Равновесие и скорость выщелачивания

Равновесие при экстракции в системе твердое тело - жидкость наступает тогда, когда химический потенциал растворенного вещества становится равным величине его химического потенциала в исходном твердом материале. Достигаемая при этом предельная концентрация раствора соответствует насыщению последнего и называется растворимостью. Данные о растворимости различных веществ в зависимости от температуры приводятся в справочниках.

Движущей силой процессов экстракции жидкостью из твердых материалов является разность между концентрацией растворяющегося вещества у поверхности твердого тела с _гр и его средней концентрацией с ₀ в основной массе раствора. Обычно вблизи поверхности твердого тела равновесие устанавливается очень быстро. Поэтому концентрация на границе твердой фазы может быть принята равной концентрации насыщенного раствора с _нас, а движущая сила - выражена разностью с_нас – с_о.

Соответственно при большой скорости межфазного перехода скорость процесса, определяемая количеством вещества, растворяющегося за время dt, и равная , где М - масса растворяющегося твёрдого вещества в момент времени t, определяется по уравнению массоотдачи:

^, (10.6.)

где F - поверхность растворения твердого вещества в момент времени t; b - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.

Изменение концентрации растворяющегося вещества упрощенно представлено на рис. 10.9. Из него видно, что наиболее резко падение концентрации происходит в области диффузионного пограничного подслоя толщиной δ. Соответственно наиболее медленной и лимитирующей стадией процесса является перенос растворяющегося вещества в этом подслое путем молекулярной диффузии. Поэтому согласно первому закону Фика:

, (10.7.)

Сопоставляя уравнение (10.6.) и (10.7.), получим, что и уравнение (10.6.) может быть записано в виде

^, (10.8.)

где - количество вещества, растворяющегося в единицу времени; F _ср - средняя во времени поверхность растворения.

Кинетическое уравнение (10.6.) было впервые получено А.Н. Щукаревым в результате обработки опытных данных по растворению.

Если принять, что , то из уравнения (10.8.) следует, что коэффициент массоотдачи β при растворении твердых частиц пропорционален . Обобщение опытных данных, с учетом этого, позволило получить для расчета β уравнение:

^,

где , , , причем d - диаметр твердой частицы, v - кинематическая вязкость жидкости, обтекающей частицу, ω - скорость обтекания.

Из уравнения (10.8.) видно, что коэффициент массоотдачи D / d обратно пропорционален толщине d диффузионного пограничного слоя, которая, в свою очередь, зависит от гидродинамической обстановки вблизи растворяющихся твердых частиц. Чем быстрее движение жидкости относительно твердой частицы, тем тоньше диффузионный пограничный слой и тем больше коэффициент массоотдачи. Поэтому перемешивание жидкости, позволяющее уменьшить величину d и равномерно распределить твердые частицы в жидкости, дает возможность существенно ускорить растворение.

Другим фактором, ускоряющим растворение и выщелачивание, является температура, так как с повышением ее возрастает величина с _нас и при прочих равных условиях увеличивается движущая сила. Кроме того, при повышении температуры возрастает значение коэффициента диффузии D вследствие уменьшения вязкости жидкой фазы, что также способствует увеличению скорости процесса.

В случае проведения выщелачивания при атмосферном давлении температура процесса должна быть ниже температуры кипения жидкости, приближаясь к ней как к пределу. Использование избыточных давлений позволяет проводить выщелачивание при температурах, превышающих температуру кипения жидкости при атмосферном давлении.

Избыточное давление, создаваемое насосом, дает возможность осуществлять процесс при значительно более высоких скоростях жидкости, обрабатывая более мелко измельченные твердые пористые материалы и преодолевая при этом возросшее гидравлическое сопротивление системы. В результате процессы выщелачивания под давлением протекают с большей скоростью.

Степень измельчения твердого материала оказывает значительное влияние на скорость выщелачивания. Измельчение приводит к увеличению поверхности соприкосновения фаз, а также позволяет сократить путь вещества, диффундирующего из глубины пор к поверхности твердого материала. Однако практически степень измельчения ограничена ввиду того, что ее увеличение сопровождается возрастанием расхода энергии на измельчение, и является экономически целесообразным лишь до определенного предела. Степень измельчения лимитируется также необходимостью проведения фильтрования после процесса выщелачивания.

В отличие от простого растворения в процессе выщелачивания, доступная для взаимодействия с жидкостью поверхность извлекаемого компонента перемещается вглубь пор твердого материала. Это приводит к значительному падению скорости выщелачивания, когда скорость процесса начинает лимитироваться скоростью внутренней диффузии из глубины куска (зерна) твёрдого материала к его поверхности.

В соответствии со схемой на рис 10.10. скорость выщелачивания меньше скорости растворения и определяется по уравнению [ср. с уравнением(10.7.)]

^,

где h - глубина выщелоченного материала.

Контрольные вопросы

1. Что такое процесс экстракции в широком понимании этого слова?

2. Как в химической технологии называется процесс экстракции из растворов?

3. Как в химической технологии и обогащении называется процесс экстракции из объема твердых тел?

4. Какими преимуществами обладает процесс экстракции по сравнению с другими массообменными процессами применяемые при очистке сточных вод или разделении растворов?

5. Чем характеризуется состояние равновесия в системе жидкость - жидкость?

6. Что такое коэффициент распределения?

7. Почему при описании процессов экстракции применяют тройные и более высокого порядка диаграммы состояния?

8. Что такое кривая селективности?

9. Какие методы экстракции применяются в настоящее время?

10. Что такое многоступенчатая экстракция при перекрестном токе?

11. В чем сущность процесса выщелачивания?

12. Из каких основных стадий состоит процесс выщелачивания?

13. Что является движущей силой процесса экстракции?

14. Какие основные факторы влияют на скорость выщелачивания?

15. Как степень измельчения материала влияет на скорость выщелачивания?