Термодинамічні розрахунки та гідродинамічні дослідження процесу високотемпературного очищення графіту в електротермічному псевдозрідженому шарі

Сімейко К. В.^1,2, Кожан О. П.², Сидоренко М. А.¹, Рябчук В. С.², Лобач К. В.³, Скоблик О. М.¹, Гавриленко В. С.¹, Сабєнін П. А.¹

¹ Інститут проблем безпеки АЕС НАН України, вул. Кірова, 36а, Чорнобиль, 07270, Україна
² Інститут газу НАН України, вул. Дегтярівська, 39, Київ, 03113, Україна
³ Національний науковий центр “Харківський фізикотехнічний інститут”, вул. Академічна, 1, Харків, 61108, Україна

DOI: doi.org/10.31717/2311-8253.24.2.7

Анотація

Загальне збільшення споживання електроенергії та розвиток ядерної енергетики, в тому числі ядерних реакторів нового покоління, де застосовуються матеріали на основі графіту, безумовно веде до зростання необхідності його виготовлення. Тому розробки та вдосконалення технологій виробництва графіту високої чистоти (у тому числі ядерної), а саме розуміння термодинамічних та гідродинамічних процесів очищення графіту, мають велике практичне значення. У роботі проведено термодинамічні розрахунки основних хімічних реакцій процесу високотемпературного очищення графіту. Для проведення термодинамічних розрахунків був взятий зразок природного графіту з чистотою до 94,33 %мас. зі складом домішок: SiO2 — 3,05 %мас.; Al2 O3 — 1,05 %мас.; Fe2 O3 — 1,01 %мас.; CaO — 0,2 %мас.; MgO — 0,31 %мас.; S — 0,048 %мас. Термохімічні параметри процесу визначалися термодинамічним методом (програма TERRA). Під час проведення розрахунку було взято 0,9433 моль С, 0,0305 моль SiO2, 0,0105 моль Al2 O3, 0,0101 моль Fe2 O3, 0,0002 моль CaO, 0,0031 моль MgO, 0,00048 моль S та 1 моль N2, діапазон температур: 300…3278 К, тиск 0,1 МПа. З отриманих результатів видно, що за температури вище 1600 К частина вихідного вуглецю окислюється до СО, а азот фактично не впливає на проходження процесів. А також враховуючи, що частина речовин СО; Si; SiC2; SiS; Al; Fe; Mg; Ca; SiO за температур 2800…3200 К перебувають у газовому стані та виносяться в очисник, з чого можна зробити висновок, що для проведення цього процесу температура реакції має бути вище 2800 К. Вивчення гідродинамічних особливостей графіту у псевдозрідженому шарі проводилось на створеній модельній установці з псевдозрідженим шаром. Робоча зона апарату виконана у вигляді графітового конуса з кутом розкриття 25°, що забезпечувало створення «фонтануючого шару». Крім того, частина зріджуючого агенту (азоту) подавалася в пульсуючому режимі. Для проведення досліджень було обрано 6 зразків графіту з різними фізичними властивостями і хімічним складом, об’єм засипки 0,5 л. На основі термодинамічних розрахунків основних термохімічних реакцій розроблено та холодних гідродинамічних випробувань створено лабораторну установку для дослідження процесу високотемпературного очищення графіту.

Ключові слова: графіт ядерної чистоти, електротермічний псевдозріджений шар, високотемпературна очистка, термодинаміка, гідродинаміка.

Список використаної літератури

1. Part of the substances (Si; SiC2; SiS; Al; Fe; Mg; Ca; SiO) that should be formed during the process of high-temperature purification of graphite at temperatures above 2800 K are in a gaseous state. Therefore, to carry out this process, the reaction temperature must be above 2800 K.

2. On the basis of thermodynamic calculations of the main thermochemical reactions, a laboratory installation for researching the process of high-temperature graphite purification was developed and cold hydrodynamic tests were created. References 1. Toniolo B. (2016). European Carbon and Graphite Association ECGA. Annual Report 2014–2015. Bruxelles, Belgium: EGGA, 19 p. Available at: http://www.ecga.net/sites/default/files/pdf/ecga_ar_2014–15_draft-final.pdf.

2. Jewell S., Kimball S. M. (2017). Mineral commodity summaries 2017. U. S. Geological Survey, Reston, U.S., 202 p., doi.org/10.3133/70180197.

3. Olson D. W. (2014). Graphite. U. S. Geological Survey Minerals Yearbook — 2014 Graphite [Advance release]. U. S. Department of the Interior, U. S. Geological Survey, 15 p.

4. Keeling J. (2017). Graphite: properties, uses and South Australian resources. MESA Journal, vol. 84 (3), pp. 28–41.

5. Siow K. S. (2017). Graphite Exfoliation to Commercialize Graphene Technology. Sains Malaysiana, vol. 46 (7), pp. 1047–1059. doi.org/10.17576/jsm-2017–4607–06.

6. Kalyoncu R. S. (2000). Graphite. U. S. Geological Survey Minerals Yearbook. Reston, US: U. S. Geological Survey, pp. 76–77.

7. Crossley P. (2000). Graphite: high-tech supply sharpens up. Industrial Minerals, vol. 398, pp. 31–47.

8. Vasilenko I. Ya., Osipov V. A., Rublevskij V. P. (1992). Radioaktivnyj uglerod [Radioactive carbon]. Priroda, no. 12, pp. 59–65. (in Rus.)

9. Vlasova K. P. (1964). Grafit kak vysokotemperaturnyj material [Graphite as a high temperature material.]. Collection of articles. Moscow: Mir, 420 p. (in Rus.)

10. Zhmurikov Ye. I., Bubnenkov I. A., Dremov V. V., Samarin S. I., Pokrovskiy A. S., Kharkov D. V. (2013). Grafit v nauke i yadernoj tekhnike [Graphite in science and nuclear engineering]. Novosibirsk, 193 p. (in Rus.)

11. Dollezhal N. A., Yemelyanov I. Ya. (1980). Kanalnyj yadernyj energeticheskij reaktor [Channel nuclear power reactor], Moscow: Atomizdat, 208 p. (in Rus.)

12. Komir A. I., Odeychuk N. P., Nikolaenko A. A., Tkachenko V. I., Derevyanko V. A., Krivchenko O. V., Shepelev A. G. (2016). [Graphite as a Structural Material for Generation IV Nuclear Energy Systems]. Voprosy Atomnoj Nauki i Tehniki [Issues of Atomic Science and Technology], vol. 1 (101), pp. 51–55. (in Rus.)

13. Barsukov V. Z., Khomenko V. G., Senik I. V., Chernyy O. Sh. (2013). [Lithium batteries for transport applications: modern problems and prospects]. Voprosy Khimii i Khimicheskoj Tehnologii [Issues of Chemistry and Chemical technology], no. 4, pp. 127–131. (in Rus.)

14. Moradi B., Botte G. G. (2016). Recycling of graphite anodes for the next generation of lithium ion batteries. Journal of Applied Electrochemistry, vol. 46 (2), pp. 123–148. doi.org/10.1007/s10800-015-0914-0.

15. Li J., Henry F., Feng Y. (2017). How to develop best carbon/graphite products for lead-carbon battery applications (Superior Graphite). Poster session presented at the 10th International conference on leadacid batteries LABAT’2017, (Golden Sands, Bulgaria 13–16 June 2017), p. 23.

16. Elementenergy. Cost and performance of EV batteries (Final report for The Committee on Climate Change). Retrieved from Elementenergy, 2012, 91 p.

17. Simeiko K. V., Kupriianchuk S. V., Syniahovskyi A. O. (2023). Technologies and Promising Developments of Graphite Production (Overview). Nuclear Power and the Environment, vol. 4 (26), pp. 9–23. doi.org/10.31717/2311-8253.23.1.2. (in Ukr.)

Повний текст (PDF)

---