Hình 2.1 Cấu tạo của hạt nhựa
2.5.3 Tính toán thiết kế cột trao đổi ion[13]
Khi thiết kế một cột trao đổi ion cần tính toán được các thông số sau + Thể tích của tầng chất trao đổi ion.
+ Chu kỳ hoạt động của nhựa trao đổi, tức là thời gian hoạt động của cột đến khi nó hết khả năng trao đổi.
+ Tốc độ dòng chảy qua cột.
+ Lượng chất tái sinh và chế độ tái sinh. + Tính toán kích thướt cột trao đổi.
─ Chọn loại nhựa và dung lượng trao đổi
Nhựa trao đổi có nhiều dạng, dung lượng trao đổi của nó được các nhà sản xuất đánh giá và công bố. Do cột trao đổi hoạt động chủ yếu sau những lần tái sinh nên dung lượng hoạt động của nó khó đạt được giá trị ghi trong các nhãn hàng hoá mà phụ thuộc vào chế độ tái sinh, tái sinh kỹ sẽ tăng được dung lượng hoạt động nhưng hao nhiều chất tái sinh, vì vậy người ta chọn một chế độ tái sinh vừa phải, hài hoà giữa hai yếu tố đó. Với cationit mạnh dung lượng hoạt động nằm trong khoảng 0.9 - 1.4 đl/l, anionit mạnh có dung lượng hoạt động trong khoảng 0.4 - 0.8 đl/l.
Thể tích tầng chất trao đổi ion phụ thuộc vào tốc độ trao đổi, tốc độ lớn cần thể tích tầng nhựa nhỏ và ngược lại. Thể tích tầng nhựa tính toán dựa trên đặc trưng thời gian tiếp xúc theo tầng rỗng tR (empty bed contact time):
t VQR
R = (2.25)
Trong đó:Q là tốc độ thể tích của chất lỏng (m3/h),
VR là thể tích của tầng nhựa bao gồm cả khoảng không gian trống giữa các hạt.
Giá trị tR thiết kế thường nằm trong khoảng 1,5 - 1,7 phút. Giá trị dòng chảy vF (hay BV) là giá trị nghịch đảo của tR.
R R F t V Q v = = 1 (2.26)
Tốc độ vF có thể tính theo m3.m-3.h-1 hay nghịch đảo của thời gian h-1. Với đơn vị h-1 thì được hiểu là trong một giờ thể tích lượng nước chảy qua cột gấp bao nhiêu lần thể tích của tầng nhựa. vF thường được thiết kế với giá trị từ
8 – 40 m3.m-3.h-1.
─ Chu kỳ hoạt động
Muốn tính được chu kỳ hoạt động cần phải biết được đương lượng ion trao đổi trong dung dịch, dung lượng hoạt động của nhựa, tốc độ thể tích của dòng và thể tích tầng nhựa.
Từ mối quan hệ:
aR.VR =Q.t.aS (2.27)
Trong đó: aR là dung lượng động (đl/l) của nhựa, VR là thể tích tầng nhựa (l),
Q là tốc độ thể tích (m3.h-1), t là thời gian hoạt động (h), aS là đương lượng ion trao đổi trong dung dịch (đl/l), ta có: S R . . a Q V a t = R (2.29) ─ Tính toán kích thướt cột:
Chiều cao của tầng nhựa được thiết kế tối thiều là 75 cm, có cột với chiều cao trên 3 m cũng được sử dụng trong công nghiệp. Do nhựa có độ tương nở và trước khi tái sinh nó thường được sục ngược để làm lỏng tầng nên thể tích nhựa chỉ chiếm bằng 50 – 70% thể tích tổng của cột, vì vậy độ cao của cột tăng 40 – 100% so với chiều cao của tầng nhựa.
Tỉ lệ giữa đường kính (cột hình trụ) so với chiều cao của tầng nhựa là: 0,2 – 0,5 nếu phân bố dòng vào đều. Người ta thường chọn chiều cao của tầng nhựa lớn hơn đường kính của cột.