Способ осуществления фазовых переходов веществ

 

Изобретение относится к технологическим процессам общего назначения и может быть использовано в химической промышленности, металлургии, производстве керамики, топливной промышленности. Сущность изобретения: способ заключается в подведении к зоне фазового перехода дополнительной физической энергии. Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что вводят в зону фазового перехода вещество-инициатор, в котором предварительно запасают дополнительную физическую энергию, а подведение дополнительной физической энергии к зоне фазового перехода осуществляют путем инициирования потенциального перехода в веществе-инициаторе. Положительный эффект заключается в возможности осуществления объемного регулирования технологических процессов с распределением энерговыделения по времени и с концентрацией энерговыделения. 13 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технологическим процессам общего назначения и может быть использовано в химической промышленности, металлургии, производстве керамики, топливной промышленности.

Известно, что некоторые химические реакции, например окислительно-восстановительные, между двумя и более компонентами инициируют путем преодоления энергетического пускового барьера реакции. Для экзотермических реакций достаточно преодолеть барьер в малом объеме, чтобы энерговыделение этого объема распространилось на близко расположенные объемы и вызвало дальнейшую реакцию. Энергетический барьер должен быть, с одной стороны, достаточно высоким для безопасного проведения работ, а с другой стороны, возможно малым, чтобы средства инициирования реакции не были энергоемкими. Энергетический (температурный и др. ) барьер, т.е. порог чувствительности, преодолевают различными способами: локальным или общим нагревом реагентов; сближением реагентов, давлением, деформацией; введением катализаторов; ионизацией, деструкцией реагентов [1].

Известно, что процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) инициируют локальным нагревом, а затем экзотермическая реакция обеспечивает продвижение фронта реакции по всему объему реагентов. Скорость фронта СВС около 0,1 м/с, и время пребывания при высшей температуре определяют процессы теплообмена фронта СВС с реагентами и продуктами химической реакции. Процесс СВС определяют следующие основные параметры: баланс энергии химической реакции; теплообмен со средой (приток или отток тепла); уровень температуры в зоне реакции и средний (общий) уровень температуры; скорость реакции.

Применение СВС исключает эндотермические реакции; характерна локальность химической реакции, приводящая к остаточным напряжениям в продукте.

Наиболее близким к заявляемому является способ проведения каталитических реакций [2] , в соответствии с которым эндотермическую реакцию поддерживают катализом и введением необходимого тепла для полного прохождения реакции. Катализатор наносят на подложки с электропроводимостью и облучают электромагнитным полем низкой частоты. Прототипу присущи следующие недостатки. Корпус реактора и реагенты должны быть диэлектрическими для прохождения электромагнитного поля. Обогреваемые подложки должны быть оптимальной формы, перфорированы для прохождения реагентов и продуктов реакции. Процесс может идти при температурах, не превышающих температуру разупрочнения материалов корпуса реактора и электропроводных подложек с катализатором. Кроме того, затруднено равномерное поддержание температуры по всему объему реагентов. Все эти недостатки ограничивают технологические возможности процесса и усложняют технологическое оборудование.

Задачей изобретения является устранение перечисленных недостатков.

Для решения указанной задачи в способе, заключающемся в подведении к зоне фазового перехода дополнительной физической энергии, предлагается вводить в зону фазового перехода вещество-инициатор, предварительно запасая дополнительную физическую энергию в веществе-инициаторе, а подведение дополнительной физической энергии к зоне фазового перехода осуществлять путем инициирования потенциального перехода в веществе-инициаторе.

Предлагается также дополнительную физическую энергию запасать в веществе-инициаторе смещением атомов реагента относительно регулярного их положения в кристаллической решетке, облучением вещества-инициатора нейтронами, осколками деления или частицами распада ядер;
запасать дополнительную физическую энергию в веществе-инициаторе в количестве, превышающем количество тепла, поглощаемого эндотермической химической реакцией реагентов;
облучение проводить при температуре, не превышающей температуру начала химической реакции;
инициирование осуществлять нагревом вещества-инициатора;
в качестве вещества-инициатора применять вещество, содержащее графит.

Предлагаемое изобретение основано на использовании запаса физической энергии вещества-инициатора для поддержания баланса тепла эндотермических реакций и регулирования скорости химических реакций. Вещества-инициаторы имеют два устойчивых состояния: кристаллическое и аморфизированное. В качестве таких веществ предлагаются твердые вещества в аморфизированном состоянии со значительным запасом физической энергии, выделяющейся при переходе в кристаллическое состояние. Укажем группы таких веществ:
сверхмелкие порошки (гранулы около 10 нм) с запасом поверхностной энергии, выделяющейся при слиянии гранул в общий кристалл,
аморфные металлы, сохранившие структуру своей жидкой фазы в твердом состоянии за счет быстрого охлаждения и способные отдать теплоту кристаллизации,
материалы, облученные нейтронами, осколками ядер, частицами при низкой температуре,
смеси сверхмелких порошков, аморфных металлов, облученных материалов.

Запасенная аморфизированным относительно кристаллического состояния веществом физическая энергия значительна. Например, согласно [3] графит, облученный флюенсом нейтронов 2·10²¹ н/см² при температуре 30^oC, имеет запас физической энергии 500 кал/г. Наведенная в чистом графите радиоактивность не существенна.

Аморфизированные кристаллические вещества при превышении некоторой критической температуры кристаллизуются с саморазогревом. С учетом плотности графита 2 г/см³, теплоемкости графита 0,2 кал/г·K разогрев (без отвода тепла) при собственном энерговыделении составит около 2500^oC.

Теплоотдача в ходе химической реакции от одной или многих инициированных гранул будет проходить при температуре излучателя более 2500^oC, т.е. лучеиспусканием и теплопроводностью с непрерывной подпиткой энергией химической.

Особо значима передача энергии излучением. При температуре графита в области 2000-3000^oC (основное излучение инфракрасное с длиной волны более 2000 нм) и прозрачности реагентов основным "получателем" лучистой энергии станут черные гранулы, например, равномерно расположенные в массе реагентов.

При изготовлении графит-инициатор следует облучать при температуре выше температуры хранения и на уровне температуры старта химической реакции до насыщения дефектами или облучать при более низкой температуре, а затем проводить низкотемпературный отжиг дефектов, не допуская его саморазогрев, достаточным охлаждением порошка в теплопроводной жидкости, например в натрии. Возможно подобное "бесступенчатое" регулирование пусковых свойств аморфных металлов и порошковых ансамблей.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет инициировать фазовый переход распределенным и оптимизируемым выделением физической энергии, управляемой температурой и независимой от химических превращений. Это преимущество можно проиллюстрировать процессом передачи тепла между гранулами инициатора, который можно классифицировать как разновидность цепных макропроцессов.

Примером осуществления химических высокотемпературных реакций может быть синтез с плавлением высокотемпературных карбидов тантала (3985^oC), урана (2520^oC), молибдена (2600^oC). Стехиометрическую смесь исходных продуктов (предварительно облученный при 300^oC графит с металлом) помещают в избыточную засыпку по расчету энерговыделения неравновесной фазы графита, подогревают до пусковой температуры отжига решетки графита (температура отжига равна или более температуры облучения, около 300^oC) и производят плавку-синтез (СВС). При этом плавление смеси происходит за счет энерговыделения при переходе атомов графита из смещенных позиций в регулярные узлы решетки.

Аналогичным примером металлургического применения может служить получение композиций электроконтактного материала из смеси меди и графита. Сложность получения такой смеси другими путями усложнена отсутствием взаимодействия компонентов. В этом случае энергия решетки используется исключительно для нагрева. Требуемый состав (порошки меди и графита) прессуют с нагревом до пусковой по тепловыделению температуры. Медь плавится и образует каркас медно-графитовой композиции.

Примером керамического производства может служить высокотемпературный обжиг или плавление (литье) изделий из оксидов бериллия, кальция без использования высокотемпературных печей.

Эффективное применение способа возможно при запуске и форсаже двигателей подачей в топливо мелкозернистого графита.

Использование изобретения позволит осуществлять объемное регулирование технологических процессов с распределением энерговыделения по времени и с концентрацией энерговыделения.

Источники информации.

1. Словарь-справочник по новой керамике. Киев: Наукова думка, 1991.

2. Патент Великобритании N 2210286, 1989, кл. B 01J 19/00.

3. Спинкс Дж. , Вудс Р. Введение в радиационную химию. М.: Атомиздат, 1967.

Формула изобретения

1. Способ осуществления фазовых переходов веществ, заключающийся в подведении к зоне фазового перехода дополнительной физической энергии, отличающийся тем, что вводят в зону фазового перехода вещество-инициатор, предварительно запасают дополнительную физическую энергию в веществе-инициаторе, а подведение дополнительной энергии к зоне фазового перехода осуществляют путем инициирования потенциального перехода в веществе-инициаторе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительную физическую энергию запасают в веществе-инициаторе смещением его атомов относительно регулярного положения кристаллической решетки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительную физическую энергию запасают в веществе-инициаторе облучением нейтронами.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительную физическую энергию запасают в веществе-инициаторе облучением осколками деления.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительную физическую энергию запасают в веществе-инициаторе облучением частицами ядер.

6. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что дополнительную физическую энергию запасают в веществе-инициаторе в количестве, превышающем количество тепла, поглощаемого эндотермической химической реакцией реагентов.

7. Способ по пп. 3 5, отличающийся тем, что облучение проводят при температуре, не превышающей температуру начала химической реакции.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инициирование потенциального перехода осуществляют нагревом вещества-инициатора.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вещества-инициатора применяют вещество, содержащее графит.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что графит применяют в виде порошка.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что графит применяют с фракцией менее 15 нм.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вещества-инициатора применяют вещество, содержащее аморфный металл.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инициирование потенциального перехода осуществляют за счет перевода вещества-инициатора из аморфизированного в кристаллическое состояние.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зону фазового перехода вводят несколько веществ-инициаторов с различной температурой инициирования потенциального перехода.