Влияние утечки летучих продуктов синтеза на выход карбида кремния в реакторе электротермического кипящего слоя

Цели. Рассчитать влияние утечки летучих продуктов реакций карботермического синтеза карбида кремния на массовый выход конечного продукта и развить общую модель синтеза мелкодисперсного карбида кремния в части конкретизации математической модели утечки летучих продуктов химических реакций из реакционного объема установки с ожижающим инертным газом.

Методы. В качестве способа получения SiC рассмотрен процесс его производства в электротермическом кипящем слое. Верификация модели утечки летучих продуктов проведена путем сравнения результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными по синтезу SiC в реакторе высокотемпературного кипящего слоя. Параметрами сравнения являлись массовый выход карбида кремния и суммарное время синтеза при последовательных вводах порций диоксида кремния в реакционный объем реактора.

Результаты. Конкретизировано значение параметра p общей модели синтеза SiC в кипящем слое — параметр p равен отношению числа углеродосодержащих частиц, участвующих в образовании SiO, к общему числу частиц диоксида кремния и характеризует состав устойчивых комплексов частиц шихты при разных рабочих температурах псевдоожиженного слоя. Показано, что отклонение расчетных и экспериментальных значений масс карбида кремния, получаемого в результате синтеза, не превышает 15.5% при высокой температуре кипящего слоя (T = 1800°C) и уменьшается при снижении рабочей температуры: 4.7% при T = 1450°C.

Выводы. Общая расчетная модель синтеза карбида кремния с встроенной процедурой расчета утечки летучих продуктов химических реакций позволяет проводить анализ вариантов производства SiC в реакторах электротермического кипящего слоя. Важным при этом является организация энергоэффективного рабочего цикла без предварительных дорогостоящих экспериментальных исследований.

1. Васильева Е.В., Черкасова Т.Г., Неведров А.В., Папин А.В., Субботин С.П. Возможность модернизации коксохимического производства с применением компьютерной программы прогнозирования выхода химических продуктов коксования. Химия и химическая технология: достижения и перспективы: сборник материалов V Всероссийской конференции. 2020. С. 83.1– 83.3.

2. Ryabov G.A., Folomeev O.M. Problems of Hydrodynamics and Heat Transfer in Interconnected Bed Reactors for CO2 Capture and Obtaining Hydrogen. Therm. Eng. 2023;70(4):311–322. https://doi.org/10.1134/S0040601523040055

3. Prado D.S., Vilarrasa-García E., Sampronha E., et al. Multiple approaches for large-scale CO2 capture by adsorption with 13X zeolite in multi-stage fluidized beds assessment. Adsorption. 2023. https://doi.org/10.1007/s10450-023-00422-x

4. Sun L., Yin F., Cao J., et al. Numerical Study on the Process of Chemical Looping Hydrogen Production with Multiple Circulating Fluidized Bed Reactors. J. Therm. Sci. 2023;32(5): 1945–1954. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1872-1

5. Ryabov G.A. A Review of the Research Results into the Technologies of Solid-Fuel Combustion in a Circulating Fluidized Bed Conducted Abroad and in Russia. Therm. Eng. 2021;68(2): 117–135. https://doi.org/10.1134/S0040601521020051

6. Semeiko K.V., Kustovskyi S.S., Kupriyanchuk S.V., et al. Dependence of the Pyrocarbon Structure on the Parameters of the Process of Pyrolysis of Hydrocarbon Gases in an Electrothermal Fluidized Bed. J. Eng. Phy. Thermophys. 2020;93(3):677–684. https://doi.org/10.1007/s10891-020-02166-9

7. Митрофанов А.В., Мизонов В.Е., Василевич С.В., Малько М.В. Опытно-теоретическое исследование гидромеханических процессов в электротермическом кипящем слое. Международный Косыгинский форум. МНТС Плановский-2021. 2021. Т. 1. С. 54–57.

8. Митрофанов А.В., Василевич С.В., Малько М.В., Овчинников Л.Н., Шпейнова Н.С. Разработка математической модели псевдоожижения частиц при наличии внутренних источников теплоты. Вестник Ивановского государственного энергетического университета (Вестник ИГЭУ). 2022;6:49–57.

9. Бородуля В.А., Виноградов Л.М., Гребеньков А.Ж., Михайлов А.А., Сидорович А.М. Карбидотермическое восстановление SiO2 и образование карбида кремния в электротермическом кипящем слое. В сб. трудов: Тепло- и массоперенос-2012. Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова НАН Беларуси; 2013. С. 121–127.

10. Бородуля В.А., Виноградов Л.М., Гребеньков А.Ж., Михайлов А.А. Синтез карбида кремния в электротермическом реакторе с кипящим слоем углеродных частиц. Горение и плазмохимия. 2015;13(2):92–102.

11. Бородуля В.А., Гребеньков А.Ж., Михайлов А.А. Особенности образования различных структурных модификаций карбида кремния при его карботермическом синтезе в реакторе электротермического кипящего слоя. В сб. трудов: Теплои массоперенос – 2018. Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова НАН Беларуси; 2019. С. 107–114.

12. Бородуля В.А., Виноградов Л.М., Гребеньков А.Ж., Михайлов А.А. Способ и установка для получения карбида кремния: Евразийский патент 027539. Заявка № 201500555; заявл. 07.05.2015, опубл. 31.08.2017.

13. Kuzevanov V.S., Garyaev A.B., Zakozhurnikov S.S., Zakozhurnikova G.S. Model of continuous production of fine silicon carbid. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019;537(3):032106. https://doi.org/10.1088/1757-899X/537/3/032106

14. Kuzevanov V.S., Zakozhurnikov S.S., Zakozhurnikova G.S., Garyaev A.B. Finely dispersed silicon carbide synthesis model in the electrothermal reactor with periodic batch loading. J. Phys.: Conf. Ser.: Hydrodynamics and Heat and Mass Transfer. 2020;1683:022054. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/2/022054

15. Kuzevanov V.S., Zakozhurnikov S.S., Zakozhurnikova G.S. Model and results of a study of the synthesis of finely dispersed silicon carbide in an electro-thermal reactor. Solid State Phenomena. 2021;316:147–152. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.316.147

16. Семейко К.В., Малиновский А.И., Гребеньков А.Ж., Саенко С.Ю., Лобач К.В. Кустовская А.Д., Ляпощенко А.А., Склабинский В.И. Разработки технологий получения карбида кремния (обзор). Вестник НЯЦ РК. 2021;2:30–41. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2021-2-30-41

17. Higher Transcendental Function: in 3 v. V. I. McGraw – Hill Book Company. Inc.; 1953. 395 p.

18. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления: в 3-х т. М.–Л.: Гостехиздат; 1948. Т. 2. 793 с.

19. Барабанов Н.Н., Земскова В.Т., Митрофанов А.Д., Ермолаева Е.В. Математическое моделирование процесса карбидизации синтактных пенопластов. Известия вузов. Химия и химическая технология. 1998;41(5):32–34.

20. Li X., Zhang G., Tronstad R., Ostrovski O. Reduction of quartz to silicon monoxide by methane-hydrogen mixtures. Metall. Mater. Trans. B: Process Metall. Mater. Processing Sci. 2016;47(4):2197–2204. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0670-5

21. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения: пер. с англ. М.: Мир; 1972. 440 с.

22. Агеев О.А. Карбид кремния: технология, свойства, применение. Харьков: ИСМА; 2010. 531 с. ISBN 978-966-02-5445-9