Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы): статья посвящена вопросу создания экологически безопасной, технологически эффективной и экономически выгодной высокопроизводительной комплексной схемы по переработке свинецсодержащих промпродуктов и отходов, в частности серебристой пены (CП), с получением товарных моноэлементных продуктов. Среди возможных способов рекуперации СП выделяется вакуумная перегонка, считающаяся одним из самых эффективных и экологически чистых методов для разделения и очистки, переработки и рафинирования различных металлов. Для анализа поведения поликомпонентного сплава в процессе переработки, предварительного выбора температуры и давления системы, оценки эффективности разделения компонентов при вакуумной перегонке используют фазовые диаграммы температура–состав «Т–х» и давление–состав «Р–х». Цель работы: расчет равновесных состояний «газ–жидкость» VLE (vapor liquid equilibrium), включая зависимости состава фаз от температуры (Т-х) и давления (Р-х) для Pb-Zn сплава при вакуумной перегонке на основе модели MIVM (мolecular interaction volume model), а также определение термодинамических параметров процесса. Используемые методы: расчет коэффициентов активности компонентов Pb-Zn сплава выполнен с помощью объемной модели молекулярного взаимодействия мolecular interaction volume model (MIVM). Новизна: расчет диаграмм VLE с использованием модели MIVM. Результат: в интервале температур 873–1573 К рассчитаны давления насыщенного пара для Pb (1,26.10–3–1,026.102) и Zn (1,552.103–1,756.106). Высокие значения соотношения р*Zn / р*Pb = (123,2–1,72) .104 и коэффициента разделения βZn = 4,1–6,2 создают теоретические предпосылки для селективного выделения этих металлов вакуумной дистилляцией, когда цинк обогащается в газовой фазе (βZn > 1), а свинец – в жидкой. Мольная доля cвинца в газовой фазе уPb = (1–633) .10–6 увеличивается с ростом температуры 873–1573 К и мольной доли металла в сплаве хPb = 0,1–0,9. С использованием модели MIVM рассчитаны коэффициенты активности цинка γZn = 0,682–0,997 и свинца γPb= 0,73–0,998 для Pb-Zn сплава различного состава в исследованном температурном диапазоне. Для фазовых диаграмм VLE может быть использовано правило рычага (правило отрезков) для прогнозирования количества вещества, остатков и возгонов при заданной температуре. Для границы раздела фаз «жидкость–газ» Pb-Zn сплава определены значения избыточных энергии Гиббса, энтальпии и энтропии: = 0,16–0,56 кДж/моль; = 0,087–0,292 кДж/моль; = 0,09–0,18 кДж/моль.К. Практическая значимость: фазовые диаграммы VLE сплавов обеспечивают необходимой информацией для проектирования технологических параметров промышленного производства вакуумной металлургии, а также для прогнозирования температуры и давления процесса с целью получении Pb- и Zn-содержащих продуктов заданного состава.
Ключевые слова
Равновесная фазовая диаграмма, вакуумная дистилляция, молекулярная объемная модель взаимодействия.
1. Berman A. Total Pressure Measurements in Vacuum Technology. New York: Academic Press, 1985. 380 р.
2. Winkler O. Vacuum metallurgy / O. Winkler, R. Bakish. Amsterdam: Elsevier, 1971. 237 р.
3. Jia G.-b. Deeply removing lead from Pb-Sn alloy with vacuum distillation / G.-b. Jia, B. Yang, D.-c. Liu // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Vol. 23. Iss. 6. P. 1822–1831. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(13)62666-7
4. Wang A. Process optimization for vacuum distillation of Sn–Sb alloy by response surface methodology / A. Wang, Y. Li, B. Yang, B. Xu, L. Kong, D. Liu // Vacuum. 2014. Vol. 109. P. 127–134. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2014.07.013
5. Dai Y. N. Vacuum metallurgy of nonferrous metals / Y. N. Dai. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2009. 72 p.
6. Yang B. Recycling of metals from waste Sn-based alloys by vacuum separation / B. Yang, L.-x. Kong, B.-q. Xu, D.-c. Liu, Y.-n. Dai // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015. Vol. 25. Iss. 4. P. 1315–1324. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(15)63730-X
7. Liu D. C. Research on the Removal of Impurities from Crude Nickel by Vacuum Distillation / D. C. Liu, B. Yang, F. Wang, Q. C. Yu, L. Wang, Y. N. Dai // Physics Procedia. 2012. Vol. 32. P. 363–371. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.03.570
8. Dai Y.N. Non-ferrous Metals and Vacuum Metallurgy / Y.N. Dai, B. Yang. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2000. 40 p.
9. Smith J. M. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, sixth ed. / J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott. New York: McGraw-Hill, 2001. 749 p.
10. Tao D.P. A new model of thermodynamics of liquid mixtures and its application to liquid alloys / D.P. Tao // Thermochim. Acta. 2000. Vol. 363. P. 105–113. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(00)00603-1
11. Poizeau S. Determination and modeling of the thermodynamic properties of liquid calcium–antimony alloys / S. Poizeau, H.J. Kim, J.M. Newhouse, B.L. Spatocco, D.R. Sadoway // Electrochim. Acta. 2012. Vol. 76. P. 8–15. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.04.139
12. Newhouse J. M. Thermodynamic properties of calcium–magnesium alloys determined by emf measurements / J.M. Newhouse, S. Poizeau, H. Kim, B.L. Spatocco, D.R. Sadoway // Electrochim. Acta. 2013. Vol. 91. P. 293–301. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.11.063
13. Miyazaki N. Thermoelectric property of bulk CaMgSi intermetallic compound / N. Miyazaki, N. Adachi, Y. Todaka, H. Miyazaki, Y. Nishino // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 691. P. 914–918. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.08.227
14. Materials Science and Technology / Eds. R.W. Cahn, P. Haasen, E.J. Kramer. Vol. 1. Structure of Solids / Ed. V. Gerold. VCH. Weinheim. 1993. 621 p.
15. Hultgren R., Desai P. D., Hawkins D. T., Geiser M., Kelley K.K. Selected Values of the Thermodynamic Properties of Binary Alloys. ASM. Metals Park. OH. 1973. 847 р.
16. Dai Y., Yang B. Vacuum Metallurgy for Non-Ferrous Metals and Materials, Metallurgical industry Press, Beijing, 2000 (in Chinese). 124 р.
17. Yang H. W., Yang B., Xu B. Q., Liu D. C., Tao D. P. Application of molecular interaction volume model in vacuum distillation of Pb-based alloys // Vacuum. 2012. Vol. 86. Iss. 9. P. 1296–1299. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2011. 11.017
18. Jiang W. L., Zhang C., Xu N., Yang B., Xu B. Q., Liu D. C., Yang H. W. Experimental investigation and modelling of phase equilibria for the Ag–Cu–Pb system in vacuum distillation // Fluid Phase Equilibria. 2016. Vol. 417. P. 19–24. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2016.02.026
19. Nan C. B., Xiong H., Xu B.-q., Yang B., Liu D. C., Yang H. W. Measurement and modeling of phase equilibria for Sb-Sn and Bi-Sb-Sn alloys in vacuum distillation // Fluid Phase Equilibria. 2017. Vol. 442. P. 62–67. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2017.03.016
20. Zhao J. Y, Yang H. W., Nan C. B., Yang B., Liu D. C., Xu B.-q. Kinetics of Pb evaporation from Pb-Sn liquid alloy in vacuum distillation // Vacuum. 2017. Vol. 141. P. 10–14. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.03.004
21. Kong L.-x., Xu J., Xu B.-q., Xu S., Yang B. Vapor–liquid phase equilibria of binary tin–antimony system in vacuum distillation: Experimental investigation and calculation // Fluid Phase Equilibria. 2016. Vol. 415. P. 176–183. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2016.02.012
22. Nan C. В., Yang H. W., Yang B., Liu D., Xiong H. Experimental and modeling vapor-liquid equilibria: Separation of Bi from Sn by vacuum distillation // Vacuum. 2017. Vol. 135. P. 109–114. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.10.035
23. Song B., Xu N., Jiang W., Yang B., Chen X. Study on azeotropic point of Pb–Sb alloys by ab-initio molecular dynamic simulation and vacuum distillation // Vacuum. 2016. Vol. 125. P. 209–214. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.01.004
24. Zhang C., Jiang W. L., Yang B., Liu D. C., Xu B. Q., Yang H. W. Experimental investigation and calculation of vapor–liquid equilibria for Cu–Pb binary alloy in vacuum distillation // Fluid Phase Equilibria. 2015. Vol. 405. P. 68–72. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2015.07.043
25. Seith W., Johnen H. State diagram of the system Pb-Zn // Z. Elektrochem.1952. Vol. 56. P. 140–143.
26. Kong L.-x., Yang B., Xu B.-q., Li Y.-f., Li L. Application of molecular interaction volume model in separation of Pb–Sn–Sb ternary alloy by vacuum distillation // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Vol. 23. Iss. 8. P. 2408–2415. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(13)62748-X
27. Dong Z. W., Xiong H., Deng Y., Yang B. Separation and enrichment of PbS and Sb2S3 from jamesonite by vacuum distillation // Vacuum. 2015. Vol. 121. P. 48–55. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2015.07.009
28. Kong L. X., Yang B., Xu B. Q., Li Y. F. Application of MIVM for Pb–Sn–Sb ternary system in vacuum distillation // Vacuum. 2014. Vol. 101. P. 324–327. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2013.10.004
29. Kong L., Yang B., Xu B., Li Y., Liu D., Dai Y. Application of MIVM for phase equilibrium of Sn–Pb–Sb system in vacuum distillation // Fluid Phase Equilibria. 2014. Vol. 364. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2013.12.003
30. Баранов М. А. Сферическая симметрия электронных оболочек атомов и стабильность кристаллов // Электронный физико-технический журнал. 2006. Т. 1. С. 34–48.