Izračun stopnje izhlapevanja. Kaj je izhlapevanje in kako poteka? Komunikacija z osebo

V sodobni proizvodnji se pogosto uporabljajo naprave z odprto izparilno površino, to so kopeli za barvanje s potapljanjem, kopeli za impregniranje tkanin, papirja s smolami, kopeli za pranje in razmaščevanje delov s topili, odprta izparilna površina v primeru nujnega razlitja. vnetljivih tekočin, GZH.

Te naprave so najbolj nevarne, saj. tudi pri normalnem delovanju lahko velika količina hlapov gorljivih snovi vstopi v zračni prostor proizvodne sobe.

Gorljiva koncentracija mešanice hlapov z zrakom nad površino takšne naprave nastane, če temperatura tekočine T nad plameniščem njegovih hlapov:

T≥T vsp

Za praktično uporabo tega pogoja je številčna vrednost T določena po projektnih ali tehnoloških predpisih, T vsp določeno v priročniku.

Količina tekočine, ki izhlapi s proste površine, je odvisna od fizikalnih lastnosti te tekočine, temperaturnih pogojev, površine in časa izhlapevanja ter gibljivosti zraka.

Razlikovati med izhlapevanjem v mirujočem in gibljivem mediju.

Gonilna sila procesa v primeru izhlapevanja V nepremični medij bo molekularna difuzija.

Ko hlapi izhlapijo v stacionarno okolje, jih je težko razpršiti v proizvodni prostor. Praktično zanimiv je zakon o spremembi koncentracije hlapov po višini nad površino izhlapevajoče tekočine, možne dimenzije eksplozivnega območja, količina izhlapevajoče tekočine.

Osnovni zakon statičnega izhlapevanja, ki ga je odkril Dalton, pravi, da je količina hlapov izhlapene tekočine na časovno enoto sorazmerna s površino izhlapevalnega ogledala, koeficienta difuzije D in razlika tlaka nasičene pare R s tekočina pri določeni temperaturi in parnem tlaku v zraku R g .

Razmerje med parnim tlakom tekočine v zraku v danem trenutku in največjim nasičenim parnim tlakom pri dani temperaturi se imenuje stopnja nasičenosti. φ , tj.

φ = P g / R s ozR g = φ Р s

Pri reševanju praktičnih nalog se običajno določi hitrost izhlapevanja in nato količina izhlapene tekočine.

Za praktične izračune je pomembno poznati tudi vrednost povprečne koncentracije gorljivih hlapov v coni para-zrak.

Hitrost izhlapevanja se nanaša na količino hlapov v tekočini. V izhlapi s proste površine v 1 sekundi.

Hitrost izhlapevanja je odvisna od oblike posode, v kateri je tekočina, in od višine tekočine.

Izhlapevanje v mobilni medij bo določeno z zakoni prenosa mase .

Empirične odvisnosti se v praksi uporabljajo za izračun količine uparjenih hlapov v gibljivi medij.

Intenzivnost izhlapevanja v gibljivi medij je določena z odvisnostjo:

Kje: - intenzivnost izhlapevanja v gibljivi medij, kg s -1 ;

- hitrost gibanja zraka po površini izhlapevanja, m s -1 ;

- tlak nasičene pare pri projektirani temperaturi tekočine, Pa;

- molska masa, kg kmol -1;

- območje izhlapevanja, m 2.

1. Začetni podatki.

1.1. Prostor za shranjevanje acetona. V prostoru je shranjenih deset sodov acetona, vsak s prostornino V a \u003d 80 l \u003d 0,08 m 3. Mere prostora L´S´H = 12´6´6 m Prostornina prostora V P = 432 m 3. Prosta prostornina prostora V sv \u003d 0,8 × 432 \u003d 345,6 m 3. Površina prostora F = 72 m 2.

1.2. Molska masa acetona je M = 58,08 kg∙kmol - 1. Konstante Antoineove enačbe: A= 6,37551; B = 1281.721; C A = 237,088. Kemijska formula acetona je C 3 H 6 O. Gostota acetona (tekočine) r w \u003d 790,8 kg × m - 3. Plamenišče acetona t flash \u003d -18 0 C.

Pri določanju nadtlaka eksplozije se kot izračunana različica nesreče upošteva razbremenitev enega soda in razlitje acetona na tleh prostora, ki temelji na izračunu, da se 1 liter acetona razlije na 1 m 2 tla sobe. Projektna temperatura se vzame kot absolutna temperatura zraka v skladu s SNiP 2.01.01-82 na območju (Murmansk) t p = 32 0 С.

3. Določitev parametrov nevarnosti eksplozije in požara se izvaja z uporabo in "Priročniki".

3.1. Po formuli (A.2) se določi vrednost gostote hlapov acetona pri načrtovani temperaturi t p = 32 0 C kg×m - 3.

3.2. Po "Priročniku" je določena vrednost tlaka nasičenih hlapov acetona P H = 40,95 kPa (lgP H = 6,37551 - = 1,612306, od koder je izračunana vrednost P H = 40,95 kPa).

3.3. Po formuli (A.13) določimo vrednost intenzivnosti izhlapevanja acetona W = 10 - 6 × × 40,95 = 3,1208 × 10 - 4 kg × m - 2. s - 1 .

4. Ocenjena površina razlitja vsebine enega soda acetona je:

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

Ker je površina prostora F = 72 m 2 manjša od izračunane površine razlitja acetona F I = 80 m 2, potem končno sprejmemo F I = F = 72 m 2.

5. Masa acetonskih hlapov m, ki je vstopila v prostor, se izračuna po formuli (A.12):

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

V tem primeru bo izhlapela samo masa acetona, ki se razlije iz soda, in m = m P = V a ∙ r f = 0,08 ∙ 790,8 = 63,264 kg.

6. Nadtlak eksplozije DP po formuli (20) "Koristi" bo enak:

DP = 959,3 × = 75,7 kPa.

8. Izračunani nadtlak eksplozije presega 5 kPa, zato spada skladišče acetona v kategorijo A.

1. Začetni podatki.

1.1. Prostor vmesnega rezervoarja za gorivo rezervne dizelske elektrarne enotne postavitve. V prostoru je rezervoar za gorivo z dizelskim gorivom razreda "Z" (GOST 305-82) s prostornino V a = 6,3 m 3 . Dimenzije prostora L´S´H = 4,0´4,0´3,6 m Prostornina prostora V P = 57,6 m 3. Prosta prostornina prostora V CB \u003d 0,8 × 57,6 \u003d 46,08 m 3. Površina prostora F = 16 m 3. Skupna dolžina cevovodov s premerom d 1 = 57 mm = 0,057 m (r 1 = 0,0285 m), omejena z ventili (ročno), nameščenimi na vstopnih in izstopnih delih cevovodov, je L 1 = 10 m. poraba goriva v cevovodih q = 1,5 l × s - 1 \u003d 0,0015 m 3 × s - 1.

1.2. Molska masa dizelskega goriva razreda "Z" M = 172,3 kg∙kmol - 1. Bruto formula je C 12,343 H 12,889. Gostota tekočine pri temperaturi t = 25 0 С r f = 804 kg∙m - 3. Konstante Antoineove enačbe: A = 5,07828; B = 1255,73; C A \u003d 199,523. Plamenišče t plamen > 40 0 ​​​​C. Zgorevalna toplota H T = = 4,359∙10 7 J∙kg - 1 = 43,59 MJ∙kg - 1. Spodnja koncentracijska meja širjenja plamena C LEL = 0,6 % (vol.).

2. Utemeljitev izračunane različice nesreče.

Pri določanju nadtlaka eksplozije se kot izračunana različica nesreče vzame razbremenitev rezervoarja za gorivo in izhod iz njega ter vstopnih in izstopnih cevovodov dizelskega goriva v prostornino prostora. Projektna temperatura se vzame kot najvišja absolutna temperatura zraka v skladu s SNiP 2.01.01-82 na območju (Blagoveshchensk) t p = 41 0 C. Gostota hlapov dizelskega goriva pri t p = 41 0 C kg∙m - 3 . Ocenjeni čas izklopa cevovodov po klavzuli A.1.2 T a = 300 s, trajanje izhlapevanja po klavzuli A.1.2 f) T = 3600 s.

3. Prostornina V l in površina razlitja F I dizelskega goriva, prejetega med projektirano nesrečo, se določita v skladu z določbami klavzule A.1.2:

V vodnjak \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 In \u003d 1,0 × 6776 \u003d 6776 m 2.

Ker je površina prostora F = 16 m 2 manjša od izračunane površine razlitja dizelskega goriva Fi = 6776 m 2, končno sprejmemo F I = F = 16 m 2.

4. Določite tlak R n nasičenih hlapov dizelskega goriva pri projektirani temperaturi t р = 41 0 С:

lgPH = 5,07828 - ,

pH = 0,72 kPa.

5. Stopnja izhlapevanja W dizelskega goriva bo:

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

6. Masa hlapov dizelskega goriva m, ki so vstopili v prostor, bo enaka:

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

7. Določitev koeficienta Z udeležbe hlapov dizelskega goriva pri eksploziji se izvede v skladu z Dodatkom D.

7.1. Povprečna koncentracija Cav hlapov dizelskega goriva v prostoru bo:

C SR = = 0,18 % (vol.).

C SR = 0,18 % (vol.)<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 % (vol.).

7.3. Vrednost stehiometrične koncentracije C ST hlapov dizelskega goriva po formuli (A.3), ki temelji na kemijski bruto formuli dizelskega goriva, bo:

b = 12,343 + = 18,32,

CCT = = 1,12 % (vol.).

7.4. Vrednost parametra C* bo enaka:

C* = 1,19 × 1,12 = 2,13 % (vol.).

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

7.6. Po nomogramu slike D.1 (p.D.4) dodatka D pri vrednosti X = 0,33 določimo vrednost koeficienta udeležbe hlapov dizelskega goriva pri eksploziji Z = 0.

8. Prekomerni tlak eksplozije DP po formuli (A.2.1) bo:

DP = (900-101) × = 0 kPa.

9. Ocenjeni nadtlak eksplozije ne presega 5 kPa. Prostor vmesnega rezervoarja za gorivo rezervne dizelske elektrarne enotne postavitve ne spada v kategorijo A ali B. V skladu s klavzulo 5.2 in tabelo 1 bomo preverili, ali soba spada v kategorije B1-B4.

10. V skladu z odstavkom B.2 določimo požarno obremenitev Q in specifično požarno obremenitev 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. Specifična požarna obremenitev nad 2200 MJ × m - 2 . Prostor vmesnega rezervoarja za gorivo rezervne dizelske elektrarne enotne postavitve v skladu s tabelo B.1 spada v kategorijo B1.

1.1. Začetni podatki.

1.1. Prostor za sušilnico in impregnacijo elektrostrojnice. V prostoru sta dva rezervoarja za lakiranje tuljav polov BT-99 s potapljanjem z dovodnimi in odvodnimi cevovodi. Dimenzije prostora so L´S´H = 32´10´8 m, prostornina prostora je V p = 2560 m 3 . Prosta prostornina prostora V CB \u003d 0,8 × 2560 \u003d 2048 m 3. Površina prostora F = 320 m 2. Prostornina vsakega rezervoarja V ap \u003d 0,5 m 3. Stopnja polnjenja rezervoarja z lakom e = 0,9. Prostornina laka v rezervoarju V a \u003d e × V an \u003d 0,9 × 0,5 \u003d 0,45 m 3. Dolžina in premer dovodnega (tlačnega) cevovoda med rezervoarjem in črpalko L 1 = 10 m oziroma d 1 = 25 mm = 0,025 m. Dolžina in premer izpustnega cevovoda med ventilom in rezervoarjem L 2 \u003d 10 m oziroma d 2 \u003d 40 mm \u003d 0,04 m. Zmogljivost črpalke q \u003d 6,5 ∙ 10 - 5 m 3 × s - 1. Čas izklopa črpalke T a = 300 s. Vsak rezervoar se izmenično naklada in razklada naenkrat po 10 kosov. polne tuljave, nameščene v košari. Odprto izparilno ogledalo vsakega rezervoarja F cap = 1,54 m 2 . Skupna površina 10 kosov. sveže pobarvane polne tuljave F sv.okr \u003d 6,28 m 2.

1.2. Lak BT-99 (GOST 8017-74) vsebuje 46% (mas.) ksilena in 2% (mas.) belega špirita kot topila. Skupna masa topil vsebuje j 1 =95,83 % (mas.) ksilena in j 2 = 4,17 % (mas.) belega špirita. Gostota laka BT-99 r w = 953 kg × m - 3. Molska masa ksilena M = 106,17 kg × kmol - 1, belega špirita M = 147,3 kg × kmol - 1. Kemična formula ksilena C 8 H 10, belega duha C 10,5 H 21,0. Gostota tekočine ksilena r f = 855 kg × m - 3, belega žganja r f = 760 kg × m - 3. Plamenišče ksilena t flash \u003d 29 0 С, belega špirita t flash \u003d 33 0 С. .). Toplota zgorevanja ksilena H T = Q = 43154 kJ × kg - 1 = 43,15 MJ × kg - 1, belega žganja H T = = 43966 kJ × kg - 1 = 43,97 MJ × kg - 1. Konstante Antoinove enačbe za ksilen A=6,17972; B=1478,16; C A = 220,535; za beli špirit A=7,13623; B=2218,3; C A \u003d 273,15.

2. Utemeljitev izračunane različice nesreče.

Pri ugotavljanju nadtlaka eksplozije se upošteva razbremenitev ene posode z lakom za premazovanje polovnih tuljav po metodi potapljanja in iztekanje laka iz tlačnega in izpustnega cevovoda pri delujoči črpalki, ki mu sledi razlitje laka na tla. prostor, se vzamejo kot izračunan scenarij nesreče. Izhlapevanje ksilena in belega špirita se pojavi s površine razlitega laka, pa tudi z odprte površine drugega rezervoarja in s površine raztovorjenih lakiranih polnih tuljav (10 kosov). Za projektno temperaturo se vzame najvišja absolutna temperatura zraka v skladu s SNiP 2.01.01-82 na danem območju (Moskva) t p = 37 0 C. Gostota hlapov pri t p = 37 0 C:

ksilen kg × m - 3,

beli špirit kg × m - 3.

Ocenjeni čas izklopa cevovodov in črpalke po klavzuli A.1.2 c) T a = 300 s, trajanje izhlapevanja po klavzuli A.1.2 f) T = 3600 s.

3. Prostornina V l, površina razlitja F p laka, ki vstopa v prostor med projektno nesrečo, in površina izhlapevanja F I se določijo v skladu z določbami klavzule 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 kapa + F St. env \u003d 243,5 + 1,54 + 6,28 \u003d 251,3 m 2.

4. Določimo tlak P H nasičenih hlapov ksilena in belega žganja pri izračunani temperaturi t p = 37 0 С:

Za ksilen:

lgP H = 6,17972 -

P H \u003d 2,755 kPa,

Za beli špirit:

lgP H = 7,13623 -

PH = 0,964 kPa.

5. Hitrost izhlapevanja W topila bo:

Za ksilen:

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

Glede na beli duh:

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

6. V skladu z določili odstavkov 4.3 in A.1.1 določimo maso hlapov m glede na najnevarnejšo sestavino ksilen, ki je vstopila v prostor:

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

7. Določitev koeficienta Z udeležbe hlapov topil v eksploziji se izvede v skladu z Dodatkom D, pri čemer se upoštevajo vrednosti konstrukcijskih parametrov za ksilen ali beli špirit, ki so najbolj nevarni glede na posledice eksplozija.

7.1. Povprečna koncentracija Sav hlapov topil v prostoru bo:

C SR = = 0,30 % (vol.).

C CP = 0,30 % (vol.)< 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. Vrednost C H bo enaka:

CH = 100 × = 2,73 % (vol.).

7.3. Vrednost od 0 bo enaka:

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

7.4. Razdalje X NKPR, Y NKPR, Z NKPR bodo:

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

Pri NKPR = 1,1958 × 10 × = 9,86 m,

Z LEL = 0,04714 × 8 × = 0,31 m.

7.5. Koeficient Z udeležbe hlapov topil pri eksploziji v skladu s formulo (D.2) iz Dodatka D bo:

8. Vrednost stehiometrične koncentracije C CT po formuli (A.3) bo:

Za ksilen:

CCT = = 1,93 % (vol.),

Za beli špirit:

CCT = = 1,29 % (vol.).

9. Presežni tlak eksplozije DP po formuli (A.1) bo:

DP = (900 - 101) × kPa.

10. Izračunani nadtlak eksplozije presega 5 kPa, zato prostor oddelka za sušenje in impregnacijo elektrostrojnice spada v kategorijo B.

11. Izračun nadtlaka eksplozije DP v prostoru oddelka za sušenje in impregnacijo električne strojnice ob upoštevanju delovanja zasilnega prezračevanja ali stalno delujočega splošnega prezračevanja, ki izpolnjuje zahteve iz točke A.2.3. Upoštevan je primer, ko je menjalna hitrost zasilnega prezračevanja А=6 h - 1 .

11.1. Z večkratnostjo izmenjave zraka, ki jo ustvari zasilno prezračevanje, enako A \u003d 6 h - 1 \u003d 1,6667 × 10 - 3 s - 1, v skladu s klavzulo 3.4 "Priročnika", bo hitrost zraka v prostoru:

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

11.2. Hitrost izhlapevanja topila W (glede na ksilen) pri pretoku zraka v prostoru U = 0,05 m × s - 1 (z določeno rezervo, koeficient h = 1,6 v skladu s tabelo A.2) bo enako:

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

11.3. Masa hlapov topil, ki vstopajo v prostor (s ksilenom) m In bo:

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

11.4. Masa hlapov topil v prostoru m, ob upoštevanju delovanja zasilnega prezračevanja ali stalno delujočega splošnega prezračevanja, ki izpolnjuje zahteve klavzule A.2.3, bo enaka:

11.5. Povprečna koncentracija C SR hlapov topil v prostoru bo:

Z SR = (vol.).

C CP = 0,07 % (vol.)< 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. Vrednost od 0 bo enaka:

0,502 % (vol.).

11.7. Razdalje X NKPR, Y NKPR, Z NKPR bodo:

X LEL = 1,1958 × 32 × = 0 m,

Pri NKPR = 1,1958 × 10 × = 0 m,

Z LEL = 0,3536 × 8 × = 0 m.

X LEL, Y LEL, Z LEL v skladu z dodatkom E so enaki 0, ker dajejo logaritmi faktorjev parametrov, navedenih v formulah, negativne vrednosti. Zato je na podlagi formule E.1 iz Dodatka E tudi koeficient Z udeležbe hlapov topil enak Z=0. Če v formuli (A.2.1) nadomestimo vrednost koeficienta Z=0, dobimo nadtlak eksplozije DP=0 kPa.

11.8. Izračunani nadtlak eksplozije ne presega 5 kPa, zato je prostor oddelka za sušenje in impregnacijo elektrostrojnice, če je opremljen z zasilnim prezračevanjem ali stalno delujočim splošnim prezračevanjem, ki izpolnjuje zahteve klavzule A.2.3, z hitrost izmenjave zraka A = 6 h - 1, ne spada v kategorijo A ali B. Glede na točko 5.2 in tabelo 1 bomo preverili, ali prostor spada v kategorijo B1-B4.

11.9. V skladu z odstavkom B.2 določimo požarno obremenitev Q in specifično požarno obremenitev g:

G \u003d 2 × V a × r w \u003d 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 (v skladu z odstavkom B.2 sprejemamo S = 10 m 2),

g \u003d Mj × m - 2.

11.10. Specifična požarna obremenitev je več kot 2200 MJ × m - 2 . Prostor oddelka za sušenje in impregnacijo električne strojnice, če je opremljen z zasilnim prezračevanjem ali stalno delujočim splošnim prezračevanjem, ki izpolnjuje zahteve klavzule A.2.3, s stopnjo izmenjave zraka A \u003d 6 h - 1 v skladu s tabelo B.1, spada v kategorijo B1.

Sončna energija poganja neverjetno močan toplotni stroj, ki ob premagovanju gravitacije zlahka dvigne v zrak ogromno kocko (vsaka stranica meri približno osemdeset kilometrov). Tako s površine našega planeta v enem letu izhlapi meter debela plast vode.

Med izhlapevanjem tekoča snov postopoma prehaja v paro ali plinasto stanje, potem ko se najmanjši delci (molekule ali atomi), ki se gibljejo s hitrostjo, ki zadostuje za premagovanje kohezijskih sil med delci, odtrgajo od površine.

Kljub dejstvu, da je proces izhlapevanja bolj znan kot prehod tekoče snovi v paro, obstaja suho izhlapevanje, ko pri temperaturah pod ničlo led prehaja iz trdnega stanja v stanje pare, mimo tekoče faze. Na primer, če oprano vlažno perilo obesimo, da se posuši na mrazu, postane zelo trdo, ko zamrzne, a čez nekaj časa, ko se zmehča, postane suho.

Kako tekočina uhaja

Molekule tekočine se nahajajo skoraj blizu druga drugi in kljub dejstvu, da so med seboj povezane s silami privlačnosti, niso pritrjene na določene točke in se zato prosto gibljejo po celotnem območju snovi (nenehno trčijo drug ob drugega in spreminjajo hitrost).

Delci, ki gredo na površje, se med gibanjem pospešijo tako hitro, da zapustijo snov. Ko so enkrat na vrhu, ne ustavijo svojega gibanja in, ko premagajo privlačnost spodnjih delcev, odletijo iz vode in se spremenijo v paro. V tem primeru se del molekul zaradi kaotičnega gibanja vrne v tekočino, ostale pa gredo dlje v atmosfero.

Izhlapevanje se s tem ne konča, naslednje molekule izbruhnejo na površino (to se dogaja, dokler tekočina popolnoma ne izhlapi).

Če govorimo na primer o kroženju vode v naravi, lahko opazimo proces kondenzacije, ko se para, ki se koncentrira, pod določenimi pogoji vrne nazaj. Tako sta izhlapevanje in kondenzacija v naravi tesno povezana, saj se zahvaljujoč njima izvaja stalna izmenjava vode med zemljo, zemljo in ozračjem, zaradi česar je okolje oskrbljeno z ogromno količino koristnih snovi.

Omeniti velja, da je intenzivnost izhlapevanja za vsako snov drugačna, zato so glavne fizikalne lastnosti, ki vplivajo na hitrost izhlapevanja:

1. Gostota. Čim gostejša je snov, čim bližje so molekule med seboj, tem težje je zgornjim delcem premagati silo privlačnosti drugih atomov, zato je izhlapevanje tekočine počasnejše. Na primer, metilni alkohol izhlapi veliko hitreje kot voda (metilni alkohol - 0,79 g / cm3, voda - 0,99 g / cm3).
2. Temperatura. Na hitrost izparevanja vpliva tudi toplota izparevanja. Kljub temu, da proces izhlapevanja poteka tudi pri temperaturah pod ničlo, višja kot je temperatura snovi, večja je toplota izhlapevanja, kar pomeni, da se hitreje premikajo delci, ki s povečanjem intenzivnosti izhlapevanja zapustijo tekočino množično (zato vrela voda izhlapi hitreje kot hladna).zaradi izgube hitrih molekul se notranja energija tekočine zmanjša, zato se temperatura snovi med izparevanjem zniža. Če je tekočina v tem času blizu vira toplote ali se neposredno segreva, se njena temperatura ne bo zmanjšala, tako kot se ne bo zmanjšala stopnja izhlapevanja.
3. površina. Čim večjo površino zaseda tekočina, čim več molekul uide iz nje, tem večja je hitrost izhlapevanja. Če na primer vodo nalijete v vrč z ozkim vratom, bo tekočina izginila zelo počasi, saj se bodo izpareli delci začeli usedati na zožene stene in se spuščati. Hkrati pa, če vodo nalijete v posodo, bodo molekule prosto zapustile površino tekočine, saj ne bodo imele na čem kondenzirati, da bi se vrnile v vodo.
4. Veter. Proces izhlapevanja bo veliko hitrejši, če se bo zrak gibal nad posodo, v kateri je voda. Hitreje ko to naredi, hitrejša je stopnja izhlapevanja. Nemogoče je ne upoštevati interakcije vetra z izhlapevanjem in kondenzacijo.Molekule vode, ki se dvignejo s površine oceana, se delno vrnejo nazaj, večina pa se kondenzira visoko na nebu in tvori oblake, ki jih veter destilira na kopno, kjer kapljice padejo v obliki dežja in, ko prodrejo v tla, se čez nekaj časa vrnejo v ocean, oskrbujejo vegetacijo, ki raste v tleh, z vlago in raztopljenimi minerali.

Vloga v življenju rastlin

Pomena izhlapevanja v življenju vegetacije ni mogoče preceniti, zlasti če upoštevamo, da je živa rastlina osemdeset odstotkov vode. Če torej rastlini primanjkuje vlage, lahko umre, saj skupaj z vodo ne bo prejela hranilnih snovi in ​​mikroelementov, potrebnih za življenje.

Voda, ki se giblje po rastlinskem telesu, prenaša in tvori v sebi organske snovi, za nastanek katerih rastlina potrebuje sončno svetlobo.

In tu igra pomembno vlogo izhlapevanje, saj imajo sončni žarki sposobnost izjemno močnega segrevanja predmetov in zato lahko povzročijo smrt rastline zaradi pregrevanja (zlasti v vročih poletnih dneh). Da bi se temu izognili, vodo izhlapijo listi, skozi katere se v tem času sprosti veliko tekočine (na primer iz koruze izhlapi od enega do štirih kozarcev vode na dan).

To pomeni, da več ko pride vode v telo rastline, bolj intenzivno je izhlapevanje vode iz listov, rastlina se bo bolj ohlajala in normalno rasla. Izhlapevanje vode iz rastlin lahko občutite, če se med hojo v vročem dnevu dotaknete zelenih listov: zagotovo se bodo izkazali za hladne.

Komunikacija z osebo

Nič manj pomembna je vloga izhlapevanja v življenju človeškega telesa: s potenjem se bori proti vročini. Izhlapevanje običajno poteka skozi kožo in tudi skozi dihala. To lahko zlahka opazimo med boleznijo, ko se telesna temperatura dvigne, ali med športom, ko se intenzivnost izhlapevanja poveča.

Če je obremenitev majhna, telo zapusti od enega do dveh litrov tekočine na uro, pri intenzivnejšem športu, zlasti ko temperatura okolja preseže 25 stopinj, se stopnja izhlapevanja poveča in s potenjem lahko izstopi od tri do šest litrov tekočine.

Skozi kožo in dihala voda ne le zapusti telo, ampak vstopi vanj skupaj z okoljskimi hlapi (ni zaman, da zdravniki svojim bolnikom pogosto predpisujejo počitnice ob morju). Na žalost, skupaj s koristnimi elementi, vanj pogosto pridejo tudi škodljivi delci, med njimi kemikalije, škodljivi hlapi, ki povzročajo nepopravljivo škodo zdravju.

Nekatere med njimi so strupene, druge povzročajo alergije, tretje so rakotvorne, tretje povzročajo raka in druge prav tako nevarne bolezni, mnoge pa imajo več škodljivih lastnosti hkrati. Škodljivi hlapi vstopajo v telo predvsem skozi dihala in kožo, nato pa se takoj vpijejo v krvni obtok in se razširijo po telesu ter povzročajo toksične učinke in povzročajo resna obolenja.

V tem primeru je veliko odvisno od območja, kjer oseba živi (v bližini tovarne ali obrata), prostorov, v katerih živi ali dela, pa tudi časa, preživetega v pogojih, nevarnih za zdravje.

Škodljivi hlapi lahko vstopijo v telo iz gospodinjskih predmetov, kot so linolej, pohištvo, okna itd. Da bi ohranili življenje in zdravje, se je takšnim situacijam priporočljivo izogniti in najboljši izhod bi bil zapustiti nevarno ozemlje, vse do zamenjave stanovanja ali dela, pri urejanju doma pa bodite pozorni na certifikate kakovosti kupljenih materialov.

Oddelek za ETT. Disciplina "Osnove tehnologije elektronske komponente"

Laboratorijsko delo št. 1. Značilnosti nanašanja filmov

S termičnim vakuumskim izparevanjem

Cilj dela: seznanitev z značilnostmi generiranja in širjenja toka molekul v vakuumu ter s porazdelitvijo debeline filma po površini substrata velike površine pri termičnem vakuumskem izhlapevanju.

Osnovni pojmi in razmerja

Pri termičnem vakuumskem izhlapevanju nastane tok atomov ali molekul snovi, ko se material v vakuumu segreje na temperaturo, ki je blizu ali nad tališčem.

Izhlapevanje s površine tekoče faze ki se najpogosteje uporablja v tehniki. Za razlago mehanizma procesa je bilo predlaganih več modelov. V najpreprostejšem izmed njih se tekoča faza (staljeni material) obravnava kot sistem oscilatorjev, katerih površinske molekule so povezane z določeno energijo izhlapevanja. Predpostavlja se, da do prehoda v plinasto fazo pride, ko je energija nihanja molekul na površini enaka ali večja od energije izhlapevanja. Predpostavlja se tudi, da imajo vse površinske molekule enako vezavno energijo in enako verjetnost izhlapevanja. Zaradi interference nihanj oscilatorjev postane možno izhlapevanje posameznih molekul.

V izboljšanem statističnem modelu je stanje molekul na površini opisano z Maxwellovo energijsko porazdelitvijo in prostorsko porazdelitvijo, ki povezuje odmik molekul iz ravnotežnega položaja z njihovo potencialno energijo. Do izhlapevanja molekule pride, ko se premakne na tolikšno razdaljo, da postane njena potencialna energija enaka energiji izhlapevanja.

Eksperimentalne študije so pokazale, da je statistični model precej dobro uporaben za tekočine, katerih izhlapevanje nastane zaradi izmenjave posameznih atomov z enoatomsko paro (živo srebro, kalij, berilij in številne druge kovine). Podobno se obnašajo tudi nekatere organske tekočine, katerih molekule imajo sferično simetrijo in nizko entropijo izhlapevanja (na primer ogljikov tetraklorid - CCl 4).

V snoveh, katerih molekule imajo različne prostostne stopnje v kondenziranem in plinastem stanju, se med izhlapevanjem ne sme spremeniti le translacijsko gibanje, temveč tudi notranja energija molekul. Hkrati je statistično malo verjetno, da molekula na površini prejme v istem trenutku tako kinetično kot potencialno energijo, potrebno za izhlapevanje v termodinamičnem ravnovesju. Bolj verjetno je, da molekula najprej prejme potrebno kinetično energijo, nato pa mora pred trenutkom izhlapevanja prejeti kvantno notranjo energijo.

Menijo, da ima med različnimi vrstami notranje energije molekul največji vpliv na verjetnost izhlapevanja energija vrtenja. To potrjuje dejstvo, da je relaksacijski čas, potreben za molekulo z dodano kinetično energijo, da pridobi rotacijsko stopnjo svobode, daljši kot pri drugih procesih. Tako je izhlapevanje omejeno zaradi izgube ene prostostne stopnje, kar zmanjša število možnih stanj za molekule v tekoči fazi. Ta oblika omejitve faznega prehoda se imenuje entropijska omejitev.

Entropijsko omejeno izhlapevanje je potrjeno za tekočine z majhnimi polarnimi molekulami, ki izhlapevajo z nemotenih površin (bencin, kloroform, etanol, metanol itd.). Nekatere organske tekočine imajo rotacijsko stopnjo svobode in so v aktiviranem stanju.

Pri izhlapevanju kovin so glavna vrsta delcev v plinski fazi posamezni kovinski atomi, le majhen del (manj kot 0,1 %) pa so dvoatomne molekule. Pri nekaterih elementih (C, S, Se, Te, P, As, Sb) so pari sestavljeni iz večatomskih molekul.

Izhlapevanje s površine trdne faze, imenovano sublimacija, je razloženo s prisotnostjo na površini materiala monoatomskih korakov in stanj z različnim številom atomov v prvi in ​​naslednjih plasteh. Ker so vezne sile, ki delujejo na dani atom iz sosednjih atomov, aditivne (seštevajo se), bodo vrednosti energije izhlapevanja za atome v različnih stanjih različne. Najprej izhlapijo atomi z najmanjšim številom vezi (sosedi), kar ustvari ugodne pogoje za izhlapevanje drugih atomov.

Pri izparevanju materialov kompleksne sestave je treba upoštevati frakcioniranje snovi in ​​možnost disociacije. Zelo pomembno je upoštevati značilnosti interakcije uparjenega materiala z materialom uparjalnika.

Prehod delcev snovi iz uparjalnika na površino substrata spremljajo njihovi trki med seboj in z molekulami preostalih plinov. Da bi zmanjšali to interakcijo, se izhlapevanje izvaja pri tlaku nasičenih hlapov snovi, ki ni večji od 10 -2 Torr, in preostalih plinov - ne več kot 10 -4 - 10 -5 Torr.

Atomska kondenzacija(molekul) snovi nastane po prehodu materiala na površino substrata. Odvisna je od razmerja prostih energij toka delcev in površine. Režim rasti filma plast za plastjo (režim Frank–Van der Merwe) se uresniči, če je vezavna energija atomov nanesene snovi s substratom večja od vezivne energije atomov med seboj.

Režim Volmer-Weberjevega otoka se realizira, ko so atomi snovi med seboj vezani močneje kot na substrat. Majhna jedra rastejo in se spreminjajo v velike otoke kondenzirane faze. Ko zapolnijo vrzeli (kanale) med otoki, se združijo in tvorijo neprekinjen film.

V vmesnem režimu Stranski-Krastanov se najprej pojavi poplastna rast enega ali dveh monoslojev. Nato se začne rast otokov na njihovi površini. Ko so otoki dovolj veliki, se združijo in tvorijo neprekinjen film. Eden od razlogov za takšno vedenje je sprememba parametra rešetke med polnjenjem naslednje enoplastne plasti.

Izračun stopnje izhlapevanja

Masa izhlapele snovi ki pade na osnovno sferično območje iz uparjalnika majhne površine, je določeno z naslednjim razmerjem:

, (1)

kje je čas izhlapevanja; je kot med normalo na površino uparjalnika in smerjo na izbrano točko podlage; je polmer krogle, na kateri se nahaja elementarna sferična površina z izmerjeno količino snovi.

Hitrost izhlapevanja snovi v vakuumu se izračuna po formuli:

, (2)

kjer je hitrost izhlapevanja, g cm–2 s–1; je atomska (molekulska) masa snovi, je tlak njene nasičene pare, Torr; temperatura, K.

Nasičeni parni tlak snovi v prostornini izhlapevanja je določen z razmerjem:

, (3)

v katerem so količine in karakterizirane lastnosti uparjenega materiala. Za vse materiale periodnega sistema = 8,8 (za Si - 10,2); =/4,576, K; je toplota uparjanja, cal/mol. Vrednosti, gostote in tališča številnih kovin so podane v tabeli 1.

Za ravno podlago, katere površina se nahaja poljubno glede na površino ravnega uparjalnika končnih dimenzij majhne površine, se enačba (1) pretvori v obliko:

, (4)

kjer je kot med normalo na površino substrata in smerjo izhlapevanja.

Tabela 1

Pri praktični uporabi metode nanašanja filma ni pomembna količina uparjenega materiala, temveč debelina nastalega filma in njegova porazdelitev po površini substrata.

Izračun debeline filma

Te pravilnosti porazdelitve izhlapele snovi vodijo do dejstva, da porazdelitev debelina filma na površini podlage je lahko kompleksen. Ker je za osnovno območje substrata količina materiala (kjer je gostota uparjenega materiala), je debelina filma za poljubno nameščen substrat določena z razmerjem:

(5)

V tem razmerju je položaj točke podlage, na kateri se izračuna debelina filma, določen s tremi količinami.

Za uparjalnik z ravno površino majhno površino in ravno podlago, ki se nahaja na razdalji, vzporedni s površino uparjalnika (slika 1), je debelina filma določena z razmerjem:

, (6)

Kje ; je koordinata vzdolž površine substrata (razdalja od

Slika 1. Lokacija substrata glede na uparjalnik

središče podlage v točki A do točke B, v katerem je določena debelina filma); normalizirana vrednost koordinate; je skupna količina izhlapele snovi.

Največja debelina filma je dosežena na točki A substrata, relativna sprememba debeline filma za različne točke substrata pa ima v tem primeru obliko:

, . (7)

Točkovni uparjalnik je krogla, katere dimenzije so zanemarljivo majhne v primerjavi z razdaljo do površine podlage in njenimi dimenzijami. Iz takega uparjalnika izhlapi določena količina snovi v elementarni prostorski kot . Če je film odložen na poljubno nameščeno ravno podlago, potem, kot je razvidno iz slike, imajo glavna razmerja za točkovni uparjalnik naslednjo obliko:

; . (8)

Tabela 2 prikazuje odvisnost relativne debeline od x/h za točkovni in površinski uparjalnik.

Tabela - Odvisnost enakomernosti debeline od x/h

x/h		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

Pri standardnih dimenzijah substrata 60x48 mm pri razdalji med uparjalnikom in substratom 200 mm je neenakost debeline filma približno 10 %. In v sodobnih analogno-digitalnih pretvornikih zahteve za natančnost uporov (širjenje upora) niso večje od 0,05%. Za zagotovitev želene enotnosti pri nanašanju filmov na podlage velikih in majhnih velikosti se uporabljajo različne metode:

Uporaba uparjalnikov z velikimi površinami,

Uporaba obročnih uparjalnikov,

Uporaba velikega števila sočasno delujočih uparjalnikov,

Premikanje substratov po kompleksni (planetarni) poti,

Premik uparjalnika na strogo določeni razdalji glede na središče vrtljivega substrata,

Uporaba posebno oblikovanih rotacijskih diafragm s fiksno podlago.

Pri nanosu uparjalnik s ploščatim diskom končne mere polmera R dobijo ustrezni izrazi za debeline končno obliko:

, . (9)

Za obročni uparjalnik polmera R, katerega središče sovpada s središčem ravne podlage, ki je vzporedna z ravnino uparjalnika, ima izraz za debelino filma naslednjo obliko:

. . (10)

Najpogosteje v praksi je varianta z premik uparjalnika glede na središče vrtljivega substrata. Za to varianto z uparjalnikom majhne površine imajo ustrezni izrazi podobno obliko kot formule za obročasti uparjalnik. Razlika je v tem, da namesto polmera tankega obroča R formula vključuje razdaljo l od uparjalnika do osi vrtenja substrata.

. . (11)

Uporaba vrtljive diafragme (lopute) posebne oblike temelji na dodatni regulaciji količine materiala, ki se dovaja iz uparjalnika na eno ali drugo področje substrata. Zelo pomembno je, da središče vrtenja diafragme sovpada s središčem uparjalnika in substrata. Da bi zmanjšali nezaželeno zmanjšanje debeline, se tok izparele snovi na najbolj oddaljenih točkah substrata ne prekine. Ko se približujemo geometrijskemu središču substrata, mora biti rob zapirala lok naraščajoče dolžine, tako da trajanje prekinitve pretoka na kateri koli dani razdalji zagotavlja, da se stopnja nanosa na dani lokaciji zmanjša na hitrost pri najbolj oddaljene točke. Obrisi loput za homogeno prevleko so spirale, katerih natančne linije za različne pogoje dobimo z računalniškim izračunom. Uporaba rotacijskih diafragm omogoča doseganje enakomernosti debeline v delčkih odstotka. Pomanjkljivost metode je prevelika poraba materiala, saj se glavnina uparjenega materiala prekriva in useda na površino lopute.

Naloga za delo

Pri pripravi doma je treba za dani material in debelino filma uparjenega materiala določiti temperaturo površinskega uparjalnika majhne površine, pri kateri bo največja debelina filma d 0 enaka navedeni. Za izračun so uporabljene odvisnosti (2), (3), (7), podatki tabele in možnosti nalog.

Pri delu v laboratoriju v računalniškem eksperimentu je potrebno pridobiti naslednje odvisnosti:

Absolutna porazdelitev debeline d(x) za dani d 0 za površino z majhno površino, disk, obročast in odmaknjen od središča rotirajočih uparjalnikov substrata. (Za zadnje tri vrste uparjalnikov je treba najprej izbrati temperaturo, ki zagotavlja enako debelino d 0 pri x=0);

Relativno odstopanje debeline filma določenega materiala glede na razdaljo x nad površino substrata pri danem d 0 za proučevane uparjalnike;

Pri danem d 0 in velikosti substrata 100x150 mm 2 izberite tip uparjalnika, vse njegove karakteristike (razen F) in razdaljo h, ki zagotavljajo enakomernost debeline filma najmanj 2 %.

Opomba: Dodatne informacije, potrebne za izračun, so podane v seznamu "Možnosti nalog".

Zahteve za poročilo

Poročilo se sestavi posamično na listih A4. Pri pripravi doma je treba preučiti vsebino dela, izračunati temperaturo za svojo različico naloge in v pripravljeno poročilo vnesti glavne analitične odnose in zaporedje izračuna. Poročilo, pripravljeno za zagovor, mora vsebovati:

Teoretični del in rezultati izračuna (domače usposabljanje),

Skice konfiguracije izparilnega sistema,

Formule za izračun,

Zaporedje izračunov in porazdelitev absolutne in relativne debeline po diagonalah podlage,

Analiza rezultatov,

Odgovori na kontrolna vprašanja.

6. Varnostna vprašanja

Kaj določa največjo možno debelino filma med termičnim vakuumskim izparevanjem?

Kakšna razmerja povezujejo debelino filma s temperaturo uparjalnika?

Kako se praškasti materiali uparijo?

Katere vrste uparjalnikov se uporabljajo za uparjanje praškastih materialov?

Kaj je sublimacija?

Kakšne so zahteve za materiale za uparjalnike?

Pod kakšnimi pogoji se med izhlapevanjem pojavi sloj za slojem?

Kako poteka izhlapevanje s površine trdne faze?