VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Производство большого числа химических соединений связано с реакциями, сопровождающимися выпадением осадка. Под осадком понимают совокупность твёрдых частиц с жидкостью в промежутках (порах) между ними, образующуюся при разделении суспензий в отстойниках и сгустителях, в фильтрах и центрифугах, в гидроциклонах или других разделительных аппаратах. Например, при производстве гидроксида алюминия воздействуют щелочами на раствор солей алюминия. В результате реакции выпадает белый студенистый осадок Al(OH)₃, который затем промывают и высушивают. Под промывкой осадка в химической технологии подразумевают извлечение (или уменьшение концентрации) вещества, растворённого в жидкости, находящейся в порах осадка. Это позволяет удалить вредные примеси, либо извлечь ценные компоненты, содержащиеся в поровой жидкости.

Существует два способа промывания осадка: декантация и промывание на фильтре. Промывание с применением декантации заключается в том, что осадок, подлежащий промыванию, заливают дистиллированной, предпочтительно горячей водой или специально приготовленной промывной жидкостью, взбалтывают и дают отстояться. Просветлевшую жидкость, собравшуюся над осадком, осторожно сливают. К оставшемуся в сосуде осадку снова приливают промывную воду и повторяют операцию. При этом под влиянием разности концентраций отмываемого вещества в поровой и промывной жидкостях, происходит его переход в промывную жидкость. Фильтрационную промывку осадка (методом вытеснения) осуществляют путём просачивания промывной жидкости через слой осадка, находящийся на фильтрующей перегородке. В этом случае поровая жидкость частично вытесняется и замещается промывной. Путем декантации удается более полно отмыть осадок от раствора; на фильтре же сделать это удается не всегда, так как осадок на нем легко слеживается и промывная жидкость проходит не через всю массу осадка, а только по промытым ею путям.

На производстве промывку осадка выполняют в одну или несколько ступеней. Одноступенчатую промывку осуществляют только методом вытеснения на фильтрах периодического действия, а при невысоких требованиях к качеству промывки - на фильтрах непрерывного действия. Многоступенчатую промывку проводят на фильтрах периодического действия методом декантации и на фильтрах непрерывного действия - обоими методами.

Обычно такую промывку организуют по противоточной схеме. На рис. 1 представлена характерная схема трехступенчатой противоточной промывки с применением барабанных вакуум - фильтров 1 и промежуточных смесителей 2. Такую схему применяют главным образом тогда, когда извлекаемое из осадка вещество представляет ценный продукт, в дальнейшем извлекаемый из промывной жидкости.

Рис. 1. Схема трехступенчатой противоточной промывки:

1 – барабанные вакуум-фильтры; 2 – смесители; 3 – трубопроводы для промывной

жидкости; 4 – транспортирующее устройство.

Промывание нужно стремиться провести возможно малым количеством жидкости, чтобы избежать значительной потери части осадка. В связи с этим представляется важным расчет необходимого числа циклов промывки для обеспечения желаемого понижения концентрации отмываемого вещества.

Введем обозначения. Пусть перед началом процесса декантации в сосуде с осадком содержится p кг воды с растворенными в ней кг отмываемого вещества (например, соли) на 1 кг воды. При каждой промывке в сосуд добавляют k кг чистой воды, содержимое тщательно перемешивают, дают отстояться и сливают k кг полученного раствора. Если концентрация раствора после каждой промывки равна , то , откуда получим

.

Тогда, общее количество растворенной соли, извлекаемой промывной водой равно:

.

Выражение в скобках представляет собой суммуn первых членов геометрической прогрессии с первым членом и знаменателем . По формуле для вычисления сумму n первых членов геометрической прогрессии найдем общее число извлеченной соли . Следовательно, после n промывок поровая жидкость содержит кг соли. Если потребовать, чтобы концентрация оставшейся после декантации соли в поровой жидкости была не более m кг на 1 кг воды, то можно найти необходимое число промывок .

Полученная формула для определения массы оставшихся после n промывок примесей, в частности, указывает на то, что при одном и том же общем объеме промывной жидкости многократная промывка небольшими порциями является более эффективной, чем при меньшем числе циклов большими порциями жидкости. Пусть, например, общая масса воды превышает исходную массу поровой жидкости в 10 раз, т. е. равна 10p. Тогда при двух циклах промывки (каждый массой 10p) оставшаяся масса соли равна px₀/36; при пяти циклах (каждый массой 5p) – px₀/243; при десяти циклах – px₀/1024.

Итак, в работе были получены формулы для нахождения массы вымываемых и оставшихся примесей в зависимости от их начальной концентрации после n циклов декантации, а также формула, позволяющая определить необходимое число промывок для получения заданной чистоты осадка.

Литература:

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, М., 1973.

2. Брук О. Л., Процессы промывки осадков, М., 1973.

3. http://www.himikatus.ru/ Промывание осадков.