Separationskoefficienten (fordelingskoefficienten) er en koncentrationskarakteristisk for en fasetransformation eller faseligevægt af et to- eller multikomponentstof. Udtrykket blev introduceret omkring 1950 for at betragte processer med fasetransformation og masseoverførsel ( destillation , sublimering , krystallisation , væskeekstraktion og nogle andre) som teknologiske processer til adskillelse og raffinering af to- og multikomponentstoffer. Først og fremmest betragtes de såkaldte ligevægtskoefficienter, kinetiske og effektive separationskoefficienter (fordelingskoefficienter).
I tilfælde af ligevægt af faser med koncentrationer af C 01 og C 02 af den anden komponent i disse faser, er ligevægtsseparationsfaktoren k 0 =C 02 /C 01 . Ligevægtsseparationsfaktoren er en karakteristik af selve stoffet af en given startsammensætning i den betragtede faseligevægt (ligesom f.eks. tætheden eller den elektriske ledningsevne af et stof ved en given temperatur er karakteristika for et stof med en given sammensætning) . (Når man betragter destillation som k 0 , skal man på grund af historisk tradition vælge C 02 /C 01 eller C 01 /C 02 , så k 0 er større end én). Metoder til måling af k 0 er udviklet, og eksperimentelle data om k 0 er indsamlet for en række binære systemer, primært under krystallisation og destillation. Det bemærkes, at metoder til måling af k 0 ikke er enkle, og måling af k 0 i binære systemer er kompliceret af det faktum, at urenheder fra andre komponenter er til stede i ethvert binært system. Der arbejdes på at skabe beregningsmetoder til bestemmelse af k 0 i systemer, hvis komponenternes egenskaber er kendte, dog giver de udviklede teorier ikke god overensstemmelse mellem de beregnede og eksperimentelle værdier af k 0 , hvilket resulterer i, at disse teorier bruges kun til en kvalitativ analyse af den betragtede fasetransformation.
I virkelige processer med fasetransformationer er faserne ikke i ligevægt med hinanden. I det generelle tilfælde er fordelingen af den anden komponent mellem to kontaktfaser af et 2-komponent stof karakteriseret ved en kinetisk separationsfaktor. Den kinetiske separationsfaktor for et to-komponent stof under omdannelsen af 1. fase til 2. er tallet K, hvormed koncentrationen C 1 af den anden komponent i 1. fase skal multipliceres nær et bestemt punkt på grænsefladen for at opnå koncentrationen C 2 af den anden komponent i 2. fase, som dannes i dette øjeblik fra 1. fase nær samme punkt. Det vil sige K \u003d C 2 / C 1 . (Hvis K=1, så er С2 = С1 , og der er ingen fordeling af den anden komponent mellem faserne.) Den kinetiske adskillelseskoefficient er en karakteristik af både stoffet og egenskaberne ved selve transformationsprocessen, som et resultat af, at værdien af denne koefficient afhænger af forskellige faktorer, for eksempel i den første omgang af fasetransformationshastigheden.
Når man sammenligner de eksperimentelle og beregnede værdier af parametrene for fasetransformationer, bruges konceptet om den effektive separationsfaktor. Den effektive separationsfaktor er et tal, der, når det substitueres i en idealiseret (afledt med nogle antagelser) ligning, der beskriver fasetransformationen (f.eks. ind i ligningen for koncentrationen af komponenter i et destillat afhængigt af destillationsgraden eller ind i ligningen for fordeling af komponenter langs længden af en krystal opnået ved retningsbestemt krystallisation), i stedet for separationsfaktoren inkluderet i denne ligning, sikrer sammenfaldet af de eksperimentelle og beregnede data. Det vil sige, at den effektive separationsfaktor er relateret til den teoretiske model, der er valgt til den matematiske beskrivelse af processen. Under antagelse af, at under den rettede transformation af 1. fase til 2. fase, forekommer blandingen af stoffet i 1. fase kun på grund af diffusion, blev Barton-Prim-Slichter-ligningen udledt, som relaterer den effektive separationskoefficient k (som forholdet mellem urenhedskoncentrationen i 2. fase og urenhedskoncentrationen i 1. fase, nær grænsefladen) med en ligevægtsseparationsfaktor k 0 :
k =k 0 / [k 0 +(1- k 0 )exp(-vδ/D)],
hvor v er hastigheden af fasegrænsefladen, δ er tykkelsen af grænselaget (diffusion), D er diffusionskoefficienten for urenheden i væsken. Hvis v= 0 , så k=ko ; efterhånden som vδ/D stiger, ændres den effektive koefficient k mod enhed, og det er jo mere mærkbart, jo mere ligevægtskoefficienten k 0 afviger fra enhed.
Når man overvejer en fasetransformation ved hjælp af simplificerede antagelser, anvendes også andre separationsfaktorer. Så i en idealiseret betragtning af destillationen af et stof, der består af to ikke-interagerende komponenter, tages kun forskellen i komponenternes damptryk i betragtning. Med denne betragtning er den såkaldte. den ideelle separationsfaktor, som det let kan fastslås, er lig med forholdet mellem de rene komponenters damptryk. Det er blevet fastslået, at effektiviteten af at bruge specielle destillationsteknikker (såsom destillation med en ekstra komponent, destillation med dampkondensation i en temperaturgradient osv.) er forbundet med værdien af den ideelle separationsfaktor: effekten af en speciel teknik er mindre i systemer, hvor den ideelle adskillelsesfaktor er tættere på enhed. Og når de overvejer processer ved grænsefladen, bruger de den såkaldte. overfladeseparationsfaktor.
Både ligevægtskoefficienten og den effektive separationskoefficient kan være tæt på enhed eller afvige fra enhed, nogle gange betydeligt: under destillation kan ligevægtsadskillelseskoefficienten afvige fra enhed med 6 størrelsesordener, den effektive med 4 størrelsesordener; under krystallisation - med 7 størrelsesordener (begge). Den ideelle adskillelsesfaktor kan være tæt på enhed eller afvige fra enhed, nogle gange betydeligt - med 10 størrelsesordener eller mere. Ved destillation og højtemperatursublimering kan afvigelsen mellem den effektive og ideelle separationskoefficient for nogle urenheder være både ubetydelig og stor (med værdien af den effektive koefficient tættere på enhed end værdien af den ideelle koefficient); uoverensstemmelsen overstiger ikke en orden, hvis den ideelle adskillelsesfaktor ikke afviger fra enhed med mere end 2 størrelsesordener. Der er grund til at tro, at årsagen til uoverensstemmelsen mellem de effektive og ideelle separationskoefficienter i fordampningsraffineringsprocesser (destillation og højtemperatursublimering) er opfangningen af urenheder af dampen fra hovedkomponenten.
I 2-komponent systemer er der en afhængighed af separationskoefficienterne af koncentrationen af den anden komponent, som dog falder med et fald i koncentrationen af den anden komponent og bliver ubetydelig i raffineringsprocesser ved en urenhedskoncentration på ~10 -2 % eller mindre.
Separationsfaktorer ved destillation eller sublimering kan have en kompleks temperaturafhængighed - mens separationsfaktorer ved krystallisation er relateret til krystallisationstemperatur. Den effektive separationsfaktor kan være tidsafhængig eller afhængig af omdannelsesgraden.
Idéer om separationsfaktoren er udviklet hovedsageligt i forhold til destillation og krystallisation af 2-komponent stoffer, og i mindre grad - til sublimering. Der er en rapport om måling af separationsfaktoren i et system, der gennemgår en fasetransformation "væske - flydende krystal". Spørgsmålet om forholdet mellem ligevægtsadskillelseskoefficienterne for forskellige fasetransformationer af det samme stof blev overvejet (primært for processerne med destillation og krystallisation), men et sådant forhold blev ikke etableret. Det kan bemærkes, at ligevægtsseparationsfaktoren (som et kendetegn ved et stof) og den kinetiske separationsfaktor ikke kan bestemmes for fasetransformationsprocesser, hvor der ikke er nogen fasegrænseflade (såsom f.eks. gas-plasma-transformationen). Til sådanne processer kan der imidlertid anvendes en effektiv separationsfaktor for et udvalgt betragtet volumen V 2 <V inde i volumenet V af hele stoffet, der gennemgår en sådan fasetransformation.
Separationsfaktoren α bruges også i teorien om kemisk rensning af stoffer - i form:
α=[X/(1-X)] / [x/(1-x)],
hvor X og x er de molære eller atomare fraktioner af urenheder i henholdsvis reaktionsprodukterne og i udgangsmaterialet. For to parallelle reversible reaktioner af reagens B med et stof indeholdende base A og urenhed A',
ν 1 A + ν 2 B \u003d ν 3 C og
v' 1 A'+v' 2 B=v' 3 C'
med ligevægtskonstanter for kemiske reaktioner K 1 og K 2 (henholdsvis), koefficienten α ~ K 2 / K 1 og kan have meget store værdier: for eksempel i processen med hydridrensning af Te fra urenheder Se α ~ 10 11 ved en temperatur på T = 300 K, α ~10 8 ved T=400 K og α~10 3 ved T=1000 K, og i processen med hydridrensning af Sn fra urenheder C α~10 39 ved T=300 K , α~ 1029 ved T=400 K og α~1010 ved T=1000 K.
Nogle gange bruges udtrykket "separationsfaktor" når man overvejer processer, hvor en fasetransformation ikke forekommer (f.eks. termisk diffusion). I disse tilfælde er separationsfaktoren forholdet mellem urenhedskoncentrationer på to fjerne punkter inde i stoffet, dvs. her har udtrykket "separationsfaktor" en anden betydning, og det er mere korrekt at erstatte det med et andet udtryk (for eksempel udtrykket "rensningsgrad").
1. Niselson L.A., Yaroshevsky A.G. Interfasefordelingskoefficienter. - M.: Nauka, 1992. - 399 s.
2. Sandell EB Betydning af begrebet "separationsfaktor" // Anal. Chem., 1968. - V. 40. - N. 4. - P. 834-835.
3. Devyatykh G.G., Elliev Yu.E. Dyb rensning af stoffer. - M.: Højere skole, 1990. - 192 s.
4. Dytnersky Yu.I. Kemisk teknologis processer og apparater: Lærebog for gymnasier. Ed. 2. I 2 bøger. Del 2. Masseoverførselsprocesser og -apparater. M.: Kemi, 1995. - 368 s.
5. Krystallisation fra smelter: Referenceudg. Om. med ham. / Bartel I., Burig E., Hein K., Kuharzh L.M.: M.: Metallurgy, 1987. - 320 s.
6. Emelyanov V.S., Evstyukhin A.I., Shulov V.A. Teori om processer til opnåelse af rene metaller, legeringer og intermetalliske forbindelser. - M.: Energoatomizdat, 1983. - 144 s.
7. Belyaev A.I. Fysiske og kemiske baser for rensning af metaller og halvledermaterialer. M.: Metallurgi, 1973. - 320 s.
8. Pazukhin V.A., Fisher A.Ya. Adskillelse og raffinering af metaller i vakuum - M.: Metallurgi, 1969. - 204 s.
9. Ivanov V.E., Papirov I.I., Tikhinsky G.F., Amonenko V.V. Rene og ultrarene metaller (modtaget ved vakuumdestillation). - M.: Metallurgi, 1965. - 263 s.
10. Pfann V. Zonesmeltning. 2. udg. – M.: Mir, 1970. – 366 s.
11. Kravchenko A.I. Om fordeling af urenheder under fasetransformationer fra en fase med perfekt blanding // 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. Sammenhæng mellem effektive og ideelle separationsfaktorer under destillation og sublimering // Uorganiske materialer, 2016. - V. 52. - Nr. 4. - P. 423-430.
13. Kravchenko A.I. Afhængighed af den effektive separationsfaktor i nogle metalbase-urenhedssystemer af destillationsgraden // Uorganiske materialer, 2015. - V. 51. - No. 2. - S. 146-147.
14. Kravchenko A.I. Om temperaturafhængigheden af den ideelle separationsfaktor i systemer med tæt volatilitet af 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. Beregning af sublimering under hensyntagen til urenhedsdiffusion // Uorganiske materialer, 2017. - V. 53. - Nr. 6. - P. 662-668.
16. Molochko V.A., Krynkina S.V., Chernaya Z.A., Lidin R.A. Om anvendelse af metoder til krystallisation fra opløsning og smelte til rensning af flydende krystaller // High-purity substanser, 1987, nr. 5. - S. 141-144.
17. Kravchenko A.I. Om anvendeligheden af den ideelle separationsfaktor til beregning af destillation og sublimationsraffinering // 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 af grænsefladefordeling af urenheder i produktionen af stoffer med høj renhed. - Nizhny Novgorod: IHVV RAN, 2013. - 204 s.
19. Kolesnikov A.N. Teoretisk vurdering af separationsfaktoren ved væske-damp- og flydende-krystal ligevægte af fortyndede opløsninger af ikke-elektrolytter / I bogen. "Stoffer med høj renhed", Moskva: Scientific world, 2018. - 996 s. - S. 19-47.
20. Kravchenko A.I. Raffinering af simple stoffer: effektivitet af destillationsmetoder // Funktionelle materialer, 2000 - V. 7. - N. 2. - P. 315-318.
21. Kravchenko A.I. Separationskoefficienter under sublimering af nogle lanthanider // 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 og Peclet-tal i fordampningsraffineringsprocesser af stoffer med en simpel base ved temperaturer tæt på smeltepunkter // Uorganiske materialer, 2022. - V. 58. - Nr. 8. - P. 891-896.