Плазмохимические процессы

Плазмохимические процессы, в которых принимают участие газы (Г, Г'), макрочастицы-реагенты (Мч) и макрочастицы-продукты (Мч'), могут быть разбиты на следующие группы в зависимости от состава реагирующей смеси на входе и выходе реактора:

Вход	Г + Мч	Г + Г'
Выход	Г	Мч'	Г + Мч'	Г	Мч'	Г + Мч'

В процессах такого рода независимо от того, происходят они в неравновесных или квазиравновесных условиях, имеют место химические реакции, физико-химические процессы (испарение, конденсация, диффузия и т.п.) и изменение теплофизических констант.

Характеристические времена этих изменений (и превращений) реагирующей системы могут быть в той или иной степени близки, и в зависимости от этого могут меняться и лимитирующие стадии плазмохимических процессов.

В любом случае для получения Мч' необходимыми являются следующие стадии: плавление, испарение, газофазные (и поверхностные) химические реакции, конденсация, абсорбция, образование зародышей, рост Мч', обрыв. Из этой схемы очевидна крайняя сложность процесса образования макрочастиц. Многофакторность и многоканальность этого процесса создает трудности его описания (в частности, даже компьютерное моделирование).

Во время пребывания частиц в плазме при реакциях ионов возбуждённых молекул (атомов), радикалов и других реакционноспособных (химически активных) частиц в результате нагревания (теплопереноса), фазовых превращений и сопутствующих им деформационных явлений происходит плавление и изменение микроструктуры частиц с образованием блоков размером 0,1-0,5 мкм. Переплавленные частицы округляются, внутри них из-за вскипания возникают поры и улетучиваются примеси, обладающие высокой упругостью пара.

Существенную роль в плазмохимических двухфазных системах (в общем случае многофазных) играют гидродинамические (или газодинамические) характеристики течения двухфазных струй (плазменных потоков – «запылённых струй»). В плазмохимической технологии обычно применяют реакторы цилиндрической формы, характеристики которых близки к характеристикам реактора идеального вытеснения. Отличие плазмохимического реактора от реактора идеального вытеснения обусловлено следующими факторами:

- интенсивным охлаждением стенок реактора, вызывающим появ- ление больших радиальных градиентов температуры и скорости потока;

- турбулентной диффузией вдоль оси реактора (определяется величиной обратной критерию Пекле);

- характером радиального профиля скорости турбулентного потока.

Участие в плазмохимическом процессе веществ, находящихся в конденсированной фазе, существенно усложняет конструкцию реактора, его описание и технологическое осуществление процесса, поскольку в той или иной стадии необходимо обеспечить равномерное распределение потока в плазменной струе.

Все эти особенности двухфазных (гетерогенных) плазмохимических процессов присущи, в частности, процессам плазменной переработки твёрдых углеродсодержащих веществ, будь то плазменная газификация в воздушной, кислородной, пароводяной плазме с получением синтез-газа или плазменный пиролиз в инертной или восстановительной плазме, направленный на образование ацетилена.

В качестве демонстрации реализации плазмохимических процессов на рис. 1.1 представлена одна из возможных схем плазмохимической установки, которая условно может быть рассмотрена как обобщенно-типичная.

Низкотемпературная плазма образуется с помощью электрической дуги в специальном устройстве – генераторе низкотемпературной плазмы (или электродуговом подогревателе), которое называется плазмотроном. Электрическая дуга 4 образуется между катодом 1, выполненным из тугоплавкого материала (например, вольфрама), и медным водоохлаждаемым анодом 3, выполненным в виде сопла. Постоянный ток поступает от выпрямителя. Анод, как и вся установка, заземлён. Между электродами расположен изолятор 2. Плазмообразующий газ II подается внутрь плазмотрона в виде тангенциально закрученного потока, что заставляет дугу перемещаться по поверхности анода и стабилизирует её. В качестве плазмообразующего газа могут быть использованы воздух, азот, водород, аргон, водяной пар и др.

Рис. 1.1. Схема плазмохимической установки

1 – катод; 2 – изолятор; 3 – анод; 4 – электрическая дуга; 5 – смесительное устройство; 6 – реакционный канал; 7 – закалочное устройство; 8 – теплообменник; 9 – фильтр;

I – охлаждающая вода; II – плазмообразующий газ; III – сырье; IV – конденсированные продукты; V – газообразные продукты

Проходя через зону разряда, газ нагревается, ионизируется и в виде плазменной струи со среднемассовой температурой 2000-10000 К попадает в реактор. Поскольку электрическая дуга стабилизируется вблизи оси плазмотрона, а стенки сопла охлаждаются водой, в плазменной струе радиальный градиент температур довольно существенен. Поэтому при указании конкретной среднемассовой температуры, (например, водородной плазменной струи, равной 3000 К), следует помнить, что на оси струи температура достигает 8000 К и выше. Газ при таких температурах с полным основанием можно рассматривать как плазму.

Конечно, приведенная конструкция плазмотрона не является единственной. Плазмотроны отличаются как способом нагрева газа (электродуговые, высокочастотные и др.), так и конструкцией. Некоторые сведения о плазмотронах приведены в главе 2. Здесь лишь отметим, что выбор плазмотрона зависит от технологии, требующей определённого плазмообразующего газа и обусловливающей степень его загрязненности продуктами эрозии материала плазмотрона.

Генерируемая в плазмотроне высокоэнтальпийная плазменная струя содержит значительное число химически активных частиц (ионов, атомов, радикалов). Струя поступает в камеру смешения (смесительное устройство) 5 реактора, где в неё вводится сырьё III (в виде жидкости, газа, порошка или суспензии).

В зависимости от типа плазмохимического процесса плазменная струя может быть или просто энергоносителем, или также и реагентом. Назначение смесительного устройства – интенсивное перемешивание сырья с плазменной струей. Иногда всё сырьё подаётся непосредственно в плазмотрон; в этом случае необходимость в камере смешения отпадает.

В реакционном канале 6 происходит химическое взаимодействие реагентов с образованием целевых продуктов. Наряду с химической реакцией в этой части реактора осуществляются плавление и испарение конденсированного сырья (если в этом есть необходимость), а также конденсация из газовой фазы высокодисперсных порошков, которые в некоторых процессах являются целевыми продуктами.

Для предотвращения обратных и побочных реакций чаще всего требуется быстрое охлаждение (закалка) продуктов реакции, осуществляемое в закалочном устройстве 7. После охлаждения в теплообменнике 8 и отделения на фильтре 9 конденсированных продуктов IV газообразные компоненты V направляются на дальнейшую переработку.