Процессы растворения и экстракции в системах твердое тело-жидкость

Растворение твердых частиц в жидкостях один из широко применяемых процессов химической технологии, применяется в химической технологии для ускорения процессов, т.к. в растворенном и диссоциированном состоянии увеличиваются подвижность и химическая активность молекул растворенного вещества.

В промышленности используют:

1. растворение чистых твердых веществ, перевод которых в раствор ускоряет процесс;

2. селективное (избирательное) растворение одного или нескольких веществ из твердых тел, являющихся смесью различных компонентов. Такие процессы, представляющие собой диффузионное извлечение растворителем компонента из твердого пористого материала называются экстракцией в системе твердое тело-жидкость или выщелачиванием.

Растворитель – вода или водные растворы минеральных кислот и щелочей.

Гетерогенные текучие системы растворитель-твердый пористый материал называются пульпами.

Выщелачивание часто сопровождается фильтрованием, выпариванием, кристаллизацией.

Жидкость проникает в поры твердой фазы, растворяет извлекаемый компонент или вступает с ним в реакцию. Вещество, перешедшее в раствор или продукт реакции, диффундирует к поверхности твердого тела и переходит в основную массу жидкости.

Растворяемое вещество может содержаться в порах в растворенном виде и переходит в растворитель диффузионным путем.

На перенос вещества оказывает влияние:

1. форма;

2. химический состав;

3. размер;

4. внутреннее строение – структура твердого тела.

От структуры зависит диффузионная проводимость твердого тела, которая значительно влияет на скорость выщелачивания. Структура определяется размерами, расположением и видом (сквозные или закрытые с 1 стороны) пор.

В процессе селективного растворения, протекающего с химической реакцией, могут образовываться газ или твердые продукты реакции. Кроме того, целевой продукт в перенасыщенном растворе может выкристаллизовываться. Все эти вещества могут осаждаться на поверхности твердого тела, снижать поверхность контакта с растворителем и снижать скорость.

Равновесие и скорость выщелачивания

Равновесие при экстракции в системе твердое тело-жидкость наступает, когда химический потенциал растворяемого вещества становится равным химическому потенциалу его в исходном твердом материале.

Достигаемая при этом предельная концентрация раствора соответствует насыщению раствора и называется растворимостью (справочная величина).

Движущей силой процессов экстракции жидкостью из твердого материала является разность между концентрациями растворяемых веществ у поверхности твердого тела и в ядре смывающего потока. Вблизи поверхности твердого тела концентрация устанавливается быстро и может быть принята равной С_нас. Движущая сила может быть выражена разностью С_нас-С₀.

Скорость процесса можно выразить как , где М – масса растворяющегося твердого вещества в момент времени τ.

(А)

F – поверхность равновесия твердого вещества в момент времени τ.

β – коэффициент массортдачи в жидкой фазе.

Наиболее резкое падение концентрации от С_нас до С происходит в диффузионном слое жидкой фазы (пограничном), где лимитирующим является перенос растворяемого вещества путем молекулярной диффузии.

(В)

D – коэффициент молекулярной диффузии (I закон Фика).

Сопоставляем А и В, :

,

- количество вещества, растворяющееся в единицу времени;

F_ср – средняя во времени поверхность растворения.

Обобщение опытных данных позволило вывести уравнение для β:

,

.

d – диаметр твердых частиц;

w – скорость обтекания.