Фазовые равновесия в системе Pb–Sn при пирометаллургической возгонке

Одним из возможных способов рекуперации компонентов из состава сплава Pb--Sn, образующегося при переработке чернового свинца, является вакуумная перегонка. Для предварительного выбора температуры и давления системы, оценки эффективности разделения компонентов при вакуумной перегонке использованы фазовые диаграммы. Выполнен расчет равновесных состояний газ жидкость, включая зависимости состава фаз от температуры и давления для сплава Pb--Sn при вакуумной перегонке. В интервале температур 823...1073 K рассчитаны давления насыщенного пара для свинца (2,63·10^-4...1,49·10^-1) и олова (3,32·10^-9...8,12·10^-5). Большие значения соотношения р*_Pb/р*_Sn = 7,91·10⁴...1,84·10³ и коэффициента разделения logß_Pb = 3,19...5,07 создают теоретические предпосылки для селективного выделения этих металлов вакуумной дистилляцией, когда свинец обогащается в газовой фазе (Pb>1), а олово --- в жидкой. Мольная доля свинца в газовой фазе у_Pb = 0,9955...0,9999 увеличивается с ростом температуры 823...1073 K и мольной доли металла в сплаве х_Pb = 0,1...0,9. Для границы раздела фаз жидкость--газ сплава Pb--Sn определены значения избыточных энергии Гиббса G^E_m = 0,18...0,72 кДж/моль, энтальпии H^E_m = 0,056...0,40 кДж/моль и энтропии S^E_m=0,07...0,35 Дж / (моль·K)

Литература

[1] Berman A. Total pressure measurements in vacuum technology. Academic Press, 1985.

[2] Winkler O., Bakish R. Vacuum metallurgy. Elsevier, 1971.

[3] Jia G.-b., Yang B., Liu D.-c. Deeply removing lead from Pb–Sn alloy with vacuum distillation. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2013, vol. 23, no. 6, рр. 1822–1831. DOI: 10.1016/S1003-6326(13)62666-7

[4] Wang A., Li Y., Yang B., et al. Process optimization for vacuum distillation of Sn–Sb alloy by response surface methodology. Vacuum, 2014, vol. 109, рр. 127–134. DOI: 10.1016/j.vacuum.2014.07.013

[5] Dai Y.N., Yang B. Vacuum metallurgy of nonferrous metals. Beijing, Metallurgical Industry Press, 2009.

[6] Yang B., Kong L.-x., Xu B.-q., et al. Recycling of metals from waste Sn-based alloys by vacuum separation. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2015, vol. 25, no. 4, рр. 1315–1324. DOI: 10.1016/S1003-6326(15)63730-X

[7] Liu D.C., Yang B., Wang F., et al. Research on the removal of impurities from crude nickel by vacuum distillation. Phys. Procedia, 2012, vol. 32, рр. 363–371. DOI: 10.1016/j.phpro.2012.03.570

[8] Dai Y.N., Yang B. Non-ferrous metals and vacuum metallurgy. Beijing, Metallurgical Industry Press, 2000.

[9] Smith J.M., Van Ness H.C., Abbott M.M. Introduction to chemical engineering thermodynamics. McGraw-Hill, 2001.

[10] Tao D.P. A new model of thermodynamics of liquid mixtures and its application to liquid alloys. Thermochim. Acta, 2000, vol. 363, no. 1-2, рр. 105–113. DOI: 10.1016/S0040-6031(00)00603-1

[11] Poizeau S., Kim H.J., Newhouse J.M., et al. Determination and modeling of the thermodynamic properties of liquid calcium–antimony alloys. Electrochim. Acta, 2012, vol. 76, рр. 8–15. DOI: 10.1016/j.electacta.2012.04.139

[12] Newhouse J.M., Poizeau S., Kim H., et al. Thermodynamic properties of calcium–magnesium alloys determined by emf measurements. Electrochim. Acta, 2013, vol. 91, рр. 293–301. DOI: 10.1016/j.electacta.2012.11.063

[13] Miyazaki N., Adachi N., Todaka Y., et al. Thermoelectric property of bulk CaMgSi intermetallic compound. J. Alloys Compd., 2017, vol. 691, pp. 914–918. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.08.227

[14] Cahn R.W., Haasen P., Kramer E.J., eds. Materials science and technology. Vol. 1. Structure of Solids. Weinheim, VCH, 1993.

[15] Hultgren R., Desai P.D., Hawkins D.T., et al. Selected values of the thermodynamic properties of binary alloys. American Society for Metals, 1973.

[16] Dai Y., Yang B. Vacuum metallurgy for non-ferrous metals and materials. Beijing, Metallurgical industry Press, 2000.

[17] Yang H.W., Yang B., Xu B.Q., et al. Application of molecular interaction volume model in vacuum distillation of Pb-based alloys. Vacuum, 2012, vol. 86, no. 9, pp. 1296–1299. DOI: 10.1016/j.vacuum.2011.11.017

[18] Jiang W.L., Zhang C., Xu N., et al. Experimental investigation and modelling of phase equilibria for the Ag–Cu–Pb system in vacuum distillation. Fluid Phase Equilib., 2016, vol. 417, pp. 19–24. DOI: 10.1016/j.fluid.2016.02.026

[19] Nan C.B., Xiong H., Xu B.-Q., et al. Measurement and modeling of phase equilibria for Sb–Sn and Bi–Sb–Sn alloys in vacuum distillation. Fluid Phase Equilib., 2017, vol. 442, pp. 62–67. DOI: 10.1016/j.fluid.2017.03.016

[20] Zhao J.Y., Yang H.W., Nan C.B., et al. Kinetics of Pb evaporation from Pb–Sn liquid alloy in vacuum distillation. Vacuum, 2017, vol. 141, pp. 10–14. DOI: 10.1016/j.vacuum.2017.03.004

[21] Kong L.-X., Xu J., Xu B.-Q., et al. Vapor-liquid phase equilibria of binary tin–antimony system in vacuum distillation: experimental investigation and calculation. Fluid Phase Equilib., 2016, vol. 415, pp. 176–183. DOI: 10.1016/j.fluid.2016.02.012

[22] Nan C.В., Yang H.W., Yang B., et al. Experimental and modeling vapor-liquid equilibria: Separation of Bi from Sn by vacuum distillation. Vacuum, 2017, vol. 135, pp. 109–114. DOI: 10.1016/j.vacuum.2016.10.035

[23] Song B., Xu N., Jiang W., et al. Study on azeotropic point of Pb–Sb alloys by ab-initio molecular dynamic simulation and vacuum distillation. Vacuum, 2016, vol. 125, pp. 209–214. DOI: 10.1016/j.vacuum.2016.01.004

[24] Zhang C., Jiang W.L., Yang B., et al. Experimental investigation and calculation of vapor-liquid equilibria for Cu–Pb binary alloy in vacuum distillation. Fluid Phase Equilib., 2015, vol. 405, pp. 68–72. DOI: 10.1016/j.fluid.2015.07.043

[25] Дегтярева В.Ф., Понятовский Е.Г. Фазы высокого давления в сплавах В-элементов новый тип электронных фаз. Физика твердого тела, 1982, т. 24, с. 2672–2681.

[26] Kong L.-X., Yang B., Xu B.-Q., et al. Application of molecular interaction volume model in separation of Pb–Sn–Sb ternary alloy by vacuum distillation. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2013, vol. 23, no. 8, pp. 2408–2415. DOI: 10.1016/S1003-6326(13)62748-X

[27] Dong Z.W., Xiong H., Deng Y., et al. Separation and enrichment of PbS and Sb2S3 from jamesonite by vacuum distillation. Vacuum, 2015, vol. 121, pp. 48–55. DOI: 10.1016/j.vacuum.2015.07.009

[28] Kong L.X., Yang B., Xu B.Q., et al. Application of MIVM for Pb–Sn–Sb ternary system in vacuum distillation. Vacuum, 2014, vol. 101, pp. 324–327. DOI: 10.1016/j.vacuum.2013.10.004

[29] Kong L., Yang B., Xu B., et al. Application of MIVM for phase equilibrium of Sn–Pb–Sb system in vacuum distillation. Fluid Phase Equilib., 2014, vol. 364, pp. 1–5. DOI: 10.1016/j.fluid.2013.12.003

[30] Баранов М.А. Сферическая симметрия электронных оболочек атомов и стабильность кристаллов. ЭФТЖ, 2006, т. 1, с. 49–62.