第二节　离子交换设备及其发展

一、离子交换设备的类型

离子交换设备从其作用原理大体上可分为三种类型，这三种类型同时也代表了离子交换设备三个不同的发展阶段。

（1）固定床　第一类离子交换设备为间歇式固定床设备。间歇式固定床由于交换效率低，树脂用量多，致使设备规模庞大，但因其设备结构简单，自动化程度要求不高，至今仍被许多工业部门所采用。

（2）流化床　20世纪40～50年代，随着湿法冶金工业的需求，开始出现了第二种类型的离子交换设备，即连续流化床离子交换设备。这类设备是以树脂本身处于流动状态为特征的，因此极大地强化了树脂和液流间的固液两相传质过程，可以使用少量的树脂处理大量的料液，在湿法冶金工业中获得广泛的应用。

（3）模拟移动床　第三类离子交换设备是以美国AST公司于20世纪80年代末研发的多槽口旋转阀连续逆流移动床式离子交换设备为代表，它是以小型固定床的连续切换，树脂和液流逆向接触为特征。这种设备兼有固定床和流化床的特点，既有流化床的连续、逆流、高效传质的特点，同时又克服了流化床中由于树脂移动带来的树脂输送、磨损和破碎的不足，通过一套多槽口旋转式分配阀可以同时完成树脂和各种料液的转换。另一种称为阀阵式离子交换设备也属于模拟移动床系列，其特征是采用大量的阀门按程序开关以实现料液的顺序切换。

以下将对各类离子交换设备分类加以详述。

二、固定床离子交换设备

固定床是最早采用，目前仍被广泛应用的一类离子交换设备，单个床体的结构如图1-5所示，通常为高径比（H/D=2～5）的圆柱形设备，具有圆形或椭圆形的封头。在上部装有液流分布器，树脂密集装填在支撑板上。筒体上设有树脂装卸口、视镜及人孔等。

固定床离子交换系统一般以四柱为一组，对应于离子交换的吸附、洗涤、解吸和淋洗四个步骤，并用阀门切换使四柱串联操作，如图1-6所示。当一个树脂柱吸附饱和后，关闭进料阀，改为第二柱进料，第一柱开始水洗，水洗完成后，关闭进水阀，打开洗脱剂阀，进行洗脱操作，在出口获得洗脱产品。当产品浓度降至一定限度时，停止出料，切换至淋洗操作，淋洗操作完成后，关闭水阀，打开进料阀，进入下一轮操作。

固定床离子交换系统的特点是：设备结构简单，操作方便，树脂磨损少，适宜于澄清料液的交换。但由于吸附、水洗、洗脱（再生）等操作步骤都在同一个设备中并按时间顺序进行，树脂利用率低，产品浓度波动较大。同时切换阀门多，管线复杂，不适于悬浮液的处理。

三、流化床离子交换设备［13～22］

为了克服间歇式固定床离子交换技术固有的树脂利用率低、清洗水和洗脱剂耗量大、树脂用量多、设备庞大以及床层高度受压降限制等固有缺陷，早在1926年诺德尔（Nordell）就提出了用于水软化处理的连续离子交换装置的构思与设计。但是直到20世纪50年代才真正开发出工业上可用的流化床离子交换设备。流化床离子交换设备是在流态化与离子交换这两个单元操作相结合的基础上而产生的，其特征是在离子交换过程中树脂本身是流动的。由于树脂在移动中和料液逆向接触，使离子交换过程的传质效率大大提高，树脂用量减少，有利于实现自动控制，单台设备即可处理大量物料，节省投资和占地面积。由于流化床离子交换设备的这些优点，使其成功地应用于各种工业生产过程，特别是在湿法冶金中取得明显的技术经济效益，第二次世界大战前后在铀提取工业中获得广泛应用。但是，流化床设备的树脂磨损较严重，自动控制要求严格，在一般的生产应用中受到一定的局限。

这类设备的设计构思与机械结构各具特色、种类繁多。若加以细分，按树脂移动方式可分为移动床、流化床和搅拌床，按设备结构形式可分为塔式和槽式。其中具有代表性的有Chem-Seps设备、NIMCIX离子交换塔、Himsley流化床设备等，以下分别加以说明。

1.Chem-Seps设备

该设备由美国在20世纪50年代研制成功，也称Higgins设备，是一种移动床环形连续离子交换装置，如图1-7所示。Chem-Seps设备是一个由交换区、反洗区、脉动区、再生区和清洗区组成的循环系统，各区之间用自动控制阀A、B、C、D分开。操作分为液体流动和树脂移动两个阶段进行。在液体流动阶段，控制阀关闭，各区分别通入进料液、反洗水、再生剂和清洗水，同时进行离子交换、交换后树脂洗涤、树脂再生和再生后淋洗等步骤。然后转换到树脂移动阶段，此时停止液体进料，打开A、B、C、D控制阀，依靠脉动阀的水力脉冲使树脂按反时针方向移动一定量，即将交换区中已饱和的树脂送入反洗区，反洗区已清洗的树脂送入再生区，再生区内已再生好的树脂送入清洗区，清洗区内的树脂则送入交换区。接着关闭控制阀，系统又转入液体流动阶段，如此循环操作。

Chem-Seps连续离子交换设备的树脂用量仅为固定床的15％～30％，可处理低浓度溶液，废水量少。其特点是吸附液系降流操作，流速高（比一般流化床高5～8倍），故处理量大。美国1978年所建的四个直径为2.44m的Chem-Seps设备，从铜矿堆浸液中回收铀，日处理量可达54700m3。其缺点是吸附过程对含固量很敏感、结构复杂、阀门开闭频繁、自动化程度要求高、树脂损耗量大。至20世纪60年代末，已有70套以上Higgins设备装设于世界各地，其中较大的装置主要用于锅炉水的软化，其他用于水的淡化、脱盐和化学工业。

2.NIMCIX离子交换塔

NIMCIX离子交换塔（图1-8）由南非国立冶金研究所研制，于1975年首次投入工业运行。该设备的工作原理如图1-9所示。设备由多孔板将塔体分成若干个隔室，底部筛板上设有罩帽，顶部为扩大段。运行时，经过再生的树脂定期由塔顶加入，料液按预定程序周期性地从塔底加入，吸附尾液由塔上部扩大段溢流排出。在料液的上升流动过程中，使塔内各级塔板上的树脂膨胀流化，充满各级空间，当停止进料时，树脂在塔板上沉降，之后液流反向流动，树脂由上一级穿过筛板孔落入下一级，底部一层筛板由于罩帽的阻隔，而保留一定量的树脂。塔底吸附饱和的树脂，靠水力排入塔下的树脂输送槽，并由此送去再生淋洗，完成淋洗的树脂由塔顶补充加入。塔顶扩大段在树脂加入时能减弱塔内液体的波动，维持塔的稳定操作，同时可防止吸附尾液对树脂的夹带，减少树脂的流失。

该设备规模达到塔径4.85m，筛板段塔高12m，树脂装量110m3。在铀的提取工业中已获得大规模应用，20世纪70年代后期，在南非即有10台设备投入生产，总生产能力达到28600m3/d。

NIMCIX离子交换塔的特点是，设备容积利用率高、启动时间短、吸附率高、树脂损失少，可处理一定含固量的物料，结构亦较简单。

3.Himsley流化床

Himsley流化床由加拿大Himsley公司研制，是一种典型的升流式连续多段流化床离子交换塔式设备，其结构如图1-10所示。

吸附塔是由倒锥形堰帽结构的塔板将塔体分隔的多隔室设备。料液自塔底连续引入，逐级向上流动，和各隔室中的树脂形成均匀流化接触，吸附后的尾液由塔顶排出。再生后的树脂由塔顶加入，沿隔室下降，与液流形成逆向接触。由于塔板为倒锥堰帽型阻流式的特殊结构，级间树脂的转移是采用旁路侧流管，通过溶液的输送而逐级定量进行的，操作稳定，各级树脂转移量基本上可维持恒定。塔底树脂达到饱和后，间歇排料，经树脂测量槽送往再生淋洗塔。淋洗塔属于密实移动床操作。

与南非NIMCIX离子交换塔不同的是，操作过程中进料液不间断，停车和启动过程中各级树脂不乱层，仍可保持原来所建立的浓度梯度分布。塔内树脂的停留时间可达13～40h，每级树脂的转移需2～4min，对于一个8级的吸附塔，全塔转移时间共需约30min，仅占整个操作周期的2％，因此不会造成吸附尾液中有用成分的损失。

Himsley流化床于1979年投入工业生产，设备规模达到塔径4m，塔高20m，装入树脂量54m3，处理能力为210m3/h，工厂规模达到日处理25200m3料液。

该设备具有吸附收率高、无级间返混、操作连续稳定、开停车方便等优点。但管路阀门多（多达上千个阀门）、结构复杂、自动化程度要求高、设备容积利用系数低是其不足之处。

四、模拟移动床离子交换设备［23～33］

模拟移动床离子交换设备是介于流化床和间歇固定床之间的一类离子交换设备。它既具有流化床连续自动化运行、高效固液传质的特点，同时又具有固定床床体结构简单、树脂相对稳定的优势，从而避免了由于流化床中树脂的输送带来的树脂磨损，以及树脂流化所需的复杂机械和控制系统。这种设备又可分为两种类型，一类称为阀阵式离子交换设备，另一类是多槽口旋转分配阀式离子交换设备。

1.阀阵式离子交换设备

阀阵式离子交换系统是采用大量阀门和多个树脂柱组合的模式，通过自动程序控制开启和关闭这些阀门，使工艺流体按照工艺要求顺序切换，依次进入树脂柱，以实现模拟移动床的操作。这类设备结构简单，阀门多采用气动和液压式自动控制阀，在许多工业部门也多有采用。但是，阀阵式离子交换设备，在通常工艺条件下，每个树脂柱需要配置9～11个阀门。由于配置大量的阀门和集管、支管及管件，管线布置比较复杂，并增加系统液流的死角。图1-11为一种典型的阀阵式离子交换系统工业装置，可见其阀门及管线的复杂性。阀阵式离子交换系统和多槽口旋转分配阀式离子交换系统的工作原理大致相同，但两者相比，这种多阀门固定床系统仍然难以达到多槽口旋转阀连续逆流离子交换和色谱分离系统（CCIX系统）的综合优势。在CCIX系统中，可以按照工艺要求，很容易实施离子交换过程的细化和改进，如在级间改变物料的性质，增加预洗脱步骤等。而对于多阀门固定床系统来说，每增加一种功能，每一个树脂柱即要增加至少2个新阀门，同时增加集管和控制系统。如果完全按照CCIX配置，因其复杂程度和成本的增加会变得难以实施。

2.多槽口旋转阀连续逆流离子交换系统

20世纪80年代末美国AST公司研发了一种新型离子交换（ISEP）系统——多槽口旋转阀连续逆流离子交换系统（也称多功能阀连续逆流离子交换系统）。这种设备由一个多槽口分配阀和机械转盘两大部分构成，树脂填充在若干小树脂柱内，由转盘带动树脂柱旋转，通过分配阀使液流和树脂柱形成逆向接触流动，从而将传统的固定床转化为连续操作，使离子交换过程的效率得到提高。ISEP在投入工业化运行后，曾经过两次大的改进，出现了第二代SepTor系统和第三代RDA、Ionex系统，使系统设备进一步简化，方便安装和维修。这种设备结构紧凑，控制系统简单，适应性强，既可以用于离子交换操作又可用于色谱分离。

（1）ISEP系统　ISEP的结构如图1-12所示。设备的最上部是多槽口旋转分配阀，分配阀由固定端和旋转端构成，有上、下对应的槽口，旋转端由伺服电机带动作连续驻留式（Index）旋转。树脂柱安装在接近地面的转盘上，由另一组电机传动系统带动作连续匀速转动。由于阀门和转盘之间的转动有一定的位差，阀门旋转端的料液接口和树脂柱间需要用软管连接，以保持同步。树脂柱（通常为20～30个）按圆周分布，分为不同的区域，如吸附区、洗涤区、解吸区和淋洗区等，每个区域由若干个树脂柱构成。当分配阀作Index旋转时，料液依次进入不同的区域和树脂柱，与树脂形成逆向接触。在运行中，离子交换的各步骤可同时进行，当转盘带动树脂柱旋转一周（360°）时，即完成离子交换从吸附、洗涤、再生到淋洗的一个完整的循环。

（2）SepTor系统　SepTor系统是芬兰Outotec公司在ISEP的基础上进行改进并获得专利的系统，如图1-13所示。SepTor系统将旋转阀和转盘连为一体，用一套传动装置同时带动转盘和分配阀旋转，使阀门和转盘的转动完全同步，从而省去原ISEP系统的一套用于阀门驱动的机械和控制系统，同时取消了软管连接，为设备安装、生产和维修带来了方便。

（3）RDA系统　南非TongGaat公司是一家有百年历史的生产蔗糖跨国公司，拥有多套ISEP设备用于蔗糖生产过程中的脱色、脱灰操作。在实际生产应用中，发现ISEP系统的不足，启发了改进ISEP的构想。后与美国IXSEP公司（ISEP的主要发明人之一G.Rossiter）合作，对ISEP系统进行了较大的改进。它将原ISEP旋转阀的固定端和旋转端做了对换、树脂柱和阀的固定端连接，并将工艺管线和旋转端相连作Index转动，从而对设备结构做了重大的简化和改进，如图1-14所示。RDA系统取消了转盘，树脂柱可以固定地安装在地面上，除了连接树脂柱和外部管线外，其余工艺管线均安装在旋转阀上。整个设备更加紧凑，不但操作维修简便，同时为用户安装省去了很多工作量。

（4）Ionex系统　Ionex系统由比利时Puritech公司的P.Rocheter研发成功，并在全球申请了专利。与RDA系统类似，目的亦在于从改进旋转分配阀着手，以取消转盘系统。其分配阀的结构如图1-15所示，主要特点是在阀芯增加了一个工艺转盘，用于按工艺要求分配流体。Ionex和RDA系统类似，设备紧凑，结构简单，具有第三代改进设备的共同特点，但工艺流程定型后比较难于变更。

我国自1995年由泉州大泉赖氨酸厂引进第一套ISEP设备以来，发展速度很快，其后，基本上新建的赖氨酸装置、古龙酸和维生素C装置均采用这种技术。目前，ISEP、SepTor、RDA和Ionex四种不同类型的设备，国内都有引进和应用，已有百余套装置成功地应用在生化、医药、发酵、淀粉糖和无机化工等领域。国内大批科技工作者针对这种设备开展了实验室基础研究以及新产品的应用开发研究，许多硕士、博士论文选择多槽口旋转阀连续逆流离子交换系统作为研究课题。为了叙述方便，本书把这种多槽口旋转阀式连续逆流离子交换和色谱分离技术简称为CCIX系统（continuous counter-current ion exchange & chromatographic separation system）或连续逆流离子交换系统。这种设备是本书讨论的重点，以后各章将会对CCIX系统的工艺特点、设备构造、工艺设计以及工业应用的开发做深入详细的论述。