Реагенты и процессы
Реагенты в СВС процессах используются в виде тонкодисперсных порошков, тонких пленок, жидкостей и газов. Наиболее распространены два типа систем: смеси порошков (спрессованные или насыпной плотности) и гибридные системы газ-порошок (или спрессованный агломерат). Известны СВС-процессы и в системах: порошок-жидкость, газ-взвесь, пленка-пленка, газ-газ. Главные требования к структуре исходной системы - обеспечение условий для эффективного взаимодействия реагентов. Шихта в СВС-процессах может находиться в вакууме, на открытом воздухе, в инертном или реагирующем газе под давлением.
В создании СВС системы могут участвовать все химически активные при высоких температурах вещества в качестве реагентов (химические элементы, индивидуальные соединения, многофазные структуры) и инертные вещества в качестве наполнителей или разбавителей.
Наиболее популярные реагенты: H2, B, Al, C, N2, O2, Mg, Ti, Nb, Mo, Si, Ni, Fe, B2O3, TiO2, Cr2O3, MoO3, Fe2O3, NiO и др.
В качестве реагентов используется также минеральное сырье и промышленные отходы.
Условия подбора компонентов СВС-системы:
· экзотермичность взаимодействия реагентов
· образование полезных твердых продуктов
· техническая и экономическая целесообразность.
Горение в СВС-процессах оно получило название "твердое пламя".
Рассмотрим процессы при СВС более подробно и начнем с основного способа инициирования – это локальное инициирование реакции на поверхности системы путем подвода кратковременного теплового импульса (электрическая спираль, электроискровой разряд, лазерный луч и др.) с формированием волны горения и ее распространением по не нагретому исходному веществу. Длительность инициирования обычно намного меньше времени сгорания шихты.
· При этом режимы распространения фронта горения в простейшем и наиболее важном стационарном режиме все точки фронта движутся с постоянной во времени и одинаковой скоростью. Когда стационарный режим теряет устойчивость, могут возникнуть неустойчивые режимы распространения фронта: плоские автоколебания скорости фронта горения (пульсирующие горение)
· локализация реакции горения в очагах, движущихся по винтовой траектории (спинновые волны),
· беспорядочное движение множества очагов горения (хаотические твердые пламена).
Волна горения не распространяется по шихте в случае сильных теплопотерь в окружающую среду (малые диаметры шихтовых образцов, низкие адиабатические температуры взаимодействия реагентов).
В волне горения протекают различные химические, физические и физико-химические процессы, обеспечивающие в своей совокупности необходимое тепловыделение. Волна имеет определенную протяженность и состоит из ряда зон:
· зоны прогрева или предпламенной зоны (в ней реакции горения еще не протекают, а только осуществляется теплоперенос и нагрев шихты)
· зоны реакции (в ней протекают основные реакции горения, обеспечивающие необходимое тепловыделение)
· зоны догорания (в ней продолжаются химические реакции, но они уже не влияют на скорость распространения фронта)
· зоны (стадии) вторичных физико-химических превращений, определяющих состав и структуру конечных продуктов.
Распространение зоны химических реакций называют волной горения. Фронт - это условная поверхность, разделяющая зоны прогрева и реакции (передний край высокотемпературной зоны волны). Прохождение волны горения является основной стадией СВС. Популярная формула:
СВС = горение + структурообразование
,
вторичные физико-химические превращения составляют вторую стадию СВС.
Процесс распространения волны характеризуют:
· пределом погасания (связь между параметрами системы, разделяющие две ситуации: распространение волны и отсутствия горения при любых условиях инициирования)
· пределом потери устойчивости (связь между параметрами системы, разделяющими режимы стационарного и неустойчивого горения)
· скоростью распространения фронта,
· максимальной температурой и
· темпом нагрева вещества в волне стационарного горения,
· в неустойчивых процессах - частотой пульсаций, скоростью движения очага по винтовой траектории, величиной сверхадиабатического эффекта и др.
· глубиной химического превращения исходных реагентов в конечные продукты (полнота горения)
- Зависимость недогорания от размеров частиц металла
- Зависимость недогорания от относительной плотности образца
· неравновесностью продукта горения, характеризующую незавершенность фазовых и структурных превращений в процессе; темпом остывания продуктов горения (редко).
Благодаря высоким значениям скорости и температуры горения и скорости нагрева вещества в волне СВС относят к категории экстремальных химических процессов.
Смотрите также
Витамины. Заболевания при избытке и недостатке витаминов в организме
Витамины — группа низкомолекулярных
органических соединений относительно простого строения и разнообразной
химической природы. Это сборная, в химическом отношении, группа органических
вещес ...