Modellierung und Simulation der Synthese von Silizium-Nanopartikeln in einem wandbeheizten Rohrreaktor

Dipl.Ing. Omerbegovic, Kemal

Dateibereich 26007

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Die Herstellung von Siliziumpartikeln aus der Gasphase ist eine Herausforderung, die zahl¬reiche Aspekte der Chemie und der Verfahrenstechnik umfasst. Der in der vorliegenden Arbeit untersuchte Reaktor wurde zur Herstellung von hochreinem Silizium aus Monosilan verwendet. Die Untersuchung des wandbeheizten Rohrreaktors kann in drei Abschnitte unterteilt werden: Untersuchung der Strömungsbedingungen, Entwicklung eines Zerfallsme¬chanismus für Silan und die Beschreibung der Evolution des Partikelkollektivs. Die numeri¬sche Modellierung der reaktiven Strömung im Rohrreaktor wurde mit dem kommerziellen CFD-Programm Fluent durchgeführt. Bei der Erzeugung von Partikeln über Gasphasen¬reaktionen ist der eigentlichen Partikelentstehung immer ein Reaktions- und Transportproz¬ess von Gasphasenspezies vorausgesetzt. Die Kenntnis der einzelnen Reaktionen sowie der Einfluss äußerer Parameter auf die entsprechenden Reaktionsgeschwindigkeiten sind unerlässlich. Eine numerische Behandlung dieses Prozesses erfordert eine gekoppelte Be¬handlung von Strömungsprozessen und Reaktionen. Für die Beschreibung des Silanzerfalls wurden in dieser Arbeit zwei Mechanismen untersucht: ein Einschritt- und ein Zweischritt¬mechanismus. Ein Vergleich des simulierten mit den gemessenen Silanumsätzen hat gezeigt, dass die mit dem Einschrittmechanismus berechneten Silanumsätze besser mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Da der Einschrittmechanismus den Silanum¬satz besser beschreibt, wurde er in allen weiteren Simulationen eingesetzt. Die Simulation der Produktion von Siliziumnanopartikeln durch Umsetzung von Silan im wandbeheiztem Rohrreaktor wurde durch die Integration eines monodispersen und eines modifizierten sektionalen Modells in Fluent realisiert. Beim hier verwendeten monodispersen Modell wurde der Einfluss der Temperatur der Heizelemente auf die Partikelbildungs- und Wachstumspro¬zesse untersucht. Obwohl das monodisperse Modell relativ grob ist, liegen die mit seiner Hilfe berechneten Primärpartikel- und Partikeldurchmesser sehr nah an den experimentell ermittelten. Das Modell konnte auch den experimentell ermittelten und temperaturabhängi¬gen Wachstumstrend des Primärpartikel- und Partikeldurchmessers wiedergeben. Sektionale Modelle hingegen nähern die Größenverteilung durch Sektionen an, in denen die Verteilung¬sfunktion als konstant angenommen wird. Die Zahl der zu lösenden Differentialgleichungen entspricht der Anzahl der Sektionen multipliziert mit der Anzahl der Eigenschaften. Fluent ist in der Lage, die Differentialgleichungen, die die Partikelphase beschreiben, einzubinden, wobei die Anzahl der Gleichungen begrenzt ist. Da die zur Verfügung stehende Anzahl der Gleichungen nicht ausreichend ist wurde das Modell modifiziert. Das modifizierte Modell kann den temperaturabhängigen Wachstumstrend des Partikeldurchmessers wiedergeben, wobei die berechneten Partikeldurchmesser deutlich von den gemessenen abweichen. Für alle Untersuchungsphasen des wandbeheizten Rohreaktors wurde insgesamt eine gute Übereinstimmung von Simulation und Experiment gefunden.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Verbrennung und Gasdynamik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Beitragende:
Prof. Dr. rer.-nat. Schulz, Christof [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr.-Ing. Kowalczyk, Wojciech [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
16.12.2011
Dokument erstellt am:
23.02.2011
Promotionsantrag am:
01.09.2010
Dateien geändert am:
23.02.2011
Medientyp:
Text