Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование процессов тепломассопереноса при гидротермальном росте кристаллов

ВАК РФ 25.00.05, Минералогия, кристаллография

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Беккер, Татьяна Борисовна

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1 Обзор литературы.

§ 1. Гидротермальный метод выращивания кристаллов.

§2. Основные проблемы гидротермального роста кристаллов.

§3. Методы изучения гидротермальных процессов роста кристаллов.

Глава 2. Методика экспериментов.

§ 1. Модельные эксперименты.

§2. Изучение тепломассопереноса в автоклаве.

Глава 3. Результаты модельных экспериментов.

§ 1. Структура течения в ВПС.

§2. Пульсации температуры в ВПС.

§3. Изучение влияния высоты слоя, вязкости жидкости и температурного перепада на структуру течения и тепломассообмен в ВПС.

§4. Температурное поле в объеме ВПС.

Глава 4. Пульсационность тепломассообмена в автоклаве и ее влияние на процессы реального роста кристаллов.

§1 Изучение тепломассообмена в автоклаве методом зондирования температурными колебаниями.

§2. Зональность гидротермально выращенных кристаллов как отражение пульсационности тепломассообмена.

§3.0 пульсационном механизме роста кристаллов в гидротермальных условиях.

§4. О возможности реализации пульсационного массообмена в условиях природного гидротермального минералообразования.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование процессов тепломассопереноса при гидротермальном росте кристаллов"

Актуальность темы. Гидротермальный метод выращивания кристаллов является одним из основных в семействе различных методов. Гидротермальным методом для технических, ювелирных и исследовательских целей выращиваются кристаллы различных соединений, причем некоторые кристаллы, например, кварц или кальцит, реально могут быть выращены только этим методом. В то же время, теоретические аспекты этого метода проработаны достаточно слабо в силу методических сложностей исследований процессов в автоклаве. Одним из основных малоисследованных вопросов является тепломассообмен в автоклаве. Результаты исследования этого вопроса различными авторами зачастую противоречивы.

Очевидно, что в отсутствии знаний о протекании тепломассопереноса в автоклаве поиск условий выращивания кристаллов фактически сводится к методу проб и ошибок и, поэтому, является весьма трудоемким и дорогостоящим. Отсутствие стройной теории протекания процессов тепломассопереноса, с нашей точки зрения, является одним из основных факторов, сдерживающих все более широкое применение этого метода.

В связи с этим, исследования, направленные на создание теории тепломассообмена при гидротермальном росте кристаллов, представляются весьма актуальными. В настоящей работе предлагаются новые методические подходы к решению этой проблемы и излагаются первые результаты, полученные с их применением.

Цель работы. 1) Моделирование процессов тепломассообмена в автоклаве. 2) Построение качественной модели протекания этих процессов.

3)Модельное исследование влияния теплофизических характеристик жидкости, заполняющей автоклав, и его геометрии на картину тепломассообмена.

4)Исследование процессов тепломассообмена в условиях реального гидротермального ростового процесса с позиции качественной картины, полученной в модельных экспериментах.

Научная новизна. Предложен новый подход к модельному исследованию процессов тепломассообмена в автоклаве, учитывающий теплофизическое влияние стенок на картину течения в нем. С помощью этого подхода обнаружен пульсационный характер тепломассообмена в автоклаве. Предложена модель гидротермального роста кристаллов за счет локального переохлаждения диффузионного слоя холодными компонентами гидротермальных растворов. Разработан метод измерения интенсивности тепломассообмена в автоклаве при реальном гидротермальном ростовом процессе - метод зондирования температурными колебаниями. С применением этого метода оценены частотные и амплитудные характеристики пульсаций температуры в автоклаве. Согласно полученным результатам, одной из причин спонтанно возникающей ростовой зональности может являться пульсационный характер тепломассопереноса в автоклаве. Показано, что рост гидротермальных кристаллов в природе также может проходить в условиях пульсационного тепломассообмена.

Практическое значение. Проведенную работу можно рассматривать как отправную точку для дальнейших экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в автоклаве при гидротермальном росте кристаллов. Предложенный в работе метод зондирования температурными колебаниями позволяет контролировать гидротермальный ростовой процесс.

Фактическую основу работы составляют 145 модельных экспериментов, 23 эксперимента по исследованию интенсивности тепломассообмена в реальном автоклаве и 2 эксперимента по росту кристаллов берилла, направленных на исследование связи зональности в гидротермально выращенных кристаллах и пульсационного характера теплообмена.

Апробация работы. Основное содержание работы было представлено на Международных (Александров, 1999, 0бнинск,2001) и Российской (Москва, 2000) конференциях.

Публикации. Основные положения работы изложены в 5 публикациях.

Объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав и выводов; содержит 144 страницы текста, в том числе 42 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 62 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Минералогия, кристаллография", Беккер, Татьяна Борисовна

Основные результаты и выводы

1 .Проведены исследования на установке - вертикальном плоском слое (ВПС), моделирующей конвективный тепло- и массообмен в осевой плоскости автоклава с диаметром внутренней полости 20мм. Показано, что в объеме слоя существуют два контура конвекции и зона смешения между ними. Массообмен между контурами конвекции носит пульсационный характер. В спектре пульсаций мгновенных температур выделяется периодическая компонента с периодом ~1мин. С увеличением числа Релея Яа, характеризующего контуры конвекции, доля периодической компоненты возрастает, а частоты пульсаций снижаются.

2. Согласно проведенным исследованиям, протяженность зоны смешения коррелирует с протяженностью малоградиентного участка поверхностей теплообмена. Турбулентный режим течения существует уже при числах Релея что связано с условиями неустойчивой стратификации (в случае нейтральной стратификации турбулентные течения наблюдаются при числах Релея Яа больше Ю10). Условие постоянства числа Грасгофа вязкого подслоя, равного Ог1-60/Ргш, не выполняется, т.е. условия теплообмена в ВПС принципиально отличаются от таковых для случая вертикальной изотермической пластины.

3.Статистические закономерности колебаний мгновенной температуры в ВПС можно описать предложенной в работе моделью двух жидкостей, согласно которой в объеме слоя существуют две жидкости- горячая и холодная, переходящие друг в друга на поверхности теплообмена и слабо взаимодействующие между собой. С понижением высоты в слое происходит уменьшение доли холодной жидкости и увеличение доли горячей жидкости.

138

Предложена модель гидротермального роста кристаллов за счет локального охлаждения диффузионного слоя холодными струями.

4.Разработан метод измерения интенсивности тепломассообмена в автоклаве по сдвигу фазы колебаний температуры по мере прохождения через объем автоклава - метод зондирования температурными колебаниями. С применением его показано, что эффективная теплопроводность флюида может в 30 раз превосходить теплопроводность стали автоклава. В предположении существования в автоклаве структуры течения, аналогичной ВПС, показано, что частотные и амплитудные характеристики пульсаций температуры в автоклаве по порядку величины совпадают с таковыми для слоя.

5. Показано, что пульсации температуры в автоклаве, обусловленные турбулентным характером тепломассообмена в условиях неустойчивой стратификации флюида по температуре, могут служить причиной спонтанно возникающей ростовой зональности в кристаллах. Эта же причина может вызывать зональность в природных кристаллах гидротермального генезиса.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Беккер, Татьяна Борисовна, Новосибирск

1. Абдрахманова И.Ф., Дерягин Б.В. Поверхностная проводимость кварца в присутствии адсорбированных слоев // ДАН СССР. 1958.- Т. 120. - №.1. -С.94-97.

2. Асхабов A.M., Рязанов М.А. Кластеры скрытой фазы «кватроны» и зародышеобразование // ДАН. - 1998. - Т.362. - №6. - С.630-634.

3. Бадиков В.В. Исследование гидротермальной перекристаллизации галенита: Автореф. дис .канд. геол.-мин. наук. Новосибирск., 1986. -24с.

4. Бадиков В.В., Кузнецов Г.Н. Материалы по генетической и экспериментальной минералогии // Материалы по генетической и экспериментальной минералогии. Новосибирск, 1972. - Т.7. - С. 174-180.

5. Бадиков В.В., Богданова В.И. Синтез пироморфита в гидротермальных условиях // Материалы по генетической и экспериментальной минералогии. -Новосибирск, 1972. Т.7. С.131-135.

6. Бакли Г. Рост кристаллов. -М.: Изд-во иностр. лит., 1954. 184с.

7. Балицкий B.C. Экспериментальное изучение процессов хрусталеобразования. М .: Недра, 1978. -144с.

8. Белов Н.В. Кристаллохимия минерализаторов // ДАН СССР. 1950.- Т.71. -№1. - С.61-64.

9. Белюстин A.B. Простой метод выращивания кристаллов из растворов // Кристаллография. -1961. №.6.- С.804.

10. Болман A.A., Лодиз P.A. Гидротермальная кристаллизация // Теория и практика выращивания кристаллов. М.: Металлургия, 1968. - С.241-265.

11. Вильке К.-Т. Методы выращивания кристаллов. Л.:Недра, 1968. - 600с.

12. Вульф Ю.В. Избранные работы по кристаллофизике и кристаллографии. -ГИТТЛ М-Л., 1952. С. 17-114.

13. Танеев И.Г., Румянцев В.Н. О кислотной дифференциации карбонатных растворов в условиях высоких температур и давлений // 7-й Международный конгресс и симпозиум по росту кристаллов: Тезисы докладов. -М., 1966. С.262.

14. Гордиенко Л.А, и др. Влияние условий выращивания на оптическую однородность кристаллов кварца // Синтез монокристаллического минерального сырья. М.,1982. - С.9-12.

15. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Глубинная геодинамика. Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1994. - 300с.

16. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. В 2 т. М.: Мир,1972,- Т.1.-320 с.

17. Захарченко А.И. О физико-химических условиях и процессах формирования гранитных пегматитов // Геохимия, 1964. С. 1097-1115.

18. Икорникова Н.Ю. Кристаллизация карбонатов в растворах хлористых солей // Рост кристаллов. 1961. - Т.З.- С.421-427.

19. Икорникова Н.Ю. и др. // Исследование процессов кристаллизации в гидротермальных условиях. М.: Наука, 1970. - С.212-218.

20. Икорникова Н.Ю. Гидротермальный синтез кристаллов в хлоридных системах. М.: Наука, 1975. - 224с.

21. Кирдяшкин А.Г. Структура тепловых гравитационных течений у поверхности теплообмена // Модели в механике сплошных сред. -Новосибирск, 1979. С.69-90.

22. Кирдяшкин А.Г., Семенов В.И., Бердников B.C., Гапонов В.А. Структура температурного поля в вертикальном слое при тепловой гравитационной конвекции // ТВТ.-1982.- Т.20.- №5. С.922-928.

23. Кирдяшкин А.Г., Семенов В.И. Спектры пульсаций температуры в вертикальном слое при тепловой гравитационной конвекции // ТВТ. 1983. -Т.21. - №1,- С.731-739.

24. Кирдяшкин А.Г., Фурсенко Д.А., Фурсенко И.Б. Турбулентная конвекция в вертикальном плоском слое в условиях неустойчивой стратификации // ПМТФ. 1994.- »1.- С.64-72.

25. Кирдяшкин А.Г., Добрецов H.JL, Кирдяшкин A.A. Турбулентная конвекция и магнитное поле внешнего ядра Земли // Геология и геофизика. 2000.- Т.41. -№5.-С.601-612.

26. Ковалевский А.Н. Исследование кинетики растворения и роста кристаллов: Дис. канд. геол.-мин. наук. Петропавловск-Камчатский, 1975. - 168с.

27. Кузнецов В.А. Исследование кристаллизации корунда в гидротермальных условиях: Автореф. дис. канд.геол.-мин. наук. М., 1966.- 27с.

28. Кузнецов В.А. Кинетика гидротермальной кристаллизации корунда. II. Влияние растворителей на кристаллизацию // Кристаллография. 1967.-Т.12.-№1.-С.702-707.

29. Кузьмицкий O.A., Чумаков Ю.С. Структура температурного поля в свободно конвективном пограничном слое около вертикальной изотермической пластины // ТВТ. 1990,- Т.28. - №6. - С.1142-1148.

30. Кутателадзе С.С., Кирдяшкин А.Г., Ивакин В.П. Турбулентная естественная конвекция у вертикальной изотермической пластины // ДАН СССР. 1974. -Т.217. - №6. - С.1270-1273.

31. Кутателадзе С.С., Ивакин В.П., Кирдяшкин А.Г., Кекалов А.И. Турбулентная естественная конвекция в вертикальном слое // ТВТ. 1977.- Т.15. - №3. -С.125-132.

32. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Гостехтеориздат, 1954. - С.795.

33. Лебедев A.C., Каргальцев C.B., Фурсенко Д.А. Метод искусственной зональности при исследовании процессов гидротермального синтеза // Всесоюзный симпозиум: Тез. докл. Черноголовка, 1983. С. 19.

34. Лебедев A.C., Рылов Г.М. Морфологические особенности бериллов различного состава // Минералообразование в эндогенных процессах. -Новосибирск, 1987. С.53-60.

35. Литвин Б.Н., Пополитов В.И. Гидротермальный синтез неорганических соединений. М.,1984.-184с.

36. Лодиз Р., Паркер Р. Рост монокристаллов. М.,1974.-540с.

37. Остроумов А.Г. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи. -М.-Л: ГИТТЛ, 1952. 256с.

38. Петров Т.Г. Влияние среды на рост кристаллов азотнокислого калия из водных растворов // Кристаллография. 1964. - Т.9. - №4. - С.541-545.

39. Петров Т.Г., Трейвус Е.Б. К выращиванию кристаллов методом температурного перепада в условиях свободной конвекции раствора // Кристаллография. 1960. - Т.5. - N'3. - С.452-458.

40. Петров Т.Г. и др. Выращивание кристаллов из растворов. Л.:Недра,1983. -200с.

41. Пополитов В.И., Литвин Б.Н. Выращивание монокристаллов в гидротермальных условиях. М.: Наука,1986.-192с.

42. Ривкин С .Л., Александров A.A. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия,1975. - 79с.

43. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие. Пер. с англ. Л.: Химия, 1982. - 592с.

44. Румянцев В.Н., Танеев И.Г., Рез И.С. О роли устойчивости алюминатных растворов при гидротермальном выращивании корунда // Рост кристаллов. -1972.-Т.9-С. 51-54.

45. Томас В.Г. О механизме транспорта вещества при гидротермальном росте кристаллов корунда в бикарбонатных растворах // Геология и геофизика. -1996.- №7. С.96-99.

46. Ферсман А.Е. Избранные труды: В 3 т. 1952. Т.1.- 862с.

47. Физические величины. Справочник. М.: Энергатомиздат, 1991. - 1232 с.

48. Хаджи Е.В., Цинобер Л.И. и др. Синтез минералов: В 2 томах. М.: Недра,1987. Т.1.-487с.

49. Чернов A.A. и др. Современная кристаллография. В 4 т. М.:Наука,1980. Т.З. - 408с.

50. Шмид И., Соммер Ф. Гидро- и термометрические условия в вертикальном цилиндрическом сосуде // Рост кристаллов. -1967. Т.7. - С. 346-349.

51. Штернберг A.A. О процессах кристаллизации в автоклавах // Гидротермальный синтез кристаллов. М.: Наука,1968. - С.46-57.

52. Штернберг А.А. Управление процессом выращивания кристаллов в автоклавах // Исследование процессов кристаллизации в гидротермальных условиях. М.: Наука, 1970.- С.199-211.

53. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. Пер. с англ. М.-Л. Госэнергоиздат, 1961. - 680.С.

54. Эйтель В. Физическая химия силикатов. М.: Изд-во иностр. лит.,1962. -1055с.

55. Q.S.Chen, V.Prasad, A.Chatteijee. Department of Mechanical Engineering. State University of New York at Stony Brook. Modeling of Hydrotermal Crystal Growth. 2000.

56. Fyfe W.S. Hydrothermal synthesis and determination of equilibrium between minerals in the subliquids region // J. Geol. 1960.- vol.68.- №5.- pp.553-566.

57. Laudis R.A., Nielson J.W. Hydrothermal Grystal Growth // Solid State Phys. -1961.-vol.12.-pp.l 79-221.

58. Rooymans C.J.M., Langenhoff W.F. Hydrothermal growth of single crystals and phase width of tetragonal lead monoxide // J.Gryst. Growth. 1968. -vol.3. - pp. 411-416.

59. S.Paolucu, D.R. Chenoweth. Transition to chaos in a differentially heated vertical cavity II J.Fluid Mech. 1989.- vol.201.

60. Sunagawa (Ed.). Material Sciences of the Earth's Interior. TERRAPUB, Tokyo, 1984.

61. Thomas V.G., Demin S.P., Foursenko D.A., Bekker T.B. Pulsation processes at hydrothermal crystal growth (beryl as example) // J. Crystal Growth. 1999.-pp.203-214.