Растворением и кристаллизацией

Выделение компонентов из твердых отходов

Растворение. Этот метод заключается в реализации гетерогенного взаимодействия между жидкостью и твердым веществом, сопровождаемого переходом последнего в раствор, и широко используется на практике переработки многих твердых отходов.

Возможность самопроизвольного растворения твердого вещества может быть оценена знаком величины ∆G (изменения энергии Гиббса), определяемой соотношением:

∆G=∆Н_р-Т∆S, (5.23)

где ∆Н_р – изменение энтальпии; ∆S – изменение энтропии; Т – абсолютная температура.

При ∆G<0 возможно растворение, ∆G=0 соответствует равновесию в системе, при ∆G>0 вероятен процесс кристаллизации. Растворимость твердых веществ в жидкостях обычно ограничена концентрацией насыщения C_s.

Скорость растворения как массообменного процесса может быть выражена уравнением:

dG/dτ=K_мF(C_s - C_τ), (5.24)

где G –количество растворенного вещества, кг; К_м –коэффициент массопередачи (константа скорости процесса); F –общая поверхность растворяемых частиц в момент времени τ, м²; С _τ – концентрация раствора в момент времени τ, кг/м³.

В практике встречаются случаи, когда скорость растворения лимитируется не диффузией растворенного вещества от поверхности твердой фазы в раствор, а скоростью межфазного перехода вещества в раствор (например для солей K₂SО₄·2MgSО₄, MgSO₃·Н₂O). Для веществ, растворение которых не осложняется этой скоростью (диффузионно растворяющихся веществ, к числу которых принадлежит большинство солей), величина К_м может быть определена по формуле

K_м=K ∆ ρ^{1/ 3} μ^-1_ж (D μ_ж)^2/3, (5.25)

где К –коэффициент массоотдачи (для диффузионно растворяющихся солей К = 70±10);. ∆ ρ – разность плотностей твердой и жидкой фаз; μ _ж – динамическая вязкость жидкости; D μ_ж – эффективный (при μ _ж =1) коэффициент диффузии растворенного вещества.

Время τ, необходимое для полного растворения данного количества G вещества, может быть оценено при известной для данной температуры и гидродинамических условий реализации процесса величине К_м с использованием отношения:

τ = G 31 n (∆ С_н /∆ С_к)/ K_м F_н (∆ С_н - ∆ С_к), (5.26)

где (∆ С_н, ∆ С_к – вычисляемые через величину C_s движущие силы соответственно в начале и конце процесса; F_н – суммарная поверхность подлежащих растворению частиц материала.

Процессы растворения осуществляют в аппаратах периодического (при небольших производительностях – в стационарном слое твердых частиц или с перемешиванием) и непрерывного (во взвешенном слое или с перемешиванием) действия разнообразных конструкций. Для интенсификации растворения в ряде случаев используют различные способы наложения полей колебаний.

Кристаллизация. Выделение твердой фазы в виде кристаллов из насыщенных растворов, расплавов или паров имеет большое распространение при переработке различных твердых отходов.

Для оценки поведения растворов при их кристаллизации и рационального выбора способа проведения этого процесса используют диаграммы состояния растворов, выражающие зависимость растворимости соответствующих солей от температуры. Скорость процесса кристаллизации зависит от многих факторов (степени пересыщения раствора, температуры, интенсивности перемешивания, содержания примесей и др.) и изменяется во времени, проходя через максимум. Создание необходимого для кристаллизации пересыщения раствора обеспечивают двумя основными приемами - охлаждением горячих насыщенных растворов (изогидрическая кристаллизация) и удалением части растворителя путем выпаривания (изотермическая кристаллизация) или их комбинацией (вакуум-кристаллизация, фракционированная кристаллизация, кристаллизация с испарением растворителя в токе воздуха или другого газа-носителя). Наряду с ними в практике кристаллизации из растворов иногда используют кристаллизацию высаливанием (введение в раствор веществ, понижающих растворимость соли), вымораживанием (охлаждением растворов до отрицательных температур с выделением кристаллов соли или их концентрирование удалением части растворителя в виде льда) или за счет химической реакции, обеспечивающей пересыщение раствора, а также высокотемпературную (автоклавную) кристаллизацию, обеспечивающую возможность получения кристаллогидратов с минимальным содержанием кристаллизационной влаги.

Процессы кристаллизации осуществляют в аппаратах различной конструкции.