氣固相反應(yīng)的Gibbs自由能最小法模擬.pdf

1、氣固相反應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)的重要組成部分?；瘜W(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化問題一直是化工系統(tǒng)工程研究的重要內(nèi)容?；瘜W(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化設(shè)計，可以為反應(yīng)過程開發(fā)和反應(yīng)工藝的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)，是化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。 許多氣相反應(yīng)產(chǎn)物中會出現(xiàn)固相沉積，這些沉積通常都會影響化學(xué)反應(yīng)的平衡。在實際生活中，很多反應(yīng)不希望有固相沉積出現(xiàn)，比如燃油燃燒時，產(chǎn)生的積炭會嚴(yán)重降低燃油燃燒的效率：另一些反應(yīng)則希望反應(yīng)有固相沉積出現(xiàn)，比如在多晶硅生產(chǎn)工藝中，固相

2、沉積可提高產(chǎn)物多晶硅的收率。本文以幾個出現(xiàn)固相沉積的氣相反應(yīng)體系為研究對象，對固相組分開始出現(xiàn)沉積的反應(yīng)溫度點進(jìn)行了計算，在計算結(jié)果的指導(dǎo)下，對三個化學(xué)反應(yīng)過程為氣固相反應(yīng)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了計算研究。 本文的主要研究內(nèi)容、采用的方法及取得的結(jié)果結(jié)論如下： 1、建立了求得固相組分開始出現(xiàn)沉積的反應(yīng)溫度點的模擬計算方法首先確定反應(yīng)體系的進(jìn)料組成、壓力和一組溫度，利用Gibbs自由能最小法計算不同溫度下的氣相反應(yīng)平衡組成和分壓，

3、然后繪制固相組分分壓與溫度的關(guān)系曲線，同時也繪制固相組分的飽和蒸汽壓曲線，兩條曲線的交點就是此固相組分開始出現(xiàn)沉積的反應(yīng)溫度點。 2、多晶硅生產(chǎn)工藝的優(yōu)化選取硅烷裂解反應(yīng)系統(tǒng)，采用Gibbs自由能最小法，在不同溫度、壓力下對反應(yīng)體系的化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行了模擬分析，得出了體系的平衡規(guī)律；同時以工業(yè)提供的數(shù)據(jù)為參考，以降低原料消耗和節(jié)約能源為目標(biāo)，對SiHCl3還原生產(chǎn)多晶硅系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計算和優(yōu)化設(shè)計，提出了合理的生產(chǎn)工藝。計算得出

4、的結(jié)論為：硅烷裂解生產(chǎn)多晶硅體系的適宜操作條件為1600K～2000K、進(jìn)料壓力為0.2atm；SiHCl3的轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度和進(jìn)料比H2/SiHCl3成正比，與壓力成反比，適宜操作條件為：0.01～0.2atm，1800K，H2/SiHCl3≥10:1，SiHCl3的一次通過轉(zhuǎn)化率約為20％。 3、石墨提純工藝的計算與實驗選取實際運用較廣泛的氯化焙燒法，采用Gibbs自由能最小法，在不同溫度、壓力和進(jìn)料配比下對反應(yīng)過程進(jìn)行了模

5、擬計算，掌握了體系的平衡規(guī)律，并且得出了高溫通氯提純石墨的優(yōu)化條件；在此基礎(chǔ)上，提出了高溫通四氯化碳提純石墨的新工藝并對新的提純工藝的反應(yīng)平衡體系進(jìn)行了模擬計算，得出了石墨提純工藝的平衡規(guī)律。 參照模擬計算的結(jié)果，分別以氯氣和四氯化碳為原料氣，進(jìn)行石墨提純工藝的實驗，通過實驗證明了四氯化碳提純石墨的新工藝的可行性；用實驗結(jié)果和模擬計算結(jié)果進(jìn)行比較，證明了計算結(jié)果的可靠性。計算得出的結(jié)論為：高溫氯化提純的適宜操作溫度為2000K～

6、2200K，提純物質(zhì)的進(jìn)料比為Cl2/impurity≥10:1。工業(yè)上石墨提純的效率約為80％，主要雜質(zhì)提純的難易程度由易到難依次為：SiO2>Fe2O3>Al2O3。 4、氮化硅生產(chǎn)工藝的優(yōu)化采用Gibbs自由能最小法，在不同溫度、壓力和進(jìn)料配比下對四氯化硅與氨氣的反應(yīng)體系的化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行了模擬分析，得出了氮化硅生產(chǎn)工藝的適宜操作條件：0.01～0.2atm，1200K～1600K，NH3/SiCl4≥10:1；此條件下四