Az elválasztási együttható (eloszlási együttható) egy két- vagy többkomponensű anyag fázisátalakulására vagy fázisegyensúlyára jellemző koncentráció. A kifejezést 1950 körül vezették be, hogy a fázisátalakulással és tömegtranszferrel ( desztilláció , szublimáció , kristályosítás , folyadékextrakció és néhány más) a két- és többkomponensű anyagok elválasztásának és finomításának technológiai eljárásait tekintsék. Mindenekelőtt az úgynevezett egyensúlyi, kinetikai és effektív elválasztási (eloszlási) együtthatókat veszik figyelembe.
Olyan fázisok egyensúlya esetén, amelyekben a második komponens C 01 és C 02 koncentrációja ezekben a fázisokban van, az egyensúlyi elválasztási tényező k 0 =C 02 /C 01 . Az egyensúlyi elválasztási tényező magának az adott kezdeti összetételű anyagnak a jellemzője a vizsgált fázisegyensúlyban (ahogy például egy anyag sűrűsége vagy elektromos vezetőképessége adott hőmérsékleten egy adott összetételű anyag jellemzője) . (Ha a desztillációt k 0 -nak tekintjük , a történelmi hagyományok miatt válasszuk a C 02 /C 01 vagy C 01 /C 02 értéket , hogy k 0 nagyobb legyen egynél). Módszereket dolgoztak ki k 0 mérésére , és számos bináris rendszerre gyűjtöttek kísérleti adatokat a k 0-ról, elsősorban a kristályosítás és a desztilláció során . Meg kell jegyezni, hogy a k 0 mérési módszerei nem egyszerűek, és a k 0 mérését bináris rendszerekben bonyolítja az a tény, hogy bármely bináris rendszerben jelen vannak más komponensek szennyeződései. Törekednek arra, hogy olyan számítási módszereket alkossanak k 0 meghatározására rendszerekben, amelyekben a komponensek tulajdonságai ismertek, azonban a kidolgozott elméletek nem adnak megfelelő egyezést a k 0 számított és kísérleti értékei között , aminek eredményeként ezeket az elméleteket csak a vizsgált fázistranszformáció kvalitatív elemzésére használjuk.
A fázistranszformációk valós folyamataiban a fázisok nincsenek egyensúlyban egymással. Általános esetben a második komponens eloszlását egy 2 komponensű anyag két érintkező fázisa között egy kinetikai elválasztási tényező jellemzi. Egy kétkomponensű anyag kinetikus elválasztási tényezője az 1. fázis 2. fázissá való átalakulása során az a K szám, amellyel az 1. fázisban lévő második komponens C 1 koncentrációját meg kell szorozni a határfelület egy bizonyos pontja közelében, hogy megkapjuk. a második komponens C 2 koncentrációja a 2. fázisban, amely ebben a pillanatban képződik az 1. fázisból ugyanabban a pontban. Vagyis K \u003d C 2 / C 1 . (Ha K=1, akkor С2 = С1 és nincs a második komponens eloszlása a fázisok között.) A kinetikus elválasztási együttható mind az anyagra, mind magának az átalakulási folyamat jellemzőinek jellemzője, aminek következtében a Ennek az együtthatónak az értéke különböző tényezőktől függ, például az első körben a fázistranszformáció sebességétől.
A fázistranszformációk paramétereinek kísérleti és számított értékeinek összehasonlításakor az effektív elválasztási tényező fogalmát használjuk. Az effektív elválasztási tényező egy olyan szám, amelyet egy idealizált (bizonyos feltevéssel levezetett) egyenletbe behelyettesítve leírjuk a fázistranszformációt (például a desztillátumban lévő komponensek koncentrációjának egyenletébe a desztilláció mértékétől függően vagy az egyenletbe) irányított kristályosítással kapott kristály hosszában történő komponensek eloszlására ), az ebben az egyenletben szereplő elválasztási tényező helyett biztosítja a kísérleti és számított adatok egybeesését. Azaz az effektív elválasztási tényező a folyamat matematikai leírására választott elméleti modellhez kapcsolódik. Feltételezve, hogy az 1. fázis 2. fázissá történő irányított átalakulása során az 1. fázisban lévő anyag keveredése csak a diffúzió miatt következik be, levezettük a Barton-Prim-Slichter egyenletet, amely a k effektív elválasztási együtthatót (mint a a 2. fázis szennyező koncentrációjának aránya az 1. fázis szennyező koncentrációjához viszonyítva, a határfelület közelében) k 0 egyensúlyi elválasztási tényezővel :
k =k 0 / [k 0 +(1- k 0 )exp(-vδ/D)],
ahol v a fázis határfelületének sebessége, δ a határréteg (diffúziós) vastagsága, D a folyadékban lévő szennyeződés diffúziós együtthatója. Ha v=0, akkor k=k 0 ; a vδ/D növekedésével a k effektív együttható egységnyire változik, és ez minél szembetűnőbb, annál jobban eltér a k 0 egyensúlyi együttható az egységtől.
Ha a fázistranszformációt leegyszerűsítő feltevések segítségével vizsgáljuk, más elválasztási tényezőket is alkalmazunk. Tehát egy két, egymással nem kölcsönható komponensből álló anyag desztillációjának idealizált megfontolásánál csak a komponensek gőznyomásának különbségét veszik figyelembe. Ezzel a megfontolással az ún. az ideális elválasztási tényező, mint könnyen megállapítható, egyenlő a tiszta komponensek gőznyomásának arányával. Megállapítást nyert, hogy a speciális desztillációs technikák alkalmazásának hatékonysága (pl. kiegészítő komponenssel történő desztilláció, gőzkondenzációval történő desztilláció hőmérséklet-gradiensben stb.) az ideális elválasztási tényező értékéhez kapcsolódik: egy speciális technika hatása kisebb azokban a rendszerekben, amelyekben az ideális elválasztási tényező közelebb áll az egységhez. A felületen zajló folyamatok mérlegelésekor pedig az ún. felületi elválasztási tényező.
Mind az egyensúlyi, mind az effektív elválasztási együttható egységhez közeli, vagy attól eltérő, esetenként jelentősen eltérhet: a desztilláció során az egyensúlyi elválasztási együttható 6 nagyságrenddel, az effektív 4 nagyságrenddel térhet el; kristályosodás során - 7 nagyságrenddel (mindkettő). Az ideális elválasztási tényező közel lehet az egységhez, vagy eltérhet az egységtől, néha jelentősen - 10 nagyságrenddel vagy annál nagyobb mértékben. A desztillációban és a magas hőmérsékletű szublimációban az effektív és az ideális elválasztási együttható közötti eltérés egyes szennyeződéseknél jelentéktelen és nagy is lehet (az effektív együttható értéke közelebb áll az egységhez, mint az ideális együttható értéke); az eltérés nem haladja meg az egy nagyságrendet, ha az ideális elválasztási tényező legfeljebb 2 nagyságrenddel tér el az egységtől. Okkal feltételezhető, hogy a párologtatásos finomítási folyamatokban (desztilláció és magas hőmérsékletű szublimáció) a hatékony és ideális elválasztási együttható közötti eltérés oka a szennyeződések főkomponens gőze általi megkötése.
A 2 komponensű rendszerekben az elválasztási együtthatók függenek a második komponens koncentrációjától, ami azonban a második komponens koncentrációjának csökkenésével csökken, és ~10 szennyezőkoncentrációnál jelentéktelenné válik a finomítási folyamatokban. -2 % vagy kevesebb.
A desztillációban vagy szublimációban alkalmazott elválasztási faktorok összetett hőmérséklet-függéssel bírhatnak, míg a kristályosodási elválasztási faktorok a kristályosodási hőmérséklethez kapcsolódnak. Az effektív elválasztási tényező időfüggő vagy az átalakítás mértékétől függhet.
Az elválasztási tényezővel kapcsolatos elképzelések elsősorban a 2-komponensű anyagok desztillációjával és kristályosításával, illetve kisebb mértékben a szublimációval kapcsolatban születtek. Van egy jelentés az elválasztási tényező méréséről egy "folyadék - folyadékkristály" fázisátalakításon áteső rendszerben. Megfontolásra került az egyensúlyi elválasztási együtthatók közötti kapcsolat kérdése ugyanazon anyag különböző fázisátalakulása esetén (elsősorban a desztillációs és kristályosodási folyamatok esetében), de ilyen összefüggést nem állapítottak meg. Megjegyzendő, hogy az egyensúlyi elválasztási tényező (mint egy anyag jellemzője) és a kinetikus elválasztási tényező nem határozható meg olyan fázisátalakítási folyamatoknál, amelyekben nincs fázis határfelület (például gáz-plazma átalakulás). Az ilyen eljárásokhoz azonban hatékony elválasztási tényezőt lehet alkalmazni az ilyen fázisátalakuláson áteső teljes anyag V térfogatán belül bizonyos kiválasztott V 2 < V térfogatra.
Az α elválasztási tényezőt az anyagok kémiai tisztításának elméletében is használják - a következő formában:
α=[X/(1-X)] / [x/(1-x)],
ahol X és x a reakciótermékekben és a kiindulási anyagban lévő szennyeződések moláris vagy atomfrakciója. A B reagens két párhuzamos, reverzibilis reakciójához A bázist és A'-szennyezőt tartalmazó anyaggal,
ν 1 A + ν 2 B \u003d ν 3 C és
v' 1 A'+v' 2 B=v' 3 C'
a K 1 és K 2 kémiai reakciók egyensúlyi állandóival (rendre) az α ~ K 2 / K 1 együttható és nagyon nagyok lehetnek: például a Te hidrides tisztítása során a Se α ~ 10 11 szennyeződésektől T = 300 K, α ~10 8 T=400 K és α~10 3 T=1000 K hőmérsékleten, valamint az Sn C α~10 39 szennyeződésektől való hidrid tisztításának folyamatában T=300 K-en , α~10 29 T=400 K-en és α~ 10 10 T=1000 K-en.
Néha a "szétválasztási tényező" kifejezést használják olyan folyamatok vizsgálatakor, amelyekben nem történik fázisátalakulás (például termikus diffúzió). Ezekben az esetekben az elválasztási tényező az anyagon belüli két távoli ponton lévő szennyeződések koncentrációjának aránya, vagyis itt a "szétválasztási tényező" kifejezés más jelentéssel bír, és helyesebb más kifejezéssel helyettesíteni (például a kifejezéssel). "tisztítási fok").
1. Niselson L.A., Yaroshevsky A.G. Fázisközi eloszlási együtthatók. - M.: Nauka, 1992. - 399 p.
2. Sandell EB A „szétválasztási tényező” kifejezés jelentése // Anal. Chem., 1968. - V. 40. - N. 4. - P. 834-835.
3. Devyatykh G.G., Elliev Yu.E. Az anyagok mély tisztítása. - M.: Felsőiskola, 1990. - 192 p.
4. Dytnersky Yu.I. A kémiai technológia folyamatai és berendezései: Tankönyv középiskolák számára. Szerk. 2. 2 könyvben. 2. rész. Tömegátviteli eljárások és berendezések. M.: Kémia, 1995. - 368 p.
5. Kristályosítás olvadékokból: Reference ed. Per. vele. / Bartel I., Burig E., Hein K., Kuharzh L.M.: M.: Kohászat, 1987. - 320 p.
6. Emelyanov V.S., Evstyukhin A.I., Shulov V.A. Eljárások elmélete tiszta fémek, ötvözetek és intermetallikus vegyületek előállítására. - M.: Energoatomizdat, 1983. - 144 p.
7. Belyaev A.I. Fémek és félvezető anyagok tisztításának fizikai és kémiai alapjai. M.: Kohászat, 1973. - 320 p.
8. Pazukhin V.A., Fisher A.Ya. Fémek leválasztása és finomítása vákuumban - M.: Kohászat, 1969. - 204 p.
9. Ivanov V.E., Papirov I.I., Tikhinsky G.F., Amonenko V.V. Tiszta és ultratiszta fémek (vákuumdesztillációval). - M.: Kohászat, 1965. - 263 p.
10. Pfann V. Zónaolvadás. 2. kiadás – M.: Mir, 1970. – 366 p.
11. Kravchenko A.I. A szennyeződések eloszlásáról a fázisátalakulások során egy tökéletes keveredésű fázisból // Atomtudomány és -technológia kérdései, 2011. - 6. sz. - Sorozat: "Vákuum, tiszta anyagok, szupravezetők" (19). – S. 28-30. [http://vant.kipt.kharkov.ua].
12. Kravchenko A.I. Az effektív és ideális elválasztási tényezők kapcsolata desztilláció és szublimáció során // Szervetlen anyagok, 2016. - V. 52. - 4. sz. - P. 423-430.
13. Kravchenko A.I. Az effektív elválasztási tényező függése egyes fémalap-szennyező rendszerekben a desztilláció mértékétől // Szervetlen anyagok, 2015. - V. 51. - No. 2. - S. 146-147.
14. Kravchenko A.I. Az ideális elválasztási tényező hőmérsékletfüggéséről olyan rendszerekben, ahol az összetevők szoros illékonysága van // Atomtudományi és -technológiai kérdések, 2016. - 1. sz. - Sorozat: "Vákuum, tiszta anyagok, szupravezetők" (21). - S. 14-16. [http://vant.kipt.kharkov.ua].
15. Zsukov A.I., Kravchenko A.I. Szublimáció számítása szennyeződés diffúzió figyelembevételével // Szervetlen anyagok, 2017. - V. 53. - 6. sz. - P. 662-668.
16. Molochko V.A., Krynkina S.V., Chernaya Z.A., Lidin R.A. Az oldatból és olvadékból történő kristályosítás módszereinek alkalmazásáról folyadékkristályok tisztítására // Nagy tisztaságú anyagok, 1987, 5. sz. - P. 141-144.
17. Kravchenko A.I. Az ideális elválasztási tényező alkalmazhatóságáról a desztillációs és szublimációs finomítás számításánál // Atomtudományi és Technológiai Kérdések, 2018. - 1. sz. - Sorozat: "Vákuum, tiszta anyagok, szupravezetők" (22). - S. 14-17. [http://vant.kipt.kharkov.ua].
18. Stepanov V.M., Kolesnikov A.N. A szennyeződések határfelületi eloszlásának termodinamikája nagy tisztaságú anyagok gyártása során. - Nyizsnyij Novgorod: IHVV RAN, 2013. - 204 p.
19. Kolesnikov A.N. Az elválasztási tényező elméleti értékelése nem elektrolitok híg oldatainak folyadék-gőz és folyadékkristály egyensúlya esetén / A könyvben. "Nagy tisztaságú anyagok", Moszkva: Tudományos világ, 2018. - 996 p. - S. 19-47.
20. Kravchenko A.I. Egyszerű anyagok finomítása: a desztillációs módszerek hatékonysága // Functional Materials, 2000 - V. 7. - N. 2. - P. 315-318.
21. Kravchenko A.I. Elválasztási együtthatók egyes lantanidok szublimációja során // Az atomtudomány és technológia kérdései, 2020. - 1. sz. - Sorozat: "Vákuum, tiszta anyagok, szupravezetők" (23). - S. 35-37. [http://vant.kipt.kharkov.ua].
22. Kravcsenko A.I., Zsukov A.I. Elválasztási együtthatók és Peclet-számok egyszerű bázisú anyagok párologtatásos finomításában olvadásponthoz közeli hőmérsékleten // Inorganic Materials, 2022. - V. 58. - No. 8. - P. 891-896.