气固相反应的Gibbs自由能最小法模拟
气固相反应是化学反应的重要组成部分。化学反应过程的优化问题一直是化工系统工程研究的重要内容。化学反应过程的优化设计，可以为反应过程开发和反应工艺的优化设计提供理论指导，是化学工业可持续发展的迫切需要。
许多气相反应产物中会出现固相沉积，这些沉积通常都会影响化学反应的平衡。在实际生活中，很多反应不希望有固相沉积出现，比如燃油燃烧时，产生的积炭会严重降低燃油燃烧的效率：另一些反应则希望反应有固相沉积出现，比如在多晶硅生产工艺中，固相沉积可提高产物多晶硅的收率。本文以几个出现固相沉积的气相反应体系为研究对象，对固相组分开始出现沉积的反应温度点进行了计算，在计算结果的指导下，对三个化学反应过程为气固相反应的生产工艺进行了计算研究。
本文的主要研究内容、采用的方法及取得的结果结论如下：
1、建立了求得固相组分开始出现沉积的反应温度点的模拟计算方法首先确定反应体系的进料组成、压力和一组温度，利用Gibbs自由能最小法计算不同温度下的气相反应平衡组成和分压，然后绘制固相组分分压与温度的关系曲线，同时也绘制固相组分的饱和蒸汽压曲线，两条曲线的交点就是此固相组分开始出现沉积的反应温度点。
2、多晶硅生产工艺的优化选取硅烷裂解反应系统，采用Gibbs自由能最小法，在不同温度、压力下对反应体系的化学反应过程进行了模拟分析，得出了体系的平衡规律；同时以工业提供的数据为参考，以降低原料消耗和节约能源为目标，对SiHCl3还原生产多晶硅系统进行了模拟计算和优化设计，提出了合理的生产工艺。计算得出的结论为：硅烷裂解生产多晶硅体系的适宜操作条件为1600K～2000K、进料压力为0.2atm；SiHCl3的转化率与反应温度和进料比H2/SiHCl3成正比，与压力成反比，适宜操作条件为：0.01～0.2atm，1800K，H2/SiHCl3≥10:1，SiHCl3的一次通过转化率约为20％。
3、石墨提纯工艺的计算与实验选取实际运用较广泛的氯化焙烧法，采用Gibbs自由能最小法，在不同温度、压力和进料配比下对反应过程进行了模拟计算，掌握了体系的平衡规律，并且得出了高温通氯提纯石墨的优化条件；在此基础上，提出了高温通四氯化碳提纯石墨的新工艺并对新的提纯工艺的反应平衡体系进行了模拟计算，得出了石墨提纯工艺的平衡规律。
参照模拟计算的结果，分别以氯气和四氯化碳为原料气，进行石墨提纯工艺的实验，通过实验证明了四氯化碳提纯石墨的新工艺的可行性；用实验结果和模拟计算结果进行比较，证明了计算结果的可靠性。计算得出的结论为：高温氯化提纯的适宜操作温度为2000K～2200K，提纯物质的进料比为Cl2/impurity≥10:1。工业上石墨提纯的效率约为80％，主要杂质提纯的难易程度由易到难依次为：SiO2>Fe2O3>Al2O3。
4、氮化硅生产工艺的优化采用Gibbs自由能最小法，在不同温度、压力和进料配比下对四氯化硅与氨气的反应体系的化学反应过程进行了模拟分析，得出了氮化硅生产工艺的适宜操作条件：0.01～0.2atm，1200K～1600K，NH3/SiCl4≥10:1；此条件下四氯化硅的理论转化率超过90％。
气固相反应;Gibbs;自由能最小法
中国海洋大学
硕士
化学工程
胡仰栋
2009
中文
TQ021.8
53
2009-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）