Садуакасова А.Т.

 

Восточно-Казахстанский государственный технический     университет им. Д. Серикбаева, Казахстан

 

Аппаратурное оформление ионообменных процессов химико-металлургических производств

 

Для ионообменных процессов в промышленности используют аппара­ты с фиксированным и подвижным слоем смолы [1-3].

Аппарат с фиксированным слоем смолы состоит из корпуса, распреде­лительного устройства, системы трубопроводов и контрольно-измерительной аппаратуры (рис. 1). Корпус обычно изготовляют из рядовых сортов стали, футерованных кислотостойки кирпичом, или из титана.

 

1 – корпус колонки; 2 – верхнее распределительное устройство; 3 – отверстие для загрузки ионита; 4 – водяная подушка; 5 – лаз; 6 – ионит; 7 – нижнее распределительное устройство; 8 – опорные лапы; 9 – люк для разгрузки колонны

Рисунок 1 – Принципиальная схема конструкции ионообменной установки с фиксированным слоем смолы [1]

Распределительные устройства служат для равномерного распределения раствора по сечению колонны и препятствуют уносу зёрен ионита. В настоящее время в качестве распределительных устройств используют ложные днища, а также трубчатые  устройства различных конструкций. Загрузка ионитов, как правило, не превышает 2/3 полного объёма колонны. Оставшийся свободный объём служит для взрыхления, промывки и разделения ионитов [1].

Основным недостатком аппаратов такого типа является то, что в них мож­но подавать только осветлённые растворы, т. е. растворы, очищенные от твёр­дых частиц. Поэтому перед сорбционным циклом после выщелачивания та­кие растворы обязательно должны проходить стадию фильтрации или деканта­ции, что существенно повышает затраты на передел. Кроме того, поскольку полное выделение твёрдого из растворов в производственных условиях, как правило, не достигается, некоторая часть шламов совместно с растворами попа­дает в цикл ионного обмена и в процессе фильтрации растворов через слой ионитов осаждается в нём. Поэтому после окончания сорбционного цикла ионит перед снятием с него целевого компонента (перед регенерацией ионита) необходимо отмыть от шламов, что происходит в результате пропускания воды через слой ионита в направлении, в обратном движению основного раствора. Из-за этих недостатков аппараты с фиксированным слоем смолы используют ограни­ченно, особенно после разработки различных аппаратов с подвижным слоем смо­лы.

Среди аппаратов с подвижным слоем смолы, которые способны рабо­тать с пульпами наибольшее распространение в металлургии урана, редких и благородных металлов получили аппараты с пневматическим перемешивани­ем. На рисунке 2 представлен вариант конструкции такого аппарата типа «па­чук» и технологическая схема непрерывного сорбционно-десорбционного цикла переработки пульпы в пачуках (рис. 3).

Как видно из этих рисунков, транспортирование смолы из аппарата в аппарат осуществляется по принципу противотока по отношению к пульпе, что уменьшает единовременную загрузку ионита в процесс. Для перемешива­ния и транспортирования используют аэролифты – наиболее экономичные и

1 – аэролифт для транспортирования смолы; 2 – разделительный элемент; 3 – аэролифт для транспортирования пульпы; 4 – корпус; 5 – аэролифт для перемешивания пульпы

Рисунок 2 – Схема пачука для непрерывного процесса сорбции из плотных пульп [1]

 

простые устройства. Применение системы пачуков в сорбционно-десорбци­онном цикле можно считать наилучшим аппаратурным оформлением про­цесса ионообменной переработки пульпы.

Ионный обмен может осуществляться в статических и динамических условиях [4, 5].

Статический метод заключается в перемешивании раствора с опреде­лённым количеством ионита до достижения состояния ионообменного равно­весия с последующим разделением фаз фильтрованием или центрифугирова­нием. Этот метод требует многократного повторения операций в соответст­вии с необходимым числом ступеней ионного обмена.

Динамический метод состоит в пропускании раствора через ионооб­менную колонну с неподвижным слоем ионита. В этом случае ионит сначала

 

1 – пачуки; 2 – распределитель; 3 – грохоты; 4 – колонка отмывки смолы от пульпы; 5 – колонка десорбции; 6 – колонка отмывки десорбирующего раствора от смолы

Рисунок 3 – Схема непрерывного сорбционно-десорбционного процесса переработки плотных ураново-рудных пульп в пачуках [1]

 

насыщается извлекаемым компонентом в слоях при входе раствора, затем слой насыщения постепенно продвигается по направлению к выходу.

При фильтрации раствора через слой ионита условия более благоприят­ные, чем при статическом методе, так как раствор по мере продвижения вдоль колонны соприкасается с новыми слоями неиспользованного ионита, что обеспечивает полное поглощение извлекаемого металла. В динамических условиях более полно используется обменная емкость ионита, так как удале­ние вытесняемых ионов с потоком раствора смещает равновесие ионного об­мена в сторону поглощения извлекаемого иона.

На сорбцию в динамических условиях влияют статические факторы (пара­метры ионообменного равновесия), кинетические факторы (скорость обмена) и скорость движения раствора. Одновременный их учёт даёт динамику сорбции.

Н. А. Шилов развил представление о двух периодах сорбции в динами­ческих условиях [4, 5]:

1) формировании фронта равных концентраций (работающего слоя) τ0;

2) параллельном переносе фронта равных концентраций τпар.

Схема формирования фронта равных концентраций в неподвижном слое ионита приведена на рисунке 4.

 

 

Рисунок 4 – Схема формирования фронта равных концентраций в неподвижном слое зернистого сорбента [5]

 

В момент времени τ1 начальный слой ионита насыщен поглощаемым ионом до ёмкости a1, а проскок извлекаемого иона наблюдается при высоте слоя ионита менее H1 при τ2 начальный слой ионита насыщен до ёмкости а2, проскок происходит в слое ионита менее H2; наконец, при τ0 начальный слой ионита насыщен до ёмкости аp , равновесной с исходной концентрацией раст­вора Сисх, в слое ионита высотой H0 концентрация извлекаемого иона изменя­ется от Сисх до 0. Рабочий слой ионита (H0) сформирован. Далее происходит параллельный перенос образованного фронта концентраций. К моменту вре­мени τ3 до равновесной емкости насыщен слой ионита Н1, проскок наблюда­ется при высоте слоя ионита менее H3.

Извлечение урана из растворов может проводиться как периодически, так и непрерывно [5-7].

В цветной металлургии в связи со сложным составом технологических растворов и необходимостью интенсификации процессов получило широкое раз­витие конструирование аппаратов иногда принципиально нового типа. Для того, что бы как-то систематизировать обилие предложенных конструкций, автор [6] предлагает следующую классификацию аппаратов ионообменной технологии:

1) аппараты с неподвижным слоем смолы;

2) аппараты с перемещением смолы током раствора;

3) аппараты с принудительным перемешиванием смолы.

Каждый из указанных аппаратов работает или по принципу противото­ка, или по карусельному типу.

Аппараты с неподвижным слоем смолы, работающие по карусельному ти­пу – это в основном ионообменные фильтры, аналогичные фильтрам, приме­няе­мым в водоподготовке. Достоинство этих аппаратов – простота обслуживания и глубокая очистка растворов; недостатки – медленный процесс, задалживание в аппарате уже насыщенных слоёв смолы, необходимость работы на хорошо осветлённых растворах. Карусельный принцип – это чередование необходимых процессов (сорбция, промывка, десорбция, регенерация) на каждом аппарате.

В аппаратах с неподвижным слоем смолы, работающих по принципу противотока, основная масса смолы неподвижна, что обеспечивает глубину очистки. Периодически или непрерывно смола перегружается из аппарата в аппарат, что уменьшает задолженность насыщенной смолы в аппаратах.

Аппараты с перемешиванием смолы током раствора – это устройства с «псевдоожиженным» «кипящим» слоем, с падением или перегрузкой смолы с полки на полку внутри аппарата.

Аппараты с принудительным перемешиванием смолы (воздухом или мешалками) применяют в основном для пульповых процессов – сорбционно-бесфильтрационного выщелачивания.

Колонна периодического действия. В нижней части колонны (рис. 5) в гравийной насыпке находится кольцо из перфорированной трубы, через кото­рую отводятся обеднённый раствор к следующей колонне или на сброс, товар­ный регенерат, а также подводится вода для промывки смолы от исходного

 

1 – верхняя гребенка; 2 – нижняя гребенка; 3 – гравий; 4 – слой ионита; цифры в кружках – номер колонны

Рисунок 5 – Ионообменная колонна периодического действия [4]

 

раствора перед ее регенерацией [4]. На гравий насыпается слой ионита. В верх­ней части колонны имеется распределительное устройство для подачи исходно­го раствора, регенерирующего раствора, а также для отвода воды обратной про­мывки. Несколько таких колонн объединяются в цикл с кольцевой обвязкой тру­бопроводов (на рис. 5 цикл состоит из четырёх колонн).

Когда раствор пропускается последовательно через колонны 1, 2 и 3, колонна 4 находится на регенерации смолы. Перед наступлением проскока урана из колонны 3 исходный раствор перемещается на колонну 2, за колон­ной 3 подключается колонна 4 со свежерегенерированной смолой, а колонна 1 ставится на регенерацию.

Данная колонна может работать только на растворах и не годится для переработки пульп. Основными недостатками этой системы являются перио­дичность процесса, необходимость проведения соответствующих переключе­ний потоков, которые осуществляют тем чаще, чем выше солесодержание пе­рерабатываемых растворов. Поэтому такие колонны применяют там, где пе­реключения потоков проводятся реже, например для обессоливания речной воды на АЭС, для обезвреживания сточных вод с малым солесодержанием. Кроме того, такая система колонн требует большое количество запорной ар­матуры (вентилей задвижек, клапанов и т.д.)

Сорбционная напорная колонна. Данные колонны [4, 5] (рис. 6) применя­ют для извлечения урана из растворов ПВ. Исходный раствор под давлением подаётся в нижнюю часть колонны и продвигается вверх навстречу потоку смо­лы. В верхней части колонны раствор проходит фильтрующие патроны, которые задерживают смолу, направляется на доукрепление кислотой и затем закачива­ется в нагнетательную скважину.

 

1 – корпус; 2 – фильтры; 3 – загрузочный бункер ионита; 4 – эрлифт

Рисунок 6 – Сорбционная напорная колонна [5]

При работе колонны в ней одновременно находятся три слоя ионита: в верхней части колонны – слой свежего ионита, который обеспечивает сниже­ние концентрации урана в обедненном растворе до 1÷3 мг/л; в средней части – формируется фронт рабочих концентраций, высота фронта (5÷6 м) зависит от ёмкости ионита, концентрации урана в растворе, скорости движения раствора (25÷35 м/ч); в нижней части – собирается слой насыщенного ионита.

Колонна работает в полунепрерывном режиме. Периодически при кратковременном прекращении подачи исходного раствора в эрлифт пода­ют воздух и из колонны удаляют определенную порцию насыщенного Ио­нита, которая направляется на регенерацию. После этого открывается ши­бер на бункере смолы и в колонну подается свежая смола объёмом, равным объёму удалённой порции. После этого возобновляется подача исходного раствора в колонну. При этих операциях фронт рабочих концентраций удерживается в средней части колонны.

Ванны и контейнеры. Большой интерес представляет аппаратура, по­зволяющая извлекать уран не только из растворов, но и непосредственно из пульп после выщелачивания [4]. Сорбция из пульп позволяет устранить до­рогостоящую операцию фильтрования или четырёхступенчатую декантацию, где используются четыре громоздких сгустителя.

Процесс сорбции из пульп можно осуществлять в контейнерах или в про­тивоточном каскаде аппаратов со взвешенным слоем смолы. Контейнерный ме­тод, разработанный в США, состоит в следующем. Грубозернистая смола (с размером частиц 0,8÷1,6 мм) вносится непосредственно в неосветлённую пуль­пу в сетчатых корзинах (контейнерах), которые совершают возвратно-посту­пательное движение по вертикали. Пульпы могут содержать до 10 % твёрдых частиц размером менее 43 мкм. В этом случае четырёхступенчатая противоточ­ная декантация может быть заменена отделением песков и их противоточной от­мывкой в каскаде из четырёх классификаторов или гидроциклонах.

Удаление абразивной песковой фракции уменьшает истирание смолы. Стан­дартные ванны изготовляют с двумя или четырьмя перемещающимися корзинами. При движении корзины вниз смола разрыхляется и находится во взвешенном со­стоянии, при обратном движении – уплотняется. Возвратно-поступательные движе­ния корзины предотвращают оседание твердых частиц пульпы на дно ванны.

Такие ванны соединяются в батарею, причем перемещение пульпы (или «десорбирующего» раствора) из одной ванны в другую осуществляется с помо­щью системы эрлифтов. На одном из заводов полный цикл «сорбции-десорбции» осуществлялся в 14 ваннах, по 6 ванн – «сорбция» и «десорбция», 2 – ванны ре­зервные, служащие для переключения ванн из «сорбционной» цепи в «десорбци­онную» и наоборот. В каждую ванну входит по 4 сетчатые корзины 1,8x1,8x1,8 м, в которые помещается по 1,4 м3 смолы в набухшем состоянии (рис. 7).

 

 

Рисунок 7 – Ванна для сорбционного извлечения урана из пульпы [4]

 

Существенным недостатком данной модели является необходимость перио­дического переключения ванн из одной цепи в другую.

Ионообменный пачук. В отечественной промышленности разработан бо­лее совершенный непрерывный противоточный процесс в колоннах со взвешен­ным слоем смолы – в каскаде ионообменных «пачуков» [1, 4-6] (рис. 8).

В нижней части пачука находится коническое днище с углом конуса 60° для предотвращения накопления твердых частиц на днище. Для обеспе­чения взвешенного состояния пульпы и смолы устанавливается циркулятор с

 

1 – корпус; 2 – дефлектор; 3 – эрлифты; 4 – грохоты

Рисунок 8 – Ионообменный пачук [5]

 

воздухораспределителем. Для перемешивания смолы и пульпы в циркулятор подают воздух в количестве 4÷8 м /ч на каждый кубометр пульпы. Для организа­ции противоточного движения смолы и пульпы в верхней части пачука устанав­ливаются дренажные сетки, на которые с помощью эрлифтов подается смесь смо­лы и пульпы. Раствор с твёрдыми частицами пульпы проходит через сетки в ящики, откуда самотёком перемещается в следующий аппарат. Частички смолы скатываются с сетки обратно в аппарат или желоб, откуда перемещаются в дру-гой аппарат навстречу потоку пульпы. Количество сеток, работающих на выдачу пульпы и смолы, определяется отношением времени пребывания пульпы и смо­лы в аппарате. Для распределения потока пульпы по сеткам используют трубный или щелевой делители пульпы. В каскаде «сорбции» устанавливаются 8÷12 ио­нообменных пачуков. в каскаде «десорбции» – 4÷6 пачуков меньшего разме­ра или другие аппараты. Между каскадами «сорбции» и «десорбции» разме­щаются промывные колонны с противоточным движением смолы и воды.

Промывные воды, снимающие со смолы пленки исходной пульпы, воз­вращаются на «сорбцию», а снимающие пленки «десорбирующего» раствора – используются для приготовления регенерирующих растворов.

Эффективность сорбции из пульп значительно возрастает при совмеще­нии процессов сорбции и выщелачивания. При введении ионита на стадии вы­щелачивания повышается извлечение урана, существенно сокращается общее время обработки рудного материала, так как удаление извлекаемого металла из раствора в ионит увеличивает градиент концентрации между его концентрацией на поверхности минерала и в объёме раствора.

 

Литература:

 

1. Матвеев Ю.Н., Стрижко В.С. Технология металлургического произ­водства цветных металлов (теория и практика): Учебник для вузов. – М.: Ме­таллургия, 1986. – 368 с.

2. Громов Б.В. Введение в химическую технологию урана. Учебник для вузов. – М.: Атомиздат, 1978. – 336 с.

3. Авербух Я.Д., Заостровский Ф.П., Матусевич Л.Н. Процессы и аппа­раты химической технологии. Курс лекций. Ч. ­II. Теплообменные и массооб­менные процессы. Изд. 2-е, перераб. Под ред. Шабалина. – Свердловск: УПИ им. С.М. Кирова, - 1973. – 428 с.

4. Смирнов А.Л., Волкович В.А. Переработка облучённого ядерного топ­лива. Конспект лекций. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008. – 317 с.

5. Тураев Н.С., Жерин И.И. Химия и технология урана: Учебное посо­бие для вузов – М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2005. – 407 с.

6. Лебедев К.Б., Казанцев Е.И., Романов В.М., Пахолков В.С., Чемезов В.А. – М.: Металлургия, 1975. – 352 с.

7. Маслов А.А. Технология урана и плутония: учебное пособие /            А.А. Маслов, Г.В. Каляцкая, Г.Н. Амелина, А.Ю. Водянкин, Н.Б. Егоров – Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2007. – 97 с.