Методы получения особо чистых неорганических веществ - Степин Б.Д.
Скачать (прямая ссылка):
мы также придем к довольно простому выражению а = \и~.-.
Для метода ионного обмена в колонках коэффициент распределения в г-м разделительном элементе ионита ** равен
' /и/
где Шг и т,- — соответственно молярность фиксированных на ионите ионов микропримеси и ее ионов, оставшихся в растворе [87].
По аналогии с процессом экстракционной очистки веществ мы в этом случае получим выражение:
а = 1п(^ + 1)
Здесь б и б, — веса соответственно сухого ионита после фиксирования микропримеси и исходного водного раствора.
Таким образом постоянство коэффициента интенсивности очистки вещества для различных технологических процессов позволяет получить общее уравнение, отражающее степень уменьшения концентрации микропримеси в идеальных условиях для п разделительных элементов: 1п с„/с0 = —ап или сп = с0е-ап [76, 78, 79].
Ранее было показано, что минимально необходимое число разделительных элементов для обеспечения заданной степени очистки вещества составляет п = 2 1п рп/1п а. Если это
* Со-р/д; С\-х1у. Для преобразования формулы Дорнера — Хоскинса вычтем из правой и левой его части единицу и введем степень кристаллизации 1//<7 (количество выделившейся твердой фазы)
** Такой слой толщины 1,64л0 (г0_ радиус зерна ионита) называют часто «теоретической тарелкой» ионообменной колонки [87] Для микропри-меси I, отвечает начальному линейному участку изотермы обмена и поэтому, не зависит от эквивалентной доли микропримеси в растворе
54
выражение преобразовать к виду
0,5»1па = 1п У«Ц-У\
и считать, что у0 < 1 и уп < 1, а уп = с„ и у0 = с0, то 1п Сп/со = 0*5" 1п а. Отсюда коэффициент интенсивности очистки вещества
пг. х (1 — у) а = 0,51п
У (1-х)
Очистка вещества в реальных условиях. В реальных условиях рассмотренный выше процесс очистки вещества сильно осложняется вследствие диффузии микропримесей из материала аппаратуры и окружающей среды (воздуха, различных газов и т. д.).
Рассмотрим наиболее простой случай, когда микропримесь, диффундирующая в рабочий раствор, поступает с одинаковой скоростью во все разделительные элементы колонны в течение всего процесса очистки вещества (например, в результате равномерного растворения стенок колонны или постоянного во времени контакта жидких фаз с воздушной средой). При этом предполагается, что микропримесь идеально распределяется в жидкой фазе, т. е. скорость перехода микропримеси в рабочий раствор [в моль/(л • сек)] определяется реакцией нулевого порядка: к = йс1<1х. Большинство известных случаев реакций нулевого порядка представляет собой гетерогенные процессы, происходящие на поверхности, к которым, в частности, относятся отдельные случаи коррозии (деструкции) полимерных материалов. К. этой категории процессов загрязнения рабочих растворов, видимо, принадлежит и переход микропримесей из кварцевого тигля в расплав кремния [88, 89]. Скорость, с которой микропримесь переходит в расплав, определяется соотношением
где V — скорость растворения кварцевого тигля в расплаве; с' —концентрация данной микропримеси в кварцевом тигле; й — общий вес расплавленного кремния в тигле [88].
Наличие постоянного источника загрязнений и независимость скорости перехода данной микропримеси из этого источника в рабочий раствор от ее концентрации в последнем дают нам возможность преобразовать уравнение вида йс\йк = —ас в йс1йН = Ъ — ас. Постоянная величина Ь — коэффициент загрязнения — характеризует степень загрязнения очищаемого вещества микропримесью из постороннего источника (материал аппаратуры, воздух, дополнительные реагенты) [76, 78, 79], а «с —полноту удаления микропримеси в данном процессе очистки вещества.
55
Величина b, как и коэффициент массопередачи, зависит от многих факторов: от скорости коррозии в данной среде материала аппаратуры и трубопроводов, от степени чистоты всех веществ и вспомогательных материалов, применяемых в том или ином методе очистки, от скорости потоков вещества и отходов, температуры и т. п. Постоянство коэффициента загрязнения по высоте колонны выражает тот наиболее типичный случай, когда все ступени очистки по конструкции, материалу и режиму работы мало отличаются друг от друга, что наиболее характерно для непрерывного процесса глубокой очистки вещества с использованием одного метода.
Интегрирование уравнения * приводит к выражению:
cn = c0e-an + -j(l-e-an)
Величина b может быть рассчитана из этого уравнения, если определено а и сп для одного значения п. Анализ приведенного выше уравнения показывает, что функция сп не имеет экстремальных точек, а стремится к некоторому предельному значению: lim cn = b/a. При а«=1, исходя из соотношения —а = 0,51па,
Получим In а «5—2 или а = 0,132. Таким образом, начиная с величины термодинамического коэффициента разделения, равной 0,13, предел очистки вещества определяется практически величиной коэффициента загрязнения. Поэтому повышение эффективности методов очистки веществ невозможно без тщательной изоляции рабочих и продукционных растворов от внешних источников загрязнений. Только при создании «химически стерильной» воздушной зоны и использовании конструкционных материалов со скоростью коррозии не выше 1 • Ю-5 г/ (м2 • ч) можно добиться небольшой величины коэффициента загрязнения.
