Фазовые равновесия в системе Hg–Al при вакуумной дистилляции

   Целью работы является расчет равновесных состояний «газ–жидкость», включая зависимости состава фаз от температуры (Т-х) и давления (Р-х) для Hg–Al сплава при вакуумной перегонке. Объектами исследования являлись Hg–Al сплавы состава, моль %: 20–80 Hg; 80–20 Al, образование которых возможно в процессе переработки медеэлектролитного шлама при получении товарного концентрата  селена. Для расчета коэффициентов активности компонентов Hg–Al сплава использована упрощенная версия объемной модели молекулярного взаимодействия типа simple мolecular interaction volume model. Для предварительного выбора температуры и давления системы, оценки эффективности разделения компонентов используют фазовые диаграммы температуры (Т-х) и давления (Р-х). Новизна выполненных исследований обусловлена расчетом коэффициентов активности с использованием выбранной упрощенной версии модели. В интервале температур 823–1073 К рассчитаны давления насыщенного пара для Hg (p*Hg) и Al (p*Al). Высокие значения соотношения p*Hg / p*Al ≥ 3 ^. 10¹⁰ и коэффициента разделения logβ_Hg ≥ 10 создают теоретические предпосылки для селективного выделения этих металлов вакуумной дистилляцией, когда ртуть концентрируется в газовой фазе (β_Hg > 1), а алюминий – в жидкой. Для границы раздела фаз «жидкость–газ» Hg-Al сплава определены значения изменения энергии Гиббса, энтальпии и энтропии: ΔG^E/m = 1–3 кДж/моль; +-ΔG^E/m = 0,03–0,17 Дж/моль. К. Практическая значимость состоит в сокращении количества установочных опытов при переработке Hg–Al композиций для оптимизации значений температуры и давления процесса вакуумной дистилляции.

1. Zhang Lei, Zhang Xiaowei, Li Zong-an, Chen De-hong. Distribution model of lowly volatile impurity in rare earth metal purified by vacuum distillation // Separation and Purification Technology. 2021. Vol. 262. Р. 118314. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118314.

2. Wang D., Chen Y., Li Y., Yang B. Experimental investigation and modeling of the Cu–Sn system in vacuum distillation // Calphad. 2020. Vol. 70. Р. 101991. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2020.101991.

3. Zhang Xiaofeng, Liu Dachun, Jiang Wenlong, Xu Wenjie, Deng Pan, Deng Juhai, et al. Application of multistage vacuum distillation for secondary resource recovery: potential recovery method of cadmium telluride photovoltaic waste // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. Iss. 4. P. 6977‒6986. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.04.032.

4. Zhang Xiaofeng, Huang Daxin, Jiang Wenlong, Zha Guozheng, Deng Juhai, Deng Pan, et al. Selective separation and recovery of rare metals by vulcanization-vacuum distillation of cadmium telluride waste // Separation and Purification Technology. 2020. Vol. 230. https://doi.org/10.1016/J.SEPPUR.2019.115864.

5. Xiong Neng, Tian Yang, Yang Bin, Xu Baoqiang, Dai T., Dai Yong-nian. Results of recentinvestigations of magnesia carbothermal reduction in vacuum // Vacuum. 2019. Vol. 160. P. 213‒225. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.11.007.

6. Liu Tiantian, Qiu Keqiang. Removing antimony from waste lead storage batteries alloy by vacuum displacement reaction technology // Journal of Hazardous Materials. 2018. Vol. 347. P. 334–340. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.01.017.

7. Jiang Wen-Long, Deng Yong, Yang Bin, Liu Da-Chun, Dai Yong-Nian, Xu Bao-Qiang. Application of vacuum distillation in refining crude indium // Rare Metals. 2013. Vol. 32. Iss. 6. P. 627‒631. https://doi.org/10.1007/s12598-013-0169-z.

8. Yang Bin, Zha Guozheng, Hartley William, Kong Xiangfeng. Sustainable extraction of lead and re-use of valuable metals from lead-rich secondary materials // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 219. P. 110‒116. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.02.011.

9. Королев А. А. Равновесные системы «газ–жидкость» для сплава Sn-Sb при вакуумной дистилляции / А. А. Королев, С. А. Краюхин, Г. И. Мальцев // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. – 2019. – № 4. – С. 488–503. https://doi.org/10.17516/1999-494X-0151.

10. Королев А. А. Фазовые равновесия для Pb-Bi сплава при вакуумной дистилляции / А. А. Королев, К. Л. Тимофеев, Г. И. Мальцев // Расплавы. – 2020. – № 3. – С. 313–327. https://doi.org/10.31857/S0235010620030056.

11. Королев А. А. Фазовые равновесия для Zn-Ag сплава при вакуумной дистилляции / А. А. Королев, К. Л. Тимофеев, Г. И. Мальцев // Расплавы. – 2021. – № 2. – С. 172–186. https://doi.org/10.31857/S0235010621020043.

12. Королев А. А. Фазовые равновесия в системе Se-Al при вакуумной дистилляции / А. А. Королев [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2021. – Т. 23. – № 4. – С. 5–14. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fazovye-ravnovesiya-v-sisteme-se-al-pri-vakuumnoy-distillyatsii?ysclid=l59jgywoeo685684852.

13. Bolzoni L., Ruiz-Navas E. M., Gordo E. Quantifying the properties of low-cost powder metallurgy titanium alloys // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 687. P. 47–53. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.01.049.

14. Dong Longlong, Chen Wenge, Hou Lintao, Wang Jiaojiao, Song Jiulong. Metallurgical and mechanical examinations of molybdenum/graphite joints by vacuum arc pressure brazing using Ti-Zr filler materials // Journal of Materials Processing Technology. 2017. Vol. 249. P. 39–45. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.06.007.

15. Martín F., García C., Blanco Y., Rodriguez-Mendez M. L. Influence of sinter-cooling rate on the mechanical properties of powder metallurgy austenitic, ferritic, and duplex stainless steels sintered in vacuum // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 642. P. 360–365. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.06.097.

16. Jiang WenLong, Zhang Cheng, Xu Na, Yang Bin, Xu Bao Qiang, Liu Da Chun, et al. 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.

17. Kong Lingxin, Yang Bin, Li Yifu, Xu Baoqiang, Liu Dachun, Jia Guobin. Application of MIVM for Pb-Sn system in vacuum distillation // Metallurgical and Materials Transactions B. 2012. Vol. 43. P. P. 1649–1656. https://doi.org/10.1007/s11663-012-9726-3.

18. Kong Xiang-feng, Yang Bin, Xiong Heng, Kong Ling-xin, Liu Da-chun, Xu Bao-qiang. Thermodynamics of removing impurities from crude lead by vacuum distillation refining // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014. Vol. 24. Iss. 6. P. 1946–1950. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(14)63275-1.

19. Yang HongWei, Xu BaoQiang, Yang Bin, Ma Wenhui, Tao DongPing. Calculation of phase equilibrium in vacuum distillation by molecular interaction volume model // Fluid Phase Equilibria. 2012. Vol. 341. P. 78–81. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2011.10.027.

20. Thirunavukarasu G., Chatterjee S., Kundu S. Scope for improved properties of dissimilar joints of ferrous and non-ferrous metals // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017. Vol. 27. Iss. 7. P. 1517–1529. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(17)60172-9.

21. Klippenstein S. J. From theoretical reaction dynamics to chemical modeling of combustion // Proceedings of the Combustion Institute. 2017. Vol. 36. Iss. 1. P. 77–111. https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.07.100.

22. Górak A., Olujić Z. Modeling of Distillation Processes // Distillation: fundamentals and principles / eds. A. Gorak, E. Sorensen. Chapter 10. Academic Press, 2014. P. 383–436.

23. Huang Liuqing, Lai Huixian, Gan Chuanhai, Xiong Huaping, Xing Pengfei, Luo Xuetao. Separation of boron and phosphorus from Cu-alloyed metallurgical grade silicon by CaO–SiO₂ –CaCl₂ slag treatment // Separation and Purification Technology. 2016. Vol. 170. P. 408–416. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.07.004.

24. Jaeger W. Heat transfer to liquid metals with empirical models for turbulent forced convection in various geometries // Nuclear Engineering and Design. 2017. Vol. 319. P. 12–27. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2017.04.028.

25. Wilson G. M. Vapor-liquid equilibrium. XI: A new expression for the excess free energy of mixing // Journal American Chemical Society. 1964. Vol. 86. Iss. 2. P. 127–130.