Диссертация (1143641), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Однако даже для самогомаленького ненулевого значения константы скорости поверхностной реакции (0,1) наблюдаетсяпадение массовой доли A’ вдоль реактора, что свидетельствует о том, что его потребление вхимических процессах на поверхности все еще больше, чем синтез из A, при установленных вмодели значениях константы скорости гомогенной химической реакции. Только для случаянулевой скорости поверхностной реакции мы видим обратную картину, когда концентрация A’увеличивается к выходу из реактора за счет его образования из A. В общем случае это верно идля очень малых ненулевых значений констант скорости поверхностной химической реакции.Показанные на рисунке 4.6.2 профили массовой доли A’ в поперченном сечениицентрального канала позволяют судить о том, как меняется лимитирующая стадия с114уменьшением константы скорости гетерогенной химической реакции. Для больших значенийпараметра ks1 концентрация A’ на стенке реактора равна нулю, что говорит о том, что всевещество, которое достигает стенок, расходуется в поверхностных реакциях, которые имеютдостаточно высокую скорость.
Процесс лимитируется диффузией вещества A’ из объема кповерхности. С уменьшением константы скорости гетерогенной реакции массовая доля A’непосредственно около поверхности начинает принимать ненулевые значения, вплоть до 1, приks1=0. Т.е. диффузия в направлении поперек потока выравнивает распределение концентрациикомпонента А’, который не успевает расходоваться в медленных поверхностных реакциях.Лимитирующей стадией становится химическая реакция на поверхности.На рисунке 4.6.3 показаны распределения скорости осаждения на подложке приразличных значения константы скорости гетерогенной химической реакции. На рисунке 4.6.4показано как изменяется максимальная скорость осаждения при варьировании этого параметра.Рисунок 4.6.3 – Распределение скорости осаждения в зависимости от константы скоростигетерогенной реакцииРисунок 4.6.4 – Зависимость максимальной скорости осаждения от константы скоростигетерогенной реакции115При больших значениях константы скорости гетерогенной химической реакциинаблюдается высокая скорость осаждения.
В рассматриваемых условиях ни в одном случае онане падает до нуля при больших значениях r. С уменьшением константы скорости гетерогеннойхимической реакции уменьшается максимальная скорость осаждения, а степень локализациисущественно ухудшается. Распределение скорости осаждения становится более равномернымпри всех значениях r.
С уменьшением скорости поверхностной химической реакции прификсированной скорости объемной реакции, компонент A’ расходуется в реакторе менееинтенсивно и его концентрация остается большой даже в районе выхода из реактора прибольших значениях r, что приводит к равномерному осаждению на подложке.Нелинейный и немонотонный характер изменения максимальной скорости осаждениявиден из рассмотрения графика на рисунке 4.6.4. Можно отметить практически неизменнуюскорость осаждения при очень больших значениях параметра ks1. В этих случаях скоростьосаждения лимитируется процессом диффузии компонента A’ к поверхности. Поскольку в этойсерии численных экспериментов мы не изменяем этот параметр, концентрация A’ надподложной также не изменяется, что и приводит к постоянству скорости осаждения.
Другойкрайний случай соответствует малому, в пределе нулевому, значению константы скоростихимической реакции. Здесь скорость осаждения лимитируется малой скоростью самиххимических процессов, несмотря на то, что концентрация вещества A’ над подложкойдостаточно высокая за счет диффузии компонента из центральной части потока. Такобъясняется левая часть графика на рисунке 4.6.4.Нерешенным остается вопрос о том, существует ли локальный максимум скоростиосаждения в рассмотренных пределах изменения параметра ks1 или максимальное значениеравно пределу скорости осаждения при очень больших значениях константы скоростигетерогенной химической реакции. Основываясь на имеющихся модельных представленияхобобщенно на него ответить нельзя.
В рассмотренном случае при фиксированных параметрахсистемы мы наблюдаем небольшой рост максимальной скорости осаждения, который дляks1=1000 с-1 соответствует скорости осаждения 3,48 мкм/мин, против предельного значения 3,40мкм/мин для ks1=108 с-1. Существование этого небольшого локального максимума объясняетсявлиянием двух конкурирующих факторов, влияющих на скорость осаждения. При падениизначений константы скорости поверхностной реакции уменьшается расходование компонентаA’ в центральном канале на стенках реактора, что приводит к росту концентрации A’, что всвою очередь повышает скорость осаждения на подложке. Однако и скорость осаждения наподложке уменьшается с падением константы скорости химической реакции. Влияние этихдвух противоположных факторов и создает в данном случае небольшой локальный максимумскорости осаждения.
Очевидно, что здесь играют достаточно большую роль параметры116скоростиобъемнойхимическойреакции,диффузиикомпонентаA’,определяющиеконцентрационные профили, а также геометрия самого микрореактора, которая можетспособствовать или препятствовать процессам расходования A’ в нецелевых областях,которыми являются стенки реактора. Из-за этих факторов невозможно обобщенно сказать будетли наблюдаться максимум скорости осаждения при варьировании константы скоростигетерогенной химической реакции. Этот вопрос необходимо решать в каждом случае отдельно.4.7. Влияние начальной концентрацииВ настоящем разделе рассматривается влияние начальной концентрации вещества А нараспределение компонентов в объеме микрореактора и скорость осаждения. Значение массовыхдолей компонента А во входном потоке в данной серии экспериментов указаны в таблице 4.7.1Таблица 4.7.1.
Параметры численных экспериментов №42-49№ Эксперимента14243444546474849ω0(Α)10-25∙10-310-35∙10-410-42∙10-23∙10-24∙10-25∙10-2На рисунке 4.7.1. показано распределение массовой доли вещества А по оси центральногоканала микрореактора.Рисунок 4.7.1 – Распределение массовой доли вещества А при r=0 мкмХарактер изменения концентрации вещества А вдоль оси реактора принципиально неизменяется, варьируются только численные значения. Другие профили концентрации веществ Аи А’ не претерпевает никаких изменений, по сравнению с описанным случаем в численномэксперименте №1. При рассматриваемых параметрах системы изменение массовой долиисходного реагента А влияет только на численные характеристики концентрационныхпрофилей.
Характер этих зависимостей не изменяется, реактор работает в том же режиме,117лимитирующие стадии и другие факторы, существенно влияющие на характер работы неменяются. Профили скорости осаждения на подложку показаны на рисунке 4.7.2. На рисунке4.7.3 показано изменение максимальной скорости осаждения в зависимости от начальноймассовой доли вещества А.Рисунок 4.7.2 – Зависимость скорости осаждения от начальной массовой доли АРисунок 4.7.3 – Зависимость максимальной скорости осаждения от начальной массовой доли АФорма профиля скорости осаждения качественно не изменяется. Максимальное значениескорости осаждения растет линейно во всем рассматриваемом диапазоне массовых долейисходного вещества А. При выбранных параметрах системы варьирование начальнойконцентрации вещества А в указанных диапазонах не влияет на лимитирующие стадии.Рост начальной концентрации вещества А ведет к увеличению массовой доли А’.
По этойпричине лимитирующей стадией процесса осаждения может стать не диффузия компонента кподложке, а скорость поверхностной химической реакции. В рассмотренном диапазонеизменений малой начальной концентрации мы не наблюдаем этого явления и можем говорить олинейном изменении скорости осаждения.1184.8. Влияние реакций на стенках микрореактораИзучив свойства системы при изменении основных параметров, отдельно рассмотримнекоторые частные случаи, существенно влияющие на характеристики системы.В первую очередь необходимо рассмотреть вопрос об учете поверхностных химическихреакций, протекающих на стенках микрореактора. Наличие таких процессов приводит к тому,что химический реагент A’ расходуется в реакциях на стенках центрального микроканала и егоконцентрация в районе подложки падает, что может негативно влиять на скорость и профильосаждения. Рассмотрим предельный идеальный случай, когда на стенках микрореактораосаждение не происходит вообще.
Проведем с таким условием численный эксперимент №50,оставив все остальные параметры модели такими, какие они приняты для эксперимента №1.На рисунке 4.8.1(а) показан график распределения вещества A’ по оси микрореактора. Нарисунке 4.8.1(б) показан график распределения A’ по высоте над подложкой при r=25. Нарисунке 4.8.2 сравниваются графики распределения скорости осаждения когда отсутствуютповерхностные реакции на стенках реактора, с профилем осаждения для эксперимента №1.(а)(б)Рисунок 4.8.1 – Распределение массовой доли вещества А’ в реакторе: (а) r=0 мкм; (б) r=25 мкмРисунок 4.8.2 – Распределение скорости осаждения в зависимости от наличия или отсутствиягетерогенных химических реакций на стенках микрореактора119Влияние процессов осаждения на стенках микрореактора негативно сказывается напроцесс осаждения на подложку.
Если такие процессы не идут или крайне замедлены, то вреакторе наблюдается повышение массовой доли вещества А’. Это непосредственно ведет кросту скорости осаждения на подложку. Увеличение максимальной скорости осаждения с 3,42мкм/ мин до 25,25 мкм/мин, т.е. более чем в 7 раз, показывает влияние наличия процессовосаждения на стенках микрореактора. Между этими двумя крайними случаями (скоростьповерхностной реакции на стенках микрореактора равна скорости реакции на подложке(Эксперимент №1) или нулю (Эксперимент №50)) располагаются промежуточные значения,когда процессы на стенках микрореактора идут с ненулевой интенсивностью, но медленнее,чем на самой подложке. Для повышения эффективности работы микрореактора необходимостремиться свести побочный расход реагента на стенках к минимуму. Это можно сделать или засчет снижения температуры стенок или изменив геометрию микроканала, сократив его длину,увеличив скорость течения в нем или проводя специальную обработку поверхности.4.9.
Влияние неравномерного распределения температурыВ данном разделе рассматривается влияние распределения температуры в объемереактора на поведение системы. Как мы уже говорили ранее, температура одновременно влияетна несколько свойств системы, как газодинамических (плотность, вязкость), так и химических(постоянная диффузии, скорость химической реакции). В настоящем разделе рассматриваетсявлияние температуры, в случае, который не может быть смоделирован путем подбора другихпараметров. Речь идет об изучении влияния температуры на скорость химической реакции принеравномерном распределении теплового поля внутри объема реактора.Основное отличие серии данных численных экспериментов от базового эксперимента №1заключается в том, что температура подложки не равна температуре стенок микрореактора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
