ИОНООБМЕННЫЙ АППАРАТ
ION EXCHANGER

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для проведения ионообменных процессов в химической технологии.
Из уровня техники известны ионообменные аппараты с неподвижным слоем ионита (Плановский A.M., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1978, с.390). Такие аппараты представляют собой цилиндрические емкости, снабженные нижним и верхним распределительными устройствами. На нижнем распределительном устройстве, которое представляет собой тарелку с щелевыми колпачками, располагается неподвижный слой ионита.
Из уровня техники известны различные конструкции щелевых колпачков, применяемых в данных аппаратах.
Например, известен щелевой колпачок фильтра с сыпучим фильтрующим материалом (SU №1782175, B01D 24/38, опубл. 15.12.92 г.), состоящий из набора дисков, стянутых тремя болтами. Для образования щелей определенного размера между дисками на болтах прокладываются калибровочные шайбы, причем с целью создания щелей разного переменного сечения (наибольшая площадь сечения внизу, а наименьшая площадь сечения вверху), шайбы выполнены разного диаметра - наименьший диаметр внизу, наибольший диаметр вверху.
Недостатком ионообменных аппаратов, снабженных дренажно-распределительным устройством, состоящим из описанных щелевых колпачков, является то, что при регенерации сыпучего материала не обеспечивается равномерное поле перемешивания сыпучего фильтрующего материала по всей площади днища аппарата, т.к. колпачки расположены на некотором расстоянии друг от друга. Кроме того, сборка таких колпачков является весьма трудоемкой работой из-за подбора диаметра калиброванных шайб по высоте колпачка.
Известен фильтрующий колпачок (RU №2295378, B01D 24/38, опубл. 20.03.2007 г.), состоящий из корпуса с закрепленным на нем пакетом плоских пластин с центральным отверстием. Пакет пластин набран из поочередно расположенных фильтрующих и дистанционирующих пластин. Взаимная конфигурация дистанционирующих пластин и внутренних отверстий фильтрующих пластин выбраны таким образом, чтобы полость внутренних отверстий фильтрующих пластин сообщалась с фильтрующей поверхностью, причем наружные размеры дистанционирующих пластин меньше наружных размеров фильтрующих пластин на величину, равную, по крайней мере, десятикратной толщине дистанционирующей пластины.
Недостатком аппаратов, снабженных дренажно-распределительным устройством, состоящим из данных фильтрующих колпачков, также является то, что при регенерации сыпучего материала он не позволяет получить равномерное поле перемешивания сыпучего фильтрующего материала по всей площади днища аппарата.
Известен ионообменный аппарат (SU №695674, B01D 15/04, B01J 1/06, опубл. 05.11.79 г.), принятый за прототип. Аппарат содержит корпус с верхним и нижним днищами, рубашку, технологические штуцера, стабилизирующую вставку и разделительные перегородки. Между перегородками располагается ионообменная смола. В отверстиях на разделительных перегородках закреплены пакеты для прохода жидкости, состоящие из кольца, крышки и колец, чередующихся с дистанционными прокладками, определяющими размер проточных щелей. Пакеты снабжены стяжками и гайками и приварены к разделительным перегородкам. Для сбора и стока жидкости служат кольцевые каналы.
Прототип обладает теми же недостатками, что и аналоги. Точечное расположение пакетов на разделительных перегородках обуславливает неравномерность промывки при регенерации зернистого слоя ионообменной смолы, образование зон с турбулентным движением регенерирующей жидкости вдоль пакета и застойных зон между пакетами. Кроме этого регенерирующая жидкость будет иметь разные скорости потоков по высоте пакета: внизу - минимальная, а вверху - максимальная, из-за уменьшения гидростатического давления от столба раствора и слоя зернистого материала.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении в ионообменном аппарате равномерного перемешивания слоя сыпучего ионита при регенерации последнего по всей площади днища аппарата и по высоте дренажно-распределительного пакета, а также упрощение конструкции ионообменного аппарата без снижения его эффективности и надежности и упрощение изготовления его дренажно-распределительного устройства.
Поставленная задача решается тем, что в ионообменном аппарате, состоящем из корпуса с днищами и штуцерами для ввода и вывода фаз, с размещенным между ними слоем ионообменной смолы, снабженном верхним и нижним дренажно-распределительными устройствами, каждое дренажно-распределительное устройство выполнено в виде пакета для прохода жидкости, имеющего наружную и внутреннюю конусные поверхности и содержащего кольца, чередующиеся с дистанционными прокладками, определяющими размер проточных щелей, причем угол раствора наружной конусной поверхности меньше угла раствора внутренней конусной поверхности.
Конусные поверхности нижнего дренажно-распределительного устройства выполнены с такими углами раствора конусной поверхности, что сумма гидравлического сопротивления раствора при прохождении его через самую нижнюю проточную щель и гидравлического сопротивления слоя ионообменной смолы, равного по высоте с пакетом для прохода жидкости, равна гидравлическому сопротивлению раствора при прохождении его через самую верхнюю проточную щель. Конусные поверхности верхнего дренажно-распределительного устройства выполнены зеркально.
На фиг.1 изображен общий вид ионообменного аппарата, на фиг.2 - выносной элемент Б, на фиг.3 - сечение А-А фиг.1, на фиг.4 - сечение В-В фиг.3, на фиг.5 - сечение Г-Г фиг.4.
Ионообменный аппарат содержит корпус 1 (см. фиг.1), образованный коаксиально расположенными наружной обечайкой 2 и внутренней обечайкой 3, с верхним и нижним днищами 4 и 5, технологическими штуцерами 6 и 7, между которыми расположена ионообменная смола 8 в виде гранул. Верхнее и нижнее дренажно-распределительные устройства выполнены в виде пакетов 9 и 10 для прохода жидкости, каждое из которых имеет наружную конусную поверхность 11 и внутреннюю конусную поверхность 12. При этом угол раствора наружной конусной поверхности 11 меньше угла раствора внутренней конусной поверхности 12.
Каждый из пакетов 9 и 10 содержит крышку 13 (см. фиг.2), кольца 14, чередующиеся с дистанционными прокладками 15 (см. фиг.4), определяющими размер проточных щелей 16.
Конусные поверхности пакета (например, применительно к пакету 10) выполнены с такими углами раствора конусной поверхности, что сумма гидравлического сопротивления раствора при прохождении его через самую нижнюю проточную щель 16 и гидравлического сопротивления слоя ионообменной смолы 8, равного по высоте с пакетом 10 для прохода жидкости, равна гидравлическому сопротивлению раствора при прохождении его через самую верхнюю проточную щель 16.
Каждый пакет снабжен стяжками 17 и гайками 18, с помощью которых крепится к верхнему и нижнему днищам 4 и 5 соответственно. Для сборки пакета часть колец 14, с большим внутренним диаметром, имеют выступы 19 (см. фиг.5), посредством которых фиксируются кольца 14. Количество выступов 19 в пакете соответствует количеству стяжек 17.
Аппарат работает следующим образом.
Во время ионообменного процесса исходный раствор поступает через патрубок 6 и благодаря пакету 9 для прохода жидкости равномерно орошает ионообменную смолу 8. Раствор проходит через ионообменную смолу 8 к наружной конусной поверхности 11 пакета 10 и через проточные щели 16 между кольцами 14.
Для регенерации ионообменной смолы регенерирующий раствор подают через патрубок 7, и он поступает в корпус аппарата со стороны внутренней конусной поверхности 12 пакета 10. При этом за счет кольцевой формы проточных щелей 16 обеспечивается перемешивание гранул ионообменной смолы 8 по всей окружности днища 5.
За счет равенства гидравлических сопротивлений, обусловленного соотношением углов раствора наружной конусной поверхности 11 и внутренней конусной поверхности 12 пакета 10, обеспечивается равномерное распределение регенерирующего раствора по высоте пакета 10 и равномерное поступление регенерирующего раствора через пакет 10 в зернистый слой ионообменной смолы 8.
Упрощение изготовления пакета (например, применительно к пакету 10) достигается тем, что изначально производят стяжку заготовок колец 14. Заготовки колец 14 имеют наружный диаметр, равный наружному диаметру самого нижнего кольца 14, и внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру самого верхнего кольца 14. После чего производят механическую обработку под заданными углами наружной конусной поверхности 11 и внутренней конусной поверхности 12 с выступами 19, например, на станке с числовым программным управлением.
Предлагаемая конструкция ионообменного аппарата позволяет максимально эффективно проводить регенерацию ионообменной смолы за счет создания интенсивного и равномерного поля перемешивания сыпучего слоя материала в регенерирующем растворе по всей площади перегородки в горизонтальном и вертикальном направлениях. При этом конструкция предлагаемого ионообменного аппарата по сравнению с прототипом более проста за счет исключения из конструкции разделительных перегородок и связанных с ними элементов.