Separationskoefficienten (fördelningskoefficienten) är en koncentration som är karakteristisk för en fasomvandling eller fasjämvikt hos en två- eller flerkomponentsubstans. Termen introducerades runt 1950 för att betrakta processer med fasomvandling och massöverföring ( destillation , sublimering , kristallisation , vätskeextraktion och några andra) som tekniska processer för separation och raffinering av två- och flerkomponentämnen. Först och främst beaktas de så kallade jämviktskoefficienterna, kinetiska och effektiva separationskoefficienter (fördelning).
I fallet med jämvikt mellan faser med koncentrationer av C 01 och C 02 av den andra komponenten i dessa faser, jämviktsseparationsfaktorn k 0 =C 02 /C 01 . Jämviktsseparationsfaktorn är en egenskap hos själva ämnet av en given initial sammansättning i den betraktade fasjämvikten (precis som till exempel densiteten eller den elektriska ledningsförmågan hos ett ämne vid en given temperatur är egenskaper hos ett ämne med en given sammansättning) . (När man betraktar destillation som k 0 , på grund av historisk tradition, välj C 02 /C 01 eller C 01 /C 02 så att k 0 är större än ett). Metoder för att mäta k 0 har utvecklats och experimentella data om k 0 har samlats in för ett antal binära system, främst under kristallisation och destillation. Det noteras att metoder för att mäta ko inte är enkla, och att mäta ko i binära system kompliceras av det faktum att föroreningar från andra komponenter finns i vilket binärt system som helst. Ansträngningar görs för att skapa beräkningsmetoder för att bestämma k 0 i system om komponenternas egenskaper är kända, dock ger de utvecklade teorierna inte god överensstämmelse mellan de beräknade och experimentella värdena på k 0 , vilket leder till att dessa teorier används endast för en kvalitativ analys av den övervägda fastransformationen.
I verkliga processer av fastransformationer är faserna inte i jämvikt med varandra. I det allmänna fallet kännetecknas fördelningen av den andra komponenten mellan två kontaktfaser av en 2-komponent substans av en kinetisk separationsfaktor. Den kinetiska separationsfaktorn för ett tvåkomponentämne under omvandlingen av den första fasen till den andra är talet K med vilket koncentrationen C 1 för den andra komponenten i den första fasen måste multipliceras nära en viss punkt på gränsytan för att erhålla koncentrationen C2 av den andra komponenten i den andra fasen, som bildas i detta ögonblick från den första fasen nära samma punkt. Det vill säga K \u003d C 2 / C 1 . (Om K=1, då är С2 = С1 och det finns ingen fördelning av den andra komponenten mellan faserna.) Den kinetiska separationskoefficienten är en egenskap hos både ämnet och egenskaperna hos själva omvandlingsprocessen, vilket resulterar i att värdet av denna koefficient beror på olika faktorer, till exempel i den första svängen på fastransformationshastigheten.
När man jämför de experimentella och beräknade värdena för parametrarna för fastransformationer används konceptet med den effektiva separationsfaktorn. Den effektiva separationsfaktorn är ett tal som, när det substitueras i en idealiserad (härledd med vissa antaganden) ekvation som beskriver fasomvandlingen (till exempel in i ekvationen för koncentrationen av komponenter i ett destillat beroende på graden av destillation eller in i ekvationen för fördelningen av komponenter längs längden av en kristall som erhålls genom riktad kristallisation), istället för separationsfaktorn som ingår i denna ekvation, säkerställer sammanträffandet av experimentella och beräknade data. Det vill säga den effektiva separationsfaktorn är relaterad till den teoretiska modellen som valts för den matematiska beskrivningen av processen. Om vi antar att under den riktade omvandlingen av den första fasen till den andra fasen sker blandningen av ämnet i den första fasen endast på grund av diffusion, härleddes Barton-Prim-Slichter-ekvationen, som relaterar den effektiva separationskoefficienten k (som förhållandet mellan föroreningskoncentrationen i 2:e fasen och föroreningskoncentrationen i den 1:a fasen, nära gränsytan) med en jämviktsseparationsfaktor k 0 :
k =ko / [ko + (1 - ko )exp( -vδ /D)],
där v är hastigheten för fasgränsytan, δ är tjockleken på gränsskiktet (diffusion), D är diffusionskoefficienten för föroreningen i vätskan. Om v= 0 , då k=ko ; när vδ/D ökar ändras den effektiva koefficienten k mot enhet, och detta är ju mer märkbart, ju mer jämviktskoefficienten k 0 skiljer sig från enhet.
När man överväger en fastransformation med hjälp av förenklade antaganden används även andra separationsfaktorer. Så, i ett idealiserat övervägande av destillationen av ett ämne som består av två icke-interagerande komponenter, tas endast hänsyn till skillnaden i ångtrycket hos komponenterna. Med detta övervägande, den s.k. den ideala separationsfaktorn, som lätt kan fastställas, är lika med förhållandet mellan ångtrycket för de rena komponenterna. Det har fastställts att effektiviteten av att använda speciella destillationstekniker (såsom destillation med en extra komponent, destillation med ångkondensation i en temperaturgradient, etc.) är förknippad med värdet av den ideala separationsfaktorn: effekten av en speciell teknik är mindre i system där den ideala separationsfaktorn är närmare enhet. Och när man överväger processer i gränssnittet använder man sig av sk. ytseparationsfaktor.
Både jämviktskoefficienten och den effektiva separationskoefficienten kan vara nära enhet eller skilja sig från enhet, ibland signifikant: under destillation kan jämviktsseparationskoefficienten skilja sig från enhet med 6 storleksordningar, den effektiva med 4 storleksordningar; under kristallisation - med 7 storleksordningar (båda). Den ideala separationsfaktorn kan vara nära enhet eller skilja sig från enhet, ibland betydligt - med 10 storleksordningar eller mer. Vid destillation och högtemperatursublimering kan avvikelsen mellan den effektiva och den ideala separationskoefficienten för någon förorening vara både obetydlig och stor (med värdet av den effektiva koefficienten närmare enhet än värdet för den ideala koefficienten); avvikelsen överstiger inte en order om den ideala separationsfaktorn skiljer sig från enhet med högst 2 storleksordningar. Det finns anledning att tro att orsaken till skillnaden mellan effektiva och idealiska separationskoefficienter i evaporativa raffineringsprocesser (destillation och högtemperatursublimering) är infångningen av föroreningar av ångan från huvudkomponenten.
I 2-komponentsystem är det ett beroende av separationskoefficienterna på koncentrationen av den andra komponenten, som dock minskar med en minskning av koncentrationen av den andra komponenten och blir obetydlig i raffineringsprocesser vid en föroreningskoncentration på ~10 -2 % eller mindre.
Separationsfaktorer vid destillation eller sublimering kan ha ett komplext temperaturberoende – medan separationsfaktorer vid kristallisation är relaterade till kristallisationstemperatur. Den effektiva separationsfaktorn kan vara tidsberoende eller beroende av graden av omvandling.
Idéer om separationsfaktorn har utvecklats främst i relation till destillation och kristallisering av 2-komponentämnen, och i mindre utsträckning - till sublimering. Det finns en rapport om mätning av separationsfaktorn i ett system som genomgår en fasomvandling "vätska - flytande kristall". Frågan om förhållandet mellan jämviktsseparationskoefficienterna för olika fasomvandlingar av samma ämne övervägdes (främst för processerna för destillation och kristallisation), men ett sådant samband fastställdes inte. Det kan noteras att jämviktsseparationsfaktorn (som en egenskap hos ett ämne) och den kinetiska separationsfaktorn inte kan bestämmas för fastransformationsprocesser där det inte finns någon fasgränsyta (som t.ex. gas-plasmatransformationen). För sådana processer kan emellertid en effektiv separationsfaktor användas för någon utvald övervägd volym V 2 <V inuti volymen V för hela substansen som genomgår en sådan fasomvandling.
Separationsfaktorn α används också i teorin om kemisk rening av ämnen - i formen:
α=[X/(1-X)] / [x/(1-x)],
där X och x är de molära eller atomära fraktionerna av föroreningar i reaktionsprodukterna respektive i utgångsmaterialet. För två parallella reversibla reaktioner av reagens B med ett ämne som innehåller bas A och förorening A',
ν 1 A + ν 2 B \u003d ν 3 C och
v' 1 A'+v' 2 B=v' 3 C'
med jämviktskonstanter för kemiska reaktioner K 1 och K 2 (respektive), koefficienten α ~ K 2 / K 1 och kan ha mycket stora värden: till exempel i processen för hydridrening av Te från föroreningar Se α ~ 10 11 vid en temperatur av T = 300 K, α ~10 8 vid T=400 K och α~10 3 vid T=1000 K, och i processen för hydridrening av Sn från föroreningar C α~10 39 vid T=300 K , α~10 29 vid T=400 K och α~ 10 10 vid T=1000 K.
Ibland används termen "separationsfaktor" när man överväger processer där en fastransformation inte inträffar (till exempel termisk diffusion). I dessa fall är separationsfaktorn förhållandet mellan föroreningskoncentrationer på två avlägsna punkter inuti ämnet, dvs här har termen "separationsfaktor" en annan betydelse och det är mer korrekt att ersätta det med en annan term (till exempel termen "reningsgrad").
1. Niselson L.A., Yaroshevsky A.G. Interfasfördelningskoefficienter. - M.: Nauka, 1992. - 399 sid.
2. Sandell EB Betydelse av termen "separationsfaktor" // Anal. Chem., 1968. - V. 40. - N. 4. - P. 834-835.
3. Devyatykh G.G., Elliev Yu.E. Djuprening av ämnen. - M.: Högre skola, 1990. - 192 sid.
4. Dytnersky Yu.I. Processer och apparater för kemisk teknik: Lärobok för gymnasieskolor. Ed. 2. I 2 böcker. Del 2. Massöverföringsprocesser och apparater. M.: Kemi, 1995. - 368 sid.
5. Kristallisation från smältor: Referensutg. Per. med honom. / Bartel I., Burig E., Hein K., Kuharzh L.M.: M.: Metallurgy, 1987. - 320 sid.
6. Emelyanov V.S., Evstyukhin A.I., Shulov V.A. Teori om processer för att erhålla rena metaller, legeringar och intermetalliska föreningar. - M.: Energoatomizdat, 1983. - 144 sid.
7. Belyaev A.I. Fysikaliska och kemiska baser för rening av metaller och halvledarmaterial. M.: Metallurgi, 1973. - 320 sid.
8. Pazukhin V.A., Fisher A.Ya. Separering och raffinering av metaller i vakuum - M.: Metallurgy, 1969. - 204 sid.
9. Ivanov V.E., Papirov I.I., Tikhinsky G.F., Amonenko V.V. Rena och ultrarena metaller (mottagna genom vakuumdestillation). - M.: Metallurgi, 1965. - 263 sid.
10. Pfann V. Zonsmältning. 2:a uppl. – M.: Mir, 1970. – 366 sid.
11. Kravchenko A.I. Om fördelning av föroreningar under fastransformationer från en fas med perfekt blandning // Questions of Atomic Science and Technology, 2011. - Nr 6. - Serie: "Vacuum, Pure Materials, Superconductors" (19). – S. 28-30. [http://vant.kipt.kharkov.ua].
12. Kravchenko A.I. Samband mellan effektiva och ideala separationsfaktorer under destillation och sublimering // Oorganiska material, 2016. - V. 52. - Nr. 4. - P. 423-430.
13. Kravchenko A.I. Beroende av den effektiva separationsfaktorn i vissa metallbas-föroreningssystem på graden av destillation // Oorganiska material, 2015. - V. 51. - No. 2. - S. 146-147.
14. Kravchenko A.I. På temperaturberoendet av den ideala separationsfaktorn i system med nära volatilitet hos komponenter // Questions of Atomic Science and Technology, 2016. - Nr 1. - Serie: "Vacuum, Pure Materials, Superconductors" (21). - S. 14-16. [http://vant.kipt.kharkov.ua].
15. Zhukov A.I., Kravchenko A.I. Beräkning av sublimering med hänsyn till föroreningsdiffusion // Oorganiska material, 2017. - V. 53. - Nr 6. - P. 662-668.
16. Molochko V.A., Krynkina S.V., Chernaya Z.A., Lidin R.A. Om tillämpningen av metoder för kristallisation från lösning och smälta för rening av flytande kristaller // High-purity substanser, 1987, nr 5. - P. 141-144.
17. Kravchenko A.I. Om tillämpligheten av den ideala separationsfaktorn för beräkning av destillation och sublimeringsraffinering // Issues of Atomic Science and Technology, 2018. - Nr 1. - Serie: "Vacuum, Pure Materials, Superconductors" (22). - S. 14-17. [http://vant.kipt.kharkov.ua].
18. Stepanov V.M., Kolesnikov A.N. Termodynamik för gränssnittsfördelning av föroreningar vid framställning av ämnen med hög renhet. - Nizhny Novgorod: IHVV RAN, 2013. - 204 sid.
19. Kolesnikov A.N. Teoretisk utvärdering av separationsfaktorn vid vätskeånga och flytande kristalljämvikter av utspädda lösningar av icke-elektrolyter / I boken. "Högrenhetsämnen", Moskva: Scientific world, 2018. - 996 sid. - S. 19-47.
20. Kravchenko A.I. Enkla ämnen raffinering: effektivitet av destillationsmetoder // Funktionella material, 2000 - V. 7. - N. 2. - P. 315-318.
21. Kravchenko A.I. Separationskoefficienter under sublimering av vissa lantanider // Questions of Atomic Science and Technology, 2020. - Nr 1. - Serie: "Vacuum, Pure Materials, Superconductors" (23). - S. 35-37. [http://vant.kipt.kharkov.ua].
22. Kravchenko A.I., Zhukov A.I. Separationskoefficienter och Peclet-tal i evaporativa raffineringsprocesser av ämnen med en enkel bas vid temperaturer nära smältpunkter // Inorganic Materials, 2022. - V. 58. - Nr. 8. - P. 891-896.