Изчисляване на скоростта на изпарение. Какво е изпарение и как се случва? Комуникация с човек

В съвременното производство често се използват устройства с отворена изпарителна повърхност, включително вани за боядисване чрез потапяне, вани за импрегниране на тъкани, хартия със смоли, вани за измиване и обезмасляване на части с разтворители, открита изпарителна повърхност в случай на авариен разлив на запалими течности, GZH.

Тези устройства са най-опасни, т.к. дори при нормална работа, голямо количество изпарения от горими вещества може да навлезе във въздушното пространство на производственото помещение.

Горимата концентрация на смес от пари с въздух над повърхността на такъв апарат се образува, ако температурата на течността T над точката на възпламеняване на неговите пари:

T≥T vsp

За практическото използване на това условие, числената стойност T определени съгласно проекта или технологичния регламент, T vsp определени в ръководството.

Количеството течност, изпаряващо се от свободна повърхност, зависи от физичните свойства на тази течност, температурните условия, площта и времето на изпаряване, както и подвижността на въздуха.

Правете разлика между изпарение в неподвижна и движеща се среда.

Движещата сила на процеса в случай на изпарение V неподвижната среда ще бъде молекулярна дифузия.

Когато изпаренията се изпарят в неподвижна среда, е трудно да се разпръснат в производственото помещение. От практически интерес е законът за промяна на концентрацията на парите по височина над повърхността на изпаряващата се течност, възможните размери на експлозивната зона, количеството на изпаряващата се течност.

Основният закон на статичното изпарение, открит от Далтън, гласи, че количеството пари на изпарената течност за единица време е пропорционално на площта на огледалото за изпаряване, коефициента на дифузия д и разликата в налягането на наситената пара Р с течност при дадена температура и налягане на парите във въздуха Р ж .

Съотношението на налягането на парите на течност във въздуха в даден момент към максималното налягане на наситените пари при дадена температура се нарича степен на насищане. φ , т.е.

φ= P ж / Р с илиР ж = φ Р с

При решаване на практически задачи обикновено се определя скоростта на изпарение и след това количеството изпарена течност.

За практически изчисления също е важно да се знае стойността на средната концентрация на горими пари в зоната пара-въздух.

Скоростта на изпаряване се отнася до количеството пара в течност. V изпаряване от свободната повърхност за 1 секунда.

Скоростта на изпарение зависи от формата на съда, в който се намира течността, и от височината на течността.

Изпарението в подвижната среда ще се определя от законите на масовия трансфер .

Емпиричните зависимости се използват в практиката за изчисляване на количеството изпарени пари в движещата се среда.

Интензивността на изпарение в движещата се среда се определя от зависимостта:

Където: - интензивност на изпарение в движещата се среда, kg s -1 ;

- скорост на движение на въздуха над повърхността на изпарение, m s -1 ;

- налягане на наситена пара при проектната температура на течността, Pa;

- моларна маса, kg kmol -1;

- площ на изпарение, m 2.

1. Изходни данни.

1.1. Стая за съхранение на ацетон. В помещението се съхраняват десет варела ацетон, всеки с обем V a \u003d 80 l \u003d 0,08 m 3. Размерите на помещението L´S´H = 12´6´6 м. Обемът на помещението V P = 432 m 3. Свободният обем на помещението V sv \u003d 0,8 × 432 \u003d 345,6 m 3. Площ на стаята F = 72 m 2.

1.2. Моларната маса на ацетона е M = 58,08 kg∙kmol - 1. Константи на уравнението на Антоан: A= 6.37551; В = 1281.721; С А = 237.088. Химическата формула на ацетона е C 3 H 6 O. Плътността на ацетона (течност) r w \u003d 790,8 kg × m - 3. Точката на възпламеняване на ацетона t flash \u003d -18 0 C.

При определяне на свръхналягането на експлозията, разхерметизирането на един варел и разливането на ацетон на пода на помещението се приемат като изчислена версия на аварията, въз основа на изчислението, че 1 литър ацетон се разлива на 1 m 2 от пода на стаята. Проектната температура се приема като абсолютна температура на въздуха в съответствие със SNiP 2.01.01-82 в района (Мурманск) t p = 32 0 С.

3. Определянето на параметрите на опасността от експлозия и пожар се извършва с помощта на и "Наръчници".

3.1. Съгласно формула (A.2) се определя стойността на плътността на парите на ацетона при проектната температура t p = 32 0 C kg×m - 3.

3.2. Съгласно "Ръководството" се определя стойността на налягането на наситени пари на ацетон P H = 40,95 kPa (lgP H = 6,37551 - = 1,612306, откъдето изчислената стойност на P H = 40,95 kPa).

3.3. Съгласно формула (A.13) определяме стойността на интензитета на изпаряване на ацетон W = 10 - 6 × × 40,95 = 3,1208 × 10 - 4 kg × m - 2. s - 1 .

4. Приблизителната площ на разливане на съдържанието на един барел ацетон е:

F и \u003d 1,0 × V a = 1,0 × 80 = 80 m 2.

Тъй като площта на помещението F = 72 m 2 е по-малка от изчислената площ на разлива на ацетон F I = 80 m 2, тогава накрая приемаме F I = F = 72 m 2.

5. Масата на ацетонови пари m, които са влезли в помещението, се изчислява по формулата (A.12):

m \u003d 3,1208 × 10 - 4 × 72 × 3600 = 80,891 kg.

В този случай само масата на ацетона, излят от цевта, ще се изпари и m = m P = V a ∙ r f = 0,08 ∙ 790,8 = 63,264 kg.

6. Излишното налягане на експлозията DP съгласно формулата (20) "Ползи" ще бъде равно на:

DP = 959,3 × = 75,7 kPa.

8. Изчисленото свръхналягане на експлозията надвишава 5 kPa, следователно помещението за съхранение на ацетон принадлежи към категория А.

1. Изходни данни.

1.1. Стаята на междинния резервоар за гориво на резервната дизелова електроцентрала с унифицирано оформление. Помещението съдържа резервоар за гориво с дизелово гориво клас "Z" (GOST 305-82) с обем V a = 6,3 m 3 . Размерите на помещението L´S´H = 4,0´4,0´3,6 м. Обемът на помещението V P = 57,6 m 3. Свободният обем на помещението V CB \u003d 0,8 × 57,6 \u003d 46,08 m 3. Площ на помещението F = 16 m 3. Общата дължина на тръбопроводите с диаметър d 1 = 57 mm = 0,057 m (r 1 = 0,0285 m), ограничена от клапани (ръчни), монтирани на входните и изходните секции на тръбопроводите, е L 1 = 10 m. разход на гориво в тръбопроводи q = 1,5 l × s - 1 \u003d 0,0015 m 3 × s - 1.

1.2. Моларната маса на дизеловото гориво клас "Z" M = 172,3 kg∙kmol - 1. Брутната формула е C 12.343 H 12.889. Плътността на течността при температура t = 25 0 С r f = 804 kg∙m - 3. Константи на уравнението на Антоан: A = 5.07828; В = 1255.73; C A \u003d 199,523. Точка на запалване t flash > 40 0 ​​​​C. Топлина на изгаряне H T = = 4,359∙10 7 J∙kg - 1 = 43,59 MJ∙kg - 1. Долна граница на концентрация на разпространение на пламъка C LEL = 0,6% (об.).

2. Обосновка на изчислената версия на аварията.

При определяне на свръхналягането на експлозията като изчислен вариант на аварията се приема разхерметизирането на резервоара за гориво и изхода от него и входните и изходящите тръбопроводи на дизелово гориво в обема на помещението. За проектна температура се приема максималната абсолютна температура на въздуха съгласно SNiP 2.01.01-82 в района (Благовещенск) t p = 41 0 C. Плътност на парите на дизеловото гориво при t p = 41 0 C kg∙m - 3 . Очакваното време за изключване на тръбопроводите съгласно точка A.1.2 T a = 300 s, продължителността на изпарението съгласно точка A.1.2 f) T = 3600 s.

3. Обемът V l и площта на разлива F I на дизеловото гориво, получено по време на проектната авария, се определят в съответствие с разпоредбите на точка A.1.2:

V добре \u003d V a + q × T a + p × r 1 2 × L 1 = 6,3 + 0,0015 × 300 + 3,14 × 0,0285 2 × 10 = 6,776 m 3 = 6776 l,

F и \u003d 1,0 × 6776 \u003d 6776 m 2.

Тъй като площта на помещението F = 16 m 2 е по-малка от изчислената площ на разлива на дизелово гориво Fi = 6776 m 2, накрая приемаме F I = F = 16 m 2.

4. Определете налягането Р n на наситените пари на дизеловото гориво при проектната температура t р = 41 0 С:

lgPH = 5.07828 - ,

pH = 0,72 kPa.

5. Скоростта на изпарение W на дизеловото гориво ще бъде:

W \u003d 10 - 6 × 1,0 × × 0,72 = 9,45 × 10 - 6 kg × m - 2 × s - 1.

6. Масата на парите на дизеловото гориво m, влезли в помещението, ще бъде равна на:

m \u003d 9,45 × 10 - 6 × 16 ∙ 3600 = 0,5443 kg.

7. Определянето на коефициента Z на участието на парите на дизеловото гориво в експлозията се извършва в съответствие с Приложение D.

7.1. Средната концентрация Cav на пари от дизелово гориво в помещението ще бъде:

C SR = = 0.18% (об.).

C SR = 0,18% (об.)<0,5×С НКПР = 0,5 × 0,6 = 0,3% (об.), следовательно, можно определить значение коэффициента Z участия паров дизельного топлива во взрыве расчетным методом.

CH = 100 × = 0.71% (об.).

7.3. Стойността на стехиометричната концентрация C ST на пари от дизелово гориво съгласно формула (A.3), базирана на химическата брутна формула на дизеловото гориво, ще бъде:

b = 12,343 + = 18,32,

CCT = = 1,12% (об.).

7.4. Стойността на параметъра C* ще бъде равна на:

С* = 1,19 × 1,12 = 2,13% (об.).

7.5. Тъй като C H \u003d 0,71%< С* = 2,13% (об.), то рассчитываем значение параметра Х:

7.6. Съгласно номограмата на фигура D.1 (p.D.4) от Приложение D, при стойност X = 0,33, определяме стойността на коефициента на участие на парите на дизеловото гориво в експлозията Z = 0.

8. Наднорменото налягане на експлозия DP съгласно формула (A.2.1) ще бъде:

DP = (900-101) × = 0 kPa.

9. Очакваното свръхналягане на експлозията не надвишава 5 kPa. Стаята на междинния резервоар за гориво на резервната дизелова електроцентрала с унифицирано оформление не принадлежи към категории A или B. Съгласно точка 5.2 и таблица 1 ще проверим дали помещението принадлежи към категории B1-B4.

10. В съответствие с параграф B.2 определяме пожарното натоварване Q и специфичното пожарно натоварване g:

G \u003d V f × r f \u003d 6,776 × 804 \u003d 5448 kg,

Q = G × = 5448 × 43,59 = 237478 MJ,

S \u003d F \u003d 16 m 2,

g \u003d MJ × m - 2.

11. Специфично пожарно натоварване над 2200 MJ × m - 2 . Помещението на междинния резервоар за гориво на резервна дизелова електроцентрала с унифицирано оформление съгласно таблица B.1 принадлежи към категория B1.

1.1. Изходни данни.

1.1. Помещение за сушилно-импрегниращ цех на електромашинен цех. В помещението има два резервоара за лакиране на полюсни бобини BT-99 чрез потапяне с входящи и изходящи тръбопроводи. Размерите на помещението са L´S´H = 32´10´8 м. Обемът на помещението е V p = 2560 m 3 . Свободният обем на помещението V CB \u003d 0,8 × 2560 \u003d 2048 m 3. Площ на помещението F = 320 m 2. Обемът на всеки резервоар V ap \u003d 0,5 m 3. Степента на запълване на резервоара с лак e = 0,9. Обемът на лака в резервоара V a \u003d e × V an \u003d 0,9 × 0,5 \u003d 0,45 m 3. Дължината и диаметърът на захранващия (напорен) тръбопровод между резервоара и помпата L 1 = 10 m и d 1 = 25 mm = 0,025 m, съответно. Дължината и диаметърът на изпускателния тръбопровод между клапана и резервоара L 2 \u003d 10 m и d 2 = 40 mm \u003d 0,04 m, съответно. Производителност на помпата q \u003d 6,5 ∙ 10 - 5 m 3 × s - 1. Време на изключване на помпата T a = 300 s. Всеки резервоар се зарежда и разтоварва последователно по 10 бр. полюсни намотки, поставени в кошницата. Отворено изпарително огледало на всеки резервоар F cap = 1,54 m 2 . Обща повърхност 10 бр. прясно боядисани полюсни бобини F sv.okr \u003d 6,28 m 2.

1.2. Лакът BT-99 (GOST 8017-74) съдържа 46% (тегл.) Ксилол и 2% (тегл.) Уайт спирт като разтворители. Общата маса на разтворителите съдържа j 1 =95,83% (тегл.) ксилен и j 2 = 4,17% (тегл.) уайт спирт. Плътност на лак BT-99 r w = 953 kg × m - 3. Моларна маса на ксилол M=106,17 kg × kmol - 1, уайт спирт M=147,3 kg × kmol - 1. Химическата формула на ксилен C 8 H 10, бял спирт C 10.5 H 21.0. Плътност на ксиленовата течност r f = 855 kg × m - 3, бял спирт r f = 760 kg × m - 3. Точката на възпламеняване на ксилол t flash \u003d 29 0 С, уайт спирт t flash \u003d 33 0 С. .). Топлината на изгаряне на ксилол H T = Q = 43154 kJ × kg - 1 = 43,15 MJ × kg - 1, бял спирт H T = = 43966 kJ × kg - 1 = 43,97 MJ × kg - 1. Константи на уравнението на Антоан за ксилол A=6.17972; В=1478.16; СА = 220.535; за уайт спирт А=7.13623; В=2218.3; C A \u003d 273,15.

2. Обосновка на изчислената версия на аварията.

При определяне на свръхналягането на експлозията, разхерметизирането на един резервоар с лак за покриване на полюсните бобини по метода на потапяне и изтичането на лак от напорния и изпускателния тръбопровод при работеща помпа, последвано от разливане на лак върху пода на стая, се приемат като изчислен сценарий на авария. Изпарението на ксилен и уайт спирт става от повърхността на разлятия лак, както и от откритата повърхност на втория резервоар и от повърхността на разтоварените лакирани полюсни бобини (10 бр.). За проектна температура се приема максималната абсолютна температура на въздуха в съответствие със SNiP 2.01.01-82 в дадения район (Москва) t p = 37 0 C. Плътност на парите при t p = 37 0 C:

ксилен kg × m - 3,

бял спирт kg × m - 3.

Очаквано време за спиране на тръбопроводите и помпата съгласно точка A.1.2 c) T a = 300 s, продължителност на изпарението съгласно точка A.1.2 f) T = 3600 s.

3. Обемът V l, площта на разливане F p на лака, влизащ в помещението по време на проектната авария, и площта на изпарение F I се определят в съответствие с разпоредбите на точка A.1.2:

V f \u003d V a + q × T a + \u003d 0,45 + 6,5 × 10 - 5 × 300 + 0,785 × (0,025 2 × 10 +

0,04 2 × 10) = 0,487 m 3 = 487 l,

F p \u003d 0,5 × 487 \u003d 243,5 m 2,

F I \u003d F R + F капачка + F St. env \u003d 243,5 + 1,54 + 6,28 \u003d 251,3 m 2.

4. Определяме налягането P H на наситени пари на ксилен и бял спирт при изчислената температура t p = 37 0 С:

За ксилен:

lgP H = 6,17972 -

P H \u003d 2,755 kPa,

За бял спирт:

lgP H = 7,13623 -

PH = 0,964 kPa.

5. Скоростта на изпаряване W на разтворителя ще бъде:

За ксилен:

W \u003d 10 - 6 × 1,0 × × 2,755 = 2,8387 × 10 - 5 kg × m - 2 × s - 1,

Според белия спирт:

W \u003d 10 - 6 × 1,0 × × 0,964 = 1,1700 × 10 - 5 kg × m - 2 × s - 1.

6. В съответствие с разпоредбите на параграфи 4.3 и A.1.1, ние определяме масата на парите m според най-опасния компонент ксилол, който е влязъл в помещението:

m \u003d 2,8387 × 10 - 5 × 251,3 × 3600 = 25,6812 kg.

7. Определянето на коефициента Z на участие на парите на разтворителя в експлозията се извършва в съответствие с Приложение D, като се вземат стойностите на проектните параметри за ксилен или бял спирт, най-опасните по отношение на последствията от експлозия.

7.1. Средната концентрация Сav на парите на разтворителя в помещението ще бъде:

C SR = = 0.30% (об.).

C CP = 0,30% (об.)< 0,5 × Снкпр = 0,5 × 0,7 = 0,35% (об.), следовательно, можно определить значение коэффициента Z участия паров растворителя во взрыве расчетным методом.

7.2. Стойността на C H ще бъде равна на:

CH = 100 × = 2.73% (об.).

7.3. Стойността от 0 ще бъде равна на:

C 0 \u003d 2,73 × \u003d 1,105% (об.).

7.4. Разстоянията X NKPR, Y NKPR, Z NKPR ще бъдат:

X NKPR \u003d 1,1958 × 32 × = 31,55 m,

При NKPR = 1,1958 × 10 × = 9,86 m,

Z LEL = 0,04714 × 8 × = 0,31 m.

7.5. Коефициентът Z на участие на парите на разтворителя в експлозията съгласно формулата (D.2) от допълнение D ще бъде:

8. Стойността на стехиометричната концентрация C CT съгласно формула (A.3) ще бъде:

За ксилен:

CCT = = 1,93% (об.),

За бял спирт:

CCT = = 1,29% (об.).

9. Излишното налягане на експлозия DP съгласно формула (A.1) ще бъде:

DP = (900 - 101) × kPa.

10. Изчисленото свръхналягане на експлозията надвишава 5 kPa, следователно помещението на цеха за сушене и импрегниране на електромашинния цех принадлежи към категория Б.

11. Изчисляване на свръхналягането на експлозията DP в помещението на отдела за сушене и импрегниране на цеха за електрически машини, като се вземе предвид работата на аварийна вентилация или постоянно работеща обща вентилация, която отговаря на изискванията на точка A.2.3. Разглежда се случаят, когато дебитът на аварийната вентилация е А=6 h - 1 .

11.1. При множественост на обмена на въздух, създадена от аварийна вентилация, равна на A \u003d 6 h - 1 \u003d 1,6667 × 10 - 3 s - 1, съгласно точка 3.4 от "Ръководството", скоростта на въздуха в помещението ще бъде:

U = A × L = 1,6667 × 10 - 3 × 32 = 0,05 m × s - 1.

11.2. Скоростта на изпаряване W на разтворителя (по отношение на ксилен) при скорост на въздушния поток в помещението U = 0,05 m × s - 1 (с определен запас, коефициентът h = 1,6 в съответствие с таблица A.2) ще бъде равна на:

W \u003d 10 - 6 × 1,6 × × 2,755 = 4,5420 × 10 - 5 kg × m - 2 × s - 1.

11.3. Масата на парите на разтворителя, влизащи в помещението (чрез ксилол) m и ще бъде:

m и \u003d 4,5420 × 10 - 5 × 251,3 × 3600 = 41,0906 кг.

11.4. Масата на парите на разтворителя в помещението m, като се вземе предвид работата на аварийна вентилация или постоянно работеща обща вентилация, която отговаря на изискванията на точка A.2.3, ще бъде равна на:

11.5. Средната концентрация C SR на парите на разтворителя в помещението ще бъде:

С SR = (об.).

C CP = 0,07% (об.)< 0,5 × С НКПР = 0,5 × 0,7 = 0,35% (об.), следовательно, можно определить значение коэффициента Z участия паров растворителя во взрыве расчетным методом.

11.6. Стойността от 0 ще бъде равна на:

0,502% (об.).

11.7. Разстоянията X NKPR, Y NKPR, Z NKPR ще бъдат:

X LEL = 1,1958 × 32 × = 0 m,

При NKPR = 1,1958 × 10 × = 0 m,

Z LEL = 0,3536 × 8 × = 0 m.

X LEL, Y LEL, Z LEL съгласно Приложение E се приемат равни на 0, тъй като логаритмите на факторите на параметрите, посочени във формулите, дават отрицателни стойности. Следователно, въз основа на формула E.1 от допълнение E, коефициентът Z на участие на парите на разтворителя също е равен на Z=0. Замествайки във формулата (А.2.1) стойността на коефициента Z=0, получаваме свръхналягането на експлозията DP=0 kPa.

11.8. Изчисленото свръхналягане на експлозията не надвишава 5 kPa, следователно помещението на отдела за сушене и импрегниране на електромашинния цех, когато е оборудвано с аварийна вентилация или постоянно работеща обща вентилация, която отговаря на изискванията на точка A.2.3, с скорост на обмен на въздух от A = 6 h - 1, не принадлежи към категории A или B. Съгласно точка 5.2 и таблица 1 ще проверим дали помещенията принадлежат към категории B1-B4.

11.9. В съответствие с параграф B.2 определяме пожарното натоварване Q и специфичното пожарно натоварване g:

G \u003d 2 × V a × r w = 2 × 0,45 × 855 = 769,5 kg,

Q \u003d G × \u003d 769,5 × 43,97 \u003d 33835 MJ,

S \u003d 2 × F cap = 1,54 × 2 = 3,08 m 2 (съгласно параграф B.2, ние приемаме S = 10 m 2),

g \u003d Mj × m - 2.

11.10. Специфичното пожарно натоварване е повече от 2200 MJ × m - 2 . Помещението на отдела за сушене и импрегниране на цеха за електрически машини, когато е оборудвано с аварийна вентилация или постоянно работеща обща вентилация, която отговаря на изискванията на точка A.2.3, със скорост на обмен на въздух A \u003d 6 h - 1 съгласно таблица B.1, принадлежи към категория B1.

Слънчевата енергия задвижва невероятно силен топлинен двигател, който, преодолявайки гравитацията, лесно издига огромен куб (всяка страна е около осемдесет километра) във въздуха. Така за една година от повърхността на нашата планета се изпарява слой вода с дебелина метър.

По време на изпаряване течното вещество постепенно преминава в парообразно или газообразно състояние, след като най-малките частици (молекули или атоми), движещи се със скорост, достатъчна за преодоляване на кохезионните сили между частиците, се откъсват от повърхността.

Въпреки факта, че процесът на изпаряване е по-известен като преход на течно вещество към пара, има сухо изпарение, когато при минусови температури ледът преминава от твърдо състояние в състояние на пара, заобикаляйки течната фаза. Например, ако изпраното влажно бельо се окачи да съхне на студено, то става много твърдо, когато замръзне, но след известно време, омеквайки, става сухо.

Как течността изтича

Молекулите на течността са разположени почти близо една до друга и въпреки факта, че са свързани помежду си чрез сили на привличане, те не са прикрепени към определени точки и следователно се движат свободно по цялата площ на вещество (постоянно се сблъскват едно с друго и променят скоростта си).

Частиците, които отиват на повърхността, набират скорост по време на движението си, достатъчна, за да напуснат веществото. Веднъж на върха, те не спират движението си и, преодолявайки привличането на долните частици, излитат от водата, превръщайки се в пара. В този случай част от молекулите поради хаотично движение се връщат в течността, останалите отиват по-далеч в атмосферата.

Изпарението не свършва дотук и следващите молекули излизат на повърхността (това се случва, докато течността се изпари напълно).

Ако говорим например за водния цикъл в природата, може да се наблюдава процесът на кондензация, когато парата, след като се концентрира, се връща обратно при определени условия. По този начин изпарението и кондензацията в природата са тясно свързани, тъй като благодарение на тях се извършва постоянен обмен на вода между земята, земята и атмосферата, поради което околната среда се снабдява с огромно количество полезни вещества.

Струва си да се отбележи, че интензитетът на изпарение за всяко вещество е различен и следователно основните физични характеристики, които влияят на скоростта на изпарение, са:

1. Плътност. Колкото по-плътно е веществото, толкова по-близо са молекулите една спрямо друга, толкова по-трудно е за горните частици да преодолеят силата на привличане на други атоми, следователно изпаряването на течността е по-бавно. Например, метиловият алкохол се изпарява много по-бързо от водата (метилов алкохол - 0,79 g / cm3, вода - 0,99 g / cm3).
2. температура. Скоростта на изпарение също се влияе от топлината на изпарение. Въпреки факта, че процесът на изпаряване протича дори при минусови температури, колкото по-висока е температурата на веществото, толкова по-висока е топлината на изпарение, което означава, че колкото по-бързо се движат частиците, които, увеличавайки интензивността на изпарението, напускат течността масово (следователно врящата вода се изпарява по-бързо от студената вода). поради загубата на бързи молекули вътрешната енергия на течността намалява и следователно температурата на веществото намалява по време на изпаряване. Ако течността в този момент е близо до източник на топлина или директно се нагрява, нейната температура няма да се понижи, точно както няма да намалее скоростта на изпарение.
3. площ. Колкото по-голяма повърхност заема течността, толкова повече молекули излизат от нея, толкова по-висока е скоростта на изпарение. Например, ако налеете вода в кана с тясно гърло, течността ще изчезне много бавно, тъй като изпарените частици ще започнат да се утаяват по стеснените стени и да се спускат надолу. В същото време, ако налеете вода в купа, молекулите ще напуснат свободно повърхността на течността, тъй като няма да има върху какво да кондензират, за да се върнат във водата.
4. Вятър. Процесът на изпаряване ще бъде много по-бърз, ако въздухът се движи над контейнера, в който се намира водата. Колкото по-бързо прави това, толкова по-бърза е скоростта на изпаряване. Невъзможно е да не се вземе предвид взаимодействието на вятъра с изпарението и кондензацията.Водните молекули, издигайки се от повърхността на океана, частично се връщат обратно, но повечето от тях се кондензират високо в небето и образуват облаци, които вятърът дестилира на сушата, където капките падат под формата на дъжд и, прониквайки в земята, след известно време се връщат в океана, доставяйки растителността, растяща в почвата, с влага и разтворени минерали.

Роля в живота на растенията

Значението на изпарението в живота на растителността не може да бъде надценено, особено като се има предвид, че живото растение е осемдесет процента вода. Следователно, ако растението няма влага, то може да умре, тъй като заедно с водата няма да получи хранителните вещества и микроелементите, необходими за живота.

Водата, движейки се през тялото на растението, пренася и образува вътре в него органични вещества, за образуването на които растението се нуждае от слънчева светлина.

И тук важна роля играе изпарението, тъй като слънчевите лъчи имат способността да нагряват обекти изключително силно и следователно могат да причинят смъртта на растението от прегряване (особено в горещите летни дни). За да се избегне това, водата се изпарява от листата, през които по това време се отделя много течност (например от една до четири чаши вода се изпарява от царевица на ден).

Това означава, че колкото повече вода постъпва в тялото на растението, толкова по-интензивно е изпарението на водата от листата, растението ще се охлажда повече и ще расте нормално. Изпаряването на водата от растенията може да се усети, ако докоснете зелените листа, докато се разхождате в горещ ден: те определено ще се окажат хладни.

Комуникация с човек

Не по-малко важна е ролята на изпарението в живота на човешкото тяло: то се бори с топлината чрез изпотяване. Изпарението става обикновено през кожата, а също и през дихателните пътища. Това може лесно да се види по време на заболяване, когато телесната температура се повишава или по време на спорт, когато интензивността на изпарението се увеличава.

Ако натоварването е малко, от един до два литра течност на час напуска тялото, при по-интензивни спортове, особено когато температурата на околната среда надвишава 25 градуса, скоростта на изпарение се увеличава и три до шест литра течност могат да излязат с потта.

През кожата и дихателните пътища водата не само напуска тялото, но и навлиза в него заедно с изпаренията от околната среда (не напразно лекарите често предписват морски почивки на своите пациенти). За съжаление, заедно с полезни елементи, в него често попадат вредни частици, сред които химикали, вредни изпарения, които причиняват непоправима вреда на здравето.

Някои от тях са токсични, други причиняват алергии, трети са канцерогенни, трети причиняват рак и други също толкова опасни заболявания, докато много от тях имат няколко вредни свойства наведнъж. Вредните изпарения навлизат в тялото главно през дихателните органи и кожата, след което, попаднали в тях, моментално се абсорбират в кръвта и се разпространяват в тялото, причинявайки токсични ефекти и причинявайки сериозни заболявания.

В този случай много зависи от района, в който човек живее (в близост до фабрика или завод), помещенията, в които живее или работи, както и времето, прекарано в условия, опасни за здравето.

Вредните изпарения могат да попаднат в тялото от предмети от бита, като линолеум, мебели, прозорци и др.За да спасите живота и здравето си, препоръчително е да избягвате подобни ситуации и най-добрият изход би бил да напуснете опасната територия, до размяната на апартамент или работа, а когато подреждате дом, обърнете внимание на сертификатите за качество от закупените материали.

Катедра ЕТТ. Дисциплина "Основи на технологията на електронната компонентна база"

Лабораторна работа № 1. Характеристики на прилагане на филми

С термично вакуумно изпарение

Цел на работата: запознаване с особеностите на генерирането и разпространението на поток от молекули във вакуум и с разпределението на дебелината на филма върху повърхността на субстрат с голяма площ по време на термично вакуумно изпаряване.

Основни понятия и връзки

При термично вакуумно изпаряване се генерира поток от атоми или молекули на вещество, когато материалът се нагрее във вакуум до температура, близка до или над неговата точка на топене.

Изпарение от повърхността на течната фазанай-често използвани в техниката. Предложени са няколко модела за обяснение на механизма на процеса. В най-простия от тях течната фаза (разтопен материал) се разглежда като система от осцилатори, чиито повърхностни молекули са свързани с определена енергия на изпарение. Предполага се, че преминаването към газообразна фаза става, когато енергията на вибрациите на молекулите на повърхността е равна или надвишава енергията на изпарение. Предполага се също, че всички повърхностни молекули имат еднаква енергия на свързване и еднаква вероятност за изпаряване. Благодарение на интерференцията на трептенията на осцилаторите става възможно изпаряването на отделни молекули.

В подобрения статистически модел състоянието на молекулите на повърхността се описва чрез енергийно разпределение на Максуел и пространствено разпределение, което свързва изместването на молекулите от равновесно положение с тяхната потенциална енергия. Изпаряването на молекула става, когато тя се измести на такова разстояние, че нейната потенциална енергия става равна на енергията на изпарението.

Експерименталните изследвания показват, че статистическият модел е доста добре приложим за течности, чието изпаряване се дължи на обмена на единични атоми с моноатомни пари (живак, калий, берилий и редица други метали). Някои органични течности се държат по подобен начин, чиито молекули имат сферична симетрия и ниска ентропия на изпарение (например въглероден тетрахлорид - CCl 4).

При вещества, чиито молекули имат различни степени на свобода в кондензирано и газообразно състояние, по време на изпаряване трябва да има промяна не само в транслационното движение, но и във вътрешната енергия на молекулите. В същото време е статистически малко вероятно една молекула на повърхността да получи в един и същи момент както кинетичната, така и потенциалната енергия, необходими за изпаряване при термодинамично равновесие. По-вероятно е молекулата първо да получи необходимата кинетична енергия, а след това трябва, преди момента на изпаряване, да получи квант вътрешна енергия.

Смята се, че сред различните видове вътрешна енергия на молекулите най-голямо влияние върху вероятността от изпаряване оказва енергията на въртене. Това се потвърждава от факта, че времето за релаксация, необходимо на молекула с добавена кинетична енергия, за да получи ротационна степен на свобода, е по-дълго, отколкото при други процеси. По този начин изпарението е ограничено поради загубата на една степен на свобода, което намалява броя на възможните състояния за молекулите в течната фаза. Тази форма на ограничение на фазовия преход се нарича ограничение на ентропията.

Ентропийно ограниченото изпарение е потвърдено за течности с малки полярни молекули, които се изпаряват от ненарушени повърхности (бензин, хлороформ, етанол, метанол и др.). Някои органични течности имат ротационна степен на свобода и са в активирано състояние.

По време на изпаряването на металите основният тип частици в газовата фаза са единични метални атоми и само малка част (по-малко от 0,1%) са двуатомни молекули. За някои елементи (C, S, Se, Te, P, As, Sb) двойките се състоят от многоатомни молекули.

Изпарение от повърхността на твърдата фаза, наречена сублимация, се обяснява с наличието върху повърхността на материала на моноатомни стъпала и състояния с различен брой атоми в първия и следващите слоеве. Тъй като силите на свързване, действащи върху даден атом от съседни атоми, са адитивни (те се сумират), стойностите на енергията на изпарение за атомите в различни състояния ще бъдат различни. Преди всичко се изпаряват атомите с най-малък брой връзки (съседи), което създава благоприятни условия за изпаряване на други атоми.

При изпаряване на материали със сложен състав е необходимо да се вземе предвид фракционирането на веществото и възможността за дисоциация. Много е важно да се вземат предвид характеристиките на взаимодействието на изпарения материал с материала на изпарителя.

Преминаването на частици от веществото от изпарителякъм повърхността на субстрата се придружава от техните сблъсъци един с друг и с молекули на остатъчни газове. За да се намали това взаимодействие, изпарението се извършва при налягане на наситените пари на веществото не повече от 10 -2 Torr, а на остатъчните газове - не повече от 10 -4 - 10 -5 Torr.

Кондензация на атоми(молекули) на веществото става след преминаването на материала към повърхността на субстрата. Зависи от съотношението на свободните енергии на потока частици и повърхността. Режимът на растеж на филм слой по слой (режимът на Франк-Ван дер Мерве) се реализира, ако енергията на свързване на атомите на отложеното вещество със субстрата е по-голяма от енергията на свързване на атомите един с друг.

Островният режим на Волмер-Вебер се осъществява, когато атомите на веществото са свързани помежду си по-силно, отколкото със субстрата. Малките ядра растат, превръщайки се в големи острови на кондензираната фаза. След като запълнят празнините (каналите) между островите, те се сливат и образуват непрекъснат филм.

В междинния режим на Странски-Кръстанов първо се получава послойно израстване на един или два монослоя. Тогава започва растежът на острови по повърхността им. Когато островите са с достатъчен размер, те се сливат, за да образуват непрекъснат филм. Една от причините за това поведение е промяната в параметъра на решетката по време на запълването на следващия монослой.

Изчисляване на скоростта на изпарение

Маса на изпареното веществопопадащи върху елементарна сферична област от изпарител с малка площ, се определя от следната връзка:

, (1)

къде е времето на изпаряване; е ъгълът между нормалата към повърхността на изпарителя и посоката към избраната точка на субстрата; е радиусът на сферата, върху която е разположена елементарната сферична област с измереното количество вещество.

Скоростта на изпаряване на вещество във вакуум се изчислява по формулата:

, (2)

където е скоростта на изпарение, g cm–2 s–1; е атомното (молекулно) тегло на веществото, е налягането на неговите наситени пари, Torr; температура, К.

Налягането на наситените пари на дадено вещество в обема на изпарение се определя от съотношението:

, (3)

в които количествата и характеризират свойствата на изпарения материал. За всички материали от периодичната таблица = 8,8 (за Si - 10,2); =/4.576, K; е топлината на изпаряване, cal/mol. Стойностите, плътностите и точките на топене на редица метали са дадени в таблица 1.

За плосък субстрат, чиято повърхност е разположена произволно спрямо повърхността на плосък изпарител с крайни размери на малка площ, уравнение (1) се трансформира във формата:

, (4)

където е ъгълът между нормалата към повърхността на субстрата и посоката на изпарение.

маса 1

При практическото приложение на метода за отлагане на филми не е важно количеството изпарен материал, а дебелината на получените филми и разпределението му по повърхността на субстрата.

Изчисляване на дебелината на филма

Тези закономерности на разпределението на изпареното вещество водят до факта, че разпределението дебелина на филмана повърхността на субстрата може да бъде сложен. Тъй като за елементарна площ на субстрата количеството материал (където е плътността на изпарения материал), дебелината на филма за произволно разположен субстрат се определя от връзката:

(5)

В тази връзка позицията на точката на субстрата, при която се изчислява дебелината на филма, се определя от три величини.

За изпарител с плоска повърхностмалка площ и плоска подложка, разположена на разстояние, успоредно на повърхността на изпарителя (фиг. 1), дебелината на филма се определя от съотношението:

, (6)

Където ; е координатата по повърхността на субстрата (разстояние от

Фигура 1. Разположението на субстрата спрямо изпарителя

центъра на субстрата в точка Акъм основния въпрос б, в който се определя дебелината на филма); е нормализираната стойност на координатата; е общото количество на изпареното вещество.

Най-голямата дебелина на филма се получава в точката Асубстрат, а относителната промяна в дебелината на филма за различни точки на субстрата в този случай има формата:

, . (7)

Точков изпарителе сфера, чиито размери са пренебрежимо малки спрямо разстоянието до повърхността на субстрата и нейните размери. От такъв изпарител количество вещество се изпарява в елементарен плътен ъгъл . Ако филмът е нанесен върху произволно разположена плоска подложка, тогава, както следва от фигурата, основните зависимости за точков изпарител приемат следната форма:

; . (8)

Таблица 2 показва зависимостта на относителната дебелина от x/h за точков и повърхностен изпарител.

Таблица - Зависимост на равномерността на дебелината от x/h

х/ч		0,25	0,5	0,75
(d/d0)p		0,83	0,64	0,41	0,25	0,04
(d/d0)t		0,88	0,71	0,51	0,35	0,09

При стандартни размери на субстрата 60x48 мм при разстояние между изпарителя и субстрата 200 мм, неравномерността на дебелината на филма е около 10%. А в съвременните аналогово-цифрови преобразуватели изискванията за точност на резисторите (разпространение на съпротивлението) са не повече от 0,05%. За да се осигури желаната равномерност при нанасяне на филми върху субстрати с големи и малки размери, се използват различни методи:

Използване на изпарители с голяма площ,

Използване на пръстеновидни изпарители,

Използването на голям брой едновременно работещи изпарители,

Преместване на субстрати по сложна (планетарна) траектория,

Преместване на изпарителя на строго определено разстояние спрямо центъра на въртящия се субстрат,

Използването на специално оформени въртящи се диафрагми с фиксиран субстрат.

При прилагане плосък дисков изпарителкрайните размери на радиуса R, съответните изрази за дебелините приемат окончателния вид:

, . (9)

За пръстенов изпарителрадиус R, чийто център съвпада с центъра на плоската подложка, разположена успоредно на равнината на изпарителя, изразът за дебелината на филма приема следния вид:

. . (10)

Най-често в практиката вариантът с работен обем на изпарителяспрямо центъра на въртящия се субстрат. За този вариант с изпарител с малка площ съответните изрази имат формата, подобна на формулите за пръстеновидния изпарител. Разликата е, че вместо радиуса на тънкия пръстен R, формулата включва разстоянието лот изпарителя до оста на въртене на субстрата.

. . (11)

Използване въртящи се диафрагми (клапи)на специална форма се основава на допълнително регулиране на количеството материал, подаван от изпарителя към една или друга област на субстрата. Много е важно центърът на въртене на диафрагмата да съвпада с центъра на изпарителя и субстрата. За да се намали нежеланото намаляване на дебелината, потокът на изпареното вещество в най-външните точки на субстрата не се прекъсва. Когато се приближи геометричният център на субстрата, ръбът на затвора трябва да бъде дъга с нарастваща дължина, така че продължителността на прекъсването на потока на всяко дадено разстояние да гарантира, че скоростта на отлагане на дадено място намалява до скоростта на най-отдалечените точки. Контурите на щорите за хомогенно покритие са спирали, чиито точни линии за различни условия се получават чрез компютърно изчисление. Използването на въртящи се диафрагми позволява да се получи еднаквост на дебелината в рамките на части от процента. Недостатъкът на метода е прекомерният разход на материал, тъй като основната част от изпарения материал се припокрива и утаява върху повърхността на амортисьора.

Задача за работа

При домашно приготвянее необходимо за даден материал и дебелината на филма на изпарения материал да се определи температурата на повърхностния изпарител на малка площ, при която максималната дебелина на филма d 0 ще бъде равна на зададената. За изчисление се използват зависимости (2), (3), (7), таблични данни и опции на задачите.

При работа в лабораторияе необходимо да се получат следните зависимости в компютърен експеримент:

Абсолютно разпределение на дебелината d(x)за даден d 0 за повърхност с малка площ, диск, пръстеновиден и изместен от центъра на въртящите се субстратни изпарители. (За последните три вида изпарители първо е необходимо да се избере температура, която осигурява същата дебелина d 0 при x=0);

Относително отклонение на дебелината на филма на даден материал в зависимост от разстоянието хвърху повърхността на субстрата при даден d 0 за изследваните изпарители;

За даден d 0 и размер на субстрата 100x150 mm 2 изберете вида на изпарителя, всичките му характеристики (с изключение на F) и разстоянието h, които осигуряват еднаквост на дебелината на филма от най-малко 2%.

Забележка: Допълнителна информация, необходима за изчислението, е дадена в списъка "Опции на задачите".

Изисквания за отчет

Докладът се съставя индивидуално на листове А4. Когато се подготвяте у дома, е необходимо да проучите съдържанието на работата, да изчислите температурата за вашата версия на задачата и да въведете основните аналитични връзки и последователността на изчисление в изготвения доклад. Докладът, изготвен за защита, трябва да съдържа:

Теоретичната част и резултатите от изчислението (домашно обучение),

Скици на конфигурацията на изпарителната система,

Формули за изчисление,

Последователността на изчисленията и разпределението на абсолютната и относителната дебелина по диагоналите на основата,

Анализ на резултатите,

Отговори на контролни въпроси.

6. Въпроси за сигурност

Какво определя максималната възможна дебелина на филма по време на термично вакуумно изпаряване?

Какви връзки свързват дебелината на филма с температурата на изпарителя?

Как се изпаряват прахообразните материали?

Какви видове изпарители се използват за изпаряване на прахообразни материали?

Какво е сублимация?

Какви са изискванията за материалите на изпарителя?

При какви условия се получава слой по слой растеж на филма по време на изпаряване?

Как става изпарението от повърхността на твърдата фаза?