CC BY
5
Karakich Egor Andreevich, Student,
Samara State Technical University, Russia,Samara
Samboruk Anatoly Romanovich, Professor, Doctor of Technical Sciences, Samara State Technical University, Russia,Samara
REDUCTION OF THE COMBUSTION TEMPERATURE DURING THE SYNTHESIS OF TIC BY ADDING NACL
Abstract: In this work, in order to reduce the combustion temperature and, as a consequence, the possibility of obtaining nanomaterials, it was decided to dilute the initial charge Ti + C with crushed table salt (NaCl) of various amounts. SHS, it is necessary to ensure the required minimum temperature of the charge combustion. As the combustion temperature decreases, the degree of agglomeration of nanoparticles decreases. In this case, it is important to reduce the reaction temperature with agents that would not participate in the reaction and would not affect the composition of the resulting product. The flammability limit of the mixture was found, with a change in the concentration of NaCl, the rate and temperature of combustion of the mixture were measured.
DOI: 10.47581/2021/SMTT/.6.38.06 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕАКЦИЙ РАСТВОРНОГО СВС НИКЕЛЬ-ХРОМОВОЙ ШПИНЕЛИ NICR2O4 Новиков Владислав Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Челнокова Алина Юрьевна, студент (e-mail: [email protected]) Качкин Егор Максимович, студент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе представлены результаты расчетов значений адиабатических температур реакций синтеза никель-хромовой шпинели NiCr2O4 методом растворного СВС. В ходе расчетов было изучено влияние следующих исходных условий на результаты расчетов адиабатических температур реакций: соотношение окислитель/горючее, соотношения нитратов никеля/хрома, pH исходного раствора. Полученные результаты расчетов адиабатических температур могут быть использованы для прогнозирования характера протекания синтеза в заданных условиях, а также оценке влияния исходных условий на возможную структуру и состав получаемых продуктов синтеза.
Ключевые слова: термодинамический анализ, условия приготовления растворов, синтез горением, никель-хромовая шпинель, адиабатическая температура, растворный СВС.
Введение.
Расчет адиабатической температуры реакции позволяет дать оценку, возможно или нет прохождение этой реакции в режиме самоподдерживающегося горения, другими словами возможно ли реализовать для этой реакции процесс СВС [1]. Для составов, исходные реагенты которой находятся в твердой фазе, рассчитанные адиабатические температуры удовле-
творительно согласуются с экспериментальными данными по температурам горения этих составов. В свою очередь для процесса растворного СВС проведение расчетов адиабатических температур синтеза связано с определенными трудностями [2, 3]. В первую очередь эти трудности вызваны следующими особенностями протекания процесса: высокая скорость сгорания в конденсированной и газовой фазах, активное взаимодействие реагентов и продуктов их взаимодействия в реакционной зоне с окружающей воздушной средой. Несмотря на то, что значения рассчитываемых адиабатических температур для реакций растворного СВС часто не согласуются с экспериментально измеренными температурами синтеза, оценка адиабатической температуры реакции позволяет спрогнозировать протекание процесса и организовать условия для его проведения [4, 5].
Для оптимизации и упрощения процесса расчета адиабатических температур реакций в настоящее время активно используются компьютерные программы, что позволяет получать данные адиабатических температур близких к экспериментально измеренным температурам. Одной из таких программ является программа THERMO, которая позволяет проводить термодинамический анализ процессов синтеза горением [6]. В данной программе расчет адиабатической температуры основан на алгоритме минимизации потенциала изучаемой системы.
Исходя из вышесказанного, целью данной работы является расчет адиабатических температур реакций синтеза никель хромовой шпинели в программе THERMO и оценка влияния состава исходных реакционных растворов на их величину.
Методика исследования
Используемые при расчетах энтальпии образования исходных реагентов (нитрат никеля, мочевина, азотная кислота) были взяты из справочной литературы [7]. Уравнения химического взаимодействия между исходными реагентами были составлены, исходя из значений валентностей исходных реагентов [8].
Уравнение образования никель-хромовой шпинели NiCr2O4 в процессе растворного СВС имеет вид:
aNi(NO3)2+bCr(NO3)3+nCO(NH2)2+(10a^15b)[(T^^^Ti^)n-1]O2= = aNiO + b/2Cr2O3+2nH2O+nCO2+(——) N2
2 3 2 2 2+n 2
NiO + G2O3 = NiCr2O4
При изменении кислотности начального раствора, азотная кислота (реагент для варьирования pH) разлагается по следующему уравнению:
mHNO3=(1/2)mH2O+(1/2)mN2+(1/2)mO2
В проведенных расчетах для оценки влияния содержания горючего (горюче-богатые смеси/горюче-бедные смеси) на процесс растворного СВС, был введен коэффициент ф, который влияет на поглощение системой атмосферного кислорода. В случае горюче-бедных смесей (ф<1) кислород из исходных соединений выделяется в атмосферу; в случае горюче-богатых смесей (ф>1) кислорода из исходных соединений не хватает для протекания реакций окисления и система потребляет атмосферный кислород.
ф= (---)n
Y 10a+15ft
В данной работе было изучено влияние следующих исходных условий на результаты расчетов адиабатических температур реакций: соотношение окислитель/горючее, соотношения нитратов никеля/хрома, pH исходного раствора. Соотношения компонентов, которые были использованы для проведения расчетов, представлены в таблицах 1-3.
В таблице 1 представлены исходные условия для проведения расчетов адиабатических температур в программе THERMO для реакций при изменении соотношения окислитель/горючее в составе смеси исходных компонентов. Стехиометрическое соотношение исходных компонентов соответствуют составу при ф=1.
Таблица 1
ф 0,3 0,75 1 1,2 1,8 2,7 4,05
n, моль 2 5 6,67 8 12 18 27
В таблице 2 представлены исходные условия для проведения расчетов адиабатических температур в программе THERMO для реакций при изменении соотношения нитратов никеля и хрома в составе смеси исходных компонентов. Стехиометрическому соотношению (1/1) исходных нитратов никеля и хрома соответствует состав при 26,6% содержании нитрата никеля Ni(NO3)2.
Таблица 2
Ni(NO3)2, 100 64,5 47,6 37,7 31,2 26,6 22,5 17,9 12,7 6,8 0
масс %
а 1 1 1 1 1 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
b 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2 2 2 2 2
В таблице 3 представлены исходные условия для проведения расчетов адиабатических температур в программе THERMO для реакций при изменении содержания дополнительного окислителя - азотной кислоты в составе исходной смеси компонентов.
СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №6 (39), 2021 41
Таблица 3
pH реакционного раствора 2,3 2,1 1,8 1,6
m, моль 0 0,7 1 2
Результаты и их обсуждение.
На рисунке 1 представлена графическая зависимость рассчитанных в программе THERMO значений адиабатических температур реакций синтеза никель-хромовой шпинели для составов указанных в таблице 1 (варьирование содержания горючего-мочевины).
Ф
Рисунок 1 - График зависимости значений адиабатических температур реакций растворного СВС никель-хромовой шпинели от содержания горючего
Из представленного на рисунке 1 графика видно, что с ростом содержания мочевины (горючего) наблюдается рост адиабатической температуры реакции. При содержании горючего от 8 моль (ф=1,2) и выше, реакция синтеза никель-хромовой шпинели будет протекать в режиме горения, то есть для нее возможна реализация режима растворного СВС (Таэ>2073К). Для составов при ф<1 (содержание мочевины n<6,67 моль) протекание реакции в режиме растворного СВС будет маловероятно.
На рисунке 2 представлена графическая зависимость рассчитанных в программе THERMO значений адиабатических температур реакций синтеза никель-хромовой шпинели для составов с изменением соотношения нитратов никеля и хрома в составе смеси исходных компонентов (таблица 2).
2500 п
ей
2000 Н
а
(D
Si 1500 н
(D
н
¡3 1000 Н f s
Й s
500
3
100 64,5 47,6
37,7 31,2 26,6 22,5 17,9 Содержание Ni(NO3)2, %
12,7 6,
Рисунок 2 - График зависимости значений адиабатических температур реакций растворного СВС никель-хромовой шпинели от содержания нитрата никеля
Из представленного на рисунке 2 графика видно, что при изменении содержания нитрата никеля в составе смеси исходных компонентов, адиабатическая температура меняется незначительно и для всех составов составляет более 2073К и как следствие указывает на возможность протекания реакции синтеза в режиме горения (для этих составов возможна реализация процесса растворного СВС).
^ 2500 и
2000
а р
£ р
е
а
£ 1500 Н
w
м 1000 н
Й
1 500 и
3
0,7 1
Количество HNO3, моль
Рисунок 3 - График зависимости значений адиабатических температур реакций растворного СВС никель-хромовой шпинели от содержания азотной кислоты
На рисунке 3 представлена графическая зависимость рассчитанных в программе THERMO значений адиабатических температур реакций синтеза никель-хромовой шпинели для составов с различным содержанием до-
0
0
0
полнительного окислителя - азотной кислоты в составе исходной смеси компонентов (таблица 3).
Из представленного на рисунке 3 графика видно, что при изменении кислотности (pH) исходного реакционного раствора (увеличении содержания азотной кислоты), адиабатическая температура меняется незначительно и для всех составов составляет более 2073К. Это указывает на возможность протекания данных реакций синтеза никель-хромовой шпинели в режиме горения (для этих составов возможна реализация процесса растворного СВС).
Заключение
В статье представлены результаты значений адиабатических температур реакций синтеза никель-хромовой шпинели NiCr2O4 методом растворного СВС. Расчеты адиабатических температур были проведены при изменении следующих исходных условий приготовления реакционных растворов: соотношение окислитель/горючее, соотношения нитратов никеля/хрома, pH исходного раствора. По полученным результатам можно сделать следующие выводы: оптимальные условия реакционного раствора для реализации растворного СВС никель-хромовой шпинели: содержание мочевины ф>1,2; соотношение нитратов никеля/хрома и содержание дополнительного окислителя (азотной кислоты) кислотности - без ограничения в рамках рассмотренных значений.
Список литературы
1. Munir, Z.A. Self-propagating exothermic reactions: The synthesis of high-temperature materials by combustion. / Z.A. Munir, U. Anselmi-Tamburini // Mater. Sci. Rep., 1989. -Vol. 3. - №6. - P. 277-365.
2. Росляков С.И. Получение нанокристаллических порошков Ni и Fe2O3 методом СВС в растворах и исследование их каталитических и магнитных свойств: дис... канд. техн. наук. Москва: МИСИС, 2016. 146 с.
3. Khaliullin, Sh. M. Solution-combustion synthesis of oxide nanoparticles from nitrate solutions containing glycine and urea: Thermodynamic aspects / Sh.M. Khaliullin, V.D. Zhuravlev, V. G. Bamburov // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis., 2016. - Vol. 25. - №3 - P. 139-148.
4. Моисеев Н.В. Термодинамический анализ растворного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза наночастиц меди и ее оксидов/ Моисеев Н.В., Новиков В.А., Амосов А.П.// Журнал «Вектор науки Тольяттинского государственного университета», 2019. - №3 (49). - С.15-22.
5. Khaliullin, Sh. M. Solution-combustion synthesis of MZrO3 zirconates (M = Ca, Sr, Ba) in open reactor: Thermodynamic analysis and experiment/ Sh.M. Khaliullin, V.D. Zhuravlev, V. G. Bamburov // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis., 2017. - Vol. 26 - №2 - P. 93-101.
6. А.с. №255221 СССР. Способ синтеза тугоплавких неорганических оединений / А.Г. Мержанов, В.М. Шкиро, И.П. Боровинская (СССР), 1967. Пат. 2088668 (Франция), 1972. Пат 3726643 (США), 1973. Пат. 1321084 (Англия), 1974. Пат. 1098839 (Япония), 1982
7. Лидин Р.А., Андреева Л. Л., Молочко В. А. Константы неорганических веществ: справочник. М.: Дрофа, 2006. 685 с.
8. Ширяев, А. А. Особенности использования метода термодинамического анализа при исследовании процессов СВС/ А.А. Ширяев // Инженерно-физический журнал. 1993. Т. 65. №4. С.412-419.
Kachkin Egor Maksimovich, student
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russi
Novikov Vladislav Aleksandrovich, PhD in Eng. Sci., associate professor
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
Chelnokova Alina Yurievna, student
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
THERMODYNAMIC ANALYSIS OF REACTIONS SCS OF NICKEL-CHROMIUM SPINEL NICR2O4
In this article present the results of calculations of the adiabatic temperatures of the reactions of the synthesis of nickel-chromium spinel NiCr2O4 by the SCS method. During the calculations, the influence of the following initial conditions on the results of calculations of adiabatic reaction temperatures was studied: the ratio of oxidizer/fuel, the ratio of nickel/chromium nitrates, the pH of the initial solution. The obtained results of calculations of adiabatic temperatures can be used to predict the nature of the synthesis under given conditions, as well as to assess the influence of the initial conditions on the possible structure and composition of the synthesis products obtained.
Keywords: thermodynamic analysis, conditions for the preparation of solutions, combustion synthesis, nickel-chromium spinel, adiabatic temperature, SCS.
