ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2025
Просмотров: 23
Скачиваний: 0
Лабораторная установка по производству частиц TiO2 покрытых алюмосиликатом
Основные процессы протекающие при распылительной сушке
Аэрозоль определение: твердые частицы и/или жидкость распределенные в газе. Примеры: пыль, дым
Различные варианты получения частиц методом аэрозольного распыления
Процесс |
Пленки |
Частицы |
|
|
|
Преобразование газа в частицу за |
Ионизованный или незаряженный пучок частиц |
|
счет физического воздействия |
|
|
|
Сверхкритический синтез |
|
|
Распылительная сушка под давлением |
|
|
|
|
Преобразование газа в частицу за |
Лазерное испарение/осаждение |
Реакция инициированная |
счет химической реакции |
|
лазерным излучением |
|
Реакция на горячей стенке |
Реакция на горячей стенке |
|
Распыление в плазму |
Реакция в плазме |
|
Распыление в пламя |
Реакция в пламени |
|
|
|
Реакция внутри частицы |
Образование частицы с |
Распылительная сушка |
|
возможным осаждением |
|
Гибридный процесс |
Аэрозольное химическое |
Конденсация после протекания |
|
осаждение |
реакции на частице |
|
|
|
Прямой процесс |
Лазерное распыление |
|
|
|
|
|
|
|
Соотнесение длинны свободного пробега молекулы и размеров частиц
2.00 / c
вязкость |
газа, плотность газа |
с средняя |
скорость молекулы газа |
Kn 2 / d p
Kn 1 частица движется в непрерывном пространстве
Kn 1 частица движется в режиме отдельных молекул
Диффузия частиц в газовом потоке
J– количество частиц пересекающих определенное пространство за определенный промежуток времени, (количество/(см2*сек)). N∞ - концентрация частиц
х – координата
D– коэффициент диффузии, (см2/сек) kB – константа Больцмана, (эрг/К)
Т– температура, (К)
μ – вязкость, (г/см*сек) dp – диаметр частицы
Сс – фактор коррекции используемый когда частицы сопоставимы по размерам или меньше длинны свободного пробега молекулы газа
А1, А2, А3 – эмпирические константы
Значения факторов коррекции для частиц различного диаметра
Влияние диффузии и условий течения газового потока на потери частиц в
Ламинарный поток, число Рейнольдса меньше 2100 |
Турбулентный поток, число Рейнольдса больше 2100 |
U – скорость газового потока, ρ – плотность газа, μ – вязкость газа, dt – диаметр трубы, D – скорость диффузии, Q – скорость потока аэрозоля, L – длина трубы, к – коэффициент переноса массы.
Диффузия вызванная внешними факторами
Общая формула миграции частиц под воздействием внешнего поля
J – Степень осаждения, Vt – скорость осаждения, N∞ - количество частиц
Сила гравитации, действующая на частицу |
Сила противодействующая седиментации |
Где mp – масса частицы, dp – диаметр частицы ρ – плотность газа, ρp – плотность частицы
Где Cd – коэффициент скорости перемещения частицы зависящий от числа Рейнольдса, Cc – фактор Каннингема, Vs – скорость осаждения
Коэффициент скорости перемещения частицы в среде при различных условиях потока
Фактор несферичности частицы, который определяет насколько движение данной частицы в среде отличается от движения идеально сферичной частицы
de – эквивалентный диаметр частицы того же объема
Движение частиц в электрическом поле
Сила действующая на частицу в электрическом поле
Где Z – заряд частицы, E – интенсивность электрического поля
Максимальный заряд твердой частицы
Где dp – диаметр частицы,
EL – энергия спонтанной эмиссии электрона или иона
Максимальный заряд капли жидкости определяется пределом Релея
Где γ – величина поверхностного натяжения
Когда движение частицы под воздействием электрического поля сбалансировано движением всего потока, скорость миграции частицы может быть описана теми же выражениями что и для миграции под воздействием гравитации
В том случае если число Рейнольдса меньше 0.1, миграция частицы под воздействием электрического поля описывается следующим выражением
Движение частиц при градиенте температур
Общее название процесса – термофорез. Самая часто встречающаяся причина диффузии частиц при аэрозольном распылении, поскольку любой реактор имеет некоторый температурный градиент от стенки реактора в глубину реактора. Более того сам процесс аэрозольного распыления подразумевает наличие температурного градиента, когда в термостатированный реактор впускают газовый поток или аэрозоль с другой температурой.
Поток частиц движущихся под воздействием градиента температур сбалансирован с противодействующей ему силой беспорядка действующей на флюид, определяемой тем же уравнением что и для процесса седиментации.
Сложение этих сил дает следующие выражения:
|
Эффективность осаждения частиц |
|
SiO2 пролетающих через трубу с |
Где α – термофоретический коэффициент, Kn – число Кнудсена, k – |
холодными стенками |
теплопроводность газа, kp – теплопроводность частицы, μ – вязкость |
|
газа, ρ – плотность газа |
|
Движение частиц при столкновении со стенкой реактора
Способ получения различных тонких пленок, способ сортировки частиц по размерам
Останавливающая дистанция для частиц разных размеров
St – число стокса, определяет соотношение между |
Схема части реактора с изменением направления потока |
кинетической энергией частиц и энергией их |
|
взаимодействия с жидкостью. |
|
Где ρp – плотность частицы, μ – вязкость среды, L – характеристика геометрии потока (для аэрозоля в цилиндре с радиусом R, L=R ), U – скорость флюида
Эффективность улавливания частиц в зависимости от стадии улавливания в мультистадийном процессе. Каждая последующая стадия проходит с меньшим диаметром сопла и меньшим давлением газа
Образование и пост частиц размером меньше свободного пробега молекулы Kn>>1
Для частиц размером порядка 10 нм, молекулы газа ударяют частицу меняя ее направление.
Поток частиц в потоке газа можно описать следующим образом:
Где средняя скорость молекул газа,
n1 – концентрация молекул, p1 – парциальное давление газа
Введя некий коэффициент αs соударения частицы с молекулами того же состава что и частица, учтя процессы осаждения и испарения мы можем вывести изменение размеров частицы во времени
Изменение размера частицы можно определить следующим образом:
Общее количество столкновений молекул с поверхностью частицы определяется следующим соотношением:
Где p1 – парциальное давление газа, pd – парциальное давление частиц или капель, ν1 – объем частицы, m1 – масса молекулы, F1 – корректирующий коэффициент, вычисляемый по формуле:
Рост частиц в режиме непрерывной среды
В условиях когда размер частицы превышает длину свободного пробега молекулы (Kn<<1), процессы испарения и осаждения молекул с поверхности частицы определяются исключительно скоростью диффузии молекул по поверхности частицы
Скорость изменения размеров частицы определяется следующим соотношением:
Где D – коэффициент диффузии, p1 – парциальное давление газа, pd – парциальное давление частиц или капель, ν1 – объем частицы, m1 – масса молекулы, F2 – корректирующий коэффициент, вычисляемый по формуле:
Определение характеристического времени конденсации или испарения
Kn<<1 |
Kn>>1 |
Где dp0 – начальный диаметр частицы, pd = pe
Рост частицы за счет химической реакции
Рост частицы за счет реакции |
Рост частицы за счет реакции протекающей на |
протекающей в объеме частицы |
поверхности частицы |
Рассмотрим случай взаимодействия молекул с неким веществом растворенным в капле жидкости, тогда скорость реакции в капле описывается следующим выражением:
Где H – константа Генри, которая связывает концентрацию (CL) вещества в жидкости с парциальным давлением вещества
Соответственно скорость роста частицы определяется:
Или в упрощенном варианте время необходимое для удвоения размеров частицы:
Скорость реакции для реакции первого порядка описывается следующим образом:
ks – константа реакции
Исходя из скорости реакции, можно определить увеличение размеров молекулы для такой реакции:
Или в упрощенном варианте время необходимое для удвоения размеров частицы: