Получение тугоплавких соединений в плазме - Краснокутский Ю.И.
Скачать (прямая ссылка):
Кристаллизация соли. В процессе испарения растворителя из капли происходит кристаллизация соли или смеси солей, последующее разложение которых приводит к образованию целевых продуктов. Эта стадия является наиболее важной при физико-химических превращениях системы раствор — соль — оксид, особенно при синтезе сложных оксидных соединений. В зависимости от того, по какому пути будет протекать процесс кристаллизации соли, соответствующим образом будет изменяться и механизм синтеза целевых продуктов. Если на стадии кристаллизации образуются твердые растворы или высоко-
27
гомогенные смеси солей на молекулярном уровне, То лооцесс синтеза идет практически по бездиффузионному механизму, и целевые продукты представляют собой 0д. ноФазные соединения (например, при синтезе титанатов из растворов нитратов). Если в процессе кристаллизации идет образование механической смеси солеи с низкой сте-пенью гомогенности (например, при синтезе цирконата свинца из нитратов), то процесс синтеза протекает по диф. фузионному механизму, и целевые продукты состоят из частично синтезированных соединений и механической смеси простых оксидов соответствующих элементов. я
Формирование структуры порошков. Форма и размер частичек оксидов, образующихся в процессе разложения солей, зависят от многих факторов. Исходный размер капель, подаваемых в реактор, и их распределение по диаметрам зависят от вида диспергирующего устройства (типа и режима работы форсунки). Этим в некоторой степени может определяться и конечное распределение по размерам частичек получаемых порошков. Однако в результате динамического взаимодействия капель с потоком теплоносителя может происходить их дробление, сду-вакие или срыв внутрикапельного пограничного слоя 137, 38], что существенно изменяет первоначальное распределение капель по размерам. Далее при попадании капли раствора в теплоноситель с высокой температурой п{*эисходит интенсивное испарение растворителя с ее поверхности, что приводит к резкому пересыщению поверхностного слоя жидкости относительно растворенной в ней соли. В результате этого на поверхности капли возможно^ образование твердой оболочки из выкристаллизовавшейся соли, внутри которой находится жидкий раствор. Под действием сил внутреннего давления частички РазРУшается, образуя более мелкие частички непра-^™°И формы- Так°й механизм характерен для солей, зЗь,е Расплавов в кристаллизационной воде не обра-попт^*™ Т0Г0' ДЛЯ теРМического разложения солей, протекающего по общему механизму Л5(т) А* + заниїїяр^,» Грно б°льшое различие между объемами, в РеЗУЛ™И ф33аМИ ЛВ и Л: обычно А « AB. Поэтому такХжп?, СИЛЬного Уменьшения поверхностного кон-¦а ікжї *У исходной и конечной твердыми фазами, возможно гя^пЛЯрН0/° явления выделяющегося газа мелкие сам°РазДРобление исходной частички на более
Таким образом, термолиз водных растворов солей в
Жидкость
Ппазма
оооо оооо оооо
6 в о • в
* U
O ООО О ООО о ООО о о о о о
Joho. . испарения растворителя
Зона термического ^ разложения соли и оОршоания продукта
Зона тбердофазнья пребращений продукта
Рис. 2. Модель взаимодействия распыленной жидкости с потоком плазменного теплоносителя.
потоке плазменного теплоносителя сопровождается рядом сложных и в то же время в недостаточной степени изученных физико-химических процессов, которые в основном зависят от физико-химических свойств обрабатываемых растворов и условий тепломассообмена распыленной жидкости с плазменным теплоносителем. Поэтому полное математическое описание процесса получения оксидных материалов из растворов в плазменном теплоносителе в настоящее время не представляется возможным. Имеющиеся в литературе модели [33—36], как правило, представляют собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений движения дисперсной и газовой фаз, нагрева и испарения, уравнений неразрывности, сохранения массы и энергии, состояния и кинетики. При этом предполагается одномерный квазистационарный перенос теплоты и массы, отсутствие процессов дробления и коагуляции капель, осаждения жидкости и продуктов реакции на стенках реактора, химических реакций между теплоносителем и компонентами раствора.
Такой подход, использованный в [34], можно примерить для выполнения оценочных расчетов характерных времен термолиза растворов и при получении тугоплавких оксидов или их сложных соединений в плазме. На рис. 2. представлена модель взаимодействия распыленной жидкости с потоком теплоносителя в канале цилиндрической ?їЬІ ° постоянным сечением. Систему обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих кинетику физико-химических процессов термолиза водных растворов солей в плазменном теплоносителе, можно записать в следующем виде:
1. Уравнения движения конденсированной фазы
dwK dx
_3_ 4
срРг (щ — Wk) ^kPk I Wr — W^l
(45)
29
уравнения нагрева и испарения
dTK =
— ГПРИ mK>m<=-°
(46)
, / j dm,
L-\qKndK — wK 2j ~~d!
3. Уравнения баланса массы
о _
пр dm,
г Л при mK^mc.0
"4t. при mK>mc.0
? А{—^~ ПРИ тк ^ Шс-°
4. Уравнения баланса для газовой фазы
