соответствующие третьему циклу осуществления операции в соответствии с п.В. Кривая 23 соответствует суммарной концентрации иона калия во фракциях перенасыщенных растворов, выходящих из колонки, кривая 24 соответствует концентрации иона аммония, а кривая 25 - концентрации ионов калия в равновесных растворах после кристаллизации сульфата калия.

В процессе нет перерасхода сульфата аммония, остаточный его раствор после каждого цикла десорбции калия доукрепляется количеством сульфата аммония, в точности равным эквивалентному количеству полученного твердого сульфата калия, и используется в обороте.

В каждом цикле описанного процесса, начиная со второго цикла, получается 2,5 г (28 мг·экв) кристаллического сульфата калия.

Пример 14

Проводят процесс, как описано в примере 13, за исключением того, что при осуществлении операции по п.В используют 65 мл раствора сульфата аммония с концентрацией 316,8 г/л (это соответствует эквивалентной концентрации 4,8 г·экв/л).

На фиг.8 показаны выходные кривые компонентов, соответствующие третьему циклу осуществления операции в соответствии с п.В. Кривая 26 соответствует суммарной концентрации иона калия во фракциях перенасыщенных растворов, выходящих из колонки, кривая 27 соответствует концентрации иона аммония, а кривая 28 - концентрации ионов калия в равновесных растворах после кристаллизации сульфата калия.

В каждом цикле описанного процесса, начиная со второго цикла, получается 3,5 г (40 мг·экв) кристаллического сульфата калия.

Предлагаемый способ в соответствии с описанными примерами 11, 13 и 14 позволяет осуществлять процессы с использованием явления изотермического перенасыщения растворов в ионном обмене, обеспечивая в широком диапазоне концентрации химических реагентов устойчивую стабилизацию перенасыщенных растворов в слое сорбционного материала. Это обеспечивает преимущество перед способами, описанными в работах [6, 7, 15], в которых процесс можно осуществлять в узких диапазонах концентраций химических реагентов в растворах.

На фиг.9 схематически показан разрез предлагаемого массообменного сорбционного аппарата. Аппарат содержит вертикальный цилиндрический корпус с крышкой 31, днищем 32 и стенкой 29. В верхней и нижней частях корпуса установлены, соответственно, верхняя 38 и нижняя 37 дренажно-распределительные системы. В крышку и днище корпуса введены соответственно верхний 33 и нижний 34 патрубки, предназначенные для подачи в аппарат или отвода из него жидкостей и гидравлически связанные соответственно с верхней и нижней дренажно-распределительными системами 38, 37. Между нижней и верхней дренажно-распределительными системами 37, 38 размещен слой 36 гранулированного сорбционного материала. Пространство между его гранулами заполнено органическим жидким веществом или смесью таких веществ, не смешивающихся ни с водой, ни с перерабатываемым водным раствором и химически не взаимодействующих ни с компонентами перерабатываемого водного раствора, ни с гранулированным сорбционным материалом. Верхняя дренажно-распределительная система 38 установлена и гидравлически связана с верхним патрубком 33 с возможностью ее перемещения в вертикальном направлении. Между нею и крышкой корпуса имеется пространство, в котором размещено прижимное средство для воздействия в вертикальном направлении на эту систему.

В показанном на фиг.9 случае выполнения указанная гидравлическая связь осуществлена с помощью гибкой трубки 39, а прижимным средством является слой 41 из одного или нескольких кусков жесткого поролона. Прижимное средство создает давление в слое сорбционного материала порядка 0,1 бар, действие которого предотвращает псевдоожижение сорбционного материала и обеспечивает наличие контакта между его гранулами.

Нижний патрубок 34 снабжен краном 51, благодаря которому может быть предотвращено вытекание жидкости из аппарата, когда он не подключен к магистралям для подачи или отвода из него жидкостей.

Гидравлическая связь между верхней дренажно-распределительной системой 38 и верхним патрубком 33 может быть осуществлена также с помощью сильфона 67 (данное выполнение показано на фиг.11).

Указанные органическое жидкое вещество или смесь таких веществ, которыми заполнено пространство между гранулами гранулированного сорбционного материала, могут иметь плотность, меньшую, чем вода, или большую, чем перерабатываемый раствор. В первом случае входом аппарата является верхний патрубок 33, а выходом - нижний патрубок 34, а во втором случае, наоборот, - нижний патрубок 34 является входом, а верхний - выходом.

Каждая из дренажно-распределительных систем 37, 38 может быть выполнена в виде горизонтальных радиально расходящихся дренажных элементов для входа или выхода жидкости, соединенных с одним и тем же центральным вертикальным патрубком (40, 62). При этом каждый дренажный элемент (на чертежах не показан) может представлять собой трубку с отверстиями, не проницаемыми для гранулированного сорбционного материала или закрытыми сеткой с ячейками, не проницаемыми для этого материала. Каждый дренажный элемент может представлять собой также цилиндр со стенками из пористого материала с порами, не проницаемыми для гранулированного сорбционного материала.

В показанном на фиг.9 случае выполнения аппарата пространство между нижней дренажно-распределительной системой 37 и днищем 32 корпуса заполнено нейтральным гранулированным материалом 54, например гравием, с размером гранул, превышающим размер гранул гранулированного сорбционного материала 36.

Данный аппарат может собираться из открытого с двух сторон цилиндрического корпуса с фланцами 101, 102, крышки 31 и днища 32 с фланцами 103, 104, при этом крышка 31 может быть снабжена люком 105, как показано на фиг.9. В стенке 29 корпуса могут быть установлены дополнительные люки (не показанные на чертеже) для загрузки и выгрузки гранулированного материала, а также смотровой люк.

На фиг.10 и 11 схематически показаны разрезы верхней части аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов еще в двух случаях выполнения прижимного средства. На фиг.10 это средство выполнено в виде витой пружины 63, окружающей гибкую трубку 39 и упирающейся одним концом в крышку 31 корпуса, а другим - в диск 61, установленный над верхней дренажно-распределительной системой 38. На фиг.11 прижимное средство представляет собой поршень 66, установленный в корпусе. В этом случае свободное пространство над поршнем 66 должно быть соединено через дополнительный патрубок 65 с источником газа или жидкости, находящихся под регулируемым давлением. Гидравлическая связь верхней дренажно-распределительной системы 38 с верхним патрубком 33 в случае, показанном на фиг.11, осуществлена через сильфон 67.

При использовании данного аппарата для проведения массообменных сорбционных процессов подают перерабатываемый водный раствор на вход аппарата, например, в верхний патрубок 33 при плотности органической жидкости, заполняющей пространство между гранулами сорбента, меньшей по сравнению с плотностью воды. Этот раствор, как показано на фиг.1, внедряется на межфазной границе между органической жидкостью 1 и поверхностью гранул сорбента 2, образуя тончайшую пленку 3. Пленка обволакивает каждую гранулу сорбента и стекает по точкам контакта между гранулами. На выходе аппарата, которым в данном случае является нижний патрубок 34 с установленным на нем краном 51, сначала появляются компоненты пропускаемого сверху раствора, не задерживаемые на сорбционном материале. Затем на вход аппарата подают воду и осуществляют отмывку сорбционного материала от задержанных на нем компонентов перерабатываемого раствора. На данном этапе на выход поступают эти компоненты, вытесняемые из аппарата.

Аналогичные процессы происходят при подаче перерабатываемого раствора и воды в направлении снизу вверх, т.е. через нижний патрубок 34 с краном 51. В этом случае выходом аппарата является верхний патрубок 33.

Описанный выше предлагаемый аппарат для проведения массообменных сорбционных процессов может использоваться в предлагаемой промышленной установке для разделения компонентов водных растворов неорганических веществ, содержащей в качестве составных частей этот аппарат, а также аппарат для отделения органических жидких веществ от водных растворов.

Предлагаемая промышленная установка, показанная на фиг.12 и фиг.13, содержит аппарат 111 для проведения массообменных сорбционных процессов, соединенный с аппаратом 112 для отделения органических жидких веществ от водных растворов линией в виде трубки 35 и трубкой 71 (фиг.1) или трубкой 70 (фиг.13). В указанной линии установлен циркуляционный насос 53 с обратным клапаном. Фиг.12 и 13 иллюстрируют выполнение установки в общем случае, при использовании любого приемлемого по производительности и качеству функционирования аппарата 112 для отделения от водных растворов не смешивающихся с ними органических жидких веществ. В качестве такого аппарата могут быть использованы, например, аппараты указанного назначения, выполненные на основе устройств, известных из авторских свидетельств СССР [11], [12] или патентов Российской Федерации № 2048644 (опубл. 20.11.1995) [16], № 2077363 (опубл. 20.04.1997) [17].

Ниже будет описано также более предпочтительное для использования в предлагаемой промышленной установке выполнение аппарата 112 для отделения органических жидких веществ от водных растворов в соответствии с предлагаемым изобретением, относящимся к такому аппарату.

Показанные на фиг.12 и фиг.13 случаи выполнения предлагаемой установки различаются лишь тем, как осуществлено соединение аппаратов 111 и 112.

В обоих представленных на этих фигурах случаях массообменный сорбционный аппарат 111 содержит вертикальный цилиндрический корпус с крышкой 31, днищем 32 и стенкой 29. В верхней и нижней частях корпуса установлены, соответственно, верхняя 38 и нижняя 37 дренажно-распределительные системы. В крышку и днище корпуса введены соответственно верхний 33 и нижний 34 патрубки, предназначенные для подачи в аппарат или отвода из него жидкостей и гидравлически связанные соответственно с верхней и нижней дренажно-распределительными системами 38, 37. Между нижней и верхней дренажно-распределительными системами 37, 38 размещен слой 36 гранулированного сорбционного материала. Пространство между его гранулами заполнено органическим жидким веществом или смесью таких веществ, не смешивающихся ни с водой, ни с перерабатываемым водным раствором и химически не взаимодействующих ни с компонентами перерабатываемого водного раствора, ни с гранулированным сорбционным материалом. Верхняя дренажно-распределительная система 37 установлена и гидравлически связана с верхним патрубком 33 с возможностью ее перемещения в вертикальном направлении. Между нею и крышкой 31 корпуса имеется пространство, в котором размещено прижимное средство для воздействия в вертикальном направлении на эту систему. Указанная гидравлическая связь осуществлена с помощью гибкой трубки 39, а прижимным средством является слой 41 из одного или нескольких кусков жесткого поролона. Прижимное средство создает давление в слое сорбционного материала порядка 0,1 бар, действие которого предотвращает возможность псевдоожижения сорбционного материала и обеспечивает наличие контакта между его гранулами. Пространство между нижней дренажно-распределительной системой 37 и днищем 32 корпуса 29 аппарата 111 для проведения массообменных сорбционных процессов заполнено нейтральным гранулированным материалом 54 в виде гравия с размером гранул, превышающим размер гранул гранулированного сорбционного материала в слое 36. Аппарат 111 снабжен кранами 50, 51 установленными, соответственно, на верхнем 33 и нижнем 34 патрубках.

Аппарат 112 для отделения органических жидких веществ от водных растворов имеет вход 113, первый 114 и второй 115 выходы. Первый выход 114 является выходом этого аппарата, предназначенным для подлежащего отделению органического жидкого вещества, а второй выход 115 - выходом указанного аппарата, предназначенным для водного раствора, очищенного от органического жидкого вещества, и выходом всей предлагаемой промышленной установки.

Связь аппарата 111 с аппаратом 112 осуществлена с помощью трубки 71 (фиг.12) или трубки 70 (фиг.13) между выходным патрубком аппарата 111 и входом 113 аппарата 112, а также с помощью линии в виде трубки 35, один конец которой соединен с первым выходом 114 аппарата 112, а другой введен в стенку корпуса 29 аппарата 111 возле верхней дренажно-распределительной системы 38 (фиг.12) или возле нижней дренажно-распределительной системы 37 (фиг.13) таким образом, что этот конец непосредственно сообщается со слоем сорбционного материала. В указанной линии установлен циркуляционный насос 53 с обратным клапаном. При этом для промышленной установки по фиг.12 выходным патрубком аппарата 111 является патрубок 34 с установленным на нем краном 51, а для установки по фиг.13 - патрубок 33 с установленным на нем краном 50. Соответственно, входным патрубком аппарата 111 и входным патрубком всей установки по фиг.12 является патрубок 33, а для установки по фиг.13 и используемого в ней аппарата 111 - патрубок 34.

Описанные различия конфигураций установок по фиг.12 и фиг.13 объясняются тем, что они соответствуют различным соотношениям плотности используемого в массообменном сорбционном аппарате органического жидкого вещества и плотности перерабатываемого раствора или воды. В установке по фиг.12 плотность указанного вещества должна быть ниже плотности воды (и, следовательно, ниже плотности перерабатываемого раствора), а в установке по фиг.13 плотность указанного вещества должна быть выше плотности перерабатываемого раствора (и, следовательно, выше плотности воды). Поэтому в установке по фиг.12 перерабатываемый раствор и вода подаются и проходят через аппарат 111 сверху вниз, а в установке по фиг.13 - снизу вверх.

Наличие аппарата 112 в установках по фиг.12 и фиг.13 позволяет очистить эмульсию, выходящую из аппарата 111, от органического жидкого вещества, заполняющего слой сорбционного материала в этом аппарате и могущего проникать на его выход, и обеспечивает получение на выходе 115 предлагаемой установки компонентов перерабатываемого водного раствора, свободных от указанного вещества. Одновременно обеспечивается возврат органического жидкого вещества в массообменный сорбционный аппарат через первый выход 114 аппарата 112 и трубку 35 с циркуляционным насосом 53 с обратным клапаном, что позволяет сохранить свойства слоя сорбционного материала, в котором пространство между гранулами должно быть заполнено указанным органическим жидким веществом. Циркуляционный насос 53 имеет весьма малую производительность по сравнению с основными насосами, подающими перерабатываемый раствор и воду в массообменный сорбционный аппарат.

Выполнение аппарата 112 для отделения органических жидких веществ от водных растворов в соответствии с предлагаемым изобретением иллюстрируется фиг.14.

Этот аппарат имеет корпус 30, выполненный в виде вертикального цилиндра с закрытыми торцами, который содержит две крайние камеры 45, 48, примыкающие к торцам, и расположенную между ними среднюю камеру 42. Последняя отграничена от одной из крайних камер сеткой 43, предназначенной для предотвращения турбулентности, а от другой - гидрофобным дренажным слоем 44, проницаемым для органического жидкого вещества, подлежащего отделению, но не проницаемым для воды и очищаемого водного раствора. В торец крайней камеры 45 (нижней по фиг.14), отграниченной от средней камеры 42 сеткой 43, введены входной патрубок 46, который проходит через указанную крайнюю камеру 45 и сетку 43 в среднюю камеру 42 и доходит, по крайней мере, до ее середины, и второй выходной патрубок 47, проходящий не более чем до середины указанной крайней камеры 45. В торец другой крайней камеры 48 (верхней по фиг.14), отграниченной от средней камеры 42 гидрофобным дренажным слоем 44, введен первый выходной патрубок 49, доходящий не более чем до середины этой камеры. Эквивалентным описанному решением является ввод входного патрубка непосредственно в среднюю камеру 42 через боковую стенку корпуса 30.

Корпус 30 может быть выполнен в виде двух стаканов 81, 82, соединенных фланцами 83, 84.

Гидрофобный дренажный слой 44 данного аппарата может представлять собой, как показано на фиг.14, диск из не смачиваемого водой материала с отверстиями или слой гранул, выполненных из не смачиваемого водой материала, предварительно обработанного органическим жидким веществом, идентичным тому, которое подлежит отделению. Указанными не смачиваемыми водой материалами могут быть, например, фторопласт или углеродсодержащий сальниковый материал.

Входной патрубок 46 является входом данного предлагаемого аппарата для подлежащей разделению эмульсии, первый выходной патрубок 49 - выходом для подлежащего отделению органического жидкого вещества, а второй выходной патрубок 47 - выходом для водного раствора, очищенного от жидкого органического вещества. Соединение предлагаемого аппарата для отделения органических жидких веществ от водных растворов с предлагаемым массообменным сорбционным аппаратом в составе предлагаемой промышленной установки показано на фиг.15 и фиг.16. Это соединение аналогично показанному на фиг.12 и 13 соединению с любым приемлемым аппаратом 112, предназначенным для отделения органических жидких веществ от водных растворов. Входу 113 аппарата 112 на фиг.12, 13 соответствует входной патрубок 46 аппарата 112 на фиг.14-16, выходу 114 - выходной патрубок 49, выходу 115 - выходной патрубок 47, являющийся выходом всей промышленной установки на фиг.15 и 16 (такое же соответствие имеет место на фиг.17-24, которые будут описаны ниже в примерах 15 и 16).

Аппарат 112 для отделения органических жидких веществ от водных растворов, показанный на фиг.14, имеет такую же ориентацию, как при использовании его в составе установки по фиг.15. По различным причинам, например при высокой скорости пропускания перерабатываемого водного раствора через аппарат 111, некоторое количество органической жидкости может быть вынесено из этого аппарата и по трубке 71 и далее через входной патрубок 46 может попасть в среднюю камеру 42 аппарата 112. При отсутствии сетки 43, отделяющей среднюю камеру 42 от нижней (по фиг.14, 15) камеры, из-за завихрений потока органическая жидкость, несмотря на то что она имеет меньшую плотность, могла бы попасть во второй выходной патрубок 47 вместе с очищаемым водным раствором. Наличие сетки 43, предназначенной для предотвращения турбулентности, исключает такую возможность. Поэтому органическая жидкость из средней камеры 42 может только всплывать и проникать в верхнюю (по фиг.14, 15) камеру 48 через гидрофобный дренажный слой 44 и далее попадать обратно в аппарат 111. Гидрофобный дренажный слой 44 проницаем для органической жидкости, но не проницаем для воды и водных растворов. Поэтому перерабатываемый раствор не может проникнуть в камеру 48, а выходит из аппарата 112 через его второй выходной патрубок 47, предварительно опустившись через сетку 43 в нижнюю (по фиг.14, 15) камеру 45. Изложенного достаточно для понимания работы аппарата 112 и при другой его ориентации, в составе промышленной установки, показанной на фиг.16.

Функционирование и ориентация аппарата 112 в качестве средства для разделения не смешивающихся водных растворов и органических жидкостей в других возможных случаях его использования (не в составе предлагаемой промышленной установки) аналогичны описанным и зависят лишь от соотношения плотностей разделяемых водного раствора и органической жидкости.

В приводимых ниже примерах 15 и 16 предлагаемые способ и промышленная установка используются для осуществления сорбционного процесса переработки раствора кислотного выщелачивания нефелинового концентрата, представляющего собой концентрированный раствор смеси нитратов алюминия, натрия и азотной кислоты, как в примере 1. Используют установку, показанную на фиг.15 и фиг.16, в аппарате 111 которой для проведения массообменных сорбционных процессов объем слоя анионита в нитратной форме в максимально набухшем состоянии, то есть в среде чистой воды, составляет 1200 литров. Суммарная емкость аппарата 112 для отделения органических жидких веществ от водных растворов составляет 250 литров.

Эксплуатация предлагаемой установки в примерах 15 и 16 иллюстрируется, начиная с подготовительных операций, при осуществлении которых используются вспомогательные патрубки и краны, показанные на фиг.17-24, относящихся к различным этапам подготовки и работы установки.

Кран 52 установлен на выходном патрубке 47. Краны 57 и 58 установлены на патрубках 77 и 78, введенных соответственно в стенку средней камеры 42 и в торец крайней камеры 48, отграниченной от средней камеры 45 гидрофобным дренажным слоем 44 аппарата 112. Патрубки 75, 76 с кранами 55, 56 введены, соответственно, в верхнюю часть крышки 31 и в стенку 29 корпуса непосредственно над нижней дренажно-распределительной системой 37 аппарата 111. Краны 55, 56 используются только в установке по примеру 15 (фиг.17-20). Патрубки 79, 80 с кранами 59, 60 введены, соответственно, в нижнюю часть днища 32 и в стенку корпуса 29 непосредственно под верхней дренажно-распределительной системой 38 аппарата 111 в ее крайнем нижнем возможном положении. Краны 59, 60 используются только в установке по примеру 16 (фиг.21-24).

На фиг.17-24 краны, находящиеся в открытом состоянии, показаны белым кружком, а краны, находящиеся в закрытом состоянии, - перечеркнутым кружком.

Пример 15 (использование предлагаемой установки при подаче воды и перерабатываемого раствора сверху вниз).

А. Проводят первую подготовительную операцию по заполнению установки чистой деминерализованной водой с вытеснением воздуха из аппаратов 111, 112 и соединяющих их трубопроводов 35 и 71. Для этого (см. фиг.17) насос для воды подключают к патрубку 47, на котором установлен кран 52, открывают кран 51 на патрубке 34 и кран 50 на патрубке 33. Краны 55-58 на патрубках 75-78 закрыты. Открывают кран 52 на патрубке 47, включают насос и подают в установку воду с расходом 1000 литров в час.

При появлении воды из патрубка 33 с краном 50 (появление воды или органической жидкости на фиг.17 и последующих фигурах показано белыми стрелками) насос выключают, кран 52 на патрубке 47 закрывают.

Б. Проводят вторую подготовительную операцию по заполнению установки необходимым количеством органической жидкости - пеларгоновой кислоты. Для этого (см. фиг.18) закрывают ранее открытые краны 50 и 51, патрубок 78 с краном 58 подсоединяют к внешнему насосу для подачи органической жидкости, открывают краны 55 и 56 на патрубках 75 и 76. Затем, открыв кран 58 на патрубке 78, включают насос и начинают подавать органическую жидкость с расходом 1000 л/ч,

Вначале вытесняется вода из установки. При появлении органической жидкости после крана 55 на патрубке 75 закрывают этот кран. При появлении органической жидкости после крана 56 на патрубке 76 насос выключают, этот кран и кран 58 на патрубке 78 закрывают.

Далее подсоединяют насос для подачи органической жидкости к патрубку 77 с краном 57 (см. фиг.19), открывают этот кран, снова открывают кран 58 на патрубке 78 и включают насос.

Из патрубка 58 вначале выходит органическая жидкость, затем эмульсия воды и органической жидкости, затем опять органическая жидкость. После этого выключают насос, закрывают кран 58 на патрубке 78 и кран 57 на патрубке 77 и отсоединяют насос.

Затем подсоединяют к патрубку 33 с краном 50 линию 90 для подачи перерабатываемого раствора и воды, открывают кран 51 на патрубке 34, кран 52 на патрубке 47 и кран 50 на патрубке 33. После этого краны находятся в состоянии, показанном на фиг.20. Установка готова к проведению повторяющихся циклических процессов сорбции - десорбции. Всего на заполнение установки уходит 575 литров пеларгоновой кислоты. Указанный объем остается в установке без потерь в ходе всей ее работы.

В ходе описанных подготовительных операций выходящие из патрубков чистые жидкости направляют в соответствующие исходные емкости или емкости для хранения, эмульсии собирают в отдельные емкости, разделяют после отстаивания на воду и органическую жидкость и также направляют разделенные жидкости в соответствующие емкости.

Перед началом промышленной эксплуатации установки после выхода ее на рабочий режим настраивают производительность циркуляционного насоса 53 с обратным клапаном так, чтобы она была достаточна для возврата в массообменный сорбционный аппарат 111 органического жидкого вещества, попадающего на его выход. Возможно автоматическое управление циркуляционным насосом, при котором его включают при попадании уровня органической жидкости в крайнюю камеру 45 аппарата 112, отграниченную от средней камеры сеткой 43, и выключают при попадании уровня органической жидкости в крайнюю камеру 48, отграниченную от средней камеры гидрофобным дренажным слоем 44. Для этого в аппарате 112 должны быть установлены соответствующие датчики.

В. Раствор кислотного выщелачивания нефелинового концентрата, содержащий следующие вещества в соответствующих концентрациях: Al(NO₃) ₃ - 2,6 моль/л (553,8 г/л); HNO₃ - 1,3 моль/л (81,9 г/л); NaNO₃ - 0,92 моль/л (78,2 г/л) подают в установку из исходной емкости для раствора с помощью насоса, подсоединенного к входной линии 90 при открытом кране 50 (фиг.20).

Скорость подачи 1600 л/ч. Продолжительность всей операции - 1 час, после чего насос выключают и подачу раствора прекращают. Первую порцию выходящего из установки раствора, в котором остается минимальное количество азотной кислоты, а именно 1250 литров, подают на дальнейшую переработку для получения глинозема и минеральных удобрений. Следующую порцию объемом 350 литров возвращают в голову процесса на повторную переработку.

Г. В установку подают чистую деминерализованную воду из исходной емкости для воды с помощью насоса для подачи воды, подсоединенного к входной линии 90 при открытым кране 50. Скорость подачи 1200 л/ч. Продолжительность всей операции - 1 час, после чего насос выключают и подачу воды прекращают. Первую порцию выходящего из установки раствора, а именно 150 литров, возвращают в голову процесса на повторную переработку. Следующую порцию, 1050 литров, представляющую собой раствор азотной кислоты, подают потребителю на приготовление рабочего раствора для выщелачивания нефелинового концентрата.

Д. Повторяют все операции, перечисленные в пп.В и Г.

Проведение сорбционного процесса переработки раствора кислотного выщелачивания нефелинового концентрата с использованием предлагаемых способа и установки с одним массообменным сорбционным аппаратом указанного масштаба позволяет получать 15 м³ в сутки жидкого концентрата алюминия, практически не содержащего кислоты. По сравнению с прямой щелочной обработкой сокращаются расходы: кислоты - на 25%, щелочи - на 25% и воды - на 50%.

Пример 16 (использование предлагаемой установки при подаче воды и перерабатываемого раствора снизу вверх).

А. Проводят первую подготовительную операцию по заполнению установки чистой деминерализованной водой с вытеснением воздуха из аппаратов 111, 112 и трубопроводов 35, 70, соединяющих эти аппараты. Для этого (см. фиг.21) подсоединяют насос для подачи воды к патрубку 77 с краном 57, открывают краны 59 на патрубке 79 и 60 на патрубке 80 и подают воду в установку с расходом 1000 литров в час. После появления воды из патрубка 79 с краном 59 этот кран закрывают, после появления воды из патрубка 80 с краном 60 насос выключают и закрывают этот кран.

Затем закрывают кран 57 на патрубке 77, насос отсоединяют и присоединяют через линию 90 к патрубку 34 с краном 51. Открывают кран 50 на патрубке 33, кран 52 на патрубке 47 и кран 51 на патрубке 34. Включают насос для подачи воды. Воду подают в установку с расходом 1000 литров в час (см. фиг.22).

При появлении воды без пузырьков воздуха после крана 52 на выходном патрубке 47 насос выключают и этот кран закрывают.

Б. Проводят вторую подготовительную операцию по заполнению устройства необходимым количеством органической жидкости - циклогексилового спирта с плотностью 1,47. Для этого (см. фиг.23) закрывают ранее открытые кран 50 на патрубке 33 и кран 51 на патрубке 34. Патрубок 77 с краном 57 подсоединяют к внешнему насосу для подачи органической жидкости, открывают краны 59 на патрубке 79 и 60 на патрубке 80, а также кран 58 на патрубке 78. Затем открывают кран 57 на патрубке 77 и начинают подавать органическую жидкость с расходом 1000 л/ч.

При появлении органической жидкости после крана 58 на патрубке 78 кран 58 закрывают, при появлении жидкости после крана 59 на патрубке 79 кран 59 закрывают, при появлении органической жидкости после крана 60 на патрубке 80 насос выключают, кран 60 закрывают.

Кран 57 на патрубке 77 закрывают. Линию 90 для подачи перерабатываемого раствора и воды подсоединяют к патрубку 34 с краном 51, открывают кран 50 на патрубке 33, кран 52 на патрубке 47 и кран 51 на патрубке 34. После этого краны находятся в состоянии, показанном на фиг.24.

Установка готова к работе для проведения повторяющихся циклических процессов сорбции - десорбции. Всего на заполнение установки уходит 575 литров циклогексилового спирта. Указанный объем остается в установке без потерь в ходе всей работы.

Перед началом промышленной эксплуатации установки после выхода ее на рабочий режим настраивают производительность циркуляционного насоса 53 с обратным клапаном аналогично описанному в примере 15.

В. Раствор кислотного выщелачивания нефелинового концентрата состава, указанного в примерах 1 и 15, подают в установку из исходной емкости для раствора с помощью насоса, подсоединенного к линии 90, подключенной к патрубку 34 с открытым краном 51. Скорость подачи 1500 л/ч. Продолжительность всей операции - 1 час, после чего насос выключают и подачу раствора прекращают. Первую порцию выходящего из установки раствора, в котором остается минимальное количество азотной кислоты, а именно 1200 литров, подают на дальнейшую переработку для получения глинозема и минеральных удобрений. Следующую порцию объемом 300 литров возвращают в голову процесса на повторную переработку.

Г. В установку подают чистую деминерализованную воду из исходной емкости для воды с помощью насоса для подачи воды, подключенного к линии 90, соединенной с патрубком 34 открытым краном 51. Скорость подачи 1200 л/ч. Продолжительность всей операции - 1 час, после чего насос выключают и подачу воды прекращают. Первую порцию выходящего из устройства раствора, а именно 150 литров, возвращают в голову процесса на повторную переработку. Следующую порцию, 1050 литров, представляющую собой раствор азотной кислоты, подают потребителю на приготовление рабочего раствора для выщелачивания нефелинового концентрата.

Д. Повторяют все операции, перечисленные в пп.В и Г.

Проведение сорбционного процесса переработки раствора кислотного выщелачивания нефелинового концентрата с использованием предлагаемых способа и установки с одним массообменным сорбционным аппаратом указанного масштаба позволяет получать 13,8 м в сутки жидкого концентрата алюминия, практически не содержащего кислоты. По сравнению с прямой щелочной обработкой сокращаются расходы: кислоты - на 25%, щелочи - на 25% и воды - на 50%.

Таким образом, предлагаемые способ проведения массообменных сорбционных процессов, аппарат для его осуществления и содержащая этот аппарат промышленная установка, включающая также предлагаемый аппарат для отделения органических жидких веществ от водных растворов, позволяют обеспечить существенное повышение эффективности массообменных сорбционных процессов разделения компонентов водных растворов неорганических веществ за счет повышения степени разделения при переработке концентрированных, в том числе сильнокислых растворов, за счет стабилизации перенасыщенных растворов в сорбционных слоях, а также за счет повышения долговечности использования сорбционных материалов, при отсутствии специальных требований к размерам гранул сорбента и к условиям проведения процесса переработки водных растворов, включая поддержание высоких давлений и выбор определенных направлений потоков жидкостей.

Изобретения могут быть использованы в химической промышленности, гидрометаллургии, черной и цветной металлургии, в гальваническом производстве, химическом анализе и других областях, где используются процессы растворения и выщелачивания с целью дальнейшей переработки полученных водных растворов.

Источники информации

1. М.М.Сенявин, Ионный обмен в технологии и анализе неорганических веществ, М., Химия, 1980, 272 с.

2. B.A.Bolto, D.E.Weiss. In Ion Exchange and Solvent Extraction (Eds. J.A.Marinsky and Y.Marcus). Marsel Dekker, New York, 1977. P.221.

3. Патент Российской Федерации № 2034651, опубл. 10.05.1995.

4. M.J.Hatch, J.A.Dillon. Industrial and Engineering Chemistry Process Design and Development, 1963, V.2, No.2, P.253.

5. Патент Российской Федерации № 2056899, опубл. 27.03.1996.

6. Р.Х.Хамизов, Б.Ф.Мясоедов, Б.А.Руденко, Н.А.Тихонов. Доклады Академии Наук, 1997, T.356, № 2, с.216-218.

7. D.N.Muraviev, R.Kh.Khamizov, N.A.Tikhonov, V.V.Kirshin. Langmuir, 1997, V.13, No.26, pp.7186-7192.

8. Патент США № 4673507, опубл. 16.06.1987.

9. Авторское свидетельство СССР № 1183146, опубл. 07.10.1985.

10. Авторское свидетельство СССР № 1533750, опубл. 07.01.1990.

11. Авторское свидетельство СССР № 476009. опубл. 05.07.1975.

12. Авторское свидетельство СССР № 865818, опубл. 23.09.1981.

13. Справочник химика, под. ред. Б.П.Никольского, в 6-ти томах, т.6, Химлитиздат, Ленинград, 1963.

14. В.И.Ксензенко, Д.М.Стасиневич. Химия и технология йода, брома и их соединений, Москва, Химия , 304 с.

15. R.Khamizov, D.Muraviev, N.Tikhonov, A.Krachak, T.Zhiguleva, O.Fokina. Ind. Eng. Chem. Res., 1998, V 37, No. 5, p.1950-1955.

16. Патент Российской Федерации № 2048644, опубл. 20.11.1995.

17. Патент Российской Федерации № 2077363, опубл. 20.04.1997.