Химическая технология, ч. 1. - Гончаров А.И
Скачать (прямая ссылка):
Процеси розчинення часто передують різним хімічним процесам, тому що в розчиненому і значною мірою дисоційованому етані збільшується рухливість і хімічна активність молекул розчиненої речовини.
Кінетика процесів розчинення і екстракції характеризується складними закономірностями. Для її розрахунку, звичайно, використовують математичні моделі, в основу яких покладено спрощені припущення, що тверді частинки мають сферичну форму і ізотропну структуру.
Розчинення твердих речовин у рідині можна орієнтовно поділити на фізичне і хімічне. Фізичне розчинення, при якому відбувається лише руйнування кристалічної решітки, обернене, тобто можлива зворотна кристалізація розчиненої речовини. Цей тип розчинення використовується в технології мінеральних добрив і солей. На різній розчинності солей часто грунтується їх розділення, як, наприклад, у виробництві KCl з сильвініту і карналіту, мідного купоросу та ін.
Хімічне необернене розчинення супроводиться взаємодією розчиненої речовини з розчинником або з хімічно активними, присутніми в розчині речовинами. При цьому змінюється природа розчиненої речовини і тому його кристалізація в початковому вигляді неможлива. Характерним прикладом хімічного розчинення є розчинення металів у кислотах при добуванні мідного купоросу з відходів міді, цинкових солей — з цинкових відходів.
Найбільш поширеним у техніці є вибіркове розчинення твердих речовин — екстрагування, або вилуговування — розділення твердих або рідких сумішей обробкою їх розчинниками, в яких компоненти суміші розчиняються неоднаково. Вилуговування широко застосовують у гідрометалургії, тобто при мокрому способі добування металів з руд, рудних концентратів та промислових відходів. Процеси вилуговування застосовуються також у виробництві мінеральних солей і добрив, продуктів харчування та ліків. При вилуговуванні розчинником часто буває вода або оборотні водні розчини (луги).
Кінетику взаємодії в системі рідина — тверде тіло можна розглянути на прикладі процесів розчинення і вилуговування, які відбуваються переважно у дифузійній, або перехідній, області. При фізичному оберненому розчиненні відбувається руйнування кристалічної решітки і перехід частинок твердої речовини в розчин. Швидкість
фізичного розчинення —^- для пари реагентів P — T визначається
законами дифузії і величиною поверхні стикання фаз, тобто поверхнею кристалів. Вона зменшується із збільшенням концентрації розчиненої речовини с в рідкій фазі за логарифмічним законом відповідно до кінетичного рівняння фізичної рівноваги
¦^T = KFKaC-Ch (НІ)
де G — кількість речовини, що розчиняється за час т; K — коефіцієнт швидкості розчинення, який залежить від швидкостей дифузії і руйнування кристалічної решітки; спас і с — концентрації насиченого і початкового розчинів відповідно; F — поверхня стикання фаз.
6*
163
Швидкість хімічного розчинення виражається по-різному залежно від характеру рушійної сили процесу і переважного впливу на коефіцієнт швидкості розчинення різних хімічних або фізичних факторів: констант швидкостей хімічних реакцій на поверхні твердої речовини або в розчині, товщини дифузійного шару, енергії кристалічної решітки.
Загальними заходами інтенсифікації процесів розчинення, вилуговування та екстракції є збільшення поверхні дотику фаз. Для цього тверду речовину подрібнюють, збільшують її пористість, роблять повнішим обмивання поверхні кристалів рідиною, збільшують відносну швидкість переміщення твердої і рідкої фаз (перемішування) та підвищують температуру.
Основними способами розчинення (екстракції), що застосовуються в промисловості, є: замкнений періодичний процес, прямоточний і протитечійний процеси та процес у нерухомому шарі (фільтраційно-проточний або циркуляційний).
Замкнений періодичний процес здійснюється в апараті з механічним або пневматичним перемішуванням. Ці процеси малоефективні через недоліки, які властиві для всіх періодичних процесів.
Прямоточний і протитечійний процеси, які здійснюються в апаратах безперервної дії, використовуються досить широко. Для підвищення інтенсивності розчинення ці процеси здійснюються в каскаді послідовно сполучених апаратів з мішалками, через які пульпа рухається самопливом. При роботі за такою прямоточною схемою рушійна сила процесу поступово знижується від апарата до апарата, проте не в такій мірі, як в одному апараті з мішалкою, коли із свіжим розчином змішується кінцевий концентрований розчин.
Більш ефективним є проведення безперервного процесу вилуговування за принципом протитечії. Під час руху твердих часточок назустріч потоку рідини свіжий розчинник, що вводиться в кінці установки, взаємодіє з матеріалом, який значною мірою вже оброблений. На другому кінці установки вихідний твердий матеріал обробляється концентрованим розчином. Внаслідок протитечійного вилуговування ефективність процесу підвищується, концентрація розчину збільшується, витрата розчинника зменшується і продуктивність апаратури зростає. Як видно із схеми протитечійної установки (рис. 83), свіжий розчинник (вода) внкорнстовується спочатку для промивання осаду на фільтрі 1. Утворені слабоконцентровані промивні води направляються в апарат 2 з мішалкою, де змішуються з осадом, який надходить з фільтра З, і промивають його. Пульпа з апарата 2 поступає у фільтр 1. Промивні води з фільтра 3 перекачуються в апарат 4, де взаємодіють з вихідним твердим матеріалом. Для інтенсифікації процесу розчинення і екстракції використовують низькочастотні механічні коливання. Досить значне збільшення швидкості обмивання часточок, а відповідно коефіцієнтів масовіддачі, спостерігається, якщо застосувати обертовий Рух рідини разом з твердим матеріалом (відцентровий режим).
