А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв - страница 17

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 

Для розрахунків коефіцієнта дифузії в концентрованих водно-сольових розчинах використовують рівняння Редді - Доресвеймі

Вх = 1,02 10-11Т М°/ / цр(Ус Гр)0,33, (5.3) де Мс - молекулярна маса розчиненої солі; Ур - молярний об'єм розчинника.

У розрахунках варто використовувати переважно експери­ментальні значення коефіцієнта дифузії, які в інтервалі температур 15-20оС мають значення Вх = (0,4 - 2,5) 10-9 м2/с [12, 16, 21, 48].

Звичайно вважають, що при дифузійно-конвективному розчиненні солей на поверхні частинок, що розчиняються, концентрація речовини в розчині Сн досягає концентрації насичення, концентрація ж речовини на границі дифузійного підшарку, так само як і товщина дифузійного підшарку, є невизначеними [42, 44].

При взаємодії частинок з потоком рідини, що рухається, процес розчинення протікає за диффузійно-конвективним механізмом, при цьому швидкість розчинення описується законом О.М. Щукарєва

^ = & н - С)<& , (5.4) аг

де рд - коефіцієнт масовіддачі при розчиненні, м/с; Сн , С - концентрації розчиненої речовини в умовах насиченого стану та у ядрі потоку розчинника відповідно.

При хімічному розчиненні швидкість процесу на поверхні частки найчастіше описують кінетичним рівнянням хімічної реакції, при цьому

СІМ/ сіг = /ЗрАСрТ , (5.5)

де рр - коефіцієнт швидкості хімічного розчинення; АС - рушійна сила процесу; п - порядок швидкості хімічної реакції, звичайно п = 2-4.

За правилом адитивності дифузійних опорів на границі розділу фаз коефіцієнт масопередачі в процесах розчинення залежить від швидкості дифузійно-конвективного розчинення речовини в потоці розчину та швидкості фізико-хімічного розчинення на поверхні часток, тобто

Кр =        &) +        )], (5.6)

де рд - коефіцієнт масовіддачі при дифузійно-конвективному розчиненні часток у по­тоці розчинника; рр - коефіцієнт масовіддачі (швидкості реакції) на поверхні частки при її фізико-хімічному розчиненні, що залежить від інтенсивності руйнування криста­лічної решітки або хімічної реакції речовини з розчинником.

Кінетика процесу розчинення. Швидкість процесу розчинення в цілому лімітується самою повільною стадією, і залежно від неї розрізня­ють дифузійну, дифузійно-кінетичну та кінетичну області розчинення.

При дифузійному розчиненні швидкість процесу визначається шви­дкістю підведення розчинника до поверхні часток і відведення продук­тів реакції в об'єм розчинника. Вважають, що в шарі розчину, що без­посередньо прилягає до речовини, відносно швидко досягається стан насичення, при цьому процес підведення розчинника та відведення продуктів розчинення прискорюють шляхом перемішування розчину або переміщенням потоку розчинника.

Кінетична стадія процесу звичайно визначається температурою, при якій відбувається процес розчинення, а також швидкістю фізичної або хімічної взаємодії фаз на поверхні тіла, що розчинюється.

Залежність константи швидкості реакції на поверхні часток від тем­ператури звичайно виражається рівнянням Арреніуса [40]

= Аг'Е / КТ, (5.7)

де А - коефіцієнт, що враховує властивості речовини; Е - енергія активації, що харак­теризує здатність молекул вступати в реакцію; К - універсальна газова постійна; Т - абсолютна температура.

Показником області розчинення речовини в розчиннику прийнято вважати енергію активації: якщо енергія активації при розчиненні Е < 25 кДж/моль, то процес розчинення лімітується дифузією; якщо Е > 40 кДж/моль, то процес розчинення протікає в кінетичній області, оскільки зі збільшенням енергії активації на границі розділу фаз процес протікає з меншою швидкістю.

Якщо швидкість масовіддачі при розчиненні на границі розділу фаз набагато більша швидкості дифузійного перенесення речовини, тобто Рр » рд , то вважають, що швидкість процесу масопередачі в цілому ви­значається швидкістю дифузійної або дифузійно-конвективної стадій, при цьому Кр ~ рд.

На кінетику процесу розчинення речовин звичайно впливають роз­мір часток і пов'язана з ними поверхня контакту фаз, швидкість віднос­ного руху фаз, величина рушійної сили, фізико-хімічні властивості,в'язкість і температура розчинника. Досить істотно на швидкість проце­су розчинення впливають гідродинаміка процесу, характер руху потоку та режим взаємодії часток, що розчиняються, з потоком рідини [44, 56].

У процесі хімічного розчинення на поверхні розділу фаз утворю­ються продукти реакції, які можуть перешкоджати ходу процесу.

Особливістю процесів розчинення є зменшення розмірів і числа час­ток, а також їх зовнішньої поверхні, що призводить до безперервної зміни коефіцієнта масопередачі. Крім того, у процесі розчинення змі­нюється характер обтікання часток потоком, що в загальному випадку враховується зменшенням числа Рейнольдса.

Отже, швидкість масопереносу на границі розділу фаз залежить від товщини дифузійного підшарку, що у свою чергу визначається гідро­динамічними умовами обтікання часток, а також впливом температури та енергетичних факторів.

Внаслідок складності процесу розчинення та неможливості врахувати вплив багатьох факторів у практичних розрахунках використовують кри-теріальні рівняння, отримані в результаті узагальнення великої кількості експериментальних даних для подібних процесів [42, 44, 55].

Одночасно на швидкість масопереносу впливають фізико-хімічні та дифузійні властивості середовища в ядрі потоку, що враховуються величиною числа (критерію) Прандтля дифузійного.

Для розрахунку сумарної швидкості розчинення часток широко використовують критеріальні рівняння вигляду

ШВх = АКгЬРгсВх, (5.8)

де ТУиВх - дифузійний критерій Нуссельта для часток, ТУиВх = рі,/Вх; рд - конвектив-ний коефіцієнт масовіддачі від поверхні часток; сі3 - еквівалентний діаметр часток; Вх - коефіцієнт дифузії речовини в розчиннику; Кг - критерій (число) Рейнольдса для часток, Кг = мі3рр/р; м - середня швидкість потоку розчину; РгВх - дифузійний крите­рій (число) Прандтля для розчинника, РтВх = р/ррОх; А, Ь, с - коефіцієнт і показники, величина яких залежить від режиму обтікання часток, характеру взаємодії їх з потоком.

Наприклад, при розчиненні ізольованої сферичної частки рівномір­ним потоком рідини в діапазоні чисел 1 < Кг < 3 103 рекомендовано використовувати рівняння [18, 44]

ШВх = 0,8Ке°'5Рг°х33. (5.9) Для умов розчинення часток у зваженому шарі отримане критеріа-льное рівняння наступного вигляду

МиВх = 0,28(Аг • РтВх )0,33, (5.10)

де Аг - число Архімеда для часток, що витають Аг = сі^(рч — рр )рр / /л1; рч, рр - гу­стина твердих часток і розчину відповідно; ц - в'язкість розчину.

Процес розчинення супроводжується виділенням теплоти розчинення, що призводить до деякої зміни температури розчину, хоча ця зміна незнач­на, та у багатьох випадках зовсім не враховується. Однак для деяких солей з негативною теплотою розчинення виникає необхідність підігрівати розчин­ник, наприклад, при розчиненні нітратів амонію, калію та натрію, сульфатів калію та натрію, фосфатів амонію та деяких інших солей.

Рушійною силою процесу розчинення є різниця між концентрацією насичення та фактичною - робочою концентрацією розчину за даної температури. Для розрахунку процесу розчинення звичайно використо­вують середню логарифмічну величину рушійної сили, що обчислю­ється за початковими та кінцевими значеннями розчинності речовини при відповідних температурах. Оскільки зі збільшенням температури розчинність речовин підвищується, то і рушійна сила процесу також зростає. Підвищення температури протікання процесу також сприяє зниженню в'язкості розчину та збільшенню швидкості дифузії на між-фазній границі, тим самим помітно підвищується швидкість розчинен­ня, при цьому підвищення температури на 10оС збільшує швидкість розчинення в 1,5-2 рази. Отже, підвищення температури розчинника є важливим чинником інтенсифікації процесу розчинення.

Інтенсивність розчинення значною мірою залежить від площі повер­хні контакту фаз, і отже, чим дрібніші частинки, тим більше їх питома поверхня, тим швидше вони розчиняються в потоці розчинника. Варто мати на увазі, що режим обтікання часток при розчиненні визначається відносною швидкістю руху часток і розчину, а не швидкістю руху потоку розчинника.

Відносний рух часток і потоку розчинника створюються за допомо­гою різного роду механічних пристроїв - мішалок, вібраторів, пульса­торів та ін. Розчиненню солей також сприяють енергетичні впливи, створювані за допомогою магнітних та електричних полів, акустичних та ультразвукових коливань. При необхідності інтенсифікувати проце­си розчинення часток твердого матеріалу їх попередньо подрібнюють, при цьому, чим сутужніше розчиняється матеріал, тим вища повинна бути степінь здрібнювання, та при цьому необхідно враховувати сума­рні наведені витрати на проведення процесу.

Реальні умови розчинення істотно впливають на вибір способу інтенсифікації процесу та на конструкцію апарата.

Процеси розчинення проводять в періодичному режимі в умовах поступового підвищення концентрації речовини в розчині до заданої величини або в безперервному режимі з заданими витратами розчинника і твердої фази. Інтенсифікацію процесу розчинення переважно здійснюють за допомогою способів, заснованих на розвитку поверхні контакту фаз, на підвищенні температури процесу, на збільшенні швидкості обтікання час­тинок потоком та на використанні фізичних методів [18, 44, 56].

Матеріальний і тепловий баланс розчинення. В промислових умовах переважно розчиняють деяку масу твердих частинок у визначе­ному об'ємі розчинника з метою отримання розчину заданої концен­трації. Отже, розчинення може бути повним до повного переходу твер­дої фази в розчин, або частковим, коли частина твердої фази зали­шається нерозчиненою.

В разі повного розчинення твердої фази (без включень інертних речовин) рівняння матеріального балансу має вигляд

AM = Gm - L(CK -Cn), (5.11)

де Gm - маса (масова витрата) розчиненої твердої фази, кг (кг/с); L - маса (масова вит­рата) отриманого розчину (кг/с); CK, Cn - кінцева і початкова концентрація розчиненої солі в розчині, кг тв./кг розчину.

При частковому розчиненні компонента (із шпаруватої твердої фази) рівняння матеріального балансу процеса має вигляд

AM = Gm (Xn - Xk ) = L(Ck - Cn), (5.12)

де Xn , XK - початкова і кінцева концентрація розчиненого компонента у твердій фазі, кг компонента/кг твердої фази; Cn, CK - початкова і кінцева концентрація розчиненого компонента у рідині, кг компонента/кг рідкої фази.

Розвязуючи рівняння (5.12) відносно витрати розчинника, отримали

L - Gm (Xn - Xk ) , (5.13)

питома витрата розчинника при цьому дорівнює

l - L / Gm - (Xn - Xk )/(Ck - Cn), (5.14)

де L - маса розчинника, необхідна для розчинення одного кг цільового компонента із твердої фази, кг розчинника/ кг розчинного компонента.

Якщо припустити, що розчинення провадять з використанням чис­того розчинника, тобто Cn = 0, то із рівняння (5.13) можна визначити:

- масову витрату розчинника

L - Gm (Xn - Xk )/Ck , (5.15)

- або кінцеву концентрацію розчиненого компонента в розчиннику

Ck - Gm (Xn - Xk )/L . (5.16)

Отже, якщо задати кінцеву концентрацію цільового компонента в розчиннику з врахуванням його розчинності при заданій температурі, то можна визначити масову витрату розчинника за рівнянням (5.15).

Звичайно рівняння (5.11) - (5.12) є балансовими для періодичного або безперервного процесу і не враховують ні напрям руху потоків твердої фази і розчинника, ні кінетику процесу розчинення.

Якщо процес розчинення речовини супроводжується тепловими ефектами (поглинанням або виділенням теплоти), то для такого проце­су рівняння теплового балансу має вигляд

Get   + Lc t  ± L(C - C)q - Get   + Lc t  , (5.17)

m mn mn pn pn     \   k np m mK mK рк• рк ' v-^'-1-'/

де cmn , cmK - теплоемність твердої фази початкова і кінцева відповідно; срп , срк - теп-лоемність розчинника початкова і кінцева відповідно; tmn , tmK - температура твердої фази початкова і кінцева відповідно; tpn , tpK - температура розчинника початкова і кінцева відповідно; qp - питома теплота розчинення речовини, Дж /кг.

Якщо процес розчинення супроводжується поглинанням теплоти (ендотермічний процес), то в рівнянні (5.17) при третьому складовому слід використовувати знак мінус.

Припускаючи, що з апарата відводяться розчинник і тверда фаза за однакової температури (тобто гтк = грк), та розвязуючи рівняння (5.17) відносно кінцевої температури, отримали

в с г  + Ц(с г  + С )а ]

Іга,   = - , (5.18)

рк (вс   + Хс )

ттк рк

де Ск, Сп - кінцева і початкова концентрація речовини в розчиннику відповідно, кг/кг розчинника.

Детально про процеси розчинення речовин викладено в [17, 44, 56]. 5.2Твердофазне екстрагування - вилуговування

Під твердофазним екстрагуванням в системі тверде тіло - рідина розуміють процеси часткового вибіркового розчинення одного або де­кількох компонентів із твердої фази рідким розчинником. Як розчинник звичайно використовують воду, розчини лугів або кислот, а також ор­ганічні розчинники [1, 3, 12, 18, 23, 56]. Процеси твердофазного екстра­гування широко застосовують для виділення цінних компонентів із природних руд (металів, солей, сірки, фосфору та ін.), для вилучення харчових і лікарських речовин з рослинної сировини (цукру, духмяних речовин, рослинних масел, целюлози та ін.) і для багатьох інших цілей.

Процес розчинення при екстрагуванні може протікати як по фізичному механізму, так і у результаті хімічної реакції. Особливістю твердофазної екстракції є те, що цей процес переважно протікає в тілах з капілярно-пористою структурою та наприкінці процесу, крім одержання розчинів із цільовими компонентами, утворюється нерозчинний осад [43, 56].

Процес твердофазного екстрагування протікає в декілька стадій:

- підведення розчинника - екстрагента до поверхні розділу фаз;

- конвективне перенесення розчинника до компоненту, що перебуває у твердій фазі та в процесі екстрагування вилучається з неї;

- взаємодія розчинника з компонентом, що вилучається, за допомо­гою механізмів фізичного або хімічного розчинення;

- перенесення розчиненого компонента до границі розділу фаз;

- відведення цільового компонента в ядро потоку розчинника;

- відведення розчину та його очистка від нерозчинного осаду.

Як бачимо, процеси твердофазного екстрагування є багатостадійни­ми, і відповідно більш складними порівняно із процесами фізичного розчинення речовин.

Швидкість процесу екстрагування залежить від великої кількості факторів, зокрема від структури пористого матеріалу, відкритості або замкнутості капілярів, від умов рівноваги у фазах та кінетики процесу.

Швидкість процесу твердофазного екстрагування в цілому визнача­ється швидкістю самої повільної стадії та може лімітуватися наступни­ми стадіями [18, 43, 56]:

1) зовнішньодифузійною, за якої швидкість дифузії речовини в об'ємі розчинника визначається швидкістю обтікання та розчинення часток, при цьому концентрація розчинника на поверхні часток меншавід концентрації його в об'ємі капілярів і шпаринок. У деяких промис­лових процесах твердофазного екстрагування саме зовнішньодифузійна стадія є такою, що лімітує процес в цілому;

2) внутрішньодифузійною, за якою швидкість процесу в цілому визначається швидкістю дифузії речовини в каналах і порах часток. У багатьох процесах твердофазного екстрагування (наприклад, при ви­лученні сірки із руд), швидкість протікання процесу в цілому лімітуєть­ся внутрідишньофузійною стадією, при цьому гідродинамічний режим руху середовища практично на нього не впливає;

3) внутрішньою кінетичною стадією, за якою концентрація речовини в порах близька до концентрації речовини в об'ємі фази. Розчинна речовина в шпаристому матеріалі має відносно низьку хімічну актив­ність і швидкість реакції розчинення цілком залежить від концентрації речовини у фазах та температури;

4) зовнішньої кінетичної, за якої розчинення переважно відбувається на поверхні частинок, реагент має відносно високу хімічну активність, але через малу шпаристість часток реагент погано проникає в глиб їхньої пористої структури. Швидкість процесу екстрагування в цьому разі збільшують за допомогою подрібнювання часток з розчиняємою речовиною, а також зміною температури і тиску в апараті.

Таким же чином, як і при розчиненні, на швидкість екстрагування впливають рушійна сила процесу, величина питомої поверхні часток, температура, фізичні властивості розчинника та енергія активації.

З метою інтенсифікації процесу екстрагування в цілому, якщо це можливо, розчинник підігрівають та проводять попереднє здрібнюван­ня руди до розміру зерен 1 - 3 мм.

У процесі хімічної взаємодії речовини з екстрагентом можуть утво­рюватися газоподібні продукти або відкладатися на поверхні частинок шар інертного матеріалу, які екранують поверхню контакту фаз, що ще більше ускладнює процес. З метою зниження шкідливого впливу побі­чних процесів використовують фізичні методи впливу на систему, а саме перемішування, кавітацію, вібрацію та ультразвук.

Процеси твердофазного екстрагування проводять як у періодичному, так і у безперервному режимах, створюючи різні способи відносного руху потоків твердого матеріалу і екстрагента (прямо- і протитечію фаз, пере­хресний та змішаний рух потоків).

У хімічній технології процеси твердофазної екстракції застосовують при автоклавному і підземному вилученні мінеральних солей і реагентів з руд, у виробництві фосфорної кислоти, у технологіях виробництва целю­лози з деревини та багатьох ін.

5.3 Апарати для розчинення солей

Класифікація апаратів. Відповідно до організаційно-технічної струк­тури апарати для розчинення бувають періодичної та безперервної дії.

Періодично діючі апарати використовують у малотонажних вироб­ництвах, при цьому цикл роботи включає ряд операцій, що проходятьпослідовно в одному апараті: заповнення апарата розчинником, підігрі­вання розчину до заданої температури, подачу та розчинення твердого матеріалу, вивантаження отриманого розчину та твердого залишку, підготовку апарата до наступного циклу роботи.

Безперервно діючі апарати застосовують переважно в великотонаж-них виробництвах, при цьому всі перераховані вище операції протіка­ють одночасно в одному апараті, але для кожної з них виділена окрема зона або окремий апарат.

Залежно від стану вихідного шару зернистого матеріалу в апараті при розчиненні розрізняють розчинники зі стаціонарним, з повільно рухомим, з перемішуваним або зі зваженим зернистим шаром.

За напрямом руху потоків розрізняють апарати із прямотечійним, протитечійним і змішаним рухом фаз. Крім того, залежно від характеру взаємодії фаз розрізняють апарати повного (ідеального) витиснення, повного (ідеального) змішування та апарати проміжного типу.

Залежно від способу циркуляції розчинника розрізняють апарати без циркуляції, із внутрішньою або зовнішньою циркуляцією, з механіч­ним, пневматичним і циркуляційним перемішуванням, без застосуван­ня або із застосуванням фізичних, енергетичних та електромагнітних методів стимулювання процесу розчинення [44, 45, 56].

За конструктивною ознакою апарати - розчинники бувають ємнісні, камерні, батарейні, одно- і багатосекційні, барабанні похилі, трубчасті або колонні вертикальні.

На рис. 5.1 показані конструктивні схеми деяких типів ємнісних

Рис. 5.1 - Будова апаратів-розчинників ємнісного типу:

а - зі стаціонарним нерухомим шаром; б - з внутрішньою циркуляцією розчину; в - з зовнішнім циркуляційним контуром;

А - подача солі (пульпи); Б - подача розчинника; В - відведення розчину; Г - відведення газів; Д Е - подача та відведення теплоносія відповідно;

1 - корпус; 2 - кришка; 3 - опорна решітка; 4 - мішалка пропелерна; 5 - привід мішалки; 6 - вал мішалки; 7 - насос циркуляційний; 8 -труба циркуляційна

розчинників періодичної та безперервної дії.

В апараті періодичної дії зі стаціонарним шаром зернистого матеріалу (рис. 5.1 а) розчинник подають зверху на нерухомий шар твердогогрудкового або зернистого матеріалу, при цьому розчинник рухається в зернистому шарі в режимі фільтрування. У процесі розчинення може здійснюватися підігрівання розчинника або у виносному підігрівнику, або за допомогою нагрівної сорочки (рис. 5.1 б).

В апаратах з механічним перемішуванням застосовують лопатєві, пропелерні та турбінні мішалки. В апараті (рис. 5.2 б) організовано внутрішню циркуляцію суспензії за допомогою пропелерної мішалки, убудованої в середній частині конічної дифузорної камери.

В апаратах напівбезперервної дії використовують внутрішню або зов­нішню циркуляцію розчинника за допомогою відцентрового насоса (рис. 5.1 в) або ерліфту. Регулюючи в необхідних межах кратність цир­куляції (відношення об'ємної продуктивності циркуляційного насоса до витрати вихідного розчинника), можна відводити з апарата продукцій-ний розчин потрібної концентрації.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 


Похожие статьи

А П Врагов - Гідромеханічні процеси та обладнання хімічних і нафтопереробних виробництв

А П Врагов - Сравнительный анализ энергетических затрат в процессах высаливающей и испарительной кристаллизации

А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв