Закрыть ... [X]

Жидкость растворенная в твердом теле

8. растворение и экстрагирование в системе твердое тело – жидкость

Растворение – переход вещества в раствор с внешней поверхности растворимых частиц. Растворение обычно проводится с целью разделения системы, состоящей из растворимых и инертных частиц.

При физическом растворении исходное вещество можно вновь получить кристаллизацией из раствора.

Химическое растворение – гетерогенная химическая реакция, продукты которой растворяются в жидком объеме. Возврат в исходное состояние путем кристаллизации невозможен.

Экстрагирование – процесс извлечения одного или нескольких компонентов из твердого пористого материала путем избирательного растворения в жидкостях (экстрагентах). Пример – спиртовые настойки, чай, кофе и др.

При растворении процесс определяется в основном термодинамикой фазовых переходов и закономерностями массообмена между внешней поверхностью частицы и обтекающей частицу жидкостью.

Процесс экстракции более сложен. В этом случае существенным также является массоперенос внутри пор частиц.

В принципе возможны два типа экстрагирования.

1. Извлекаемый компонент содержится в порах твердого тела в виде растворенного вещества. Такой процесс называется экстрагированием растворенного вещества. Процесс лимитируется диффузией растворенного вещества в основную массу жидкости. К этому типу относятся, например, процессы экстракции целевых веществ из растений.

2. Извлекаемый компонент содержится в порах твердого тела в виде твердой фазы. В этом случае процесс извлечения вещества из твердого тела называется экстрагированием твердого вещества. Механизм этого типа экстрагирования более сложен, жидкость растворенная в твердом теле так как он имеет три стадии:

1) проникновение экстрагента в поры твердого тела;

2) растворение извлекаемого компонента в экстрагенте;

3) диффузия растворенного компонента в основную массу жидкости.

Чаще всего скорость процесса лимитируется третьей стадией как наиболее медленной.

Наиболее простой способ для интенсификации процесса – измельчение. Но у этого способа есть недостатки:

а) увеличение энергозатрат на механическое измельчение;

б) необходимость в дальнейшем фильтровании и отстаивании.

8.1. Растворение

При определенной концентрации раствора, называемой концентрацией насыщения (или растворимостью), между твердым телом и растворителем устанавливается равновесие. Условия равновесия, а следовательно, растворимость, определяются на основе термодинамических расчетов или экспериментально.

Из химической термодинамики известно, что условием равновесия является равенство химических потенциалов одного и того же вещества в разных фазах. То есть при насыщении (равновесии)

,                 (8.1)

где i – номер рассматриваемого вещества,  – равновесная концентрация вещества i в растворе (концентрация насыщения).

Отсюда величину  можно определить как функцию температуры, давления и состава раствора. Для многих веществ растворимость  можно найти в справочниках.

Кратко рассмотрим кинетику растворения. В 1886 г. А.Н. Щукарев сформулировал основной закон кинетики растворения. Сейчас мы знаем, что вид этого закона универсален. Для единственного растворяемого вещества он имеет вид

,                               (8.2)

где M – масса растворяющегося вещества, S – поверхность растворения, c – концентрация раствора (кг/м3растворителя), βс – коэффициент массоотдачи.

Можно принять, что при определенной форме частиц

,                                    (8.3)

,                                       (8.4)

где N – число частиц, ,  – безразмерные коэффициенты пропорциональности,  – плотность материала частиц, L –текущий характерный размер частицы (диаметр и т.д.).

Если считать, что по мере растворения форма частиц остается неизменной, то ,  будут оставаться постоянными. Так, для частиц кубической формы  =1,  = 6, L – длина ребра куба; для частиц сферической формы , , L – диаметр шара.

С учетом изложенного из (8.2) можно получить

,                            (8.5)

где  = /3 (для сферы a = 1, для куба a = 2).

Если = const,

,                        (8.6)

время полного растворенная растворения

.                     (8.7)

Концентрация c непрерывно меняется в соответствии с балансными соотношениями. Так, для периодического растворения в замкнутом аппарате

,                            (8.8)

где V – объем растворителя, с0 – начальная концентрация раствора.

Для непрерывного прямоточного процесса балансное уравнение имеет тот же вид, только подразумевает массовый и объемный расход (кг/с, м3/с).

Для противоточного процесса

,                            (8.9)

где ск – конечная концентрация раствора.

Подсчет времени полного растворения показывает, что время противоточного растворения тем меньше времени прямоточного растворения, чем ближе параметр  к единице. При = 0,9 это отношение, например, равно 0,1.

Во все уравнения кинетики растворения входит коэффициент массоотдачи , для определения которого используются уравнения:

а) для естественной конвекции –

 при  

(ламинарный режим),

 при  

(турбулентный режим);

б) при обтекании частицы потоком жидкости –

 при  

(ламинарный режим) (A = 0,8 ¸ 0,95),

 при ;

в) в условии псевдоожиженного состояния частиц –

;

г) в условии интенсивного перемешивания в аппаратах с мешалкой –

,

где – диффузионный критерий Нуссельта,

Re = wL/n – критерий Рейнольдса, PrD = n/D – диффузионный критерий Прандтля,  – критерий Грасгофа,  – критерий Архимеда, D – коэффициент диффузии, w – скорость обтекания растворяющейся частицы жидкостью, – плотность насыщенного раствора, – плотность раствора в основной массе (ядре) жидкости, – плотность вещества твердых частиц, g – ускорение свободного падения, n – кинематическая вязкость, N – расход энергии на перемешивание одного килограмма суспензии.


Поделись с друзьями



Рекомендуем посмотреть ещё:



Процесс - растворение - твердое тело - Большая Энциклопедия Нефти и Газа Фото причесок на дому для коротких волос

Жидкость растворенная в твердом теле Жидкость растворенная в твердом теле Жидкость растворенная в твердом теле Жидкость растворенная в твердом теле Жидкость растворенная в твердом теле Жидкость растворенная в твердом теле Жидкость растворенная в твердом теле

ШОКИРУЮЩИЕ НОВОСТИ