38.2.2. Интенсификация процессов растворения.

Увеличение скорости процесса растворения может быть достигнута несколькими способами. Наиболее естественный способ, применимый ко многим массообменным гетерогенным процессам, – увеличение суммарной поверхности (в данном случае – растворяющихся частиц), к чему и стремятся в большинстве случаев. Однако здесь имеется разумный предел, связанный с тем, что, во-первых, большая степень измельчения требует значительно больших затрат энергии на сам процесс измельчения и, во-вторых, для изначально мелких частиц, как правило, невозможны значительные относительные скорости движения растворителя и частиц (скорости скольжения), что приводит к снижению интенсивности внешней массоотдачи от поверхности растворяющихся частиц.

Вторая группа способов интенсификации процессов растворения основана на искусственном увеличении скорости скольжения растворителя относительно поверхности частиц, что эффективно в случаях, когда скорость процессов растворения зависит от сопротивления внешней диффузии. При этом могут быть использованы повышенная скорость фильтрования растворителя при подаче растворителя в направлении сверху вниз или введение в зону растворения низкочастотных (звуковой или сверхзвуковой частоты) колебаний и т. п. Разумеется, одновременно с достигаемой интенсификацией процесса растворения использование этих способов связано с увеличением эксплуатационных и капитальных затрат. Поэтому целесообразность применения того или иного способа интенсификации растворения может быть решена только на основе технико-экономического анализа приведенных затрат на реализацию процесса.

Когда скорость растворения лимитируется сопротивлением собственно процесса растворения, т. е. определяется скоростью химической реакции растворения на поверхности частиц, целесообразно повышать температуру процесса, поскольку константа скорости реакции растворения, согласно известному закону химической кинетики Аррениуса, пропорциональна величине где Е – энергия активации реакции растворения, R – газовая постоянная и Т – абсолютная температура процесса растворения.

38.3. Экстрагирование растворенного вещества

Твердое тело содержит в своем пористом объеме раствор целевого компонента. При взаимодействии с экстрагентом целевой компонент диффундирует сквозь пористую структуру твердого тела в основную массу жидкости. Диаметр пор, составляющих пористый объем, настолько мал, что жидкость, заключенная в порах, практически неподвижна. Из этого следует, что извлекаемое растворенное вещество переносится из внутренних зон материала к его наружной поверхности только молекулярной диффузией.

Рисунок 38.2 – Варианты строения пористых тел:

а – изотропное пористое тело; б – анизотропное пористое тело с регулярной структурой; в – анизотропное пористое тело с нерегулярной структурой.

Пористые структуры твердых частиц обладают большим разнообразием. Среди них следует выделить класс изотропных структур, обладающих тем свойством, что диффузионная проводимость в объеме частицы одинакова во всех направлениях (рис. 38.2, а). Анизотропные пористые тела могут обладать регулярной структурой (см. рис. 38.2, б). Примером таких тел являются растительные объекты, обладающие системой капилляров, в направлении которых наблюдается наибольшая диффузионная проводимость. Пористые анизотропные тела с нерегулярной структурой (рис. 38.2, в) характеризуются сложной зависимостью диффузионной проводимости в пространстве статистического распределения пор, в которых находится раствор, по размерам. Молекулярный перенос вещества завершается по достижении целевым компонентом внешних границ пористого тела, после чего реализуется конвективный перенос вещества в жидкой среде, окружающей пористое тело.

В непрерывном процессе экстракции растворенного вещества участвуют два потока, содержащие как минимум три компонента: 1-й поток – нерастворимое вещество А, в порах которого находится экстрагируемое вещество B и экстрагент S, и 2-й поток – раствор экстрагируемого вещества B в экстрагенте S. Первый поток обычно называют нижним, а второй – верхним.

Для трехкомпонентной системы связь между ее составом, так же как и для жидкостной экстракции, удобно представить в треугольной системе координат (рис. 38.3).

Рисунок 38.3 – Треугольная диаграмма (система твердая фаза-жидкость).

Вершины треугольника А, B S характеризуют соответствующие компоненты, а стороны АВ, ВS и АS – бинарные смеси этих компонентов – А + B, B + S, А + S. Точки внутри треугольника отражают состав тройных смесей А + В + S. При условии, что точка Е соответствует насыщенному состоянию экстракта (В + S) при данной температуре, область АЕS диаграммы отвечает ненасыщенному состоянию раствора компонентов В и S, при наличии которых возможен переход компонента В из твердой фазы в жидкую. Составы и количества образующихся смесей, а также отношения между количествами и составами получаемых экстракта (В + S) и рафината – нерастворимого компонента А, в порах которого удерживается некоторое количество раствора компонента В в экстрагенте S, определяются по рассмотренному ранее правилу рычага.

Например, если состав раствора (см. рис. 38.3) соответствует точке Е, то состав нижнего потока (точка М) может быть найден делением отрезка АЕ в отношении AM/ME = G_p/G_A (где G_p и G_A – количество раствора и нерастворимого вещества А соответственно). Дальнейшее построение процесса на треугольной фазовой диаграмме, включая определение теоретических ступеней, аналогично рассмотренному ранее для жидкостной экстракции.