И.Л. Кнунянц - Химическая энциклопедия, том 3 (1110089), страница 346
Текст из файла (страница 346)
процессов основано гл. обр. на иннцвированни хим. взанмод. электронами высоких энергий при сравнительно низких (до 30 кПа) давлениях. Это позволяет осуществлять газофазные синтезы с более высоким выходом, меньшими уд. затратами энергии, сокращать число стадий процесса по сравнению с траднц. технологиями, применять плазму для эффективной обработки и модифицирования пов-отей материалов и изделий, получения и нанесения тонких пленок орг, и неорг. в-в. Плазмотрон — газоразрядиое устройство для получения плазмы.
В крупиотоннажных произ-вах используют в осн. электродуговые генераторы плазмы пост. нли иерем. тока иром. частоты (см. рис.). Их мощность достигает 1О МВт, тепловой кпд (отношение кол-ва энергии, улошмой в единицу времени газом нз плазмотрона, к мощности электрич.
дуги) составляет 85% при ресурсе работы порядка 250 ч. В иром. условиях в качестве пдазмообразующих газов применяют воздух, азот, водород, углекислый газ; в лаб. условиях также аргон, др. инертные газы. Слсмв злспзролтгового плсзмазропс пастосппога валс о Фпмяр. ллппоя луги, сзсбвзпзпровпппой вплрсвмм потоком плззмообрсзгювпсга газа: 1-звсвзропм; 2-ввол плвзмообрвзуюмсго гвзв; 3-сголб дуги; Л-пзтумс» злслзромсгпптав; 5-потас плазмы. Генерируемые в электролуговых плазмотронах потоки плазмы турбулентны и характеризуются неоднородными распределениями осредненных значений т-ры и скорости. Радиальные граллзенты т-ры могут достигать 5.!Ос К/мм, осевые — ок.
1 1О К/мм при осевых осредненных т-рах до 1,5 1Ос К и скорости потока до 1 10' м/с. В тех произ-вах, где недопустимо наличие в плазме материалов эрозии электродов, используют безэлектродные плазмотроны (высокочастотные индукционные и емкостные, СВЧ). При относительно высоком ресурсе работы (до 2000 ч) их мощности достигают 1 МВт (индукц. плазмотроны) н 0,1 МВт (СВЧ плазмотроны), игд-до О.б. Радиальные гралйенты т-ры в генерируемых этими плазмотронами потоках плазмы достигают 10' К/мм, макс.
т-ры — от 7 до 11 1О' К для разл. плазмообразующнх газов при скоростях течения до 100 м/с. Квазнравнввесные нлязмокимнчесиве процессы проводят, ках правило, в ограниченных потоках плазмы (реже в сноб. струях плазмы). Потоки плазмы и сырья вводя-з в реактор, как правило, раздельно и производят цх смешение обычно в условиях интенсивной турбулентности. При т-рах 3000— 5000 К схоросги плазмохим.
р-ций возрастают в такой степени, что их характерные времена т„становятся меньше характерных времен т, тепло- и массойереиоса. Вследствие этого кинетика плазмохнм. процесса на стадии турбулентного смешения практически полностью определяется кинетикой турбулентного смешения сырья с плазмой. Доля превратввшегося во время смешения сырья зависит от энергии активации проводнмой р-ции, возрастает с ловышеиием т-ры плазмы и при достаточно высоких т-рах может достигать единицы. Т. обр., стадия турбулентного смешения может оказать определяющее влияние на оси.
показатели плазмохим. процесса-степень и селехтивность превращения. Совр. теория турбулентного смешения не позволяет пока предсказать характер и степень э~ого влияния, поэтому возрастает роль эмпирич, и полуэмпирич. подходов, Так, для нахождения времени смешения реагента с плазмой на мол. уровне используют методы «быстрой хнм. р-ции» и пбыстрого физ.
процесса», характерные времена к-рых мно- 1099 го меньше характерного времени смешения (т.е. число Дамкелера В = т„/т, » 1). «Трасснруя» с помощью быстрых процессов турбулейтный смесительч получают эмпирич. характеристику последнего-зависимосп от времени степени смешения газа с плазмой; затем эту зависимость используют для оценки степени превращения исходного сырья за время полного смешення его с плазмой, т.е. к моменту поступления реагирующего потока на вход реактора.
Собственно плазмохим. реактор, в к-рый после смесителя поступает гомог. смесь плазмы и реагента, принадлежит, как правило, к классу аппаратов вытеснения, хотя по своим характеристикам плазмохим. реакторы могут существенно отличаться от идеального реактора вытеснения. Оси. причина такого отклонения †резк различие т-р реагирующего потока и внутр.
стенок реактора; др. причинами м, б. интенсивная осевая диффузия, значит. радиальный градиент осевой скорости потока, возникновение зон рециркуляции и колебаний статич. давления в канале реактора. Для улучшения режима работы плазмохим. реактора стремятся поддерживать т-ру внутр. пов-сгей реактора близкой к т-ре проведения процесса и применять принудит. турбулизацию потока плазмы на выходе из плазмотрона. В настоящее время возможно лишь приближенное моделированяе плазмохим.
реакторов. При масштабном переходе от модельного х натурному плазмохнм. реактору иром. производительности обычно отказываются от газодинамич. и теплового подобия и сохраняют термодинамич. подобие системы плазма-реагент, условия кинетич. подобия р-ций и геом. подобия самих реакторов. Закалку продуктов производят в трубчатых теплообменниках (скорость снижения т-ры до 1Ос К/с), посредством затапливания потока реагирующей смеси струями холодных газов илн жидкостей (скоросгь закалки 10" — 1О К/с), а также в кипящем слое, в охлаждаемых соплах Лаваля (скорость закалки до 1О' К/с). Выбор скорости закалки и ее зависимости от времени может играть существ, роль в П.
т, Так, при плазмохим. фиксации атм. азота воздух нагревают в электродутовЬм плазмотроне до т-ры 2000 — 5000 К и затем быстро охлаждают, причем снюкенне скорости охлаждения на начальных стадйях закалки с 1Ос до 10з К/с приводит к уменьшению концентрации оксида азота на 30%. При получении ультрадисперсных порошков скорость закалки влияет как на дисперсность целевого продукта, так и иа его физ.- хнм. св-ва. П.т, процессов с участием конценсир. фазы существенно сложнее по сравнению с газофазными пропсссами.
При использовании порошков или капельно-жидких реагентов смеситель должен обеспечивать равномерное распределение их в потоке плазмы. Глубина превращения частиц определяется не только пространств. распределениями т-ры и состава плазмы и физ. св-вами обрабатываемого материала, но и распределениями часпщ по скоростям и размерам, формой частиц и др. Характерные времена фнз.-хим. превращений в конденсир. фазе намного превышают времена газофазных процессов, поэтому лимитирующими стадиями суммарного процесса являются фазовые переходы (плавление, испарение, возгонка). Для обеспечения необходимого времени контакта твердых частиц с плазмой прзсмснязот разл, реакторы: с кипящим слоем, с интенсивной рецнркуляцией, электродуговые с малыми линейными скоростями плазмы. В опытно-иром.
масштабах реализованы плазмохим. процессы получения ацетилена и техн. водорода из прнр, газа, этилена и ацетилена из бензина и др, жидких углеводородов, а также из сырой нефти и угля; произ-во синтез-газа, состоящего из ацетилена и этилена, для получения винилхлорнда; фиксация атм. азота в произ-ве слабой азотной к-ты; получение техн. углерода, пигментного Т10з, ультра- дисперсных порошков А1, Т1, Я, 'зт', нх оксидов, йитридов, боридов, карбидов и др.
(многие из ультрадисперсных материалов невозможно получить в рамках традиц. технологшс). Осуществлена переработка отходов хлор- и фторорг., целлюлозно-бумажных, нефтехнм., полимерных и др. произ-в. 1100 Нераввовыжые плазмохнмячесине процессы осуществлюот в плазме электрич, разряда пост. тока, высокочастотных и СВЧ газоразрядных устройств при пониж, давлении (менее 30 кПа).
Хотя возможность проведения газофазных синтезов в неравновесной плазме показана вполне убедительно (иапр., получение озона, фторндов металлов, оксидов азота и др.), П.т, используют в осн. для осуществления гетерофазных процессов: получения н травления тонких пленок нз орг.
и неорг. материалов, обработки и модификации пов-сти изделий с целью придания нм требуемых зксплуатац. св-в (антикоррозионных, термостойких, нзнососгойких„анз.ифрикционных и т.д.). Неравновесные плазмохим, процессы проводят в реакторах периодич. действия, близких по своим характеристикам к реакторам идеального смешения, обычно в условиях небольшого потока газа. В плазму помещают подложхн, на к-рые необходимо нанести (или с к-рых необходимо стравить) пленку (напр.. полимерную), или изделия, пов-сть к.рых подлежит обработке.
Воздействие активных часгиц плазмы (ионов, электронов, сноб. радикалов), оптнч. излучения плазмы и др. эффекты приводят к изменению хим. состава и структуры поверхностного слоя и позволяют получать материалы и изделия с улучшенными, часто уникальными (по сравнению с традиц. технологиями), св-вами пов-сги. Так, плазмохим. Модифнкашпо пов-сти изделий из металлов и сплавов пэповодят в условиях тлеющего разряда при давлениях 10-10 Па в газовых смесях задаваемого состава при т-ре изделий не выше !Оз К. Время обработки составляет от песк. минут до песк.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
