Modélisation de la croissance de poudres ultrafines en réacteur à plasma thermique

Abstract

Les procédés à plasma thermique permettent la synthèse de poudres ultrafines de métaux et de céramiques de pureté élevée. Un modèle de croissance de poudres ultrafines à deux dimensions spatiales a été développé, dans le but d'aider à la compréhension des mécanismes impliqués et d'estimer l'effet des paramètres d'opération sur les propriétés des poudres produites. On considère la formation des particules par nucléation homogène, et la croissance par condensation de surface et coagulation brownienne. Le transport des particules est dû aux mécanismes de convection du gaz, déviation thermophorétique et diffusion brownienne. Les équations de conservation de la vapeur et des trois premiers moments entiers de la distribution sont résolus. La considération de la diffusion axiale permet la solution dans des écoulements impliquant des recirculations. Le modèle est appliqué au cas de la croissance de poudres de fer et de nitrure d'aluminium dans un réacteur plasma à induction. Des particules relativement grossières de métal (5-10 microns) sont injectées et évaporées dans la zone chaude du plasma. Le refroidissement rapide dans la zone de condensation cause la précipitation du métal en de très fines particules. De l'argon est injecté dans le premier cas, alors que dans le second l'ammoniac agit à la fois comme gaz de trempe et comme agent de nitruration. Un schéma réactionnel simplifié est proposé pour cette réaction. Les champs de variables à l'intérieur du réacteur sont analysés pour les deux cas et l'effet des différents mécanismes de croissance et de transport est étudié. Une étude de sensibilité est effectuée sur les principaux paramètres d'opération.