Оптимизация технологии передела металлического вольфрама

Производитель

СТИ НИЯУ МИФИ

Подробное описание проекта

Создание новых высокоэффективных процессов и совершенствование уже существующих в различных отраслях производства невозможно без использования современных методов математического моделирования, т.е. изучения основных свойств рассматриваемого объекта на основе созданной математической модели.

В настоящее время гексафторид вольфрама применяется для получения изделий из вольфрама разнообразной формы и размеров, а также для нанесения покрытий различного назначения. Гексафторид вольфрама обычно получают фторированием металлического вольфрама элементарным фтором с последующей конденсацией полученного продукта.

В современных условиях является актуальным вопрос по созданию импортозамещающей технологии производства гексафторида вольфрама чистотой 99,999% для электронной промышленности и тиглей из высокочистого вольфрама для выращивания монокристаллов лейкосапфира.

Настоящая работа посвящена разработке физико-математической модели процесса фторирования металлического вольфрама в неподвижном слое и созданию на ее основе цепи аппаратов, в которой достигается высокая полнота использования фтора, а количество выходящих газов не требует дополнительных мер по их обезвреживанию.

Для реализации процесса фторирования газообразный фтор пропускают над слоем металлического вольфрама. Проходя вдоль реактора, фтор реагирует с вольфрамом с образованием WF6. В результате концентрация фтора в газовом потоке постепенно уменьшается за счет уменьшения количества фтора и разбавления его образующимся WF6. Как следствие, уменьшается скорость реакции фторирования. Кроме того, уменьшается скорость (объем) газового потока.

Первая стадия процесса должна обеспечивать полноту использования фтора > 82% (предпочтительно > 90%). В этом случае возможна эффективная конденсация полученного WF6 в жидком виде при температуре 2,5-3,0 0С. Газовая смесь после описанной конденсации, содержащая 55 – 57 % мольн. гексафторида вольфрама и 45 - 43% мольн. фтора, направляется на вторую стадию фторирования. Многократное уменьшение потока газа на второй стадии фторирования позволяет легко добиться суммарной полноты использования фтора более 99,99%.

Предлагаемая технология обеспечивает очень высокую полноту использования фтора и, как следствие, минимальные выбросы из цепи технологических аппаратов, которые не требуют обезвреживания. Кроме того, в обсуждаемом варианте отсутствуют движущие элементы в конструкциях аппаратов, что очень важно для работы в такой агрессивной среде, как фтор.

Для оценки возможности получения высокой полноты использования фтора была создана физико-математическая модель процесса фторирования металлического вольфрама в неподвижном слое. В работе исследуемый процесс описывается дифференциальным уравнением конвективной диффузии в безразмерном виде. По аналогии с процессом массопереноса в барботажном реакторе, в записанной модели используется модифицированное число Шервуда Sh = 2×d×a×P/(3×D×(1-P)), где d - характерный диаметр зерна порошка вольфрама, a - коэффициент массоотдачи из твердой фазы в газообразную, P – пористость слоя порошка металлического вольфрама, D – коэффициент диффузии в газовой фазе.

Восстановление WF6 водородом позволяет наносить различные покрытия и изготавливать изделия из вольфрама разнообразной формы, которые невозможно получить традиционными методами.

В настоящее время наиболее актуальным является достижение максимально полного использования WF6, эффективное улавливание образующегося продукта (HF) в виде, пригодном для использования в электролизере для получения фтора, т.е. создание экологически чистого технологического процесса.

В работе рассматривается моделирование нестационарного режима движения турбулентного потока двухкомпонентного газа при обтекании нагретой подложки.

Взаимодействие газообразного гексафторида вольфрама с водородом можно описать уравнением реакции:

WF6 + 3 H2 = W + 6 HF.

Для того, что бы реакция была необратимой и при этом наблюдалась высокая степень превращения гексафторида вольфрама в металл, необходимо при атмосферном давлении поддерживать температуру подложки в диапазоне 300 - 350 0С.

В работе строится математическая модель процесса восстановления WF6 водородом. Сделана попытка учесть такие явления как свободная конвекция и термодиффузия, которые возможны в газовой среде вследствие разности температур. Созданная модель позволяет учесть влияние температуры и состава газовой смеси на скорость процесса кристаллизации вольфрама и определить значения режимных и геометрических параметров, обеспечивающих получение слоя металла с заданными свойствами.

Созданная модель процесса газофазного восстановления вольфрама водородом позволяет ставить следующие задачи:

1. Оценить влияние температуры, давления и состава газовой смеси на скорость процесса, химический механизм процесса, включая адсорбционные процессы, универсальность кинетического уравнения, позволяющего рассчитать скорость процесса при любых условиях его осуществления.

2. Анализ процессов кристаллизации вольфрама и определение параметров процесса, обеспечивающих получение осадков с заданными свойствами. Управление структурой осадка.

Численная модель может способствовать формулированию принципов создания и оптимизации технологических аппаратов для получения различных продуктов, включая расчет полноты использования WF6 и производительности процесса в зависимости от параметров процесса восстановления и размеров получаемого изделия.

Степерь проработки проекта: НИР

Детали предложения

Имеется возможность проведения физического эксперимента по отработке технологии передела металлического вольфрама с учетом рекомендаций и новых идей, полученных на основании численного моделирования рассматриваемых процессов.

Наличие защиты результатов интеллектуальной деятельности

Наличие публикаций, защищающих авторское право.

1. Ю. М. Королев, В. И. Столяров Восстановление фторидов тугоплавких металлов водородом. М., Металлургия, 1981, с.184.

2. Шваб А.В., Садретдинов Ш.Р., Брендаков В.Н. Исследование влияния потока газа и турбулентной диффузии на процесс центробежной классификации тонкодисперсных частиц // Журнал прикладная механика и техническая физика. 2012. Т. 53. № 2 (312). С. 33-42.

3. Shvab A.V., Evseev N.S. “Studying the Separation of Particles in a Turbulent Vortex Flow “ // ISSN 0040-5795, Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2015, Vol. 49, No. 2, pp.197-205.

Категория

  1. Металлургия