Экстрагирование из твердых веществ
Экстракция из твердых веществ основана на извлечении одного или нескольких компонентов этих веществ путем их избирательного растворения в жидкостях (экстрагентах). Простейшей разновидностью процесса является полное растворение отдельных твердых веществ или их смесей в жидкостях. Более сложен процесс экстрагирования (выщелачивания) из твердого материала, состоящего из инертного (нерастворимого) скелета, в котором распределено растворимое вещество. Последнее переходит в раствор путем его растворения в жидкости, а инертный скелет сохраняется.
Оба процесса носят диффузионный характер, существенно различаясь по механизму протекания. При растворении растворимое вещество непосредственно контактирует с жидкой средой в течение всего процесса, при экстракции межфазная граница непрерывно передвигается внутрь пористого материала.
Процесс выщелачивания широко используется в технологии утилизации твердых отходов при их обогащении.
Растворение заключается в гетерогенном взаимодействии между жидкостью и твердым веществом, сопровождаемого переходом твердого вещества в раствор. Возможность самопроизвольного растворения твердого вещества оценивается знаком величины AG (изменение энергии Гиббса):
где АЯР - изменение энтальпии; Т- абсолютная температура; AS - изменение энтропии.
При AG < 0 возможно растворение, AG = 0 соответствует равновесию в системе, при AG > 0 вероятен процесс кристаллизации. Растворимость твердых веществ в жидкостях обычно ограничена концентрацией насыщения Снас.
Скорость растворения как массообменного процесса, кг/с, может быть выражена уравнением:
где m - количество растворенного вещества, кг; Км - коэффициент массопередачи (константа скорости процесса), м/с; S - общая поверхность, м2, растворяемых частиц в момент времени т, с; Снас - концентрация насыщения раствора, кг/м3; С - концентрация раствора в момент времени т, кг/м3.
Скорость выщелачивания изменяется в ходе процесса и зависит от концентрации реагентов, температуры, величины поверхности твердой фазы:
где т - количество выщелачиваемого вещества в твердой фазе, кг; j - количество выщелачиваемого вещества, переходящее в раствор в единицу времени т с единицы поверхности твердой фазы (поток выщелачивания, удельная скорость выщелачивания), кг/(м2 с); S - поверхность взаимодействия фаз, м2.
Основными способами растворения и экстрагирования являются:
- 1) замкнутый периодический процесс;
- 2) прямоточный и противоточный процессы;
- 3) проточный процесс в неподвижном фильтрационном слое.
Замкнутый периодический процесс проводится в аппарате с механическим или пневматическим перемешиванием. В этих условиях возникает переменная во времени скорость обтекания, обусловленная инерцией частиц. При таком режиме ускоряется процесс растворения и экстракции и быстро достигается состояние равновесия.
Прямоточный и противоточные процессы растворения и экстракции проводят в каскаде последовательно соединенных аппаратов с мешалками, через которые пульпа движется самотеком (рис. 4.43).
Рис. 4.43. Схема непрерывного процесса экстракции в каскаде аппаратов с мешалками
При работе по такой прямоточной схеме движущая сила процесса постепенно снижается от ступени к ступени, но при числе ступеней, не превышающем 3...6, в таких установках достигается достаточно высокая степень извлечения.
Более эффективным является проведение непрерывных процессов экстракции по принципу противотока в батарее аппаратов (рис. 4.44), где свежий растворитель на конце установки взаимодействует с проэкстрагированным материалом, а на другом ее конце исходный твердый материал обрабатывается концентрированным раствором.
Рис. 4.44. Схема многоступенчатого (1, 2,..., т п ) прогивоточного экстрагирования системы твердое тело - жидкость
При этом достигается более равномерная работа аппаратов, повышается концентрация раствора, уменьшается расход растворителя и увеличивается производительность установки.
Процесс экстракции в неподвижном слое заключается в фильтровании жидкости (растворителя) сквозь слой пористого кускового материала. Растворение можно проводить периодически или непрерывно при уменьшении во времени высоты слоя (рис. 4.45).
Рис. 4.45. Аппараты для непрерывного растворения твердых веществ:
а - с опускающимся слоем твердого вещества и прямотоком жидкости; б - с псевдоожиженным слоем твердого вещества; 1 - вход твердого вещества;
2 - вход растворителя; 3 - выход раствора; 4 - удаление твердого нерастворимого остатка
