Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow Инженерная экология: защита литосферы от твердых промышленных и бытовых отходов

Равновесие и скорость выщелачивания

Равновесие при экстракции в системе «твердое тело — жидкость» наступает, 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 приводятся в справочниках.

Движущей силой процессов экстракции жидкостью из твердых материалов является разность между концентрацией растворяющегося вещества у поверхности твердого тела сгр и его средней концентрацией с0 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 снас и движущая сила может быть выражена разностью снас — с0. Соответственно, при большой скорости межфазного перехода скорость процесса, определяемая количеством вещества, растворяющегося за время dx и равная dM/dx, где М — масса растворяющегося твердого вещества в момент времени х, определяется по уравнению массоотдачи:

где F — поверхность растворения твердого вещества в момент времени х; р — коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.

Изменение концентрации растворяющегося вещества наиболее резко происходит в области диффузионного пограничного подслоя толщиной 5 (рис. 3.1). Соответственно, наиболее медленной и лимитирующей стадией процесса является перенос растворяющегося вещества в этом подслое путем молекулярной диффузии. Поэтому согласно первому закону Фика

где D — коэффициент молекулярной диффузии.

Сопоставляя уравнения (3.1) и (3.2), получим, что (3 = D/Ъ и уравнение (3.1) может быть записано следующем виде:

где М/х — количество вещества, растворяющегося в единицу времени; Fcр — средняя во времени поверхность растворения.

Обобщение опытных данных позволило получить для расчета (3 уравнение

где Nu' = $d/D, Pr' = v/D, Re = wd/v; d — диаметр твердой частицы; v — кинематическая вязкость жидкости, обтекающей частицу; w — скорость обтекания.

Из уравнения (3.3) видно, что коэффициент массоотдачи D/Ъ обратно пропорционален толщине 8 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 8 и равномерно распределить твердые частицы в жидкости, дает возможность существенно ускорить растворение.

Другим фактором, ускоряющим растворение и выщелачивание, является температура, так как с ее повышением возрастает величина снас 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 повышению 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, позволяет осуществлять процесс при довольно 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, чем при нормальных условиях.

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, так как 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 в глубь пор твердого материала. Это приводит к значительному падению скорости выщелачивания, когда скорость процесса начинает лимитироваться скоростью внутренней диффузии из глубины куска (зерна) твердого материала к его поверхности.

Изменение концентрации растворяющегося вещества вблизи поверхности

Рис. 3.1. Изменение концентрации растворяющегося вещества вблизи поверхности

К определению скорости выщелачивания твердого тела

Рис. 3.2. К определению скорости выщелачивания твердого тела

В соответствии со схемой, представленной на рис. 3.2, скорость выщелачивания меньше скорости растворения и определяется по уравнению (сравните с уравнением (3.2))

где h — глубина выщелоченного материала.

В связи с этим различные факторы, указанные выше, далеко не в равной мере влияют на скорость простого растворения и выщелачивания. Так, перемешивание не может оказать существенного влияния на скорость внутренней диффузии при выщелачивании и поэтому дает меньший эффект, чем в процессе простого растворения. Вместе с тем измельчение твердого материала, приводящее, как отмечалось, наряду с увеличением поверхности соприкосновения фаз к уменьшению пути растворяемого вещества при его внутренней диффузии, является относительно более эффективным фактором ускорения процессов выщелачивания.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы