Рассмотрена проблема получения кремния солнечного качества прямым восстановлением углеродом. Проведен краткий анализ существующих методов получения металлургического и солнечного кремния. Осуществлены эксперименты по плакированию кварцевого песка пироуглеродом и восстановлению полупродукта в индукционной печи. Исследованы термодинамические аспекты процесса восстановления.

Індекс рубрикатора НБУВ: Л264.32

Шифр НБУВ: Ж28350 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Вопрос рационального и эффективного использования углеводородного сырья давно является предметом интенсивных и разноплановых исследований. Природный газ как один из наиболее используемых углеводородов находит применение как топливо в энергетике и коммунальном хозяйстве и как ценное углеводородное сырье для получения химических продуктов и технологических атмосфер. Металлургия, химическая промышленность широко используют такие продукты переработки природного газа, как водород и углерод. Пиролиз природного газа в дисперсных средах может открыть много новых технологий. Например, получение пиролитического углерода и водорода высокой чистоты. Каким образом из природного газа образуется углерод, что определяет форму образующегося углерода, прояснит механизм пиролиза метана. Рассмотрены следующие механизмы пиролиза природного газа: молекулярный механизм, ацетиленовая гипотеза, радиально-цепной механизм, полимеризационная гипотеза, гипотеза пироагрегатов. Приведенный материал расширит представление о процессе, позволит с большей надежностью моделировать процессы получения углерода, синтезировать новые материалы.

В Институте газа НАН Украины создана установка для нанесения пироуглерода на частицы кварцевого песка. Процесс осуществляется в аппарате с электротермическим псевдоожиженным слоем с помощью метода пиролиза метана. Капсулированный пироуглеродом кварцевый песок планируется использовать для получения высокочистого кремния методом карботермического восстановления. Применение псевдоожиженного слоя в процессах осаждения пироуглерода позволяет обеспечить более высокую скорость наращивания покрытий и их однородность. Толщина полученного слоя чистого пироуглерода может изменяться за счет регулирования температуры, гидродинамики и продолжительности процесса. Дополнительным преимуществом предложенного процесса является побочное получение метано-водородных смесей и даже чистого водорода, выход которого увеличивается с повышением температуры. Представлены схема реактора и принципиальная технологическая схема полупромышленной установки. Приведены результаты термодинамических расчетов процесса пиролиза метана, хроматографический анализ газа до и после прохождения реактора.

Перспективными устройствами для проведения высокотемпературных процессов являются реакторы с электротермическим псевдоожиженным слоем. Одним из таких реакторов является разработанный в Институте газа НАН Украины лабораторный реактор, где в качестве внешнего нагревательного элемента используется кольцевой электротермический псевдоожиженный слой. В данном реакторе проводился пиролиз смеси углеводородных газов на основе пропана с целью получения капсулированного пироуглеродом кварцевого песка, который используется как модель микросферического ядерного топлива (микротвэла). Также полученный материал планируется использовать для дальнейшего карботермического восстановления кремния. Приведены схема реактора и принцип работы, принципиальная технологическая схема, результаты проведенных опытов, расчеты тепловых характеристик, основные расходные показатели реактора. Дана оценка эффективности реактора при осуществлении пиролиза смеси углеводородных газов на основе пропана. Разработанный реактора возможно использовать для термической обработки материалов, которые не проводят электрический ток (диэлектриков).

Приведены результаты экспериментального исследования процесса осаждения твердого углерода из разогретой смеси углеводородных газов в объем и на поверхность частиц кварцевого песка в реакторах с псевдоожиженным слоем 2-х типов: с внешним нагревом и с нагревом за счет прохождения электрического тока через псевдоожиженный слой (электротермический псевдоожиженый слой). Для теоретической обработки результатов измерений проведены расчеты зависимостей разности значений углеродного потенциала газовой смеси и твердого углерода (графита) от температуры и состава смеси. Полученные значения перепада углеродного потенциала позволили определить количественную составляющую в зависимости от состояния газовой смеси, а также от ее равновесия с твердым углеродом. Рассчитаны значения избыточного количества углерода в газовых смесях. Сопоставление рассчитанного максимального количества углеродного избытка в газовой смеси и измеренного количества действительно осажденного твердого углерода позволило определить эффективность процесса образования твердого углерода в каждом конкретном реакторе с участием определенной смеси углеводородов и при заданном режиме проведения процесса. Установлено, что из 2-х смесей, на основе пропана и на основе метана, испытанных в лабораторном реакторе с внешним обогревом, пропановая смесь обладает большей эффективностью.

Одним из вариантов проектируемых ядерных реакторов, обладающих повышенной пассивной защитой, являются реакторы с микротвэлами и шаровыми ТВЭЛами, одним из главных компонентов которых является пироуглерод. Пироуглерод имеет высокую радиационную и коррозионную стойкость, поэтому перспективными также являются исследования, направленные на утилизацию радиационных отходов, что является актуальной проблемой не только для Украины, но и для всего мира. Благодаря уникальным свойствам пироуглерод можно использовать в различных областях науки и промышленности. На протяжении нескольких лет в Институте газа НАН Украины проводились исследования по получению пироуглеродных покрытий пиролизом углеводородных газов в реакторах с электротермическим псевдоожиженным слоем. Проведено исследование их материаловедческих характеристик и свойств для определения возможности использования пироуглеродных покрытий, полученных по технологиям Института газа НАН Украины. Представлены результаты исследований по оценке плотности, чистоты, коррозионной стойкости, а также микрорельеф пироуглеродного покрытия. Сделаны промежуточные выводы о возможности применения полученного пироуглерода.

Рассмотрен процесс термической обработки малого количества твердого материала с максимальным контактом фаз "твердое вещество - газ" в псевдоожиженном слое. Одним из возможных вариантов создания псевдоожиженного слоя является пропускание звуковых волн через твердый зернистый материал. Проведено визуальное исследование гидродинамики создания псевдоожиженного слоя звуковыми волнами. Рассмотрена проблема уноса твердого материала. Определена оценка влияния траектории движения частичек на теплофизические свойства псевдоожиженной системы. Применение звуковых волн должно увеличить интенсивность теплообмена внутри и между твердой и газовой фазами. Разработана схема конструкции реактора для получения пироуглеродных покрытий при малом количестве обрабатываемого материала.

Для улучшения технологических особенностей и эффективности высокотемпературной обработки диэлектрических материалов разработана конструкция реактора с электротермическим псевдоожиженным слоем с комбинированным способом нагревания. Основным назначением данного реактора является процесс нанесения пироуглеродного покрытия на кварцевый песок. Приведена принципиально-технологическая схема процесса. В дальнейшем кварцевый песок, покрытый пироуглеродом, будет применяться для получения чистого карбида кремния. Разработана методика расчета теплового баланса, которая позволяет оценить коэффициент полезного действия реактора. Подобрана методика расчета критериев подобия для возможности сравнения эффективности теплообмена в разработанном реакторе с другими аппаратами для термохимических процессов. Предложено описание теплообмена между псевдоожиженным слоем и электродом.

Індекс рубрикатора НБУВ: Л114.4

Рубрики:

Процеси в завислому шарі

Шифр НБУВ: Ж28350 Пошук видання у каталогах НБУВ