Способ плавления и/или кристаллизации веществ

 

Изобретение относится к управлению термодинамическими потоками и может быть использовано при разработке и оптимизации различных массообменных процессов, включая тепломассоперенос в жидкой фазе, плавление и/или кристаллизацию. Изобретение обеспечивает управление конвективным массопереносом, ускорение процессов и снижение энергозатрат. Способ включает нагрев вещества и воздействие на жидкую фазу вибраций, возбуждаемых с помощью системы твердых тел с острыми кромками. Конфигурацию и направление колебаний каждого твердого тела выбирают в соответствии с заданной структурой конвекции , а частоту и амплитуду - из приводимых зависимостей. 3 ил. S Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (111 (У1) С 30 В 11/00, 30/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4392495/26 (22) 15.03.88 (46). 15.01.91. Бюп, 1"- 2 (71) Институт общей физики AH СССР (72) F.. R.Жариков, Л.R.Ïðèõîäüêî и Н.Р.Сторожев (53) 621. 315. 59? (088.8) (56) Никитина Г.В., Романенко В.Н., Тучкевич R.Ñ. Рлияние вибраций на выращивание монокристаллов бинарных систем. — В. сб,: Кристаллизация и фаэовые переходы. Минск: Изд-во

AH СССР, 1962, с. 379-385. (54) СПОСОБ ПЛАВЛЕНИЯ И/ИЛИ КРИСТАЛЛИЗЛ1(ИИ ВЕЗЕСТВ (57) Изобретение относится к управИзобретение относится к управлению термодинаю ческими потоками и может быть использовано при разработке и оптимизации различных массообменных процессов, включающих тепломассоперенос в жидкой фазе.

11ель изобретения — управление конвективным массопереносом, обеспечение за счет этого ускорения процесса и снижения энергозатрат,.

Изобретение поясняется схемами, на которых представлены примеры управления тепломассопереносом в жидкой фазе путем создания заданных структур конвекции, позволяющих оптимизировать условия разли4ных массообменных процессов„

На фиг. 1 изображен процесс плавления и испарения в условиях боково2 лению термодинамическими потоками и может быть использовано при разработке и оптимизации различных массообменных процессов, включая тепломассоперенос в жидкой фазе, плавление и/или кристаллизацию. Изобретение обеспечивает управление конвективным массопереносом, ускорение процессов и снижение энергозатрат.

Способ включает нагрев вещества и воздействие на жидкую фазу вибраций, возбуждаемых с помощью системы твердых тел с острыми кромками. Конфигурацию и направление колебаний каждого твердого тела выбирают в соответствии с заданной структурой конвекции.а частоту и амплитуду — из приводимых зависимостей. 3 ил. го нагрева открытого тигля; на фиг. 2 — процесс массообмена между зонами растворения и кристаллизации в горизонтальном слое раствора; на фиг. 3 — процесс плавления исходного вещества и перемешинания расплава при его непрерывной кристаллизации в контейнере с боковым нагревом.

Пример 1, На фиг„ i предлагаемый способ использован для оптимизации условий плавления и испарения вещества 1, помещенного н цилиндричес. кий тигель 2, который установлен на подстанке 3 внутри трубчатого нагре- и нателя 4. Тепломассоперенос в ходе этого процесса характеризуется тем, что расплав имеет максимальную температуру у стенок тигля, в результате чего в расплаве имеет место термогра16? 0510 витационнал коннекция, структура которой показана штриховой линией 5.

При. этом вблизи стенок движение расплава направлено вверх, а в центре тигля — вниз, и температура расплава на поверхности существенно превышает температуру плавления, при которой находится расплав н нижней части тигля на границе с твердым веществом 6, R условиях перегрева расплава вблизи стенок может происходить его разложение, а с поверхности — интенсивное испарение, Оптимизация условий этих процессов 15 заключается н снижении перегрева расплава„ )1ля этого задается структура конвекции, изображенная линией 7, при которой днижение расплава н центре направлено вверх, а у стенок — вниз. ля ее создания твердое тело н виде диска 8, закрепленное с возможностью вертикальных колебаний, приводится в контакт с поверхностью расплава (крепление диска на Лиг. 1 не показа 25 но). R конкретномслучае ппавления нитрата натрия (скорость звука

1500 м/с, вязкость 3,17 мПа ° с) н тигле диаметром 65 мм и высотой 60 мм при диаметре диска 17 мм частота колебаний взята равной 78 Гц, что меньше предельной величины " 20000 Гц, а ,значение амплитуды задано равным

0,9 мм, что обеспечивает циркуляцию расплава но всем объеме тигля ° Создан. ная структура конвекпии позволяет снизить перегрев расплава на 30 С при полном расплавлении вещества.

TI р и м е р 2. На йиг. 2 предлагаемый способ использован для оптимиза40 ции условий массообмена между зоной

8 растворения и зоной 9 кристаллизации в горизонтальном слое растнора

10, содержащегося в сосуде 11.

В этом процессе скорость массообмена ограничена скоростью диффузионного переноса растворенного вещества от зоны растворения к зоне кристаллизации. Оптимизация заключается н увеличении скорости переноса растворенного вещества. Пля этого задается структура коннекции в растворе, которая характеризуется циркуляциовным потоком, простирающимся от одной зоны к другой. Для ее создания конфигурация системы твердых тел ныбира- .55 ется в ниле вертикальной пластины 12, I | частично погруженной в раствор и закрепленной с возможностью горизонтальных колебаний, и горизонтальной пластины 13, приведенной в контакт с поверхностью раствора и закрепленной с возможностью вертикальных колебаний (крепление пластин t 2 и 13 на фиг. 2 не показано).

При малых амплитудах колебаний у пластины возникают циркуляционные Ilo токи 14-17, причем при увеличении амплитуды колебаний потоки 15 и 16 не взаимодействуют и сливаются н один поток 18, обеспечивающий перенос растноренного вещества между зонами, а потоки 14 и 17 превращаются в потоки 19 и 20 соответственно, способствующие перемешинанию раствора в зонах. В конкретном случае слоя водного раствора нитрата натрия (скорость звука 1500 м/с, вязкость 1, 1мПа ° с) толщиной 100 мм при расстоянии между зонами 250 мм и размерах пластин по

50 мм частота колебаний пластины 12 выбрана равной 157 Гц, а пластины

13 — 168 Гц,что меньше предельной величины 7000 Гц, а значения амплитуд заданы равными 3,25 и 3,15 мм для пластин 12 и 13 соответственно, что обеспечивает создание структуры конвекции с циркуляционным потоком

18. Созданная структура коннекции обеспечивает пятикратное ускорение процесса.

Пример 3. На Фиг. 3 предлагаемый способ использован для оптимизации процессов плавления исходного вещества и перемешивания расплава

21 в прямоугольном контейнере ? 2, при движении которого вниз относительно нагревателя 23 происходит рост кристаллов 24. R исходном процессе тепломассоперенос в расплаве характеризуется наличием циркуляционного потока термогравитационной конвекции, структура которого показана штриховой линией 25. Этот поток, направленный в центре контейнера вниз, вызь|вает быстрое вертикальное перемещение исходного вещества, непрерывно поступающего на поверхность расплава, что приводит к нарушению стационарности условий кристаллизации вследствие недостаточного прогрева исходного вещества и перемешивания расплава.

Оптимизация условий массообменных процессов в данном случае заключается в обеспечении нагрева расплавляемого исходного вещества преимуще5 16 ственно в верхней части слоя расплава и улучшении перемешивяния расплава по всему объему. Лля эт тго зяттяется структура коттвекттии в рясплаве, которая характеризуется наличием расположенных по вертикали взяимодействующих, HG не . .ëèâàþlllèõñÿ циркуляционных потоков. чля ее создания конфигурация системы вердых тел вьтбиряетcÿ в виде горизîHтальттых прямоугольных гтластин, находящихся в контакте с поверхностью расплава, и параллельно им бруска 26 прямоугольного сечения, погруженного v расплав в промежутке между ними, ;тричем все тела могут совершать вертикальные колебания.

При малых амгтлитудях колебаний в этой системе взникяют циркуляц:тонньте потоки типа обозначенного ттотока 27, которые по мере увеличения амплитуд колебаний увели тивяются и встуттятот во взаимодейстт,ие, принодящсс к заданной структуре конвеF: ции с циркуляционными потоками, г..о— казанными линиями 28-31, Такая структура коннекпии обесттечинает гтлавле— ние и нагрев исходного ветттества при его циркуляции в потоке 28 и переметттивяттие расплава во всем об еме зя счет взаимодействия потоков 28-31, ослабляя влияние процесса плятзления ня процесс кристаллизации.

Б конкретном случае непрерывной кристаллизации нитрата натрия в контейнере со стороной 100 лтм при ширине пластин 32 и 33 и бруса 26

20 мм, высоте бруса 30 мм, высоте слоя расплава 100 мм, расстоянии между ттластинами 32 и 33 20 мм, расстоянии от поверхности расплава до бруса ?6 30 мм частоты колебаний пластин 32 и 33 выбраны равными

157 Гц, а бруса 26 — 73 Гц, что меньше предельной величины 12000 Гц

) а значения амплитуд зяляны равными

0,3 мм для пластин 32 и 33, а для бруса — 1,2 мм, что обеспечивает взаимодействие циркуляционных пото— ков и полное подавление термогравитационной конвекции. Созданная структура конвекции позволяет стаби— лизировать условия непрерывной кристаллизации.

Конфигурацию и направление коле— баний каттсдого твердого тела во всех примерах выбирают в соответствии с задаваемой структурой коттт с кттии, соз?0510 да гтя емои т ре .. ул ьтя те образования у кромки тел вихрей и их взаимодействия. Частоту колебаний устанавливают ттз условття

f. с С/4Т,, а амплитуду из зависимости

А=(n-ст) /(3f F1 ), 0ZS. скорость звука в жидкой фазе, м/с;

10 где С максимальный размер твердого тела, мм; амплитуда, мм; расстояния в направлении от

D u с1 острой кромки тела и границы вттхря соответственно; — часToTB колебаний, Гц;

Р вязкос.ть жидкой фазы, мПа с.

Формулaизобретени я

Способ плавления и/или кристаллиз.".ции веществ, включающий нагрев при воздействии на жидкую фазу вибраций, возбуждаемых с помощью системы

45 твердых тел с острыми кромками, о т л и ч à IO Ul, и и с я тем, что, с целью управления конвективным массопереносом, обеспечения за счет этого ускорения процесса и снижения энергозатрат, коттфттгураттгтю и направления колебаний каждого твердого тела выбирают в соответствии с заданной структурой конвекции, создаваемой в результате образования у кромки тел вихрей и их взаимодействия, при этом частоту .колебаний f (Гц) каждого тела устанавливают из условия

f (С/(4Е), Использование предлагаемого сТТосо ба управления тепломассопереносом в

25 жидкой фазе позволяет оптимизировать условия различных массообменньгх процессов за счет создания заданной структуры конгтектцттт, от которой существенно зависит пространственное распределение потоков массы и тепла, Как

30 показывает анализ и проведенные экспериментальные исследования при использовании предлагаемого способа достигается положительный технико-экономический эффект, выражающийся в интен35 сификации мяссоабменттьтх проттессов, поBblllleFIHH качества выходного продукта, ресурсосбережении.

1620510 г.1 а амплитуду колебаний — из зависимости

A=(D-d) /(ЗЕ pg ), 5 где С вЂ” скорость звука в жидкой фазе, м/с; — максимальный размер твердого тела, мм;

A — амплитуда, мм;

D u d — расстояния в направлении колебаний от острой кромки тела и границы вихря до границы жидкой фазы соответственно, мм;

1 вязкость жидкой фазы, мПа с.

Составитель В. Гезбородова

Редактор М. Петрова Техр ед JI. Îíèéíûê КорректорС,111екмар

Заказ 4221 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101