1.3.3 Гетерогенный процесс в системе жидкость — твердое (ж - т)

Процессы с участием твердых и жидких реагентов служат основой многих химических производств. К таким процессам отно­сятся растворение твердых веществ и кристаллизация из растворов, экстрагирование и выщелачивание, плавление твердых тел и крис­таллизация из расплавов, полимеризация в среде жидких моно­меров с образованием твердых полимеров, поликонденсация в жид­кой фазе с образованием твердых высокомолекулярных продуктов.

Растворение физическое и химическое. Физическое растворение, при котором происходит лишь разрушение кристал­лической решетки, обратимо. Химическое необратимое растворе­ние сопровождается такого рода взаимодействиями растворенного вещества с растворителем или с химически активными веществами, присутствующими в растворе, при котором меняется природа раст­воренного вещества, и его кристаллизация в первоначальном виде невозможна. Наибольшее применение в технике имеет экстрагирование или выщела­чивание.

Экстрагированием назы­вается разделение твердых или жидких смесей обработкой их раст­ворителями, в которых компоненты смеси растворяются неодина­ково. Твердые вещества экстрагируют из смеси органическими раст­ворителями, минеральными кислотами, щелочами и водой. При выщелачивании в качестве растворителя часто используются вода и оборотные водные растворы. Процессы растворения, экстрагирования, выщелачивания чаще всего сопро­вождаются кристаллизацией из растворов. Кристаллизация служит для разделения веществ из водных растворов, а также для очистки этих веществ. Кристаллизацию твердых веществ из водных растворов производят различными способами, в зависимости от этих способов различают не­сколько видов кристаллизации:

Политермическая кристаллизация осущест­вляется охлаждением насыщенных растворов и применяется для веществ, растворимость которых при повышенных температурах выше, чем при низких.

Изотермическая кристаллизация, произво­димая испарением воды из растворов при постоянной температуре, используется для солей, растворимость которых мало зависит от температуры. Иногда кристаллизацию осуществляют введением в раствор веществ, понижающих растворимость основной соли. Та­кой тип кристаллизации называется высаливанием. Кристал­лизация из растворов — типичный процесс химической технологии, особенно характерный для производства солей и минеральных удобрений, гидрометаллургических процессов, а также для произ­водства ряда органических полупродуктов и продуктов.

Равновесие в системе Ж-Т основано на правиле фаз и выражается при помощи диаграмм фазового состояния. Анализ диаграмм позволяет определять равновесный выход продукта и мак­симальное приближение реального производственного процесса к равновесию.

Для обратимых процессов между твердыми и жидкими реаген­тами подвижное равновесие можно охарактеризовать при помощи константы равновесия реакции в жидкой фазе. При этом применяют упрощенные выражения константы равновесия, включающие только концентрации основных компонентов, находящихся в жидкой фазе.

Кинетика взаимодействия в системе Ж-Т рассматривается на примере процессов растворения и выщелачи­вания. Обычно процессы растворения идут в диффузионной или переходной области. При физическом обратимом растворении раз­рушается кристаллическая решетка и частицы твердого вещества переходят в раствор. Скорость физического растворения для дан­ной пары реагентов (Ж — Т) определяется в основном законами диффузии и поверхностью соприкосновения фаз. Скорость растворения и уменьшается при повышении концентрации растворенного вещества С в жидкой фазе по лога­рифмическому закону в соответствии с кинетическим уравнением физического растворения:

Где k — коэффициент скорости растворения. Коэффи­циент скорости физического растворения иногда выражают следую­щим образом:

Где D — коэффициент диффузии растворенного вещества; — ус­ловная толщина пограничного диффузионного слоя.

Kритериальное уравнение для скорости растворения взве­шенных кристаллов соли выражается следующим образом:

Где l — средний линейный размер частицы; v — кинематический коэффициент вязкости жидкости; р_т, р_ж — плотности твердой частицы и жидкости (растворителя); А — постоянный коэффициент.

Для реакторов с мешалками коэффициент массопередачи k можно определить по уравнению

Где А и В — коэффициенты, характеризующие тип мешалки; n — число оборотов мешалки, об/с.

Кинетика растворения, сопровождающегося химическими реак­циями, определяется двумя одновременно протекающими взаимо­связанными стадиями: а) процессы на поверхности твердого веще­ства; б) диффузионный процесс. Скорость химического растворения выражается различным образом в зави­симости от характера движущей силы процесса и преимуществен­ного влияния на коэффициент скорости растворения химических или физико-химических факторов. Если на поверхности твердого вещества идет быстрая хими­ческая реакция и в раствор диффундируют только продукты ре­акции, то движущей силой процесса является концентрация актив­ного вещества растворителя Ср:

U=kfcp.

Такой вид кинетического уравнения характерен для раство­рения металлов. Возможны и другие типы химического растворения, описываемые более сложными кинетическими уравнениями. При выщелачивании растворимой части пород скорость процесса замедляется в результате дополни­тельной стадии внутренней диффузии растворителя в поры твердого вещества.

Интенсификацию процессов растворения, выщелачивания, экст­рагирования осуществляют увеличением поверхности соприкосно­вения фаз F, измельчением твердого вещества, увеличением его пористости, повышением относительной скорости перемещения твердой и жидкой фаз.

Повышение температуры также может служить одним из наиболее эффективных приемов ускорения процессов растворения и выщелачивания как в кинетической, так и в диффузионной области. Для процессов растворения в диффузионной области преимущественным приемом интенсификации может быть интенсивное перемешивание, которое ускоряет диффузию, вырав­нивает концентрацию, а при химическом растворении способ­ствует удалению твердых продуктов реакции с поверхности раст­воряемого вещества. Для химического растворения, интенсивность перемешивания ускоряет процесс повышение тем­пературы. При выщелачивании для повышения средней движущей силы процесса применяют проти­воток твердого материала и растворителя.