7.2 Равновесие в процессах кристаллизации

Поведение системы кристалл раствор или кристалл расплав в широком интервале температур, давлений и концентраций отображает диаграмма состояния (рисунок 76) на которой графически изображается равновесие между различными фазами данной системы. Связь между числом компонентов К , числом фаз Ф и числом степеней свободы S данной системы устанавливается правилом фаз (уравнением Гиббса)

,

Число степеней свободы S данной системы соответствует числу независимых параметров, характеризующих эту систему (температура, давление, концентрация).

Фазовое равновесие однокомпонентной системы определяется двумя параметрами: температурой и давлением. Как видно из рисунке 76 зависимость давления на процесс кристаллизации незначительна ,то при рассмотрении равновесного состояния необходимо учитывать два фактора: температуру и концентрацию.

В соответствии с правилами фаз число степеней свободы одно компонентной системы при условии равновесия двух фаз равно единице и, следовательно, только один параметр может независимо изменяться без изменения числа фаз давление или температура. На рисунке 76 представлена диаграмма состояния нафталина, отражающая равновесные соотношения между паром ( П ), жидкостью ( Ж ) и твердой фазой ( Т ). Точка S (рисунок 76) соответствует температуре и давлению, при которых в равновесии находятся три фазы.

Рисунок 76 - Диаграмма состояния насыщения для нафталина

Рисунок 77 - Процессы фазовых превращений при охлаждении раствора (линия (АВС) и при удалении растворителя (линия AHIK)

 

На фазовое состояние бинарных систем могут оказывать влияние три параметра: температура, давление, концентрация. По фазовой диаграмме можно определить фазовые превращения в системе кристалл раствор . Если охлаждать раствор, заданный точкой А , (рисунок 77), то он достигнет состояния характеризуемого точкой В на кривой растворимости, при этом из раствора начнет выделяться твердая фаза в виде кристаллов L . При дальнейшем охлаждении (точка С ) твердая фаза L будет находиться в равновесии с насыщенным раствором состава D относительное количество кристаллов и раствора в этой точке определяется по "правилу рычага":

, (7.1)

где: МF и М массы соответственно кристаллов и насыщенного раствора состава D,CD,CF- отрезки на фазовой диаграмме.

Удаление из системы А растворителя путем испарения характеризуется перемещением по горизонтали. В точке H появляется равновесная твердая фаза L , количество которой в процессе испарения растворителя увеличивается. Точка К соответствует безводной соли. В промежуточной точке J отношение массы кристаллов Мк к массе МД исходного раствора состава A определяется равенством

, (7.2)