Лекция 8 процессы экстракции и растворения в системах твердое тело—жидкость

1. Общие сведения

2. Способы экстракции и растворения

3. Устройство экстракционных аппаратов

1. Общие сведения

Экстракция в системе твердое тело — жидкость представляет собой процесс извлечения (благодаря избирательной растворимости) одного или нескольких компонентов из сложного твердого вещества пористой струк­туры. Извлекаемый компонент содержится в порах твердого вещества либо в твердом виде, либо в растворенном состояние (рис. XVI-11). В первом случае экстракция заключается в извлечении твердой фазы, причем извлекаемый компонент последовательно растворяется в жидкости (избирательном растворителе), проникающей в поры исходного сложного твердого вещества, диффундирует к наружной поверхности последнего и за­тем диффундирует от этой поверхности в основную массу жидкости. Во вто­ром случае процесс сводится к из­влечению растворенного вещества, которое диффунди­рует из пор твердого вещества в основную массу жидкости.

П ри любом состоянии извлекае­мого компонента в порах (твердом или жидком) скелет сложного твер­дого вещества остается неизменным и играет в процессе экстрагирования роль инертного носителя.

В химической технологии широко распространены процессы рас­творения твердых тел в жидко­стях. Под растворением мы будем по­нимать переход вещества в раствор с поверхности твердых частиц, цели­ком состоящих из растворяющегося вещества. Таким образом, в отличие от экстракции, здесь растворяю­щееся твердое тело не имеет инертного (нерастворимого) скелета.

Из указанного выше механизма процессов экстрагирования следует, что в них распределяемому веществу приходится преодолевать как вну­треннее, так и внешнее диффузионное сопротивление. Первое связано с диф­фузией вещества изнутри пор твердых частиц к их поверхности, второе — с диффузией от поверхности через пограничный слой жидкости в ее основ­ную массу. При растворении же преодолевается лишь одно внешнее диффу­зионное сопротивление. Поэтому процессы растворения протекают быстрее процессов экстрагирования.

В качестве избирательных растворителей при экстракции из твердых веществ в химической промышленности наиболее часто применяют воду или водные растворы некоторых неорганических кислот; при этом процесс извлечения называют выщелачиванием.

Выщелачивание является, в частности, первой стадией химической переработки минерального сырья, из которого этим способом извлекают ценные компоненты, отделяемые от инертного материала (пустой породы). При взаимодействии избирательного растворителя с исходным твердым материалом обычно образуются гетерогенные текучие системы, называемые пульпами.

Процессы растворения часто предшествуют различным химическим процессам, так как в растворенном и, в значительной степени, диссоцииро­ванном состоянии увеличивается подвижность и химическая активность молекул растворенного вещества.

2. Способы экстракции и растворения

Основными способами экстракции и растворения, применяемыми в хи­мической технологии, являются:

1. замкнутый периодический процесс;

2. прямоточный и противоточный процессы;

3. процесс в неподвижном слое (фильтрационно-проточный или перколяционный).

Замкнутый периодический процесс проводится в аппарате с механическим или пневматическим перемешиванием. Пневматическое перемеши­вание позволяет в случае необходимости использовать перемешивающий агент (воздух) в качестве окислителя. При достаточно интенсивном пере­мешивании твердые частицы быстро движутся с изменяющейся по направ­лению и величине скоростью, то отставая от потока омывающей их жидко­сти, то опережая его. В этих условиях возникает переменная во времени скорость обтекания, обусловленная инерцией твердых частиц. При таком инерционном режиме создаются благоприятные условия для уско­рения процессов растворения и экстракции, несмотря на то, что движу­щая сила процесса снижается по мере приближения к состоянию равно­весия.

При слабом перемешивании твердые частицы находятся в жидкости во взвешенном состоянии, т.е. в течение довольно длительного времени дви­жутся поочередно в восходящем и нисходящем потоках жидкости. При этом вся их поверхность омывается жидкостью, но скорость обтекания в данном случае возникает за счет силы тяжести частиц и уступает по величине соот­ветствующим скоростям при инерционном режиме.

Замкнутые нестационарные процессы экстракции, проводимые в аппа­рате с мешалкой, малоэффективны вследствие присущих им недостатков, общих для всех периодических процессов.

XVI-12.

Прямоточный и противоточный процессы, проводимые в аппаратах непрерывного действия, широко распространены. В принципе экстракцию и растворение можно проводить непрерывно в аппарате с мешалкой путем непрерывного подвода в аппарат твердой и жидкой фаз и отвода их из него. Однако осуществление непрерывного процесса таким способом неизбежно приведет к падению интенсивности вследствие того, что поступающий в об­работку твердый материал будет взаимодействовать с раствором, концен­трация которого в аппарате, вследствие интенсивного перемешивания, близка к концентрации насыщения. Это вызовет значительное снижение движущей силы и соответственно — скорости экстракции по сравнению со средней скоростью (за одну операцию) в периодическом процессе, где ана­логичные условия создаются только на конечной стадии процесса. Кроме того, в одиночном аппарате возможен «проскок» некоторой части твердых частиц, в результате чего время пребывания может оказаться недостаточ­ным для достижения высокой степени извлечения экстрагируемого веще­ства.

В связи с этим экстракцию и растворение проводят в каскаде последо­вательно соединенных аппаратов с мешалками, через которые пульпа движется самотеком (рис. XVI-12). При работе по такой прямоточной схеме движущая сила процесса постепенно снижается от ступени к ступени, но не в такой степени, как в одном аппарате с мешалкой, где со свежим рас­творителем смешивается конечный концентрированный раствор. При числе ступеней, обычно не превышающем 3-6, в таких установках достигается достаточно высокая степень извлечения.

Более эффективным является проведение непрерывных процессов экстракции по принципу противотока. При движении твердых частиц навстречу потоку жидкости в батарее аппаратов на конце установки, где вводится свежий растворитель, последний взаимодействует с проэкстрагированным в значительной степени материалом, а на другом ее конце исходный твердый материал обрабатывается концентрированным раство­ром. При этом достигается более равномерная работа аппаратов: на конце установки, соответствующем вводу растворителя, удается повысить сте­пень извлечения из глубины пор твердого материала, а на противополож­ном конце — эффективно использовать концентрированный раствор для экстракции с поверхности кусков (зерен) твердого материала. В итоге по­вышается концентрация раствора, уменьшается расход растворителя и увеличивается производительность аппаратуры.

В противоточных аппаратах мелкие частицы увлекаются жидкостью в направлении, противоположном движению твердой фазы. В связи с этим два прямоточных аппарата могут быть соединены так, чтобы установка в целом работала по принципу противотока.

XVI-13.

В процессах экстракции конечный раствор должен быть отделен от твердого нерастворимого остатка (шлама), который для этой цели подвер­гают промывке. Промывка производится на фильтрах, центрифугах и от­стойниках. В непрерывных процессах экстракции обычно применяют противоточные схемы промывки, например на непрерывно действующих бара­ банных вакуум-фильтрах.

Согласно рис. XVI-13, свежая вода или другой растворитель исполь­зуется сначала для промывки осадка на фильтре 1. Полученные здесь слабоконцентрированные промывные воды направляются в аппарат 2 с ме­шалкой (репульпатор), где тщательно перемешиваются с поступающим с фильтра 3 осадком и промывают его. Эта операция носит название репульпации. Полученная в аппарате 2 пульпа поступает в фильтр 1, откуда фильтрат подается на промывку осадка в фильтр 3. Промывные воды из фильтра 3 перекачиваются в экстрактор 4, где они взаимодействуют в качестве избирательного растворителя с исходным твердым материалом. При описанной противоточной ступенчатой промывке удается использо­вать указанные выше преимущества противотока.

Для интенсификации процессов экстракции и растворения могут быть использованы низкочастотные механические колебания. Опыт показывает, что при наложении колебаний увеличивается скорость обтекания частиц, и процесс заметно ускоряется. Весьма значительное увеличение скорости обтекания и соответственно — коэффициентов массоотдачи возможно при осуществлении вращательного движения жидкости с взвешенными в ней твердыми частицами (центробежный режим). Можно заметить, что методы интенсификации экстракции в системах жидкость—твердое тело и жид­кость—жидкость аналогичны.