Ugrás a tartalomhoz

Diffúziós műveletek

Dr. Gulyás Lajos (2011)

6.2. Kilúgozási műveletek

6.2. Kilúgozási műveletek

A kilúgozási műveletek szakaszosan, félfolyamatosan instacionárius körülmények között, valamint teljesen folyamatosan stacionárius körülmények között végezhetők. Valamennyi kategóriában mind fokozatszerű, mind folytonos érintkezést biztosító berendezéseket is alkalmaznak. Főleg két műveleti fajta terjedt el, a folyadék permetezése vagy porlasztása a szilárd anyagra, és a szilárd anyag teljes bemerítése a folyadékba. A berendezés megválasztását a szilárd anyag fizikai alakja, a kezelési nehézségek és a költségek erősen befolyásolják. Emiatt egyes iparágakban sok esetben specializált típusú berendezések váltak szükségessé. A kilúgozást általában a lehető legmagasabb hőmérsékleten célszerű végezni, mert megnövekszik a kivonandó anyag oldékonysága az oldószerben, és ennek következtében a kilúgozó folyadék végső koncentrációja is nagyobb lesz. Magasabb hőmérsékleten az oldat viszkozitása is kisebb, a diffúziós együtthatók nagyobbak, és mindezek a paraméterek a kilúgozás sebességét növelik. Vannak olyan természetes anyagok, például a cukorrépa, amelyekből túl magas hőmérséklet hatására nemkívánatos anyagok is kioldódnak, vagy van olyan eset is, amikor a szilárd anyag kémiailag bomlik.

6.2.1. Szakaszos műveletek

Instacionárius vagy időben nem állandósult műveletek azok, amelyekben a szilárd extrahálandó anyag és folyadékok csak szakaszosan érintkeznek egymással. Ebbe a csoportba tartoznak még azok is, amelyekben a szilárd anyag egy adagja megszakítás nélkül az áramló folyadékárammal érintkezik. Ezek az úgynevezett félfolyamatos eljárások.

6.2.1.1. Perkolációs módszerek

Durva, szilárd részecskéket általában nyugvó halmazban perkolációs eljárásokkal kezelnek, míg a finom eloszlású, könnyebben szuszpenzióban tartható anyagokat megfelelő keverő segítségével diszpergálják a folyadékban. Kilúgozás történhet a nyersanyag kitermelésének helyén is. Ezzel az eljárással a bányában, helyben, perkolációs módszerrel kezelik az ásványokat oly módon, hogy az oldatot az érctömeg felett és az érctömegen át keringtetik. A 0,5% réznél kevesebb fémet tartalmazó rossz minőségű rézércek kilúgozására ezt a módszert alkalmazták. Az ércek értéke ugyanis túl kicsi ahhoz, hogy a kibányászás költségei megtérüljenek. Földalatti sótelepeknél is rendszeresen használják ezt a módszert, a sót a telepbe szivattyúzott vízzel oldják ki. A kilúgozás halomban is történhet. Ez a módszer terjedt el a környezetvédelemben például a talaj rehabilitációnál. Rossz minőségű ércek, amelyeknek ásványértéke az aprítás vagy őrlés költségeit nem bírja el, úgy lúgozhatók ki, hogy a bányából kikerülő göröngyöket át nem eresztő talajon halmokba rakják, majd a kilúgozó oldatot az érc fölé szivattyúzzák. Az oldat átszivárog a halmon, és a lecsurgó folyadékot összegyűjtik. Ezzel a módszerrel pirites ércekből rezet lúgoztak ki.

A kilúgozás végezhető perkolációs edényekben. Közepes részecskenagyságú szilárd anyag halmazt kényelmesen lehet kilúgozni nyitott edényekben perkolációs módszerekkel. Az edények konstrukciója tág határok között változhat, függ a kezelendő szilárd anyag és folyadék tulajdonságaitól, valamint a művelet méretétől. Ez az eljárás viszonylag olcsó. Kis tartályok gyakran készülnek fából, ha a kilúgozó folyadék nem támadja meg a fát. A kilúgozandó szilárd részecskéket egy kettős fenék felett helyezik el, amelyet legegyszerűbben egymáshoz elég közel elhelyezett párhuzamos falécek rácsozatából képeznek ki. Ez a rácsozás viszont hasonló, egymástól körülbelül 15 cm távolságra levő derékszögben elrendezett lécek felett helyezkedik el úgy, hogy a kilúgozó folyadék az edény aljáról elvezető lefolyócsőbe folyhat. Ha igen finom részecskéket kell feldolgozni, a farácsozatot még gyékényfonattal és szorosan kifeszített szűrővászonnal borítják, amelyeket a kettős fenék kerületén futó horonyban levő kötéllel rögzítenek. Kis edények fémből is készíthetők, perforált kettős fenékkel, amely fölé szűrővásznat feszítenek. Ilyen rendszerű berendezést használnak gyógyszeripari termékek kinyerésére. Igen nagy perkolációs edények (50x40x6 m mély) vasbetonból, bitumen- vagy ólombéléssel készülnek. Ezeket például rézércek kilúgozására használják. Kis edényeken a fenék közelében oldalajtókat helyeznek el, amelyeken keresztül a kilúgozott szilárd anyag eltávolítható, míg igen nagy edényeket általában fenékről való kotrással ürítenek ki. Az edényeket a gyakorlati szempontoknak megfelelő legegységesebb részecskenagyságú szilárd anyaggal töltik, mivel ilyen körülmények között biztosítható százalékosan a legnagyobb hézag és a kilúgozó folyadék áramlásához szükséges legkisebb nyomásesés. Ennek következtében az egyes szilárd részecskék kilúgozásának mértéke is egységes lesz, és kevesebb nehézség adódik abból, hogy a folyadék kisszámú csatornán halad keresztül a szilárd halmazon. Az ilyen edények működése számos más művelettel jár együtt. Miután az edényt a szilárd szemcsés anyaggal megtöltik, teljes elfedéséhez elegendő mennyiségű oldószert szivattyúznak az edénybe, és a teljes tömeget előírt időtartamig ázni vagy nedvesedni hagyják. Ez idő alatt, ha szükséges, a folyadékmennyiséget szivattyúzással keringtetni lehet a szilárd anyag felett. Ezután a folyadékot a szilárd testről leeresztik az edény kettős fenekén keresztül. Ilyen körülmények között az egész művelet egyetlen fokozatnak felel meg. A művelet ismételgetése végül az oldható anyag csaknem teljes mennyiségének kioldását eredményezi, és csak annyi marad vissza, amennyi a leszívás után a szilárd anyagban, mint nedvesítő oldatrétegben van jelen. Ez úgy mosható ki, hogy az edényt friss oldószerrel megtöltik, és ezt a műveletet annyiszor ismétlik meg, ahányszor szükségesnek mutatkozik. A módszer egyik változata, amikor az edénybe folyamatosan bocsátanak folyadékot, és a keletkező oldatot folyamatosan távolítják el, miközben a teljes átáramló mennyiség egy részét esetleg recirkuláltatják. Az ilyen művelet több fokozattal egyenértékű. Mivel a keletkező oldat általában az oldószernél sűrűbb, a keveredést a lefelé irányuló perkolálással csökkentik. Egyes esetekben felfelé irányuló áramlást alkalmaznak, ezzel megakadályozva, hogy a részecskehalmaz vagy a szűrő finom részecskékkel eltömődjön, viszont ennek eredményeképpen a finom részecskéket a felfelé áramló folyadék túlságosan magával ragadhatja. Kevésbé gyakran használt műveleti változatban a folyadékot folyamatosan az edény tetejére permetezik, és lecsörgedeztetik a halmazon át anélkül, hogy az utóbbit a folyadék bármikor teljesen ellepné.

A visszamaradó folyadék leszívatása a szemcsés halmazról. Képzeljünk el szemcsés szilárd részecskékből álló halmazt, amelynek hézagait a folyadék teljesen kitölti. Ha a folyadék a nehézségi erő hatására csurog le a halmazról oly módon, hogy a levegőt a hézagokba a halmaz tetejéről engedjük utána, a folyadék sebessége először igen nagy. Ez a sebesség fokozatosan csökken, majd egy bizonyos (viszonylag bosszú) idő eltelte után további lecsurgás nem tapasztalható. A halmaz azonban még tartalmaz folyadékot. A hézagokat folyadékkal kitöltött tört részét maradék töltőlének nevezzük, és S-se jelöljük. A 6.1 ábrán S változását a halmazmagasság függvényében tüntetjük fel. A halmaz felső részében S értéke állandó S0, és azt a folyadékmennyiséget jelenti, amely a részecskék közötti hézagokban és kis szögletekben rétegenként a felületi feszültség következtében tapadva marad.

6.1. ábra - Szemcsés halmaz leszívatása

6.1. Ábra. Szemcsés halmaz leszívatása

A halmaz alján a folyadék a hézagokban marad, és azokat kapilláris hatás folytán teljesen kitölti, S = 1,0. A Z0 lecsúszási magasságot azzal a magassággal definiáljuk, amely az S0-tól az egységig terjedő S átlagértékének megfelel. Ez látható a 6.1. ábrán. S átlagértéke az egész halmazra vonatkoztatva az ordinátatengely és a görbe közötti terület osztva a Z halmaz magassággal:

(6.1)

A Z0-t változó körülmények közötti nagyszámú kísérletekből meghatározták, és azt tapasztalták, hogy megközelítően

(6.2)

empirikus egyenlettel adható meg. Ahol K a szemcsés halmaz áteresztőképessége (permeabilitása), ρF a folyadék sűrűsége, σ a folyadék felületi feszültsége. A (6.3) egyenlettel definiáltak egy kapillárisszámot:

(6.3)

Azt találták, hogy S0 a következőképpen függ a kapillárisszámnak nevezett mennyiségtől:

(6.4)

Ezekben a kifejezésekben feltételezzük, hogy a lecsurgás kizárólag a nehézségi erő hatására jött létre, és hogy a folyadék- és szilárd fázis illeszkedési szöge 180°. A K permeabilitás a halmazon áthaladó lamináris áramlás egyenletének arányossági állandója:

(6.5)

ahol Δp a halmazban fellépő nyomásesés és jm az áramlás tömegáram-sűrűsége a halmaz teljes keresztmetszetére vonatkoztatva. A szemcsés szilárd anyaghalmazon át az áramlást az Ergun-egyenlet írja le. Lamináris áramlásra ennek az egyenletnek jobb oldalából csak az első tagot alkalmazzuk (Blake-Kozeny-egyenlet):

(6.6)

Ha ebből Δp/Z-t a (6.5) egyenletbe helyettesítjük, és Re helyére

(6.7)

egyenletet írjuk, akkor az egyszerűsítés után a következő egyenlethez jutunk:

(6.8)

ahol dp a részecskékével azonos térfogatra vonatkozó fajlagos felületű gömb átmérője és ε a hézagtérfogat. Rostos vagy más olyan anyagoknál, ahol a dp értékét nehéz meghatározni, K értékét a (6.5) egyenletből határozzuk meg a halmazon áthaladó lamináris áramlásnál fellépő nyomásesés mérése alapján.

6.2.1.2. Ellenáramú többszörös érintkezés.

Ebben a csoportban a legelterjedtebb a Shanks-rendszer. A perkolációs edényekben előzőkben leírt egyenáramú kilúgzás és az oldott anyag ezt követő kimosása elkerülhetetlenül híg oldatokat eredményez. A legtöményebb oldatokat akkor kapjuk, ha olyan ellenáramú módszert alkalmazunk, amelyben az utolsónak leeresztett oldat a legfrissebb szilárd anyaggal érintkezik, a friss oldószert viszont olyan szilárd anyaggal hozzuk érintkezésbe, amelyből az oldható anyag legnagyobb részét már kilúgoztuk vagy kimostuk. Annak elkerülésére, hogy ilyen folyamatban a szilárd anyagot fizikailag edényről edényre kelljen továbbítani, a 6.2. ábrán vázlatosan szemléltetett hat edényből álló elrendezést használják. Az úgynevezett Shanks-rendszer a következőképpen működik.

6.2. ábra - Ellenáramú többszöri érintkezés, Shanks-rendszer

6.2. Ábra. Ellenáramú többszöri érintkezés, Shanks-rendszer

  1. A 6.2a ábránál feltételezzük, hogy a rendszer már bizonyos ideje működik. A 6 edény üres, az 1-5 edények szilárd anyaggal töltöttek, mégpedig az 5 edény legfrissebben és az 1 edény legrégebben. Az 1-5 edényekben kilúgozó folyadék is van, mégpedig az 5 edényben található a legtöményebb oldat, minthogy ez érintkezik a legfrissebb szilárd anyaggal. Az 1 edénybe éppen most szívattak be friss oldószert.

  2. Az 5 edényből kiengedjük a tömény oldatot, a 4 edényből a folyadékot az 5-be, a 3-ból a 4-be, a 2-ből a 3-ba és az 1-ből 2-be visszük át. A 6 edénybe friss szilárd anyagot helyezünk.

  3. A 6.2b ábra szerint most az 1-es edényből a feldolgozott szilárd anyagot kiürítjük. A folyadékot az 5-ből a 6-ba, a 4-ből az 5-be, a 3-ból a 4-be és a 2-ből a 3-ba visszük át. A 2 edénybe friss oldószert adagolunk. Ugyanolyan körülményeket létesítettünk, mint induláskor a 6.2a ábrán, azzal a különbséggel, hogy az edényszámok eggyel továbbhaladtak.

  4. A műveletet az előző módon tovább folytatjuk.

Miután több ilyen ciklust lefolytattunk, az oldatkoncentráció és az egyes edényekben a szilárd anyagokban fennálló koncentráció igen nagymértékben megközelíti a valódi folyamatos ellenáramú több fokozatú kilúgozással kapható értékeket. A rendszer természetesen tetszőleges számú edénnyel működhet, általában 6—16 egységet használnak. A kör alakú elrendezés nem feltétlenül szükséges, előnyösebb az edényeket sorba kapcsolni, az így kapott rendszert nevezzük „extrakciós telepnek", s ez, amennyiben erre vonatkozó igény felmerül, tetszés szerint kiegészíthető további edényekkel. Elhelyezhetjük az edényeket fokozatosan alacsonyabb szinteken is, úgy, hogy a folyadék egyikből a másikba minimális szivattyúzás segítségével, vagy a nehézségi erő hatására folyhat. A fenti rendszerű kilúgozó edényeket és berendezéseket a növényi extraktumok előállítására a gyógyszeriparban, például a rutin előállítása japánakác bimbóból, illetve a kozmetikai iparban, metallurgiai iparokban, tannin kinyerésére fakérgekből és fából, nátrium-nitrát kilúgozására chilei salétromot tartalmazó kőzetekből és számos más eljárásban használják.

6.2.1.3. Perkoláció zárt edényekben.

Ha a folyadékáram nyomásesése gravitációs áramláshoz túl nagy, zárt edényeket kell használnunk, és a folyadékot a szilárd halmazon át kell szivattyúznunk. Az ilyen edényeket „diffuzőröknek" is nevezik.

6.3. ábra - Cukorrépa diffuzőr

6.3. Ábra. Cukorrépa diffuzőr

Zárt edények szükségesek párolgási veszteségek elkerülésére olyan esetekben is, amikor vagy az oldószer nagyon illékony, vagy pedig az oldószer forráspontja feletti hőmérsékletek alkalmazása kívánatos. Például egyes tanninfajtákat vízzel 120°C-on, 345 kPa nyomáson zárt perkolációs edényekben oldják ki. Az edények alakja a felhasználástól nagymértékben függ. Cukor kioldása cukorrépaszeletekből a 6.3. ábrán látható diffuzőrtípust használják. Ebből a diffuzőrtípusból maximálisan 16 tagú telepet kapcsolnak össze, és a cukorrépa-szeleteket forró vízzel Shanks-rendszerű ellenáramú megoldással vonják ki. Az egyes diffuzőrök közé hőcserélőket helyeznek el, ezzel az oldat hőmérsékletét 55-60°C-on tartják. A módszerrel a répa eredeti 18%-os cukortartalmának 95-98%-át vonják ki és a kapott oldat 12%-os.Kilúgozás szűrőpréssel. Az olyan finom eloszlású szilárd anyagokat, amelyek túl finomak ahhoz, hogy viszonylag mély perkolációs edényekben kezeljék, szűrőprésben szűrik és egyidejűleg a szűrőlepényen átszivattyúzott oldószerrel lúgozzák ki. Ezt a módszert gyakran használják anyalúg kimosására leszűrt csapadékokból.

6.2.1.4. Keverés és ülepítés.

Rögzített halmazban perkolációs vagy szűrőpréses kilúgozásnál az oldószer csatornákat képezhet, ennek következtében a kilúgozás lassúvá és tökéletlenné válik. Ez a probléma elkerülhető, ha a folyadékot és a szilárd anyagot a kilúgozó edényekben keverjük. Számos keveréssel vagy kavarással működő berendezés ismeretes, amelyek durva eloszlású szilárd anyagok kilúgozására alkalmasak. Egyik típusnál a zárt hengeres edényeket függőlegesen állítják fel, mint azt a 6.4a ábrán láthatjuk. A keverést motorral hajtott függőleges tengelyű lapátok vagy kavarók, a kilúgozó oldat leszívását pedig kettős fenekek biztosítják. Másfajta berendezésekben az edényeket vízszintesen helyezik el, és a keverő is vízszintes tengelyű. Ilyen berendezés látható a 6.4b ábrán. Egyes esetekben az extraháló edény vízszintesen elhelyezett dob, amelyben a szilárd anyag és a folyadék érintkezését a görgőkön mozgó dob forgása segíti elő. Ilyen berendezés látható a 6.4c ábrán. Ezek a berendezések szakaszosan működnek, és egyetlen kilúgozási fokozatnak felelnek meg, melyeket önmagukban is használhatók, azonban igen gyakran ellenáramban működő telepekké kapcsolják össze.

6.4. ábra - 6.4. Keverővel ellátott szakaszosan működő kilúgozó berendezések

6.4. Keverővel ellátott szakaszosan működő kilúgozó berendezések

Finom eloszlású szilárd anyagokat keveréssel szuszpendálhatunk a kilúgozó oldószerekben. Többféle szakaszos működésű keverős berendezés ismeretes. Ezek közül legegyszerűbb a Pachuca-edény, amelyet a metallurgiai iparokban elterjedten használnak. Fából, fémből vagy betonból készülhet olyan fémbéléssel, amelyet a kilúgozó folyadék nem támad meg. A keverést levegőbefújással végzik.

6.5. ábra - Pachuca-edény

6.5. Ábra. Pachuca-edény

A középen elhelyezett csövön keresztül érkező levegőbuborékok hatására a folyadék és a szuszpendált szilárd részecskék a csőben felfelé áramlanak, és ennek következtében az edény tartalma függőleges irányban cirkulál. A finom eloszlású szilárd részecskék szuszpenzióban tartására szabványos turbinakeverők is használhatók. A kilúgozás befejezése után a keverést leállítják, megvárják, míg a szilárd anyag a tartályban leülepszik, és a folyadék tisztáját dekantálják. A dekantálást végezhetik úgy, hogy a tartály tetejéről leszivornyázzák a tiszta oldatot, vagy úgy, hogy a tartály oldalán megfelelő magasságban elhelyezett kiömlő csövön keresztül engedik le. Ha a szilárd anyag finom eloszlású és az üledék összenyomható, a leülepedett szilárd anyaghoz tapadó oldatmennyiség jelentős lehet. Ebben az esetben az oldott anyagot el kell távolítani az üledékből. Ezt úgy oldják meg, hogy az üledéket mosófolyadékkal összekeverik, majd ülepítik vagy a szilárd anyagot szűrik, és a szűrőn mossák.

Szakaszos ülepítés tehát egy részfolyamata a kilúgozásnak. Finom eloszlású szuszpenzió ülepedési jellemzőit, ha az egyenletes sűrűségű és közelítőleg egyenletes nagyságú részecskékből áll, könnyen meghatározhatjuk, ha egy szuszpenziómintát üveghengerben zavartalanul állni hagyunk. Ha a szuszpenzió kezdetben nagyon híg, a megfigyelt részecskék egyenként ülepszenek, az ülepedési sebességük a részecskék nagyságától, a folyadék -és a szilárd anyag sűrűségkülönbségétől, valamint a folyadék viszkozitásától függ. A részecskék a henger alján gyűlnek össze. Végül a folyadék tisztává válik, de a tiszta folyadék és az ülepedő szuszpenzió között az egész folyamat során nem észlelhető éles határvonal. A kilúgozó és mosóműveletek során általában keletkező koncentráltabb szuszpenziók azonban másképpen viselkednek. A megfigyelések szerint a részecskék közötti kölcsönhatások következtében az ülepedés lassú, gátolt ülepedés. A kisszámú, viszonylag nagyméretű részecskéktől eltekintve, a részecskék méretei közel azonosak, és a részecskék nagyjában egyszerre ülepednek le. Ennek eredményeképpen a henger felső részében levő tiszta folyadék és az alsó részben elhelyezkedő ülepedő szilárd anyagréteg között általában meglehetősen éles határvonal mutatkozik. A 6.6. ábrán látható hengert eredetileg Z0 magasságig olyan szuszpenzióval töltöttük meg, amelynek koncentrációja a szilárd anyag tömegtörtjében kifejezve egyenletesen x0, és amelyben az ülepedés már megkezdődött.

6.6. ábra - Szakaszos ülepítés

6.6. Ábra. Szakaszos ülepítés

A megfigyelés időpontjában felül a tiszta folyadékot tartalmazó A réteg helyezkedik el. Közvetlenül ez alatt található a B réteg, amelyen belül a szilárd anyag koncentrációja nagyjából egyenletesen a kiindulási x0 értékkel egyenlő, ahogy az a közölt diagramon is látható. A henger alján levő D rétegben, amelyet általában „kompressziós rétegnek" neveznek, a felülről összegyűlt részecskék egymáson nyugszanak, és súlyuk következtében a részecskék közül folyadék szorul ki. Összenyomható üledékeknél ennek következtében a rétegmélységgel a szilárd anyag koncentrációja nő, ahogy ez a görbén is látható. B és D között helyezkedik el a C átmeneti réteg, amely nem minden esetben definiálható élesen. Az ülepedés az ábrán feltüntetett időponton túl is folytatódik, az A és B közötti határvonal süllyed, a D réteg magassága pedig növekszik, míg végül a B réteg eltűnik, és csak a jelenlevő szilárd anyag teljes mennyiségét tartalmazó kompressziós réteg marad meg. Ez azután lassan egy végső magasságra áll be. Az ülepedési sebesség változását általában úgy ábrázoljuk, hogy a koordinátarendszer tengelyeire az A és B közötti határvonal magasságát, illetve az időt visszük fel. Ilyet mutat a 6.7. ábra kihúzott görbéje. A szaggatott görbe a D réteg felső szintjének helyzetét ábrázolja. A B réteg teteje az ülepedés megindulásától egyenletes sebességgel ülepszik (a Z-t az idő függvényében feltüntető vonal) egészen addig, míg a B csaknem eltűnt, és az összes szilárd anyag a kompressziós rétegbe került. A kompressziós réteg ülepedési sebessége a Z∞ végső magasság eléréséig viszonylag lassú és nem állandó. Néhány esetben két állandó sebességű ülepedési periódus figyelhető meg, és kompressziós periódus lényegében nem jelentkezik. A görbék alakja nemcsak az üledéktől (a szilárd anyag részecskeméretétől és tulajdonságától, valamint a folyadék tulajdonságától), hanem a szuszpenzió kezdeti magasságától és koncentrációjától, a flokulálás mérvétől, továbbá attól is függ, hogy ülepedés közben keverjük-e a rendszert.

6.7. ábra - Az ülepedés sebessége

6.7. Ábra. Az ülepedés sebessége

A Flokulálás jelenség akkor lép fel, ha valamennyi finom eloszlású szilárd részecskének azonos előjelű elektromos töltése van, a részecskék egymást taszítják, és ennek következtében diszpergálva maradnak. Ha a töltést például elektrolit hozzáadással közömbösítjük (flokulálószer), a részecskék agregátumokat, pelyhes csapadékot képeznek. Mivel a pelyhek nagyobb méretűek, gyorsabban is ülepednek. A kémiai műveletek során keletkező iszapok és szuszpenziók általában flokulálnak.

Olyan lassú kavarás, amelynek következtében a folyadékban örvényáramok nem keletkeznek, az ülepedés jellegét mélyrehatóan megváltoztatja. A pehelystruktúra megváltozik, úgyhogy a szilárd anyag koncentrációja a B rétegben többé már nem egyenletes, a kiindulási érték és a D réteg nem definiálható pontosan. A leülepedett iszap végső magassága a kavarás nélkül kapottnak csak töredéke, ami a kompressziós zóna rácsos vagy üreges pehelystruktúrája összeomlásának tulajdonítható. A szilárd anyag végső koncentrációja a leülepedett tömegben ennek megfelelően nagyobb. Általában az állandó és csökkenő ülepedési sebességű rétegek még megfigyelhetők, bár a sebességértékek a kavarás nélkül fellépőktől különböznek.

Az ülepedés sebessége csökken, ha a szilárd anyag kezdeti koncentrációja nagyobb. Ez annak tulajdonítható, hogy ilyenkor nagyobb a közeg effektív sűrűsége és viszkozitása. A 6.8. ábra a szuszpenzió koncentrációhatását tünteti fel abban az esetben, ha ugyanannak az anyagnak növekvő koncentrációjú szuszpenzióit azonos nagyságú hengerekben ülepítik.

Bebizonyosodott, hogy a Z∞ végső ülepedési magassága bármilyen szuszpenziótípusnál a kezdeti koncentrációval van összefüggésben:

(6.9)

ahol a és b állandók, amelyeket Z∞-nek és Z0-nak x két értékénél végzett méréseiből kell megállapítani. Kavart ülepedésnél a fenti egyenlet csak az x nem nagy értékeinél érvényes.

6.8. ábra - A szuszpenzió koncentrációjának befolyása az ülepedési sebességre

6.8. Ábra. A szuszpenzió koncentrációjának befolyása az ülepedési sebességre

A 6.9. ábrán olyan ülepedési görbék láthatók, amelyeket ugyanazzal a szuszpenzióval különböző kezdeti magasságoknál vettek fel.

6.9. ábra - Ülepedés különböző kezdeti magasságok mellett

6.9. Ábra. Ülepedés különböző kezdeti magasságok mellett

A kezdeti állandó ülepedési sebesség a magasságtól független, és ha csak Z0 egy kritikus minimális értékét nem lépjük túl, Z∞/Z0 végső értéke ugyancsak állandó. Mind a két állandó ülepedési sebességnek megfelelő egyenes szakasz az origóból kiinduló OA egyenesen végződik, és általában bármely, az origóból kiinduló egyenest, mint pl. az OB-t, az ülepedési görbe úgy metszi, hogy OC/OB = Z0/Z∞. Ebből következik, hogy az idő, amelyre az iszapnak az eredeti oszlopmagasság meghatározott Z/Z0 törtrészére ülepedéshez szüksége van, a Z0 kezdeti magassággal arányos. Ilyen módon a laboratóriumi mérőhengerekben végzett mérések alapján előre pontosan meg lehet határozni a nagyméretű üzemi edényeknél várható értékeket. Az ilyen laboratóriumi mérések elvégzésénél azonban igen fontos, hogy a hengerek legalább 1 méter magasak és legalább 5 cm átmérőjűek legyenek, és a laboratóriumi vizsgálat körülményei az üzemi méretekben végzett műveletével megegyezzenek.

6.2.1.5. Perkolálás és keverés.

Ha nagy rögökből álló szilárd anyagot kell kilúgoznunk, az alábbi választási lehetőségünk van, vagy törjük durva darabokra és végezzük a kilúgozást perkolálással, vagy őröljük finomra, és keveréssel, majd ülepítéssel lúgozzuk ki. Erre a kérdésre általános válasz nem adható, a döntést a különböző szilárd anyagok eltérő kilúgozási sajátosságai és az oldott anyagok értékei befolyásolják. A következő szempontokat azonban mindenképpen figyelembe kell venni. A finomra őrlés költségesebb, de gyorsabb és feltehetően alaposabb kioldást tesz lehetővé. Hátránya, hogy a leülepedett szilárd anyaggal asszociált folyadék tömege a szilárd anyag tömegével egyenlő vagy annál nagyobb lehet, úgyhogy jelentős oldószermennyiségekre van szükség ahhoz, hogy a kilúgozott szilárd anyagról az oldott anyagot lemossuk, és az így keletkezett oldat híg lesz. Durván őrölt részecskék viszont lassabban és feltehetően kevésbé alaposan lúgozhatók ki, leszíváskor azonban viszonylag kevés oldatot tartanak vissza, kevesebb mosást igényelnek, és ennek következtében koncentráltabb végső oldatot kapunk.

6.2.2. Folyamatos műveletek

A folyamatos állandósult állapotú műveletek berendezéseit durván két nagy csoportba oszthatjuk, attól függően, hogy fokozatos vagy folytonos érintkezéssel működnek. A fokozatszerű berendezések összekapcsolásával többfokozatú berendezéseket képeznek ki, és így több fokozattal egyenértékű hatást érnek el. A folytonos érintkezésű berendezések egyetlen berendezésben számos fokozattal egyenértékű működést biztosítanak.

6.2.2.1. Kilúgozás őrlés közben

Mint már az előzőkben kifejtettük, a szilárd anyagot számos esetben meg kell őrölni ahhoz, hogy a kilúgozó oldószer az oldódó részekhez hozzáférjen. Folyamatos nedves őrléskor a kilúgozás egy részét az őrléssel egyidejűleg végezhetjük. Az oldható arany 50-75%-a kioldható, például ha az ércet cianid oldat jelenlétében őrlik. A ricinus magvakat görgős zúzómalmokban, a ricinusolajat oldószer jelenlétében őrlik. A folyadék és a szilárd anyag párhuzamosan áramlik a malmon át, és ennek következtében a koncentrációegyensúly beálltára törekszenek. Ez a művelet egyfokozatú kilúgozás, és rendszerint további keveréssel vagy mosó műveletekkel egészül ki.

6.2.2.2. Keverős edények.

Finomra őrölt szilárd anyagokat, amelyek keveréssel folyadékokban könnyen szuszpendálhatók, folyamatosan lehet kilúgozni az ismert keverős tartályokban vagy edényekben. A berendezésnek biztosítania kell, hogy a folyadék és a szilárd anyag az edénybe és az edényből folyamatosan áramolhasson, és a szilárd anyag összegyűlését meg kell akadályoznia. Ezek a berendezések az alapos keverés következtében működésükben egy fokozatnak felelnek meg, mivel a folyadék és a szilárd anyag az edényen belül igyekszik egyensúlyba kerülni. Mechanikusan kevert edényekben általában a turbinakeverők alkalmazása a legelőnyösebb. A metallurgiai iparokban gyakran használják a Pachuca-edényeket. A Dorr-keverő a levegőbefújásos elvet és a szilárd anyag mechanikus kotrását alkalmazza, és finom eloszlású szilárd anyagok folyamatos kilúgozására és mosására mind a kémiai, mind a metallurgiai iparban elterjedten használják.

A keverő tengelye egy cső, ami levegőbefúvóként is szolgál, és egyidejűleg lassan forog. A tengely aljára erősített karok a leülepedett szilárd anyagot lassan az edény fenekének középpontja felé kotorják, ahonnét a tengelyen keresztüli levegőbefújás a felső részre erősített forgó folyadékvezetékekhez viszi. Ekkor a folyadékvezetékek a folyadék és szilárd anyag felhajtott elegyét az edény teljes keresztmetszete mentén eloszlatják. A kotrókarok felhúzhatók, és így meg lehet szabadítani őket az egy menet alatt rájuk rakodó szilárd anyagoktól. Ezen kívül segédlevegő-vezetékekkel is el vannak látva, amelyek elősegítik a rárakódott szilárd anyagok eltávolítását. Ha a szilárd anyag nem egyenletes részecskeméretű, a keverő működését úgy állíthatjuk be, hogy a hosszabb kilúgozási időt igénylő durva részecskék hosszabb ideig maradnak a tartályban, mint a finomabbak. A keverős edények általában 2-15 m átmérőjűek. Az anyag tartózkodásának átlagos időtartamát a keverős edényben úgy számíthatjuk ki, hogy a tartályban levő kevert anyag térfogatát osztjuk a beáramlási sebességgel. Ezt végezhetjük külön a szilárd anyagra és külön a folyadékra. Ha az egymáshoz viszonyított mennyiségük a tartályon belül más, mint a betápláláskor, tartózkodási idejük különböző lehet. A szilárd anyag átlagos tartózkodási idejének akkorának kell lennie, hogy a kilúgozás kívánt mértékét biztosítsa. Egyes szilárd részecskék természetesen a számított átlagnál sokkal rövidebb idő alatt is áthaladnak a berendezésen, ami kis fokozathatásfokot eredményez. Ez úgy kerülhető el, hogy a szilárd anyag és folyadék elegyét kisebb keverős tartályok sorozatán bocsátják át. A tartályokban az átlagos tartózkodási idők összege a szükséges kilúgozási idő. Ezt a szuszpenzió gravitációs áramlásával lehet megvalósítani oly módon, hogy az edényeket sorban fokozatosan alacsonyabb szinteken helyezzük el. Meg kell jegyezni, hogy a folyadék és a szilárd anyag párhuzamos áramlásának következtében az egész sorozat még mindig egyetlen fokozatnak felel meg. A folyamatos keverőberendezésekből belépő zagyot szeparálás céljából szűrőre vihetjük, amelyen a fennmaradó szilárd anyagot oldott szilárd anyagoktól mentesre moshatjuk. Szűrő helyett ülepítők sorozatában ellenáramú mosást is végezhetünk.

6.2.2.3. Ülepítők.

Az ülepítők olyan mechanikai berendezések, amelyeknek célja, hogy kisméretű szilárd részecskék híg szuszpenziójában a szilárd anyag és a folyadék arányát ülepítéssel és dekantálással folyamatosan növeljék úgy, hogy végül külön termékként tiszta folyadék és leülepedett iszap keletkezzen. Az ülepítők a szűrők előtt használhatók, a szűrési költségek csökkentésére. Mivel mind a két távozó fázis szivattyúzható, és így könnyen szállítható, az ülepítőket gyakran használják folyamatos többfokozatú ellenáramú berendezések készülékeiként, hogy velük kilúgozott szilárd anyagokhoz és kémiai csapadékokhoz tapadó oldat maradványait kimossák. Jellegzetes egyszakaszos Dorr-féle ülepítőt elterjedten alkalmaznak. A szuszpendált szilárd anyagból és folyadékból álló híg szuszpenzió a készülék felső részének középpontjában elhelyezett adagolócsövön keresztül kerül a széles ülepítő edénybe oly módon, hogy ez a szuszpenzió a tartály felső részén levő tiszta folyadékkal nem elegyedhet. A szilárd részecskék az edényt megtöltő folyadékból leülepszenek, és az üledéket kaparó vagy gereblyesor a fenéken elhelyezett ürítő kúphoz irányítja. A kaparósorok lassan forognak, nehogy a leülepedett szilárd anyagot túlságosan felkavarják. Az üledéket az ürítő kúpból membránszivattyúval távolítják el. A tiszta legfelső folyadékréteg átfolyik az edény felső kerületén elhelyezett túlfolyóba. Az ülepítők általában 1,5-100 m átmérőjűek, szemcsés és pelyhes szilárd anyagok ülepítésére is alkalmazhatók, és tervezésük során a méretekhez és a felhasználás módjához kell alkalmazkodni. A területigény csökkentésére több párhuzamos ülepítőt helyeznek egymás fölé. Az ilyen berendezés egyetlen üledékterméket szolgáltat. Az üledék folyadéktartalma általában 15- 75% körüli, nagymértékben függ a szilárd anyag és a folyadék tulajdonságaitól, valamint az ülepedés időtartamától. Minél kevesebb folyadék marad vissza, az elvégzendő kilúgozási vagy mosóművelet annál hatásosabb lesz.

6.2.2.4. Folyamatos ellenáramú dekantálás.

A kilúgozó berendezésül használt keverőkből vagy őrlőmalmokból a kilépő folyékony anyagok ülepítő kaszkádba vihetők, hogy a finom eloszlású szilárd anyagot folyamatos ellenáramú mosással megszabadítsák a hozzátapadó oldott anyagtól. Ugyanilyen típusú kaszkáddal lehet mosni a kémiai reakciókban keletkező szilárd anyagokat is, mint például a foszforit kénsavas kezelésével előállított foszforsavat, a kénsav és báriumszulfid reakciójával kicsapott bárium-szulfátot.

6.2.2.5. Durván aprított szilárd anyagok folyamatos kilúgozása

Számos berendezést valósítottak meg, amelyekkel szilárd anyag folyamatos ellenáramban vihető át kilúgozó berendezésen. E gépek kifejlesztését a metallurgiai iparokban használt osztályozókon kívül főleg a cukorrépa és növényi magvak, mint például gyapotmag, szója, kilúgozásával kapcsolatos szilárdanyag kezelési problémák tették szükségessé.

Növényi magvak kilúgozása. Gyapotmagot, szóját, lenmagot, földimogyorót, rizskorpát, ricinusmagot és számos hasonló terményt általában szerves oldószerekkel lúgoznak ki vagy extrahálnak abból a célból, hogy a bennük levő növényi olajakat kinyerjék. A legelőnyösebb kilúgozás biztosítására a magvakat általában megfelelő módon elő kell készíteni. Az előkészítés állhat hántolásból, előfőzésből, a nedvességtartalom beállításából, valamint hajalásból vagy darálásból. Egyes esetekben a jelenlevő olaj egy részét előbb mechanikai módszerekkel, sajtolással távolítják el. A kilúgozó oldószerek általában ásványolaj szénhidrogének. A legtöbb olaj a hexánnal kivonható, de klórozott szénhidrogéneket és alkoholokat is alkalmaznak. Az olajtartalmú oldószert, amely általában kis mennyiségű finom eloszlású szuszpendált szilárd anyagot tartalmaz, miszcellának, a kilúgozott szilárd anyagot pedig velőnek nevezik. A különböző kilúgzóberendezéseket ebben az iparban általában extraktoroknak nevezik.

A szilárd anyag továbbítására számos extraktorban szállítócsigát vagy perforált kosarakat használnak. A Hildebrandt extraktorban, 6.10. ábra, például a szállítócsigák a szilárd anyagot U alakban elhelyezett csöveken viszik keresztül. A perforált szállítócsigák különböző sebességekkel forognak úgy, hogy a szilárd anyag különösen az U vízszintes szárában összetömörül.

6.10. ábra - Hildebrandt extraktor

6.10. Ábra. Hildebrandt extraktor

A csöveken belül különleges vezetősínek akadályozzák meg, hogy a szilárd anyag továbbjutása során forogjon. A miszcellát hengeres lemezekből álló szűrőrácson keresztül távolítják el, amelyen számos olyan függőleges rés van, amelyeknek belső nyílása kisebb, mint a külső. Ezáltal elkerülik az összetömörülést. A szűrőrácsról a szállítócsiga kaparó hatása tisztítja le a szilárd anyagot. Használnak vízszintes szállítócsigákat is.

6.2.3. Számítási Módszerek

Igen fontos annak meghatározása, hogy adott eljárásban milyen mértékű kilúgozás érhető el, azaz, hogy ki tudjuk számítani valamilyen szilárd anyagból kilúgozható oldódó anyag mennyiségét, ha ismeretes a szilárd anyag kezdeti oldható mennyisége, a kilúgozó oldószerrel végzett mosások száma, a kilúgozó folyadék mennyisége, a kilúgozó oldószer oldott anyag koncentrációja, és hogy az alkalmazott módszer szakaszos vagy folyamatos ellenáramú. Vagy fordítva, szükségessé válhat, hogy a kilúgozó oldószer mennyiségének és oldott anyag koncentrációjának ismeretében meg tudjuk adni a mosások vagy fokozatok számát, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a szilárd anyag oldható mennyiségét valamilyen meghatározott értékre csökkentsék.

6.2.3.1. Fokozathatásfok

Vizsgáljunk egy egyszerű szakaszos kilúgozó műveletet, amelyben a szilárd anyagot a teljes oldható anyagmennyiség kioldásához szükségesnél nagyobb mennyiségű oldószerrel lúgozzuk ki, és ahol a szilárd anyag sem az oldószert, sem az oldott anyagot nem adszorbeálja szelektívebben. Ha a szilárd anyag és oldószer megfelelő ideig érintkezhet, a teljes oldható anyagmennyiség feloldódik, és az eredményül kapott elegy a kilúgozott oldható anyag oldatában eloszlatott oldhatatlan szilárd anyag szuszpenziója. Ezután az oldhatatlan fázisokat fizikai módszerekkel, ülepítéssel, szűréssel vagy lecsurgatással elválasztjuk, így az egész művelet egyetlen fokozatot alkot. Ha a szilárd anyag és a folyadék mechanikus elválasztása tökéletes volt, a műveletből kikerülő szilárd anyagra nem tapad oldott anyag, és ezzel az oldott anyag és az oldhatatlan szilárd test elválasztása egyetlen fokozatban megvalósítható. Ez 100% fokozat hatásfokú, ideális fokozatnak felelne meg. A gyakorlatban a fokozathatásfokok ennél sokkal kisebbek. Egyrészt az érintkezési idő nem elegendő, ezért az oldható anyag nem teljesen oldódik ki. Másrészt gyakorlati szempontból nem érdemes a folyadék és a szilárd anyag mechanikai elválasztását tökéletessé tenni, és a fokozatból kikerülő szilárd anyag mindig tartalmaz valamennyi folyadékot, és ezzel valamennyi oldott anyagot is. Azokban az esetekben, amikor a szilárd anyag az oldott anyagot adszorbeálja, még ha a szilárd és folyékony fázisok között az egyensúly be is áll, a tökéletlen ülepedés vagy lecsurgás csökkent fokozathatásfokot eredményez.

Gyakorlati egyensúly. Általános esetben, más anyagátadási műveletekhez hasonlóan, a számításokat legegyszerűbb grafikusan végezni, amihez az egyensúlyi feltételek grafikus ábrázolása szükséges. A legegyszerűbben úgy járhatunk el, hogy a gyakorlati egyensúlyi feltételekkel dolgozunk, amelyek a fokozathatásfokokat közvetlenül figyelembe veszik, akár egészben, akár részben, hasonlóan ahhoz, ahogy a gázabszorpciónál vagy a lepárlásnál eljártunk. A legegyszerűbb esetekben tiszta oldószert (A), oldhatatlan szilárd hordozót (B) és oldható anyagot (C) tartalmazó háromkomponensű rendszerrel kell számolnunk. Az ilyen terner rendszerek számítása és grafikus ábrázolása háromszögű koordináták segítségével végezhető. Miután a vonalak gyakran az ilyen diagramok egyik sarkában sűrűsödnek, előnyösebb, ha a derékszögű koordinátát használunk. A B oldhatatlan szilárd anyag koncentrációja akár keverékben, akár szuszpenzióban N = B kg/(A + C) kg, függetlenül attól, hogy a szilárd anyagot az oldat nedvesíti-e vagy sem. A C oldható anyag koncentrációját B-mentes bázisra vonatkozó tömegtörtként fejezzük ki, x = C tömegtörtje a fokozatból kilépő oldatban (B-mentes alapon), és y = C tömegtörtje a szilárd anyagban vagy szuszpenzióban (B-mentes alapon). Az y értéknek a teljes C oldható anyagmennyiséget tartalmaznia kell, beleértve a szilárd anyaghoz tapadó oldatban feloldott, valamint a fel nem oldott vagy adszorbeált oldható anyagot. Ha a szilárd anyag száraz, mint például a kilúgozó műveletek megkezdése előtt, az N az oldhatatlan anyag tömegének az oldhatóhoz való arányát jelenti és y = 1,0. A tiszta A oldószerre vonatkozóan N = 0, x=0. A koordinátarendszert most a 6.11. ábra mutatja.

6.11. ábra - Koncentrációk a kilúgozásnál és mosásnál

6.11. Koncentrációk a kilúgozásnál és mosásnál

Vegyünk először azt az egyszerű esetet, amikor az oldhatatlan szilárd anyag, amelyből a teljes oldható anyagmennyiséget kilúgozták, az oldható anyag oldatában szuszpendálva van. Ennek megfelelő pont az ábrán az M1. A tiszta oldat koncentrációja x és az oldhatatlan szilárd anyag/oldat arány NMl. Tegyük fel, hogy az oldhatatlan szilárd anyag nem adszorbeál. Ha az elegyet ülepítjük, például szakaszos ülepítő tartályban, a leszívható tiszta folyadékot az R1 pont ábrázolja, és a visszamaradó üledék az oldat kis mennyiségében szuszpendált szilárd oldhatatlan anyagból áll. Az üledékben levő oldat összetétele azonos az eltávolított tiszta folyadékéval, úgyhogy y* = x. A B szilárd anyag koncentrációja az NEl üledékben az ülepedésre rendelkezésre álló τ időtől függ, ahogy ebben az esetben az Et pont a szuszpenziót ábrázolja.

Az E1R1 a két elfolyó áramot, a tiszta folyadékot és szuszpenziót jelentő pontokat függőlegesen összekötő egyenes. Ha a leírt körülményeket egy adott kilúgozásnál betartják, az E1 és R1 pontok e kilúgozás gyakorlati egyensúlyi feltételeinek tekinthetők. Ha az ülepedéshez rendelkezésre álló idő kisebb, tegyük fel τ'1 , az üledék oldhatatlan szilárd anyag koncentrációja kisebb és az E'1 ponttal ábrázolható. A végső ülepedési magasságnak megfelelően az üledékre vonatkozó N-nek maximuma lenne, megegyezésben az előzőkben a szakaszos ülepítésről mondottakkal, azonban az ülepedéshez gyakorlatilag rendelkezésre álló idő nem elég ennek elérésére. Mivel meghatározott idő alatt leülepedett üledék oldhatatlan anyagának koncentrációja a szuszpenzió kezdeti koncentrációjától függ, a τ1 idő alatt ülepedő M2 elegy az E2 pontnak megfelelő üledéket szolgáltatja. Ha a szilárd anyag nem ülepszik le annyira, hogy teljesen tiszta oldatot kapjunk, vagy ha az ülepedett anyagról túl sok oldatot szívunk le, úgyhogy az kis mennyiségű szilárd anyagot is magával ragad, vagy ha a B szilárd anyag az oldatban kis mértékben feloldódik, a leszívott oldatot egy R2 pont ábrázolja valamivel a grafikon alsó tengelye felett. Hasonlóan ábrázolhatjuk azokat az összetételeket, amelyeket úgy kapunk, hogy a nedves szilárd anyagot ülepítés helyett szűrjük, vagy az oldatot leszívatjuk, illetve folyamatosan besűrítjük.

A szuszpenziók ülepedési vagy sűrűsödési jellemzői a szuszpendáló folyadék viszkozitásától és relatív sűrűségétől függnek. Mivel utóbbiak viszont az oldat összetételének függvényei, kísérletileg meg lehet állapítani, hogy a besűrített zagy összetétele hogyan változik az oldat összetételével, és e kísérletek adatai a gyakorlati egyensúly feltételeként diagramban ábrázolhatók. Világos azonban, hogy az adatokat olyan idő, hőmérséklet és koncentrációs viszonyok mellett kell felvennünk, amelyek azonosak a tervezett üzem vagy eljárás megfelelő viszonyaival. Ha a szilárd anyagréteg leszívatása perkolálás után hosszú ideig tart, akkor a maradék telítettségnek megfelelő egyensúlyt a szakaszos ülepítésnél leírtak szerint határozhatjuk meg. A rövid tartamú leszívatásra vonatkozó adatokat kísérletileg kell meghatározni.

Mosó műveletekben, amelyekben az oldható anyag már feloldott állapotban van jelen, gyorsan elérjük az egész oldószeren belüli egyenletes koncentrációt, és a csökkent fokozathatásfok valószínűleg a tökéletlen leszívatásnak vagy ülepítésnek a következménye. Ha a szilárd testben eloszlatott fel nem oldott anyagot lúgozunk ki, a csökkent fokozathatásfok vagy a túl rövid érintkezési időnek, vagy a folyadék és szilárd anyag tökéletlen mechanikai elválasztásának következménye. A két hatás kísérletileg megkülönböztethető oly módon, hogy a szilárd anyagon visszamaradt folyadék mennyiségét és összetételét rövid és hosszú érintkezési időknél megmérjük, és az egyensúlyi feltételek meghatározásához az utóbbiakat használjuk.

Vizsgáljunk meg néhány szóba jövő egyensúlyi görbe típust. A 6.12a ábra adatait olyan esetekben kapjuk, amikor a C oldható anyag az A oldószerben korlátlanul oldódik, úgyhogy x és y értéke 0-tól 1,0-ig terjedhet. Ilyenek a körülmények a szójaolaj (C)-szójaliszt (B)-hexán (A) rendszerben, ahol az olaj és a hexán korlátlanul elegyedik. A DFE görbe az elválasztott szilárd anyagot ábrázolja a gyakorlatban várható körülmények között, a fenti tárgyalásnak megfelelően. A GHJ görbe a leszívott oldat összetétele, az N = 0 tengely felett van, és ezért ebben az esetben vagy a B szilárd anyag oldódik részlegesen az oldószerben, vagy nem teljesen kiülepített folyadékot távolítottunk el. Az összekötővonalak, például az FH, nem függőlegesek. Ez akkor következik be, ha az érintkezés a kilúgozó oldószerrel túl rövid volt ahhoz, hogy a teljes oldható anyagmennyiség kioldását biztosítsa, vagy ha az oldható anyag szelektíven adszorbeálódik, vagy ha az oldható anyag a B szilárd testben oldódik, és egyensúlykor a folyadék és szilárd fázis között egyenlőtlenül oszlik meg. Az adatokat grafikonra vihetjük, amely y-t x függvényében tünteti fel.

6.12. ábra - Tipikus egyensúlyi diagramok

6.12. Ábra. Tipikus egyensúlyi diagramok

A 6.12b ábra azt az esetet tünteti fel, amelyben az oldható anyag nem adszorbeálódik, úgyhogy a leszívott oldat és a szilárd anyaghoz tapadó oldat összetétele azonos, és az összekötővonalak függőlegesek. Ez az alsó x, y koordinátarendszerben 45°-os egyenest eredményez, és az y*/x-szel definiált m együttható egységnyi. A KL vízszintes, jelezve, hogy a szilárd anyagot az oldható anyag minden koncentrációjánál ugyanolyan mértékben ülepítették vagy szívatták le. A folyamatos ülepítők működése szabályozható úgy, hogy ez így megvalósuljon. Ennek feltételeit állandó elfolyásnak lehet nevezni. Ebben az esetben az oldat B anyagot sem oldott, sem diszpergált állapotban nem tartalmaz. A 6.12c ábra azt az esetet tünteti fel, amikor a C oldandó anyag az A oldószerben xs oldékonysággal csak korlátoltan oldható. Az xs-nél töményebb tiszta oldatot nem lehet előállítani, és emiatt a szuszpenziót és a telített oldatot összekötő egyenesek az ábrán látható módon összetartanak. Ebben az esetben a PS-től jobbra eső bármilyen M elegy úgy ülepszik, hogy S tiszta telített oldat és olyan U szuszpenzió keletkezik, amelynek összetétele M helyzetétől függ. A T pont a tiszta szilárd oldható anyag összetételét ábrázolja a telített oldat leszívatása vagy kiülepítése után. Minthogy a PS-től balra eső összekötő egyenesek függőlegesnek mutatkoznak, adszorpció nem lép fel, és a lecsurgó folyadékok tiszták. Meg kell jegyezni, hogy a gyakorlatban a különböző esetek kombinációi egyetlen diagramban is felléphetnek.

6.2.3.3. Egyfokozatú kilúgozás.

Vizsgáljuk a 6.13. ábrát, amely egyetlen kilúgozó- vagy mosófokozatot mutat. A kör a teljes műveletet jelenti, beleértve a szilárd anyag és kilúgozó oldószer összekeverését és az eredményül kapott nem elegyedő fázisok bármely ismert módon való elkülönítését.

6.13. ábra - Egyfokozatú kilúgozás vagy kioldás

6.13. Ábra. Egyfokozatú kilúgozás vagy kioldás

Az egyes áramok tömegét szakaszos műveleteknél kg-ban, folyamatos áramlásnál tömegáramban, kg/s-ban, vagy tömegáram-sűrűségben, kg/m2s-ban adjuk meg. Minthogy a legtöbb esetben a B szilárd anyag az oldószerben oldhatatlan és a kapott oldat tiszta folyadék, a kilúgozott szilárd anyagban levő B mennyisége azonosnak vehető a kilúgozandó szilárd anyagban találhatóval. N definíciójának megfelelően

(6.10)

Az oldható anyag (C) mérlege

(6.11)

Az oldószer (A) mérlege

(6.12)

Az oldat (oldható anyag+oldószer) mérlege

(6.13)

A kilúgozandó szilárd anyag és kilúgozó oldószer elegyítése Ml kg tömegű B-mentes elegyet eredményez, amelyre vonatkozóan

(6.14)

(6.15)

Ezeket az összefüggéseket a 6.14. ábra koordináta-rendszerében lehet ábrázolni. Az F pont a kilúgozandó szilárd anyagot, az R0 pedig a kilúgozó oldószert ábrázolja. Az M1 pont a teljes elegyet tünteti fel, ennek megfelelően az R0-t és F-et összekötő egyenesre kell esnie.

6.14. ábra - Egyfokozatú kilúgozás vagy mosás

6.14. Ábra. Egyfokozatú kilúgozás vagy mosás

A kilépő áramokat ábrázoló E1 és R1 pont az M1-en keresztülhaladó összekötő egyenes ellenkező végein van, és összetételük a diagramról leolvasható. El tömegét a (6.10) egyenlet alapján ki lehet számítani, az R1-et pedig a (6.15) egyenlet alapján. Ha a leszívott folyadékban B van jelen, a 6.12a ábrának megfelelő egyensúlyi diagramra van szükség.

6.2.3.4. Többfokozatú keresztáramú kilúgozás.

Ha a kilúgozott szilárd anyagot újabb adag friss oldószerrel hozzuk érintkezésbe, az oldhatatlan anyagból további oldható anyagmennyiséget oldunk vagy mosunk ki. A további fokozatokra vonatkozó számítások az egy fokozat számításainak csupán ismétlései olyan módon, hogy az egyes fokozatok kilúgozott szilárd anyaga a következő fokozat betáplált szilárd anyaga lesz. A (6.10)(6.15) egyenletek azzal a változtatással alkalmazhatók, hogy a további fokozatok jelzésére megfelelő indexeket kell használni. Ha egy anyag oldhatóanyag tartalmának meghatározott értékre csökkentéséhez szükséges fokozatok számát kell meghatároznunk, minthogy a „gyakorlati" egyensúlyi adatok használata következtében valóságos fokozatokkal van dolgunk, figyelembe kell venni, hogy a kapott számnak egész számnak kell lennie. Ennek következtében vagy a kilúgozandó anyag mennyiségét, vagy pedig az oldószer mennyiségét és egyes fokozatokra való eloszlását próbálgatással kell meghatározni.

6.2.3.5. Többfokozatú ellenáramú kilúgozás.

A 6.15. ábrán a kilúgozó-, ill. mosóműveletek vázlata látható.

6.15. ábra - Többfokozatú ellenáramú kilúgozás

6.15. Ábra. Többfokozatú ellenáramú kilúgozás

Ahhoz, hogy állandósult állapotú körülmények uralkodjanak, a műveletnek szükségképpen folyamatosnak kell lennie, bár a Shanks-rendszer szerinti kilúgozás nagyszámú ciklus lefolytatása után szintén megközelíti az állandósult állapotot. A vázolt műveletben feltételezzük, hogy a B szilárd anyag oldhatatlan, és a tiszta oldatba nem megy át, de az alább körvonalazott módszert könnyű átalakítani olyan esetre is, ahol ez nem áll fenn. Az egész berendezés oldószermérlege a következő:

(6.16)

Az oldat (A+C) mérlege:

(6.17)

Az M érték feltételezett B szilárd anyagtól mentes elegyet képvisel, amelyet a kilúgozandó szilárd anyag és a kilúgozó oldószer összekeverésével kapunk. A 6.15. ábra az üzem műveleti diagramja.

Az M pont koordinátái a következők:

(6.18)

(6.19)

A kaszkádból kilépő anyagokat ábrázoló EN és Rt pontnak az M-en áthaladó egyenesen kell feküdnie, és EN a „gyakorlati" egyensúlyi görbén fekszik. A (6.16) egyenlet következőképpen rendezhető át

(6.20)

Ennek mintájára akárhány fokozat oldatmérlege, így például az első háromé a következőképpen rendezhető:

(6.21)

A H az egyes fokozatok közötti állandó E -R anyagáram-különbséget (általában negatív mennyiség) jelenti. A 6.16. ábrán az FRl és az EN RN+1 egyenes meghosszabbításának metszéspontjával ábrázolható, a koordináták jelentésének megfelelően. Minthogy az egyes fokozatokból kilépő anyagmennyiségeket a fennálló gyakorlati feltételeknek megfelelő gyakorlati összekötő egyenes köti össze, E1-et az R1-en keresztülhaladó összekötő egyenes végén kapjuk. Az E1-től H-hoz húzott egyenes kimetszi R2-t és így tovább. A fokozatok megszerkesztése az ábra alsó részén látható x, y koordinátarendszerben is lehetséges a munkavonal megrajzolása után. A munkavonalat úgy nyerjük, hogy a H pontból tetszőleges vonalakat húzunk, és metszéspontjaikat az egyensúlyi diagrammal a szokásos módon az alsó görbére vetítjük. A munkavonal iránytangense R/E, amely általános esetben fokozatról fokozatra változik. A fokozatok számát a szokásos lépcsőszerkesztés adja meg. A fokozatok inkább reálisak, mint ideálisak, mivel a gyakorlati egyensúlyi adatok a fokozathatásfokot már figyelembe vették, és így egész számokat kell kapnunk. Különösen akkor, ha a szükséges fokozatok száma az ismeretlen, a kilépő folyadék koncentrációjának vagy az oldószer mennyiségének iterációs meghatározása szükséges ahhoz, hogy egész számot kapjunk. Abban a speciális esetben, ha „állandó elfolyás"-ról vagy minden üledékre állandó N-értékről van szó, az x, y diagramban a munkavonal egyenes és állandó R/E iránytangensű. Ha ezen a diagramon a gyakorlati egyensúlyi görbe is egyenes, m = y* /x = konstans, akkor az abszorpciónál használatos (3.17) egyenlet alkalmazható. Ezekben az esetekben írhatjuk:

(6.22)

6.16. ábra - Szilárd-folyadék egyensúlyi diagramja

6.16. Ábra. Szilárd-folyadék egyensúlyi diagramja

6.2.4. A kilúgozás sebessége.

Mivel a kilúgozás gyakorlati megvalósításakor számos különböző jelenséggel találkozunk, a kilúgozó művelet nem magyarázható egyetlen elmélettel. Mint láttuk, a kilúgozás jelentheti egyszerűen a szilárd anyag felületéről oldat kimosását, vagy oldható anyag kioldását a körülvevő oldhatatlan anyagból, jelenthet ozmózist és még más mechanizmusokat. Várható, hogy áthatolhatatlan szilárd részecskék felületéről az oldat kimosása gyorsan megy végbe, mivel ehhez csak az oldat és az oldószer keveredése szükséges, és a fokozathatásfokot ekkor kizárólag a folyadék és szilárd anyag mechanikai elválasztásának tökéletessége szabja meg. Ezzel szemben, ha szilárd anyag belső részeiből kell kioldanunk az oldható anyagot, viszonylag lassú folyamattal lesz dolgunk. Természetes anyagoknál, mint például növények extrakciója, a bonyolult szerkezet nehézzé teheti a módszer alkalmazását. A fánál például egy oldható impregnáló anyag kilúgozási sebességében különbségek mutatkoznak attól függően, hogy a diffúzió a fa rostjaival párhuzamosan vagy azzal keresztirányban megy végbe. Ha az oldható anyagoknak a sejtfalakon dialízissel kell áthatolniuk, a módszer egyáltalán nem alkalmazható. A szójadarából kinyerhető szójaolaj diffúziós sebessége nem értelmezhető egyszerűen, és ezt annak tulajdonítják, hogy az olajat beágyazó anyagban többféle típusú struktúra és az olajban lassan oldódó alkotórészek vannak jelen. A kilúgozott olaj különböző viselkedésű anyagok elegye, abból látszik, hogy a rövid és hosszú kilúgozási idő után kapott olajok különböző tulajdonságúak. Ezek a példák is megvilágítják, hogy a legtöbb gyakorlati kilúgozási folyamat bonyolult. Ha a szilárd anyagok, mint az említett esetekben is, a kilúgozó oldószerekbe merülnek, feltehető, hogy a folyamatot meghatározó ellenállás a szilárd anyagon belül az anyagátadással szemben fellépő ellenállás, és a szilárd anyagot körülvevő folyadék ellenállása sokkal kisebb. Ilyen esetekben a szilárd felülettel érintkező folyadék áramlási sebességének növelése a kilúgozás sebességét nem befolyásolja, mivel az egész folyamat sebességét a legnagyobb ellenállású részfolyamat sebessége határozza meg.