Главная » Кухня » Расчет скорости испарения. Что такое испарение и как оно происходит? Связь с человеком

Расчет скорости испарения. Что такое испарение и как оно происходит? Связь с человеком

В современном производстве довольно часто эксплуатируются аппараты с открытой поверхностью испарения, к ним относятся ванны для окраски окунанием, ванны для пропитки тканей, бумаги смолами, ванны для промывки и обезжиривания деталей растворителями, открытая поверхность испарения в случае аварийного разлива ЛВЖ, ГЖ.

Эти аппараты являются наиболее опасными, т.к. даже при их нормальной работе возможно поступление большого количества паров горючих веществ в воздушное пространство производственного помещения.

Горючая концентрация смеси паров с воздухом над поверхностью такого аппарата образуется, если температура жидкости Т выше температуры вспышки ее паров:

Т≥Т всп

Для практического использования этого условия численное значение Т определяют по проекту или технологическому регламенту, Т всп определяется по справочнику.

Количество жидкости, испаряющей со свободной поверхности, зависит от физических свойств этой жидкости, температурных условий, площади и времени испарения, а также подвижности воздуха.

Различают испарение в неподвижную и движущуюся среду.

Движущей силой процесса в случае испарения в неподвижную среду будет являться молекулярная диффузия.

При испарении паров в неподвижную среду рассеивание их в производственное помещение затруднено. Практический интерес представляет закон изменения концентрации пара по высоте над поверхностью испаряющейся жидкости, возможные размеры зоны взрывоопасности, количество испаряющейся жидкости.

Основной закон статического испарения, открытый Дальтоном, гласит, что количество паров испаряемой жидкости в единицу времени пропорционально площади зеркала испарения, коэффициенту диффузии D и разности давления насыщенного пара Р s жидкости при данной температуре и давления паров в воздухе Р g .

Отношение давления паров жидкости в воздухе в данный момент к максимальному давлению насыщенных паров при данной температуре называется степенью насыщения φ , т.е.

φ= Р g / Р s или Р g = φ Р s

При решении практических задач обычно определяют скорость испарения, а затем количество испарившейся жидкости.

Для практических расчётов важно знать и величину средней концентрации горючих паров в паровоздушной зоне.

Под скоростью испарения понимают объем паров жидкости V , испаряющейся со свободной поверхности в 1 секунду.

Скорость испарения зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость и от высоты взлива жидкости.

Испарение в подвижную среду будет определяться законами массообмена .

Для расчета количества испарившихся паров в подвижную среду на практике используют эмпирические зависимости.

Интенсивность испарения в движущуюся среду определяют по зависимости:

где: -интенсивность испарения в движущуюся среду, кг с -1 ;

- скорость движения воздуха над поверхностью испарения, м с -1 ;

- давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости, Па;

- молярная масса, кг кмоль -1 ;

- площадь испарения, м 2 .

1. Исходные данные.

1.1. Помещение складирования ацетона. В помещении хранятся десять бочек с ацетоном объемом каждой по V а = 80 л = 0,08 м 3 . Размеры помещения L´S´H = 12´6´6 м. Объем помещения V П = 432 м 3 . Свободный объем помещения V св = 0,8 × 432 =345,6м 3 . Площадь помещения F = 72 м 2 .

1.2. Молярная масса ацетона М = 58,08 кг∙кмоль - 1 . Константы уравнения Антуана: А= 6,37551; В = 1281,721; С А = 237,088. Химическая формула ацетона С 3 Н 6 О. Плотность ацетона (жидкости) r ж = 790,8 кг×м - 3 . Температура вспышки ацетона t всп = -18 0 С.

При определении избыточного давления взрыва в качестве расчетного варианта аварии принимается разгерметизация одной бочки и разлив ацетона по полу помещения, исходя из расчета, что 1л ацетона разливается на 1 м 2 пола помещения. За расчетную температуру принимается абсолютная температура воздуха согласно СНиП 2.01.01-82 в данном районе (г. Мурманск) t р = 32 0 С.

3. Определение параметров взрывопожарной опасности проводим с использованием и "Пособия".

3.1. Согласно формуле (А.2) определяется значение плотности паров ацетона при расчетной температуре t p = 32 0 C кг×м - 3 .

3.2. Согласно "Пособия" определяется значение давления насыщенных паров ацетона Р Н = 40,95 кПа (lgP H = 6,37551 - = 1,612306, откуда расчетное значение Р Н = 40,95 кПа).

3.3. Согласно формуле (А.13) определяем значение интенсивности испарения ацетона W= 10 - 6 × × 40,95 = 3,1208 × 10 - 4 кг × м - 2 . с - 1 .

4. Расчетная площадь разлива содержимого одной бочки ацетона составляет:

F И = 1,0 ×V а = 1,0×80 = 80 м 2 .

Поскольку площадь помещения F = 72 м 2 меньше рассчитанной площади разлива ацетона F И = 80 м 2 , то окончательно принимаем F И = F = 72 м 2 .

5. Масса паров ацетона m, поступивших в помещение, рассчитывается по формуле (А.12) :

m = 3,1208 × 10 - 4 × 72 ×3600 = 80,891 кг.

В этом случае испарится только масса разлившегося из бочки ацетона и m = m П = V a ∙r ж = 0,08∙790,8 = 63,264 кг.

6. Избыточное давление взрыва DР согласно формуле (20) "Пособия" будет равно:

DP = 959,3 × = 75,7 кПа.

8. Расчетное избыточное давление взрыва превышает 5 кПа, следовательно, помещение складирования ацетона относится к категории А.

1. Исходные данные.

1.1. Помещение промежуточного топливного бака резервной дизельной электростанции унифицированной компоновки. В помещении находится топливный бак с дизельным топливом марки "З" (ГОСТ 305-82) объемом V а = 6,3 м 3 . Размеры помещения L´S´H = 4,0´4,0´3,6 м. Объем помещения V П = 57,6 м 3 . Свободный объем помещения V СВ = 0,8 × 57,6 = 46,08 м 3 . Площадь помещения F = 16 м 3 . Суммарная длина трубопроводов диаметром d 1 = 57 мм = 0,057 м (r 1 = 0,0285 м), ограниченная задвижками (ручными), установленными на подводящем и отводящем участках трубопроводов, составляет L 1 = 10 м. Расход дизельного топлива в трубопроводах q = 1,5 л × с - 1 = 0,0015 м 3 × с - 1 .

1.2. Молярная масса дизельного топлива марки "З" М = 172,3 кг∙кмоль - 1 . Брутто-формула С 12,343 Н 12,889 . Плотность жидкости при температуре t = 25 0 С r ж = 804 кг∙м - 3 . Константы уравнения Антуана: А = 5,07828; В = 1255,73; С А =199,523. Температура вспышки t всп > 40 0 С. Теплота сгорания Н Т = = 4,359∙10 7 Дж∙кг - 1 = 43,59 МДж∙кг - 1 . Нижний концентрационный предел распространения пламени С НКПР = 0,6% (об.).

2. Обоснование расчетного варианта аварии.

При определении избыточного давления взрыва в качестве расчетного варианта аварии принимается разгерметизация топливного бака и выход из него и подводящих и отводящих трубопроводов дизельного топлива в объем помещения. За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура воздуха согласно СНиП 2.01.01-82 в данном районе (г. Благовещенск) t р = 41 0 С. Плотность паров дизельного топлива при t р =41 0 С кг∙м - 3 . Расчетное время отключения трубопроводов по п.А.1.2 Т а = 300 с, длительность испарения по п.А.1.2 е) Т = 3600с.

3. Объем V ж и площадь разлива F И поступившего при расчетной аварии дизельного топлива определяются в соответствии с положениями п.А.1.2 :

V ж = V a + q × T a + p × r 1 2 × L 1 =6,3+0,0015 × 300+3,14 × 0,0285 2 × 10=6,776 м 3 =6776 л,

F И = 1,0 × 6776 = 6776 м 2 .

Поскольку площадь помещения F = 16 м 2 меньше рассчитанной площади разлива дизельного топлива Fи = 6776 м 2 , то окончательно принимаем F И = F = 16 м 2 .

4. Определяем давление Р н насыщенных паров дизельного топлива при расчетной температуре t р = 41 0 С:

lgP H = 5,07828 - ,

Рн = 0,72 кПа.

5. Интенсивность испарения W дизельного топлива составит:

W = 10 - 6 × 1,0 × × 0,72 = 9,45 × 10 - 6 кг × м - 2 × с - 1 .

6. Масса паров дизельного топлива m, поступивших в помещение, будет равна:

m = 9,45 × 10 - 6 ×16∙3600 = 0,5443 кг.

7. Определение коэффициента Z участия паров дизельного топлива во взрыве проводим в соответствии с Приложением Д .

7.1. Средняя концентрация Сср паров дизельного топлива в помещении составит:

С СР = = 0,18% (об.).

С СР = 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.

С Н = 100 × = 0,71% (об.).

7.3. Значение стехиометрической концентрации С СТ паров дизельного топлива согласно формуле (А.3) , исходя из химической брутто-формулы дизельного топлива, составит:

b = 12,343 + = 18,32,

С СТ = = 1,12% (об.).

7.4. Значение параметра С* будет равно:

С* = 1,19 × 1,12 = 2,13% (об.).

7.5. Поскольку С Н = 0,71% < С* = 2,13% (об.), то рассчитываем значение параметра Х:

7.6. Согласно номограмме рисунка Д.1 (п.Д.4) Приложения Д при значении Х = 0,33 определяем значение коэффициента участия паров дизельного топлива во взрыве Z=0.

8. Избыточное давление взрыва DР согласно формуле (А.2.1) составит:

DР = (900-101) × = 0 кПа.

9. Расчетное избыточное давление взрыва не превышает 5 кПа. Помещение промежуточного топливного бака резервной дизельной электростанции унифицированной компоновки не относится к категориям А или Б. Согласно п.5.2 и табл.1 проведем проверку принадлежности помещения к категориям В1-В4.

10. В соответствии с п.Б.2 определим пожарную нагрузку Q и удельную пожарную нагрузку g:

G = V ж × r ж = 6,776 × 804 = 5448 кг,

Q = G × = 5448 × 43,59 = 237478 МДж,

S = F = 16 м 2 ,

g = МДж × м - 2 .

11. Удельная пожарная нагрузка более 2200 МДж × м - 2 . Помещение промежуточного топливного бака резервной дизельной электростанции унифицированной компоновки согласно табл.Б.1 относится к категории В1.

1.1. Исходные данные.

1.1. Помещение сушильно-пропиточного отделения электромашинного цеха. В помещении находятся два бака для покрытия лаком БТ-99 полюсных катушек способом окунания с подводящими и отводящими трубопроводами. Размеры помещения L´S´H = 32´10´8 м. Объем помещения V п = 2560 м 3 . Свободный объем помещения V СВ = 0,8 × 2560 = 2048 м 3 . Площадь помещения F = 320 м 2 . Объем каждого бака V ап = 0,5 м 3 . Степень заполнения бака лаком e = 0,9. Объем лака в баке V а = e × V ап = 0,9×0,5 = 0,45 м 3 . Длина и диаметр подводящего (напорного) трубопровода между баком и насосом L 1 = 10 м и d 1 = 25 мм = 0,025 м соответственно. Длина и диаметр отводящего трубопровода между задвижкой и баком L 2 = 10м и d 2 = 40мм =0,04 м соответственно. Производительность насоса q = 6,5∙10 - 5 м 3 ×с - 1 . Время отключения насоса Т а =300с. В каждый бак попеременно загружается и выгружается единовременно по 10 шт. полюсных катушек, размещаемых в корзине. Открытое зеркало испарения каждого бака F емк = 1,54 м 2 . Общая поверхность 10 шт. свежеокрашенных полюсных катушек F св.окр = 6,28 м 2 .

1.2. В лаке БТ-99 (ГОСТ 8017-74) в виде растворителей содержится 46% (масс.) ксилола и 2% (масс.) уайт-спирита. В общей массе растворителей содержится j 1 =95,83% (масс.) ксилола и j 2 = 4,17% (масс.) уайт-спирита. Плотность лака БТ-99 r ж = 953 кг × м - 3 . Молярная масса ксилола М=106,17 кг × кмоль - 1 , уайт-спирита М=147,3 кг × кмоль - 1 . Химическая формула ксилола С 8 Н 10 , уайт-спирита С 10,5 Н 21,0 . Плотность жидкости ксилола r ж =855 кг × м - 3 , уайт-спирита r ж = 760 кг × м - 3 . Температура вспышки ксилола t всп =29 0 С, уайт-спирита t всп =33 0 С. Нижний концентрационный предел распространения пламени ксилола С НКПР =1,1% (об.), уайт-спирита С НКПР =0,7% (об.). Теплота сгорания ксилола Н Т =Q =43154 кДж × кг - 1 =43,15 МДж × кг - 1 , уайт-спирита Н Т = =43966 кДж × кг - 1 =43,97 МДж × кг - 1 . Константы уравнения Антуана для ксилола А=6,17972; В=1478,16; С А =220,535; для уайт-спирита А=7,13623; В=2218,3; С А =273,15.

2. Обоснование расчетного варианта аварии.

При определении избыточного давления взрыва в качестве расчетного варианта аварии принимается разгерметизация одного бака с лаком для покрытия полюсных катушек способом окунания и утечка лака из напорного и отводящего трубопроводов при работающем насосе с последующим разливом лака на пол помещения. Происходит испарение ксилола и уайт-спирита с поверхности разлившегося лака, а также с открытой поверхности второго бака и с поверхности выгружаемых покрытых лаком полюсных катушек (10 шт.). За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура воздуха согласно СНиП 2.01.01-82 в данном районе (г. Москва) t р = 37 0 С. Плотность паров при t р =37 0 С:

ксилола кг×м - 3 ,

уайт-спирита кг×м - 3 .

Расчетное время отключения трубопроводов и насоса по п.А.1.2 в) Т а =300с, длительность испарения по п.А.1.2 е) Т=3600с.

3. Объем V ж, площадь разлива F р поступившего в помещение при расчетной аварии лака и площадь испарения F И определяются в соответствии с положениями п.А.1.2 :

V ж = V a + q × T a + = 0,45+6,5 × 10 - 5 × 300+0,785 × (0,025 2 ×10 +

0,04 2 × 10) = 0,487 м 3 =487 л,

F p = 0,5 × 487 = 243,5 м 2 ,

F И = F Р + F емк + F св. окр = 243,5+1,54+6,28 = 251,3 м 2 .

4. Определяем давление Р Н насыщенных паров ксилола и уайт-спирита при расчетной температуре t р =37 0 С:

Для ксилола:

lgP H = 6,17972 -

P H = 2,755 кПа,

Для уайт-спирита:

lgP H = 7,13623 -

P H = 0,964 кПа.

5. Интенсивность испарения W растворителя составит:

По ксилолу:

W = 10 - 6 × 1,0 × × 2,755 = 2,8387 × 10 - 5 кг × м - 2 × c - 1 ,

По уайт-спириту:

W = 10 - 6 × 1,0 × × 0,964 = 1,1700 × 10 - 5 кг × м - 2 × c - 1 .

6. В соответствии с положениями п.п.4.3 и А.1.1 определяем массу паров m по наиболее опасному компоненту ксилолу, поступивших в помещение:

m = 2,8387× 10 - 5 × 251,3 × 3600 = 25,6812 кг.

7. Определение коэффициента Z участия паров растворителя во взрыве проводим в соответствии с Приложением Д , принимая значения расчетных параметров по ксилолу либо уайт-спириту, наиболее опасные в отношении последствий взрыва.

7.1. Средняя концентрация С ср паров растворителя в помещении составит:

С СР = = 0,30% (об.).

С СР = 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. Значение С Н будет равно:

С Н = 100 × = 2,73% (об.).

7.3. Значение С 0 будет равно:

С 0 = 2,73 × = 1,105% (об.).

7.4. Расстояния Х НКПР, У НКПР, Z НКПР составят:

Х НКПР = 1,1958 × 32 × = 31,55 м,

У НКПР = 1,1958 ×10 × = 9,86 м,

Z НКПР = 0,04714 × 8 × = 0,31 м.

7.5. Коэффициент Z участия паров растворителя во взрыве согласно формуле (Д.2) Приложения Д составит:

8. Значение стехиометрической концентрации С СТ согласно формуле (А.3) составит:

Для ксилола:

С СТ = = 1,93% (об.),

Для уайт-спирита:

С СТ = = 1,29% (об.).

9. Избыточное давление взрыва DР согласно формуле (А.1) составит:

DP = (900 - 101) × кПа.

10. Расчетное избыточное давление взрыва превышает 5 кПа, следовательно, помещение сушильно-пропиточного отделения электромашинного цеха относится к категории Б.

11. Расчет избыточного давления взрыва DР в помещении сушильно-пропиточного отделения электромашинного цеха с учетом работы аварийной вентиляции или постоянно работающей общеобменной вентиляции, удовлетворяющей требованиям п.А.2.3 . Рассматривается случай при кратности обмена аварийной вентиляции А=6 ч - 1 .

11.1. При кратности воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, равной А=6 ч - 1 =1,6667 × 10 - 3 с - 1 , согласно п.3.4 "Пособия" скорость движения воздуха в помещении составит:

U = A × L = 1,6667 × 10 - 3 × 32 = 0,05 м × с - 1 .

11.2. Интенсивность испарения W растворителя (по ксилолу) при скорости воздушного потока в помещении U = 0,05 м × с - 1 (с некоторым запасом коэффициент h= 1,6 в соответствии с табл. А.2 ) будет равна:

W = 10 - 6 × 1,6 × × 2,755 = 4,5420 × 10 - 5 кг × м - 2 × с - 1 .

11.3. Масса поступивших в помещение паров растворителя (по ксилолу) m И составит:

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

11.4. Масса находящихся в помещении паров растворителя m при учете работы аварийной вентиляции или постоянно работающей общеобменной вентиляции, удовлетворяющей требованиям п.А.2.3 , будет равна:

11.5. Средняя концентрация С СР паров растворителя в помещении составит:

С СР = (об.).

С СР = 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. Значение С 0 будет равно:

0,502% (об.).

11.7. Расстояния Х НКПР, У НКПР, Z НКПР составят:

Х НКПР = 1,1958 × 32 × = 0 м,

У НКПР = 1,1958 ×10 × = 0 м,

Z НКПР = 0,3536 × 8 × = 0 м.

Х НКПР, У НКПР, Z НКПР согласно Приложению Д принимаются равными 0, поскольку логарифмы указанных в формулах сомножителей параметров дают отрицательные значения. Следовательно, исходя из формулы Д.1 Приложения Д , коэффициент Z участия паров растворителя также равен Z=0. Подставляя в формулу (А.2.1) значение коэффициента Z=0 получим избыточное давление взрыва DP=0 кПа.

11.8. Расчетное избыточное давление взрыва не превышает 5 кПа, следовательно, помещение сушильно-пропиточного отделения электромашинного цеха при оснащении его аварийной вентиляцией или постоянно работающей общеобменной вентиляцией, удовлетворяющей требованиям п.А.2.3 , с кратностью воздухообмена А = 6 ч - 1 не относится к категориям А или Б. Согласно п.5.2 и табл.1 проведем проверку принадлежности помещения к категориям В1-В4.

11.9. В соответствии с п.Б.2 определим пожарную нагрузку Q и удельную пожарную нагрузку g:

G= 2 × V a × r ж = 2 × 0,45 × 855 = 769,5 кг,

Q = G × = 769,5 × 43,97 = 33835 Мдж,

S = 2 × F емк = 1,54 × 2 = 3,08 м 2 (согласно п.Б.2 принимаем S=10м 2),

g = Мдж × м - 2 .

11.10. Удельная пожарная нагрузка более 2200 МДж × м - 2 . Помещение сушильно-пропиточного отделения электромашинного цеха при оснащении его аварийной вентиляцией или постоянно работающей общеобменной вентиляцией, удовлетворяющей требованиям п. А.2.3 , с кратностью воздухообмена А=6 ч - 1 согласно табл.Б.1 относится к категории В1.

Солнечная энергия приводит в действие невероятно сильную тепловую машину, которая, преодолевая гравитацию, без труда поднимает в воздух огромных размеров куб (каждая сторона составляет около восьмидесяти километров). Таким образом, с поверхности нашей планеты за год испаряется водяной слой метр толщиной.

Во время испарения жидкое вещество постепенно переходит в паро- или газообразное состояние после того, как мельчайшие частицы (молекулы или атомы), двигаясь на скорости, достаточной для того, чтобы преодолеть силы сцепления между частицами, отрываются от поверхности.

Несмотря на то, что процесс испарения известен больше как переход жидкого вещества в пар, существует сухое испарение, когда при минусовой температуре лёд переходит из твёрдого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. Например, если выстиранное сырое бельё развесить сушиться на морозе, оно, замерзнув, становится очень жёстким, но через какое-то время, размягчившись, становится сухим.

Как улетучивается жидкость

Молекулы жидкости расположены друг к другу практически впритык, и, несмотря на то, что связаны между собой силами притяжения, к определённым точкам не привязаны, а потому свободно перемещаются по всей площади вещества (они постоянно сталкиваются друг с другом и изменяют свою скорость).

Частицы, что уходят на поверхность, набирают во время движения темп, достаточный для того, чтобы покинуть вещество. Оказавшись наверху, своё движение они не останавливают и, преодолев притяжение нижних частиц, вылетают из воды, преобразовываясь в пар. При этом часть молекул из-за хаотического движения возвращается в жидкость, остальные уходят дальше, в атмосферу.

Испарение на этом не заканчивается, и на поверхность вырываются следующие молекулы (так происходит до тех пор, пока жидкость полностью не улетучивается).

Если речь идёт, например, о круговороте воды в природе, можно наблюдать за процессом конденсации, когда пар, сконцентрировавшись, при определённых условиях возвращается назад. Таким образом, испарение и конденсация в природе тесно связаны между собой, поскольку благодаря им осуществляется постоянный водообмен между землёй, сушей и атмосферой, благодаря чему окружающая среда снабжается огромным количеством полезных веществ.

Стоит заметить, что интенсивность испарения у каждого вещества различна, а потому основными физическими характеристиками, которые влияют на скорость испарения, являются:

Плотность. Чем вещество плотнее, тем ближе молекулы находятся по отношению друг к другу, тем труднее верхним частицам преодолеть силу притяжения других атомов, следовательно, испарение жидкости происходит медленнее. Например, метиловый спирт улетучивается намного быстрее воды (метиловый спирт – 0,79 г/см3, вода – 0,99 г/см3).
Температура. На скорость испарения также влияет теплота испарения. Несмотря на то, что процесс испарения происходит даже при минусовой температуре, чем больше температура вещества, тем выше теплота испарения, значит, тем быстрее двигаются частицы, которые, увеличивая интенсивность испарения, массово покидают жидкость (поэтому кипящая вода испаряется быстрее холодной).Из-за потери быстрых молекул внутренняя энергия жидкости уменьшается, а потому температура вещества во время испарения понижается. Если жидкость в это время будет находиться возле источника тепла или непосредственно нагреваться, её температура снижаться не будет, так же, как и не снизится интенсивность испарения.
Площадь поверхности. Чем большую площадь поверхности занимает жидкость, тем больше молекул с неё улетучивается, тем выше скорость испарения. Например, если влить воду в кувшин с узким горлышком, жидкость будет исчезать очень медленно, поскольку испаряемые частицы начнут оседать на сужающихся стенках и спускаться. В то же время, если налить воду в миску, молекулы будут беспрепятственно уходить с поверхности жидкости, поскольку им будет не на чем конденсироваться, дабы вернуться в воду.
Ветер. Процесс испарения окажется намного быстрее, если над ёмкостью, в которой находится вода, движется воздух. Чем быстрее он это делает, тем скорость испарения больше. Нельзя не учитывать взаимодействие ветра с испарением и конденсацией.Молекулы воды, поднимаясь с океанической поверхности, частично возвращаются назад, но большая часть высоко в небе конденсируется и образует облака, которые ветер перегоняет на сушу, где капли выпадают в виде дождя и, проникнув в грунт, через какое-то время возвращаются в океан, снабжая растущую в почве растительность влагой и растворёнными минеральными веществами.

Роль в жизни растений

Значение испарения в жизни растительности трудно переоценить, особенно учитывая, что живое растение на восемьдесят процентов состоит из воды. Поэтому если растению не хватает влаги, оно может погибнуть, так как вместе с водой в него не будут поступать также нужные для жизнедеятельности питательные вещества и микроэлементы.

Вода, передвигаясь по растительному организму, переносит и образует внутри него органические вещества, для образования которых растение нуждается в солнечном свете.

А вот тут немаловажная роль отводится испарению, так как солнечные лучи имеют способность чрезвычайно сильно нагревать предметы, а потому способны вызвать гибель растения от перегрева (особенно в жаркие летние дни). Чтобы этого избежать, происходит испарение воды листьями, через которые в это время выделяется много жидкости (например, из кукурузы за сутки испаряется от одного до четырёх стаканов воды).

Это значит, что чем больше в организм растения поступит воды, тем испарение воды листьями будет интенсивнее, растение будет больше охлаждаться и нормально расти. Испарение воды растениями можно ощутить, если во время прогулки в знойный день прикоснуться к зелёным листьям: они обязательно окажутся прохладными.

Связь с человеком

Не менее велика роль испарения в жизнедеятельности человеческого организма: он борется с нагреванием посредством потоотделения. Испарение происходит обычно через кожу, а также через дыхательные пути. Это можно легко заметить во время болезни, когда температура тела поднимается или в период занятий спортом, когда повышается интенсивность испарения.

Если нагрузка невелика, из организма уходит от одного до двух литров жидкости в час, при более интенсивном занятии спортом, особенно когда температура внешней среды превышает 25 градусов, интенсивность испарения увеличивается и с потом может выйти от трёх до шести литров жидкости.

Через кожу и дыхательные пути вода не только покидает организм, но и поступает в него вместе с испарениями окружающей среды (не зря своим пациентам врачи часто прописывают отдых на море). К сожалению, вместе с полезными элементами в него нередко попадают и вредные частицы, среди них – химические вещества, вредные испарения, которые наносят здоровью непоправимый ущерб.

Одни из них токсичны, другие, вызывают аллергию, третьи – канцерогенны, четвёртые вызывают онкологические и другие не менее опасные заболевания, при этом многие обладают сразу несколькими вредными свойствами. Вредные испарения оказываются в организме в основном через органы дыхания и кожу, после чего, оказавшись внутри, моментально всасываются в кровь и разносятся по всему телу, оказывая токсическое воздействие и вызывая серьёзные заболевания.

В данном случае много зависит от местности, где обитает человек (возле фабрики или завода), помещения, в котором живёт или работает, а также времени пребывания в опасных для здоровья условиях.

Вредные испарения могут попадать в организм из предметов быта, например, линолеума, мебели, окон и пр. Дабы сохранить жизнь и здоровье, таких ситуаций желательно избегать и наилучшим выходом будет покинуть опасную территорию, вплоть до обмена квартиры или работы, а при обустройстве жилища обращайте внимание на сертификаты качества покупаемых материалов.

Кафедра ЭТТ. Дисциплина «Основы технологии электронной компонентной базы»

Лабораторная работа № 1. Особенности нанесения пленок

При термовакуумном испарении

Цель работы : ознакомление с особенностями генерации и распространения потока молекул в вакууме и c распределением толщины пленки по поверхности подложки большой площади при термовакуумном испарении.

Основные понятия и соотношения

При термовакуумном испарении поток атомов или молекул вещества генерируется при нагревании материала в вакууме до температуры, близкой или превышающей его температуру плавления.

Испарениес поверхности жидкой фазы наиболее часто используется в технике. Для объяснения механизма процесса было предложено несколько моделей. В простейшей из них жидкая фаза (расплавленный материал) рассматривается как система осцилляторов, поверхностные молекулы которой связаны с определенной энергией испарения. Предполагается, что переход в газообразную фазу происходит тогда, когда энергия колебаний молекул на поверхности равна или превосходит энергию испарения. Предполагается также, что все молекулы поверхности имеют одну и ту же энергию связи и равную вероятность испарения. Вследствие интерференции колебаний осцилляторов становится возможным испарение отдельных молекул.

В усовершенствованной статистической модели состояние молекул на поверхности описывается максвелловским распределением по энергии и пространственным распределением, связывающим смещение молекул от равновесного положения с их потенциальной энергией. Испарение молекулы происходит тогда, когда она смещается на такое расстояние, что ее потенциальная энергия становится равной энергии испарения.

Экспериментальные исследования показали, что статистическая модель достаточно хорошо применима к жидкостям, испарение которых происходит за счет обмена одиночных атомов с одноатомным паром (ртуть, калий, бериллий и ряд других металлов). Аналогично ведут себя и некоторые органические жидкости, молекулы которых имеют сферическую симметрию и малые энтропии испарения (например, четыреххлористый углерод – CCl 4).

В веществах, молекулы которых имеют различные степени свободы в конденсированном и газообразном состояниях, при испарении должно происходить изменение не только поступательного движения, но и внутренней энергии молекул. В тоже время статистически маловероятно, что молекула на поверхности получает в один и тот же момент как кинетическую, так и потенциальную энергии, необходимые для испарения при термодинамическом равновесии. Более вероятно, что молекула получает вначале необходимую кинетическую энергию, а затем должна до момента испарения получить квант внутренней энергии.

Полагают, что среди различных видов внутренней энергии молекул, наибольшее влияние на вероятность испарения оказывает энергия вращения. Это подтверждается тем, что время релаксации, необходимое для получения вращательной степени свободы молекулой с добавленной кинетической энергией, больше, чем для других процессов. Таким образом, ограничение испарения происходит вследствие потери одной степени свободы, которая уменьшает число возможных состояний для молекул в жидкой фазе. Такая форма ограничения фазового перехода называется ограничением по энтропии.

Испарение с ограничением по энтропии подтверждается для жидкостей с малыми полярными молекулами, которые испаряются с невозмущенных поверхностей (бензин, хлороформ, этанол, метанол и др.). Некоторые органические жидкости имеют вращательную степень свободы и в активированном состоянии.

При испарении металлов основным видом частиц в газовой фазе являются одиночные атомы металла и лишь небольшую часть (меньше 0,1%) составляют двухатомные молекулы. Для некоторых элементов (C, S, Se, Te , P, As, Sb) пары состоят из многоатомных молекул.

Испарение с поверхности твердой фазы , называемое сублимацией, объясняется наличием на поверхности материала моноатомных ступенек и состояний с различным числом атомов в первом и последующем слое. Так как силы связи, действующие на данный атом со стороны соседних атомов, являются аддитивными (складываются), то значения энергии испарения для атомов в различных состояниях будут различными. В первую очередь испаряются атомы с наименьшим числом связей (соседей), что создает благоприятные условия для испарения других атомов.

При испарении материалов сложного состава необходимо учитывать фракционирование вещества и возможность диссоциации. Весьма важно учитывать особенности взаимодействия испаряемого материала с материалом испарителя.

Пролет частиц вещества от испарителя до поверхности подложки сопровождается их столкновениями между собой и с молекулами остаточных газов. Для уменьшения такого взаимодействия испарение производят при давлении насыщенных паров вещества не более 10 -2 Торр, а остаточных газов – не более 10 -4 – 10 -5 Торр.

Конденсация атомов (молекул) вещества происходит после пролета материала до поверхности подложки. Она зависит от соотношения свободных энергий потока частиц и поверхности. Послойный режим роста пленок (режим Франка – Ван-дер-Мерве) реализуется, если энергия связи атомов осаждаемого вещества с подложкой больше энергии связи атомов друг с другом.

Островковый режим Фольмера-Вебера реализуется тогда, когда атомы вещества связаны друг с другом сильнее, чем с подложкой. Маленькие зародыши растут, превращаясь в большие островки конденсированной фазы. После заполнения промежутков (каналов) между островками, они сливаются и образуют сплошную пленку.

При промежуточном режиме Странского-Крастанова вначале происходит послойный рост одного-двух монослоев. Затем начинается рост островков на их поверхности. При достаточном размере островков они сливаются с образованием сплошной пленки. Одной из причин такого поведения является изменение параметра решетки при заполнении очередного монослоя.

Расчет скорости испарения

Массаиспаряемого вещества , попадающего на элементарную сферическую площадку с испарителя малой площади , определяется следующим соотношением:

, (1)

где – время испарения; – угол между нормалью к поверхности испарителя и направлением к выбранной точке подложки; – радиус сферы, на которой расположена элементарная сферическая площадка с измеряемым количеством вещества .

Скорость испарения вещества в вакууме рассчитывается по формуле:

, (2)

где – скорость испарения, г·см –2 ·с –1 ; – атомный (молекулярный) вес вещества, – давление его насыщенного пара, Торр; – температура, К.

Давление насыщенных паров вещества в объеме испарения определяется соотношением:

, (3)

в котором величины и характеризуют свойства испаряемого материала. Для всех материалов таблицы Менделеева = 8,8 (для Si–10,2); = / 4,576, К; – теплота парообразования, кал/моль. Значения , плотности и температуры плавления ряда металлов приведены в таблице 1.

Для плоской подложки, поверхность которой расположена произвольно относительно поверхности плоского испарителя конечных размеров малой площади, уравнение (1) трансформируется к виду:

, (4)

где - угол между нормалью к поверхности подложки и направлением испарения.

Таблица 1

При практическом применении метода нанесения пленок важно не количество испаренного материала, а толщина получаемых пленок и ее распределение по поверхности подложки.

Расчет толщины пленок

Указанные закономерности распределения испаренного вещества приводят к тому, что распределение толщины пленки по поверхности подложки может иметь сложный характер. Поскольку для элементарной площадки подложки количество материала (где – плотность испаряемого материала), толщина пленки для произвольно расположенной подложки определяется соотношением:

(5)

В этом соотношении положение точки подложки, в которой рассчитывается толщина пленки, определяется тремя величинами .

Для плоского поверхностного испарителя малой площади и плоской подложки, расположенной на расстоянии параллельно поверхности испарителя (рис. 1), толщина пленки определяется соотношением:

, (6)

где ; – координата вдоль поверхности подложки (расстояние от

Рисунок 1. Расположение подложки относительно испарителя

центра подложки в точке А до точки Б , в которой определяется толщина пленки); – нормированное значение координаты; – полное количество испаренного вещества.

Наибольшая толщина пленки получается в точке А подложки, а относительное изменение толщины пленки для разных точек подложки в этом случае имеет вид:

, . (7)

Точечный испаритель представляет собой сферу, размеры которой пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до поверхности подложки и её размерами. С такого испарителя в элементарный телесный угол испаряется количество вещества . Если нанесение плёнки производится на произвольно расположенную плоскую подложку, то, как следует из рисунка, основные соотношения для точечного испарителя принимают следующий вид:

; . (8)

В таблице 2 приведена зависимость относительной толщины от х/h для точечного и поверхностного испарителя.

Таблица – Зависимость равномерности толщины от х/h

х/h	0,25	0,5	0,75
(d/d0)п	0,83	0,64	0,41	0,25	0,04
(d/d0)т	0,88	0,71	0,51	0,35	0,09

Для стандартных размеров подложки 60х48 мм при расстоянии испаритель – подложка в 200 мм неравномерность толщины плёнки составляет около 10 %. А в современных аналого-цифровых преобразователях требования к точности резисторов (разброс по сопротивлениям) составляет не более 0,05 %. Для обеспечения нужной равномерности при нанесении плёнок на подложки как больших, так и малых размеров применяют различные способы:

Использование испарителей большой площади,

Использование кольцевых испарителей,

Применение большого числа одновременно работающих испарителей,

Перемещение подложек по сложной (планетарной) траектории,

Смещение испарителя на строго определённое расстояние относительно центра вращающейся подложки,

Применение вращающихся диафрагм специальной формы при неподвижной подложке.

При применении плоского дискового испарителя конечных размеров радиуса R соответствующие выражения для толщин принимают окончательный вид:

, . (9)

Для кольцевого испарителя радиуса R, центр которого совпадает с центром плоской подложки расположенной параллельно плоскости испарителя, выражение для толщины пленки принимает следующий вид:

. . (10)

Наиболее часто на практике находит применение вариант со смещением испарителя относительно центра вращающейся подложки. Для этого варианта с испарителем малой площади соответствующие выражения принимают вид, аналогичный формулам для кольцевого испарителя. Отличие заключается в том, что вместо радиуса тонкого кольца R в формулу входит расстояние l от испарителя до оси вращения подложки.

. . (11)

Использование вращающихся диафрагм (заслонок) специальной формы основано на дополнительном регулировании количества материала, поступающего от испарителя на тот или иной участок подложки. Очень важно, чтобы центр вращения диафрагмы совпадал с центром испарителя и подложки. Чтобы снизить нежелательное уменьшение толщины, поток испаряемого вещества в наиболее удаленных точках подложки не прекрывается. По мере приближения к геометрическому центру подложки край заслонки должен представлять собой дугу возрастающей длины, так, чтобы длительность прерывания потока на любом данном расстоянии обеспечивала уменьшение скорости осаждения в данном месте до величины скорости в наиболее удаленных точках. Контуры заслонок для однородного покрытия представляют собой спирали, точные линии которых для различных условий получают расчетом на компьютере. Применение вращающихся диафрагм позволяет получить равномерность толщины в пределах долей процента. Недостатком метода является избыточный расход материала, так как перекрывается и оседает на поверхности заслонки основная часть испаряемого материала.

Задание к работе

При домашней подготовке необходимо для заданного материала и толщины пленки испаренного материала определить температуру поверхностного испарителя малой площади, при которой наибольшая толщина пленки d 0 будет равна заданной. Для расчета используются зависимости (2), (3), (7), данные таблицы и вариантов заданий.

При работе в лаборатории необходимо в компьютерном эксперименте получить следующие зависимости:

Распределение абсолютной толщины d(x) для заданной d 0 для поверхностного малой площади, дискового, кольцевого и смещенного относительно центра вращающейся подложки испарителей. (Для трех последних типов испарителя предварительно необходимо подобрать температуру, обеспечивающую одну и ту же толщину d 0 при х=0);

Относительное отклонение толщины пленки заданного материала в зависимости от расстояния x по поверхности подложки при заданной d 0 для исследуемых испарителей;

Для заданного d 0 и размера подложки 100х150 мм 2 выбрать тип испарителя, все его характеристики (кроме F) и расстояние h, обеспечивающие равномерность толщины пленки не хуже 2 %.

Примечание : необходимые для расчета дополнительные сведения приведены в перечне «Варианты задания».

Требования к отчету

Отчет составляется индивидуально на листах формата А4. При домашней подготовке необходимо изучить содержание работы, провести расчет температуры для своего варианта задания, а основные аналитические соотношения и последовательность расчета внести в заготовленный отчет. Подготовленный для защиты отчет должен содержать:

Теоретическую часть и результаты расчета (домашнюю подготовку),

Эскизы конфигурации систем испарения,

Расчетные формулы,

Последовательность расчетов и распределение абсолютной и относительной толщины по диагоналям подложки,

Анализ результатов,

Ответы на контрольные вопросы.

6. Контрольные вопросы

Чем определяется максимально возможная толщина пленки при термовакуумном испарении?

Какие соотношения связывают толщину пленки с температурой испарителя?

Как испаряют порошкообразные материалы?

Какие типы испарителей применяют для испарения порошковых материалов?

Что такое сублимация?