Диссертация (1143641), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Общее количествоизрасходованного вещества А’ в реакторе сокращается, что выражается в общем увеличении егоконцентрации. Диффузия помогает полнее использовать исходные вещества для проведенияосаждения.На рисунке 4.4.7 показаны профили скорости осаждения. На рисунке 4.4.8 даназависимость максимальной скорости осаждения от числа Шмидта.Рисунок 4.4.7 – Распределение скорости осаждения в зависимости от числа ШмидтаРисунок 4.4.8 – Зависимость максимальной скорости осаждения от числа ШмидтаАнализ представленных графиков показывает нелинейные зависимости скоростиосаждения от числа Шмидта.
При большой скорости диффузии мы наблюдаем большиескорости осаждения. Поток вещества А’ от центральной части к границам реактора достаточновелик за счет диффузии, вещество A’ более полно расходуется в реакторе, повышая скоростьосаждения для всех значений r. С уменьшением константы диффузии (увеличение числа109Шмидта) происходит сокращение потока вещества А’ от центральной части потока к стенкамреактора, что определяет уменьшение скорости осаждения. Для больших значений r этоуменьшение более значимо, что приводит к большей локализации области осаждения, чтоотчетливо видно на рисунке 4.4.7.С другой стороны, с уменьшением скорости осаждения уменьшается потреблениевещества А’ в реакторе, что приводит к росту его концентрации, что уже отмечалось на рисунке4.4.4. Поскольку химическая реакция осаждения имеет первый порядок скорости по веществуА’, мы получаем нелинейную зависимость.
Скорость осаждения сперва падает за счетуменьшения диффузионного потока вещества А’, но потом возрастает, поскольку начинаетпреобладать фактор роста общей концентрации вещества А’ в реакторе. Локальный минимумскорости имеет величину 0,85 мкм/мин и располагается между значениями числа Шмидта 10 и100 (в численных экспериментах зафиксированы значения DR=0,85 мкм/мин для Sс=10). Приеще большем уменьшении вклада диффузии наблюдается рост скорости осаждения,обусловленный ростом концентрации вещества A’. Локальный максимум наблюдается длячисел Шмидта, лежащих между Sc=100 и Sc=1000.
В численных экспериментах для этих точекполучены значения скорости осаждения DR=2,84 и 2,66 мкм/мин соответственно. Придальнейшем увеличении числа Шмидта мы наблюдаем снижение скорости осаждения, котораяв пределе должна стать равной нулю при отсутствии диффузии вообще. Столь сложноеповедение скорости осаждения в зависимости от коэффициента диффузии объясняется тем, чтов реакторе присутствуют химические реакции на стенках центрального канала. Они с точкизрения процесса осаждения вещества на подложку являются вредными, поскольку расходуютвещество A’. Процессы расходования вещества А’ в реакциях осаждения на стенкахмикрореактора и процессы осаждения на подложке являются конкурирующими и варьированиесоотношения между этими процессами существенно влияет на скорость и распределениеобласти осаждения вещества, а также на общую эффективность работы микрореактора.4.5.
Влияние скорости объемной химической реакцииВ настоящем разделе рассматриется влияние константы скорости объемной химическойреакции первого порядка на распределение веществ в микрореакторе и скорость осаждения.Значение констант скорости, используемые в экспериментах, показаны в таблице 4.5.1Таблица 4.5.1. Параметры численных экспериментов №23-33№ Эксперимента-1kv1, с110523242526678410101010275∙103282932101030103110-13210-43210-8110На рисунках 4.5.1 и 4.5.2 показаны распределения массовой доли веществ А и A’ по осимикрореактора в зависимости от h при различных значениях параметра kv1. C ростом константыскорости падение концентрации исходного вещества А ускоряется.
При больших скоростяхгомогенной реакции практически все исходное вещество А разлагается в начале центральногоканала. При малых значениях, напротив, вещество А не успевает разложиться ни в центральномканале ни в остальной части микрореактора. В итоге его концентрация падает незначительно.Рисунок 4.5.1 – Распределение массовой доли вещества А по сечению реактора при r=0 мкмРисунок 4.5.2 – Распределение массовой доли вещества А’ по сечению реактора при r=0 мкмПри больших значениях константы скорость образования компонента A’значительная, чтоведет к его росту концентрации в начале центрального канала.
При большой концентрации А’начинает быстрее расходоваться в гетерогенных химических реакциях. Скорость егорасходования становится больше скорости образования из A , поскольку практически всеначальное вещество израсходовалось в районе входа в реактор. Это обпределяет быстроепадение концентрации А’, что иллюстрируется на рисунке 4.5.2. На нем график для значенияkv1=108 имеет большее значение абсолютного максимума, чем график для kv1=106, но уже при111h=40 мкм соотношение массовых долей меняется в обратную сторону.
Для случая малыхскоростей объемной реакции мы наблюдаем уменьшение концентрации компонента A’,поскольку скорость его образования уменьшается.В дополнение можем отметить, что помимо указанных особенностей в распределениимассовых долей веществ А и А’, концентрационные профили по другим сеченияммикрореактора не имеют существенных отличий от тех зависимостей, который были детальнопредставлены и объяснены в разделе 4.2.На рисунке 4.5.3 показаны зависимости скорости осаждения от радиуса на подложке приразличных значениях константы скорости химической реакции.
На рисунке 4.5.4 показаноизменение максимальной скорости осаждения от константы химической реакции.Рисунок 4.5.3 – Распределение скорости осаждения в зависимости от константы скоростигомогенной реакцииРисунок 4.5.4 – Зависимость максимальной скорости осаждения от константы скоростигомогенной реакцииСкорость осаждения немонотонно зависит от константы объемной химической реакции.Она имеет некоторое максимальное значение. При уменьшении константы скорости объемной112реакции вплоть до нуля, количество синтезируемого вещества А’ также уменьшается, до нуля впределе.
Этот участок имеет линейную характеристику. При очень большой скорости (впределе бесконечной) образования A’ из A, компонент А расходуется очень быстро, так что мыего можем исключить из рассмотрения и представить себе модельную химическую систему вкоторой происходит только одна гетерогенная реакция распада A’. При этом, т.к. начальнаяконцентрация вещества А’ в этом случае будет постоянной, при прочих фиксированныхпараметрах реактора распределение вещества А’ и, соответственно, максимальная скоростьосаждения не будет меняться при дальнейшем увеличении параметра kv1, что мы и наблюдаемна рисунке 4.5.4.Соотношение скоростей осаждения для очень больших значений kv1 и средних значенийэтого же параметра зависят от скорости поверхностной реакции.
Для очень больших начальныхконцентраций происходит интенсивное расходование вещества A’ в центральном канале, такчто до подложки он не доходит. Режим работы реактора в этом случае является крайне неэффективным, поскольку осаждение происходит не на подложке, а на стенках центральногоканала. Существет оптимальная скорость объемной реакции, которая при фиксированныхпараметрах системы, обеспечивает максимальную скорость осаждения на подложке.Форму профиля осаждения можно проанализировать по графикам на рисунке 4.5.3. Здесьнужно отметить, что при больших значениях параметра kv1 область осаждения имеетмаксимальную степень локализации. При уменьшении скорости объемной реакции происходитболее равномерное осаждение из-за роста концентрации веществ на выходе из реактора.4.6.
Влияние скорости поверхностной химической реакцииВ настоящем разделе рассматривается влияние константы скорости поверхностнойхимической реакции на распределение веществ в объеме микрореактора и скорость осаждения.Значение констант скорости в каждом численном эксперименте показаны в таблице 4.6.1Таблица 4.6.1. Параметры численных экспериментов №34-41№ Эксперимента13435363738394041ks1, с-110410610510310210110-10В поверхностной химической реакции учувствует только компонент A’, поэтомупространственное распределение вещества А в объеме микрореактора не изменяетсяотносительно исходной модели. На рисунках 4.6.1 и 4.6.2 показано распределение массовойдоли вещества А’ в разных сечениях микрореактора.113(а)(б)Рисунок 4.6.1 – Распределение массовой доли вещества А’ в реакторе: (а) r=0 мкм; (б) h=0 мкмРисунок 4.6.2 Распределение массовой доли вещества А’ в реакторе при h=25 мкмПри очень больших скоростях поверхностной реакции (ks1 от 108 до 104) картинараспределенияменяетсянезначительно.Этоозначает,чтолимитирующейстадией,определяющей концентрационные профили является диффузия.С уменьшением константы скорости поверхностной химической реакции можнонаблюдать существенный рост массовой доли A’ вдоль потока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
