English version
ISSN 1817-2172, рег. Эл. № ФС77-39410, ВАК

Дифференциальные Уравнения
и
Процессы Управления

О журнале История Журнала Издатель Адреса Тематика Редакторский состав Рецензирование Для авторов Издательская этика Коллекция номеров English version

Кинетическая Модель Процесса Сублимации Хлорида Аммония

Автор(ы):

Максим Игоревич Кузьмин

научный сотрудник группы разработки программного обеспечения, моделирования и цифровизации
Государственного научно-исследовательского и проектного института редкометаллической промышленности «Гиредмет»
имени Н.П. Сажина,
аспирант кафедры информационных компьютерных технологий Российского химико-технологического
университета имени Д.И. Менделеева

mimikatz@mail.ru

Давид Ильич Кушнирук

начальник группы разработки программного обеспечения, моделирования и цифровизации
Государственного научно-исследовательского и проектного института редкометаллической промышленности «Гиредмет»

DIKushniruk@rosatom.ru

Никита Сергеевич Романов

младший научный сотрудник отдела технологии пленочных материалов Научно-исследовательского института
конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит» имени С.Е. Вяткина,
аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии Российского химико-технологического
университета имени Д.И. Менделеева

NSRomanov@rosatom.ru

Егор Андреевич Данилов

начальник управления функциональных материалов Научно-исследовательского института
конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит» имени С.Е. Вяткина

EgADanilov@rosatom.ru

Анастасия Николаевна Бабкина

к.ф-м.н., доцент кафедры оптоинформационных материалов и технологий Национального исследовательского университета ИТМО

babkina.anastasya@bk.ru

Аннотация:

В статье рассмотрен процесс сублимации кристаллов химически чистого хлорида аммония. Проведено инструментальное исследование процесса посредством синхронного термического анализа (термогравиметрия и дифференциальная сканирующая калориметрия) в неизотермических условиях при трех скоростях нагрева (3, 5, 10 °C/мин). Полученные данные обработаны с применением изоконверсионного метода Фридмана. Предполагая, что процесс сублимации протекает через три последовательные стадии, которые могут быть описаны моделями реакции n-го порядка, была построена кинетическая модель, описывающая изменение массы образца. С помощью статистических методов и методов нелинейной регрессии определены кинетические триплеты каждой индивидуальной стадии. Продемонстрировано применение полученной кинетической модели для прогнозирования течения процесса при произвольном температурном режиме. Результаты работы могут быть использованы как в самостоятельном виде, так и при построении комплексных моделей химических процессов, в которых требуется учитывать протекание конкурирующего процесса сублимации хлорида аммония.

Ключевые слова

Ссылки:

  1. Grineva O., Dyachenko A., Kraidenko R. Chlorination of copper-containing raw material by ammonium chloride // Russian Journal of Applied Chemistry. ‒ 2013. ‒ Vol. 86. ‒ P. 339-342
  2. Hö lsä J., Niinistö L. Thermoanalytical study on the reactions of selected rare earth oxides with ammonium halides // Thermochimica Acta. ‒ 1980. ‒ Vol. 37, Issue 2. ‒ P. 155-160
  3. Kim Y., Planinsek F., Beaudry B., Gschneidner K. Preparation and Purification of GdCl3 // The Rare Earths in Modern Science and Technology: Volume 2. ‒ 1980. ‒ P. 53-58
  4. Meyer G., Ax P. An analysis of the ammonium chloride route to anhydrous rare-earth metal chlorides // Materials Research Bulletin. ‒ 1982. ‒ Vol. 17, Issue 11. ‒ P. 1447-1455
  5. Meyer G., Garcia E., Corbett J. D. The ammonium chloride route to anhydrous rare earth chlorides—The example of YCl3 // Inorganic Syntheses. ‒ 1989. ‒ Vol. 25. ‒ P. 146-150
  6. Shibata H., Hayashi H., Minato K. Preparation of gadolinium chloride without using corrosive gases // Japan Atomic Energy Agency. ‒ 2007. - Vol. 38, Issue 47. ‒ P. 24
  7. Xing Z., Cheng G., Yang H., Xue X., Jiang P. Mechanism and application of the ore with chlorination treatment: A review // Minerals Engineering. ‒ 2020. ‒ Vol. 154. ‒ P. 106404
  8. Xiong X., Li G., Pang Z., Chen S., Zou X., Xu Q., Cheng H., Li S., Zhu K., Lu X. Experimental and computational approaches to study the chlorination mechanism of pentlandite with ammonium chloride // RSC advances. ‒ 2022. ‒ Vol. 12, Issue 30. ‒ P. 19232-19239
  9. Levy H. A., Peterson S. Neutron diffraction study of the crystal structure of ammonium chloride // Physical Review. ‒ 1952. ‒ Vol. 86, Issue 5. ‒ P. 766
  10. Costich P. S., Maass Jr G. J., Smith N. O. Transitions in Ammonium Chloride-Ammonium Bromide Solid Solutions // Journal of Chemical and Engineering Data. ‒ 1963. ‒ Vol. 8, Issue 1. ‒ P. 26-27
  11. Kennedy S., Patterson J., Chaplin R., Mackay A. The transformation of CsCl type ⇆ NaCl type. Part II: Orientation relations in phase transformations CsCl type → NaCl type in ammonium halides // Journal of Solid State Chemistry. ‒ 1974. ‒ Vol. 10, Issue 1. ‒ P. 102-107
  12. Попов М., Гальченко Г. Определение истинной теплоемкости порошкообразных тел при высоких температурах // Журнал общей химии. ‒ 1951. ‒ T. 21, № 12. ‒ C. 2220-2235
  13. Haynes W. M. CRC Handbook of Chemistry and Physics. / Los Angeles: CRC press, 2014. 2670 p
  14. Rassow H. Einfache Methode zur Bestimmungen von Schmelzpunkten und kritischen Temperaturen // Zeitschrift fü r anorganische und allgemeine Chemie. ‒ 1920. ‒ Vol. 114, Issue 1. ‒ P. 117-150
  15. Chaiken R., Sibbett D., Sutherland J., Van de Mark D., Wheeler A. Rate of sublimation of ammonium halides // The Journal of Chemical Physics. ‒ 1962. ‒ Vol. 37, Issue 10. ‒ P. 2311-2318
  16. Schultz R. D., Dekker A. O. The effect of physical adsorption on the absolute decomposition rates of crystalline ammonium chloride and cupric sulfate trihydrate // The Journal of Physical Chemistry. ‒ 1956. ‒ Vol. 60, Issue 8. ‒ P. 1095-1100
  17. Spingler H. Kinetics of Vaporization of NH4Cl // Z. Physik. Chem. B. ‒ 1942. ‒ Vol. 52. ‒ P. 90-116
  18. Knacke O., Stranski I., Wolff G. Zur Theorie der Verdampfungsgeschwindigkeit // Zeitschrift fü r Physikalische Chemie. ‒ 1951. ‒ Vol. 198, Issue 1. ‒ P. 157-185
  19. Stephenson C. The dissociation of ammonium chloride // The Journal of Chemical Physics. ‒ 1944. ‒ Vol. 12, Issue 7. ‒ P. 318-319
  20. Zhu R., Wang J. -H., Lin M. -C. Sublimation of ammonium salts: A mechanism revealed by a first-principles study of the NH4Cl system // The Journal of Physical Chemistry C. ‒ 2007. ‒ Vol. 111, Issue 37. ‒ P. 13831-13838
  21. Vyazovkin S., Burnham A. K., Criado J. M., Pé rez-Maqueda L. A., Popescu C., Sbirrazzuoli N. ICTAC Kinetics Committee recommendations for performing kinetic computations on thermal analysis data // Thermochimica acta. ‒ 2011. ‒ Vol. 520, Issue 1-2. ‒ P. 1-19
  22. Vyazovkin S., Burnham A. K., Favergeon L., Koga N., Moukhina E., Pé rez-Maqueda L. A., Sbirrazzuoli N. ICTAC Kinetics Committee recommendations for analysis of multi-step kinetics // Thermochimica acta. ‒ 2020. ‒ Vol. 689. ‒ P. 178597
  23. Vyazovkin S., Chrissafis K., Di Lorenzo M. L., Koga N., Pijolat M., Roduit B., Sbirrazzuoli N., Suñ ol J. J. ICTAC Kinetics Committee recommendations for collecting experimental thermal analysis data for kinetic computations // Thermochimica acta. ‒ 2014. ‒ Vol. 590. ‒ P. 1-23
  24. Deng C., Cai J., Liu R. Kinetic analysis of solid-state reactions: evaluation of approximations to temperature integral and their applications // Solid state sciences. ‒ 2009. ‒ Vol. 11, Issue 8. ‒ P. 1375-1379
  25. Flynn J. H. The ‘temperature integral’—its use and abuse // Thermochimica Acta. ‒ 1997. ‒ Vol. 300, Issue 1-2. ‒ P. 83-92
  26. Orfao J. J. Review and evaluation of the approximations to the temperature integral // AIChE Journal. ‒ 2007. ‒ Vol. 53, Issue 11. ‒ P. 2905-2915
  27. Friedman H. L. Kinetics of thermal degradation of char‐ forming plastics from thermogravimetry. Application to a phenolic plastic // Journal of polymer science part C: polymer symposia. ‒ 1964. - Vol. 6 ‒ P. 183-195
  28. Vyazovkin S. Modification of the integral isoconversional method to account for variation in the activation energy // Journal of Computational Chemistry. ‒ 2001. ‒ Vol. 22, Issue 2. ‒ P. 178-183
  29. Vyazovkin S. Evaluation of activation energy of thermally stimulated solid‐ state reactions under arbitrary variation of temperature // Journal of computational chemistry. ‒ 1997. ‒ Vol. 18, Issue 3. ‒ P. 393-402
  30. Ortega A. A simple and precise linear integral method for isoconversional data // Thermochimica Acta. ‒ 2008. ‒ Vol. 474, Issue 1-2. ‒ P. 81-86
  31. Vyazovkin S. Isoconversional kinetics of thermally stimulated processes. / Switzerland: Springer, 2015. 239 p
  32. Savitzky A. A historic collaboration // Analytical Chemistry. ‒ 1989. ‒ Vol. 61, Issue 15. ‒ P. 921A-923A
  33. Savitzky A., Golay M. J. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures // Analytical chemistry. ‒ 1964. ‒ Vol. 36, Issue 8. ‒ P. 1627-1639
  34. Koga N., Goshi Y., Yamada S., Pé rez-Maqueda L. A. Kinetic approach to partially overlapped thermal decomposition processes: co-precipitated zinc carbonates // Journal of thermal analysis and calorimetry. ‒ 2013. ‒ Vol. 111. ‒ P. 1463-1474
  35. Di Marco V. B., Bombi G. G. Mathematical functions for the representation of chromatographic peaks // Journal of Chromatography A. ‒ 2001. ‒ Vol. 931, Issue 1-2. ‒ P. 1-30
  36. Fraser R. D., Suzuki E. Resolution of overlapping bands. Functions for simulating band shapes // Analytical chemistry. ‒ 1969. ‒ Vol. 41, Issue 1. ‒ P. 37-39
  37. Fraser R. D., Suzuki E. Resolution of overlapping absorption bands by least squares procedures // Analytical Chemistry. ‒ 1966. ‒ Vol. 38, Issue 12. ‒ P. 1770-1773
  38. Chen C., Miao W., Zhou C., Wu H. Thermogravimetric pyrolysis kinetics of bamboo waste via Asymmetric Double Sigmoidal (Asym2sig) function deconvolution // Bioresource technology. ‒ 2017. ‒ Vol. 225. ‒ P. 48-57
  39. Svoboda R., Má lek J. Applicability of Fraser-Suzuki function in kinetic analysis of complex crystallization processes // Journal of thermal analysis and calorimetry. ‒ 2013. ‒ Vol. 111. ‒ P. 1045-1056
  40. Yan Q. -L., Zeman S., Zhang J. -G., Qi X. -F., Li T., Musil T. s. Multistep thermolysis mechanisms of azido-s-triazine derivatives and kinetic compensation effects for the rate-limiting processes // The Journal of Physical Chemistry C. ‒ 2015. ‒ Vol. 119, Issue 27. ‒ P. 14861-14872
  41. Khawam A., Flanagan D. R. Solid-state kinetic models: basics and mathematical fundamentals // The journal of physical chemistry B. ‒ 2006. ‒ Vol. 110, Issue 35. ‒ P. 17315-17328
  42. Levenberg K. A method for the solution of certain non-linear problems in least squares // Quarterly of applied mathematics. ‒ 1944. ‒ Vol. 2, Issue 2. ‒ P. 164-168
  43. Marquardt D. W. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters // Journal of the society for Industrial and Applied Mathematics. ‒ 1963. ‒ Vol. 11, Issue 2. ‒ P. 431-441
  44. Opfermann J. Rechentechnik // Datenverarbeitung. ‒ 1985. ‒ Vol. 23. ‒ P. 26
  45. Opfermann J. Kinetic analysis using multivariate non-linear regression. I. Basic concepts // Journal of thermal analysis and calorimetry. ‒ 2000. ‒ Vol. 60, Issue 2. ‒ P. 641-658
  46. Dormand J. R., Prince P. J. A family of embedded Runge-Kutta formulae // Journal of computational and applied mathematics. ‒ 1980. ‒ Vol. 6, Issue 1. ‒ P. 19-26

Полный текст (pdf)