технол лек 1. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 11.39 Mb.
|
|
???????????? ???? ??? ???? ??????????? ???????? D y , ? 2 /? ???????????? ???? ??? ???? ??????????? ???????? D y , ? 2 /? ???????? 0,064 ????????? ????? 0,0478 ???? 0,0475 ?????? 0,0367 ???????? ???? 0,037 ????????? ??????? 0,0467 ?????? 0,0612 ????????? ???????? 0,034 ??????????? 0,0497 ?????? 0,0277 ??????? ??? 0,079 ???????? При других температурах и давлениях D рассчитывают по формуле 3 0 0 ??? ? ??? ? = T T P P D D y . (При отсутствии экспериментальных данных коэффициент диффузии может быть вычислен по формулами (приведенными в гл. 15, или определен по соотношениям, имеющимся в справочниках, например [5, с. 263]. 17.4. Десорбция Извлечение из адсорбента адсорбированного вещества (десорбция) является необходимой стадией технологических процессов адсорбции, осуществляемых в замкнутом цикле. Десорбция (регенерация адсорбента) проводится методами) вытеснения, 2) испарения, 3) выжигания. Иногда регенерацию адсорбента ведут сочетанием приведенных методов. Вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов проводится посредством агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем поглощенные компоненты. Метод испарения поглощенных компонентов, имеющих относительно высокую летучесть, осуществляется путем нагрева слоя адсорбента. Выжигание как метод регенерации адсорбента применяют для удаления из адсорбента смолообразных и других продуктов, образующихся в результате побочных процессов. При окончательной очистке адсорбента выжигают эти компоненты (те. проводят окислительную регенерацию адсорбента 3 9 Выбор способа десорбции производится на основе технико- экономических расчетов. Практически десорбцию проводят путем пропускания пара или газа через слой адсорбента после завершения прямого процесса (адсорбции). Для большей эффективности десорбцию проводят при повышенных температурах путем пропускания через слой адсорбента предварительно нагретого десорбирующего агента. В качестве десорбирующих агентов применяют острый насыщенный или перегретый водяной пар, пары органических вещества также инертные газы. После десорбции слой адсорбента высушивают и охлаждают. Десорбцию острым водяным паром применяют при рекуперации летучих растворителей на активированном угле. Десорбированные из угля вещества выдуваются из угольного слоя динамическим паром, который, не конденсируясь, выходит из адсорбера в смеси с парами десорбированных веществ. Расход динамического пара зависит от условий процесса и с достаточной надежностью определяется только опытным путем. При ориентировочных расчетах расход динамического пара можно принимать в среднем ч кг на 1 кг десорбируемого вещества. Регенерацию цеолитов чаще проводят продуванием через слой адсорбента нагретого сухого газа. Удаление поглощенных веществ из цеолитов более затруднительно, чем из активированных углей. Процессы десорбции, как и процессы адсорбции, можно проводить в неподвижном, в движущемся и кипящем слоях адсорбента. Устройство адсорберов Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно – в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента, а также в аппаратах с неподвижным слоем – в установке из двух и большего числа адсорберов, в которых отдельные стадии процесса протекают неодновременно. Аппараты первой группы получили в химико-фармацевтическом производстве наибольшее применение. Адсорберы периодического действия Для обработки жидких систем с целью их обесцвечивания используют адсорбционные колонны, смесители и фильтры. Простейшим адсорбером периодического действия является колонка с адсорбентом, показанная на рис. 17.5. Она применяется для обесцвечивания вытяжек в производстве новогаленовых препаратов с помощью активированного угля. Этот адсорбер представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд 1 3 9 1 ??????? 1 3 6 4 5 Рис. 17.5. Колонка с адсорбентом – колонна 2 – загрузочный люк – ввод раствора 4 – решетка – выгрузочный люк 6 – фильтр Рис. 17.6. Адсорбер-фильтр высотой ч м, диаметром 0,6 ч1,2 м. Адсорбент загружают через верхний люк 2. Уголь насыпают на решетку 4, на которой размещаются металлическое сито и холст. Раствор поступает через трубу 3, к которой подключено несколько патрубков с вентилями. По указанным патрубкам подаются растворы различной цветности. Обесцвеченный раствор направляется в контрольный тканевый фильтр 6, на котором задерживаются кусочки угля, проскочившие в потоке. Производительность такого адсорбера составляет 2 ч4 л/мин на 1 т угля, загруженного в колонну. Адсорбер-фильтр, представленный на рис. 17.6, используется для осветления жидкостей. В качестве адсорбента используется фильтрационная масса, изготавливаемая из разваренной фильтровальной бумаги. Тонкая волокнистая масса заполняет рамы фильтр-пресса. Каждая рама имеет два прилива один – для подачи нефильтрованного раствора, а другой – для отвода осветленного. Когда рамы собраны, приливы образуют трубы, по которым подается и отводится раствор. На рис. 17.7 схематически представлена адсорбер-мешалка периодического действия для адсорбции красящих веществ из растворов при помощи активированных углей. Раствор поступает в смеситель 1, где перемешивается с активированным углем в течение ч мин. Потом суспензия подается на фильтр-пресс 2, где уголь отделяется от осветленной жидкости. Рис. 17.7. Адсорбер-мешалка: 1 – смеситель 2 – фильтр-пресс; 3 – насос 3 9 2 17.5.2. Адсорберы непрерывного действия Простейшим адсорбером непрерывного действия является батарея из нескольких колонок с адсорбентом, представленных на рис. 17.5. Раствор проходит через первый адсорбер, очищаясь от примесей или, наоборот, отдавая адсорбенту действующие вещества. Как только из колонки начинает выходить окрашенная вытяжка или вытяжка с действующими веществами, подключают другую колонку. Очищенную вытяжку отставляют, а впервой колонке либо меняют адсорбент, либо производят промывку и десорбцию. В последнее время для адсорбции применяют аппараты, работающие по принципу псевдоожижения. Адсорбция в таком аппарате происходит в состоянии кипения адсорбента под действием подающегося снизу раствора или газа. В кипящем слое размеры частиц адсорбента меньше, чем размеры его частиц в неподвижном слое, что способствует уменьшению внутридиффузионного сопротивления твердой фазы и приводит к существенному увеличению поверхности контакта фаз. В кипящем слое при прочих равных условиях интенсивность внешнего массопереноса также выше, чем в неподвижном слое, вследствие больших скоростей газа, движущегося через слой. Вместе стем проведение процессов адсорбции в кипящем слое связано с трудностями выбора механически прочного адсорбента, способного выдержать достаточное число циклов работы в условиях повышенной истираемости при интенсивном механическом перемешивании частиц в самом аппарате и пневмотранспортных трубах. В промышленности находят применение колонные и однокамерные адсорберы с кипящим слоем. Колонный адсорбер непрерывного действия с движущимся слоем поглотителя (рис. 17.8) состоит из колонного адсорбера 1 с движущимся зернистым адсорбентом, соединенного с вентилятором и калорифером нагревающим воздух, подаваемый для сушки адсорбента. Кроме того, адсорбер соединен с пневмотранспортной трубой 4, по которой высушенный адсорбент подается наверх колонны в бункер 5, где отделяется от транспортирующего его газа и потом поступает в колонну Рис. 17.8. Колонный адсорбер с движущимся слоем поглотителя – колонный адсорбер (I – зона адсорбции – зона ректификации, Ш – зона десорбции – вентилятор 3 – калорифер 4 – пневмотранспортная труба 5 – бункер-отделитель; 6 – холодильник-конденсатор; 7 – сепаратор 8 – хранилище 3 9 3 1. Смесь пара с извлеченным из адсорбента веществом поступает в холодильник-конденсатор 6, а затем конденсат поступает на разделение в сепаратор Однокамерный адсорбер с кипящим слоем непрерывного действия представлен на рис. 17.9. В указанном адсорбере адсорбент находится в псевдоожиженном или «кипящем» состоянии. Если постепенно увеличивать скорость подачи газа, проходящего через слой зернистого материала, находящегося на. Расчет адсорберов. Периодически действующие адсорберы Для расчета диаметра адсорбера с неподвижным слоем адсорбента определяют сначала из уравнения расхода (площадь поперечного сечения аппарата. После этого в соответствии с уравнением (16.15) определяют диаметр адсорбера = , (где см – объемный расход парогазовой смеси или раствора, проходящего через слой адсорбента. Фиктивную скорость w 0 (см. гл. 16 уравнение (парогазовой смеси (или раствора) определяют исходя из технико- экономических соображений. Оптимальное значение w 0 находят с учетом того, что с увеличением w 0 скорость адсорбции возрастает, сетке, то при достижении определенной скорости наблюдается своеобразное явление зерна материала начинают двигаться и слой становится похожим на маловязкую жидкость частицы слоя перемещаются в пределах слоя, который как бы кипит. В адсорбере (рис. 17.9) адсорбент постоянно поступает по трубе на сетку. Газ-носитель непрерывно нагнетается на сетку и проходит через адсорбент, приводя его в состояние псевдоожижения. Очищенный газ выходит через верхний штуцер. Лишний адсорбент сливается через сливную трубу. Насыщенный адсорбент содержит поглощенный материал и подается на десорбцию, после чего адсорбент может использоваться повторно. Рис. 17.9. Однокамерный адсорбер с кипящим слоем адсорбента – корпус 2 – распределительная решетка 3 – кипящий слой адсорбера 4 – труба для выхода адсорбента 3 9 если скорость процесса лимитируется скоростью внешней диффузии, и одновременно увеличиваются затраты энергии на перемещение потока через адсорбер. В промышленных условиях w 0 обычно не превышает 0,3 м/с. Высота адсорбера Определение высоты аппарата связано с расчетом высоты слоя адсорбента при заданном времени пр защитного действия слоя, которое обуславливается технологическими требованиями. При заданном времени работы защитного слоя (в зоне массопередачи) пр высота слоя определяется по уравнению (17.7): l = u (пр + ? 0 ). (Скорость движения зоны массопередачи и можно рассчитать по уравнению (17.9). Величину пр принимают исходя из необходимой продолжительности регенерации адсорбента или графика сменной работы производства. Потерю времени защитного действия слоя ? 0 согласно опытным данным можно найти, пользуясь приемлемой для большинства практических случаев приближенной зависимостью l 0 0 5 , 0 ? ? , (где l 0 – высота слоя массопередачи, определяемая по уравнению. Непрерывнодействующие адсорберы Определение диаметра D адсорбера непрерывного действия проводят по уравнению (17.20). Входящую в это уравнение фиктивную скорость w 0 парогазовой смеси находят из требования обеспечить заданный гидродинамический режим. Для адсорберов с кипящим слоем скорость смеси может быть определена из критерия Re 0 , рассчитанного по уравнению 75 , 4 0 Ar 6 , 0 18 Ar Re ? ? + ? ? = , (где Ar – критерий Архимеда, определяемый также, как ив уравнении (Высота адсорбера Расчет требуемой высоты (объема) слоя адсорбента производят по аналогии с другими массобменными процессами (абсорбция, ректификация и др) на основе общего уравнения массопередачи. Как следует из гл. 15, уравнение (15.43): ? ? = ? ? y y y y dy G SH K * v Из последнего уравнения с учетом выражения (15.44) можно определить объем слоя адсорбента y y V K n G V HS 0 = = , (17.24) 3 9 где G V – объемный расход парогазовой смеси – число единиц переноса, определяемое методом, приведенным в гл. 15; ? y K – объемный коэффициент массопередачи. По объему V слоя и его сечению 4 определяют общую высоту слоя адсорбента = . (Расход адсорбента Количество адсорбента, поступающее в единицу времени, определяют на основе уравнения материального баланса (15.3). Минимальный расход адсорбента L min соответствует положению рабочей линии А ?В (см. рис. 16.3), когда она касается линии равновесия в точке А. В этом случае y y G x x L * ? = ? . (Действительный расход адсорбента L рекомендуется принимать равным (ч) L min . Принимая в среднем L = 1,2L min , получим x y y G L ? ? = , (где г – весовой расход инертной части парогазовой смеси относительная концентрация извлекаемого компонента в отобранном адсорбенте, равновесная сего концентрацией в исходной смеси. Из уравнения (17.27) видно, что удельный расход ? G L адсорбента тем больше, чем, при прочих равных условиях, выше концентрация адсорбируемого компонента в исходной смеси y ничем ниже его концентрация в потоке, удаляющемся из адсорбера y к Следовательно, экономичность процесса адсорбции возрастает при низких концентрациях исходной смеси. Ионообменные процессы Ионообменные процессы (ионообменная сорбция) взаимодействие растворов электролитов с сорбентами-ионитами, обладающими способностью обменивать свои ионы на ионы, находящиеся в растворе. Обмен ионов в ионитах происходит в эквивалентных количествах и обратим, поэтому процесс обмена ионов между раствором электролита и твердой фазой ионита может быть записан как обычная химическая реакция. Типичные реакции ионного обмена приведены в разд. 17.2. Как было отмечено ранее, способностью к ионному обмену обладают многие природные вещества, а также синтетические. Из последних ионообменные смолы имеют особое значение. Только сих появлением ионообменные процессы нашли широкое применение в промышленности 3 9 Создание ионообменной смолы сводится к синтезу нерастворимого вводе ив других растворителях твердого органического полимера, образующего трехмерный высокомолекулярный каркас с активными группами путем сшивания линейного высокомолекулярного соединения – полистирола – в пространственную сетку с помощью различных мостик о образующих веществ например , дивинилбензола). Таким образом, ионообменные смолы состоят из матрицы пространственно сшитых углеводородных цепей – и закрепленных на ней активных ионогенных групп. Ионогенные группы вводятся различно либо присоединением к имеющемуся каркасу исходных мономеров, либо в самом процессе образования высокомолекулярного соединения. Сухая ионообменная смола еще не является ионитом. Ионитом она становится после набухания. Вводе происходит диссоциация ионогенных групп с образованием подвижных противоионов и неподвижных, связанных с матрицей, фиксированных ионов. При взаимодействии ионообменных смол с растворами электролитов противоионы замещаются эквивалентным количеством ионов, находящихся в растворе. Если катионит находится в Н-форме, те. насыщен обмениваемыми ионами водорода На анионит – в ОН-форме, т.е. насыщен обмениваемыми ионами основания ОН, то последовательная обработка водного раствора электролита на катионите и затем – на анионите приводит к полному удалению минеральных солей из воды. Таким способом получают деминерализованную воду. Для проведения процесса ионного обмена равновесие должно быть сдвинуто вправо, те. константы химического равновесия реакций ионного обмена должны быть намного больше единицы. В настоящее время процессы ионообменной сорбции все шире применяются в промышленности. В частности, путем ионного обмена, кроме очистки и умягчения воды, производят очистку растворов, улавливание и концентрирование ценных металлов из разбавленных растворов, разделение смесей веществ и др. В некоторых случаях ионный обмен может иметь преимущество по технико-экономическим показателям по сравнению с ректификацией, экстракцией и др. Этому способствует простота аппаратурного оформления процессов ионного обмена. Регенерация ионитов Для регенерации ионита, насыщенного извлекаемыми из электролита катионами, используют растворы кислот (например %-ный раствор HCl). Регенерация анионита проводится раствором щелочи (например, 5 %-ным раствором После регенерации ионитов необходима полная отмывка их водой от следов регенерирующих растворов 3 9 7 17.7.2. Равновесие при ионообмене Состояние равновесия при ионном обмене, также, как при адсорбции, изображается в виде изотермы равновесия, которая является важной характеристикой при ионном обмене. При расчете ионообменных колонн изотермой равновесия пользуются для определения средней движущей силы процесса. Равновесные соотношения при ионном обмене удовлетворительно описываются уравнением Фрейндлиха (17.4) или уравнением Ленгмюра: ( ) * * ky y k ? + ? = 1 , (где х – количество ионов, поглощенных ионитом, кг/кг; y * – равновесная концентрация поглощаемых ионов в растворе, кг/м 3 ; k , ? – опытные константы. Рис. 17.10. Изотерма равновесия лимонной кислоты на анионите ЭДЭ-10П Типичная изотерма сорбции из растворов, соответствующая уравнению, приведена на рис. Как видно из рисунка, область равновесных концентраций может быть разделена натри зоны. Первой зоне (І) низких концентраций соответствует практически линейная равновесная зависимость, второй (ІІ) – изотерма Ленгмюра, третьей (ІІІ) – область, близкая к насыщению и практически независящая от концентрации раствора. На равновесие влияют природа ионита и поглощаемых ионов, температура и Н раствора электролита. Так, содержание дивинил- бензола в сульфополистирольной смоле в сильной степени влияет на положение изотермы равновесия (рис. 17.11). Увеличение содержания дивинилбензола приводит к уменьшению емкости ионита. В случае ионной сорбции двух ионов с разными зарядами ионит поглощает преимущественно ион с наибольшим зарядом в разбавленных растворах электролита (рис. Рис. 17.11. Изотермы равновесия для сульфополистирольной смолы с различным содержанием дивинилбензола 3 9 8 y н, y к – начальная и конечная концентрации удаляемых ионов в растворе, г/кг растворителя. В уравнении линии рабочих концентраций (15.5): x = Ay + угловой коэффициента отрезок, отсекаемый на оси ординат, – ( ) L Gy Lx B ? ? ? = 17.7.4. Кинетика ионообменных процессов Явления процессов ионообмена отличаются от процессов физической сорбции тем, что водном случае имеет место перенос молекул (физическая адсорбция, а в другом – перенос ионов. Перенос ионов – сложный процесс, состоящий из семи стадий. В технических расчетах кинетика процесса переноса ионов принимается в упрощенном виде. Рис. 17.12. Влияние валентности ионов на равновесие сульфофенольной смолы Рис. 17.13. Влияние температуры на равновесие при ионном обмене Состояние равновесия между обмениваемыми ионами ионита и раствора зависит от температуры. Обычно наблюдается уменьшение емкости и избирательности ионитов при повышении температуры (рис. Предельная температура процесса определяется термической устойчивостью ионитов и для обычных ионообменных смол не превышает ч 0 С. Влияние рН растворов на равновесие различно с увеличением рН емкость катионитов увеличивается, а для анионитов – уменьшается. Материальный баланс ионообменных процессов Материальные балансы ионообменных процессов выражаются уравнениями, общими для всех массообменных процессов (15.3): G (y н y к) =L (x к x н ), где L – количество ионита, кг/ч; G – количество растворителя, кг/ч; х н, х к начальная и конечная концентрации ионита, г/кг сухого ионита 3 9 Предполагают, что скорость химической реакции несоизмеримо выше, чем скорости переноса ионов в остальных стадиях, и что она не оказывает влияния на скорость ионообменного процесса. Основное кинетическое уравнение y Vd dM ? ? = ? ? . (Для определения коэффициента массоотдачи можно рекомендовать эмпирическое уравнение 0 c c ? 2 ? ? 4 28 , c wd , D d µ ? = ? , (где ? v – коэффициент массоотдачи, с з – диаметр зерна ионитам коэффициент диффузии удаляемых из раствора ионов, м 2 /с; w – скорость растворам с – плотность раствора, кг/м 3 ; µ c – вязкость раствора, кг/(м•с). 17.7.5. Принципиальные схемы ионообменных процессов Схемы ионообменных процессов принципиально не отличаются от схем процессов физической адсорбции (см. разд. 17.5). Весь цикл ионообменного процесса независимо от его конкретного назначения включает следующие стадии 1) сорбцию ионов из растворов 2) отмывку ионита от исходного раствора 3) регенерацию ионита 4) отмывку ионита от регенерирующего раствора. Ионообменная аппаратура Ионообменную аппаратуру можно классифицировать так же, как и аппаратуру для адсорбции периодически действующие аппараты с неподвижным слоем ионита непрерывнодействующие аппараты, которые подразделяются на аппараты с движущимся слоем ионита и с псевдоожиженным слоем ионита. В производственной практике широко распространены ионообменные установки периодического действия с неподвижным слоем ионита (рис. Аппарат представляет собой цилиндрическую емкость снабженную распределительными устройствами нижними верхним – 3. На нижнем распределительном устройстве, которое представляет собой тарелку с щелевыми колпачками, располагается неподвижный слой ионита (заштрихованная часть). Исходный раствор поступает в аппарат через нижний штуцер и через распределительное устройство 2 проходит в слой ионита. В верхней (полой) части аппарата собирается очищенный раствори через верхний штуцер 5 выводится из аппарата. После завершения ионообменного процесса аппарат останавливают для проведения регенерации ионита. На второй стадии – отмывке ионита – проводят его промывку водой для удаления раствора. При этом воду пропускают через ионит в том же направлении, что и раствор. Затем следует третья стадия – регенерация ионита. Ее проводят регенерирующим раствором, который пропускают обычно в направлении, противоположном направлению течения исходного раствора. Четвертая стадия – отмывка ионита от регенерирующего раствора проводится водой, после этой промывки аппарат готов для проведения следующего цикла. Промывку ионита водой и обработку его регенерирующим раствором можно производить и прямым током, те. по пути очищаемого раствора, однако при противоточной регенерации степень очистки повышается ??????? |