5. Определение термодинамических условий проведения процесса

Условная схема реактора для осуществления процесса приведена на рисунке 11. Используется кварцевый реактор с тремя независимыми температурными зонами.

Рисунок 11 – Условная схема реактора

Для того, чтобы обеспечить синтез соединения, необходимо поддерживать температуры областей реактора постоянными. Для определения распределений температур в реакторе необходимо решить систему уравнений, где m = 4 выбрано из диапазона давлений (для n-типа), найденного в пункте 4, а – значение рабочей константы равновесия, полученное в пункте 1:

, откуда получаем:

Для расчета и воспользуемся аппроксимациями графиков на рисунках 6 и 8:

для Zn: :

.

для S₂: :

.

Распределение температур в реакторе показано на рисунке 12:

Рисунок 12 – Распределение температур в реакторе

6. Оценка возможности окисления цинка

6.1. Расчет термодинамических параметров

Рассмотрим процесс окисления цинка:

Расчет при температуре 298 K:

Расчет при рабочей температуре :

Т, К
298	3,36	-350500	-100,65		129,4
330	3,03	-350274	-99,93	-317297	115,7
600	1,67	-348681	-96,34	-290876	58,34
1100	0,91	-340008	-83,47	-248191	27,15

6.2. Расчет , построение графика

, отсюда:

Построим график и укажем на нем линии :

Рисунок 13 – График

Аппроксимируя график, получим уравнение . Подставим вместо y значение , получим температуру запрещенного окисления:

Как видно из графика (рис.13), область запрещенного окисления начинается только с температуры в 1786 К, при рабочей температуре в 1100 К, что означает возможность окисления почти на всем доступном температурном отрезке – от 298К до 1786К, не доходя только до температуры плавления соединения ZnS – 2100K.

7. Оценка диапазона давлений n- и p-типа электропроводности.

Вернемся к графикам (рис. 9 и 10):

Рисунок 14 – График с указанием диапазона давлений n- и p-типа электропроводности.

Для расчетов возьмем рабочую температуру – 1100К.

Для n-типа диапазон будет (-0,304; -5,25).

Для p-типа диапазон будет (-5,25; -8,76).

Рисунок 15 – График с указанием диапазона давлений n- и p-типа электропроводности.

Для расчетов возьмем рабочую температуру – 1100К.

Для n-типа диапазон будет (1,46; -5,55).

Для p-типа диапазон будет (-5,55; -15,45).

Заключение

В данной курсовой работе было приведено краткое описание структуры, свойств и применения сульфида цинка, приведена таблица с необходимыми термодинамическими данными, T-x проекция диаграммы состояния системы Zn-S.

Была рассчитана константа равновесия основного процесса и построена ее зависимость от температуры. Была определена рабочая точка: в пределах оцененного диапазона температур синтеза соединения ZnS была выбрана конкретная рабочая температура T_раб = 1100К, после чего от значения логарифма константы равновесия при этой температуре выбрано 10-ти процентное отклонение, которое мы назвали рабочей константой равновесия . В сумме, эти два значения дают нам рабочую точку: (1100 К; 16.61).

Был проведен анализ процессов сублимации и испарения компонентов Zn и S. В ходе анализа построены температурные зависимости равновесных давлений паров компонентов, после чего они были сравнены с данными из литературы. Некоторое отклонение присутствует, однако его можно списать на погрешности расчета.

Также, были построены P-T диаграммы для обоих компонентов, на которых дополнительно обозначена линия стехиометрии, после чего оценен диапазон изменения отношения P_Zn/P_S2 при рабочей температуре.

Далее были рассчитаны парциальные давления паров компонентов, а также оценены температуры источников газообразных компонентов.

Сразу после этого оценена возможность окисления металлического компонента Zn, для чего был построен график логарифма константы равновесия процесса окисления от температуры с указанием линии запрещенного окисления. Исходя из этого графика был сделан вывод: окисление разрешено на всем диапазоне температур от 298К до 1100К. Точка начала области запрещенного окисления: Т_окис = 1786К.

В самом конце были оценены диапазоны давлений (при рабочей температуре), в которых соединение ZnS имеет n-тип и p-тип электропроводности.