ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Особенности химических процессов в низкотемпературной плазме из "Плазма в химической технологии" Плазма в химической технологии либо непосредственно участвует в реакциях, либо служит источником тепла. Инертные газы — аргон, гелий — в плазменном состоянии обычно используются как источники тепла водород, азот и другие газы могут участвовать в химических превращениях, являясь одним из компонентов реакционной смеси. [c.46] Существует два варианта осуществления реакций в плазме подача реагентов в разрядную зону (в этом случае плазмотрон совмещен с реактором) и подача реагентов в высокотемпературную струю вне зоны разряда (плазмоструйные реакторы). В первом случае сама электрическая дуга участвует в теплопередаче и ее энергия используется непосредственно в технологическом процессе. Во втором случае реакция осуществляется в реакторе с использованием тепла электронейтральной плазменной струи. [c.46] Одной из особенностей осуществления плазмохимических реакций является протекание их в зоне высоких температур. При высоких температурах реакционная смесь претерпевает сложные физико-химические изменения. Образующиеся частицы обладают большим запасом потенциальной энергии, в результате чего молекулы реакционной газовой смеси возбуждаются. Высокая реакционная способность частиц при высокой температуре создает возможности для параллельного протекания многочисленных химических процессов, что приводит в конечном счете к получению сложной смеси разнообразных продуктов [3]. [c.46] Другая особенность плазмохимических процессов определяется нетермичностью плазмы, когда температура электронов значительно превышает температуру других компонентов плазмы. [c.47] Наличие двух вариантов осуществления химических реакций в плазме дает возможность предположить, что во втором случае роль электрической энергии ничтожно мала и протекание процесса, в основном, определяется температурой. [c.47] При осуществлении процесса непосредственно в разрядной зоне роль электрической энергии значительна и зависит от формы разряда и его электрических параметров. [c.47] В тихом разряде и во многих формах тлеющего разряда течение химической реакции всецело определяется энергией, передаваемой молекулам смеси заряженными частицами. В этом случае нейтральный газ имеет температуру нескольких сотен градусов, а заряженные частицы обладают энергией, соответствующей температурам в десятки тысяч градусов. [c.47] В СВЧ-плазме и в плазме, создаваемой действием ионизирующих излучений, также значительное влияние на протекание химических реакций оказывают электрически заряженные частицы. В высокоионизированных плазмах имеется значительное количество горячих (быстрых) электронов, обеспечивающих ионизацию и первичные химические превращения. [c.47] В дуговом разряде при атмосферном давлении влияние электрического поля на протекание химических процессов менее значительное, так как средняя кинетическая энергия всех видов частиц, находящихся в газе, примерно одинакова, вследствие чего практически одинакова и температура нейтрального, ионного и электронного газов. [c.47] Следовательно, в плазме дугового разряда при давлениях, близких к атмосферному, роль реакций, протекающих с участием возбужденных частиц, незначительна, а наличие ионов и электронов обеспечивает лишь определенный достаточно высокой уровень электропроводности и теплопроводности среды и определяет соответственно способность реагирующей системы получать джоулево тепло или отводить тепло из реакционной зоны. С понижением давления температура свободных электронов становится выше температуры тяжелых частиц (их скорость возрастает), плазма становится нетермичной, и в этом случае роль реакций с участием электронов и ионов возрастает. [c.48] Плазма, полученная в ВЧ-плазмотронах, также сла-боионизированная, поэтому химические реакции протекают в основном за счет взаимодействия нейтральных частиц. [c.48] Наличие в реакционной смеси частиц с высокой энергией создает условия для неравновесности плазмы, в результате чего действительные выходы продуктов значительно отличаются от теоретически рассчитанных по обычным формулам термодинамики. Количественная теоретическая оценка неравновесности плазмохимических процессов представляет большую практическую ценность для плазмохимической технологии479 и 99]. [c.48] Третья особенность плазмохимических реакций — зависимость их от газодинамических факторов. Плазмохимические процессы протекают с большой скоростью, поэтому наличие вредных завихрений, зон застоя, плохого смешения компонентов приводит к снижению показателей процесса. В этом слзгчае протекают нежелательные побочные реакции и процесс становится трудно управляемым. [c.48] НИИ метода прямого окисления азота из воздуха. В работе [251 показано наличие градиента концентраций ацетилена по сечению реакционного канала в процессе пиролиза метана в водородной плазме. Снижение концентрации ацетилена по оси реактора свидетельствует о несовершенной организации смешения холодной струи метана с высокотемпературной водородной плазмой. Недооценка газодинамических факторов приводит к снижению среднемассовой концентрации получаемых продуктов в плазме. В условиях протекания плазмохимических процессов смесительные устройства, реализуюпще принцип взаимодействия турбулентной свободной струи с окружающей средой [1, 43, 59] оказываются недостаточно эффективными. При смешении струй в поперечном потоке [8, 42, 76] трудно создать равномерное распределение их по сечению, так как струи тяжелого газа обладают большей инерцией движения, что особенно важно при изменениях (колебаниях) расхода этого газа. Затруднительна в этом случае и защита стенок смесителя от перегрева. В интенсивных смесителях, снабженных завихрителями, турбулизаторами, порогами, сужениями и т. п. [69, 70], нельзя избежать перегрева стенок, либо больших тепловых потерь. [c.49] Из условия полного перемешивания компонентов длину зоны смешения можно определить из соотношения [100] ЫО = 3,2. [c.50] При этом Did = 6-i-8. [c.50] В формулах (15) — (17) приняты следующие обозначения d — диаметр входного отверстия поперечной струи, м D — диаметр реакционного канала — смесителя, м — плотность плазменного газа движущегося вдоль оси реактора, кг/м рз — плотность газа поперечной струи кг м Wi ш — соответственно скорость осевого и поперечного газовых потоков, м1сек-, К — коэффициент, зависящий от угла встречи потоков К = 2,0 при а = 90° ЛГ = 1,85 при а = 60 и 120°) h — дальнобойность поперечной струи, м] L — длина реакционного канала — смесителя, м Vi и Fj — объемные расходы газов, соответственно вдоль оси и поперечного потока, м /ч Р — рабочее давление, ат Т — температура осевого плазменного потока на входе в реакционный канал, °К. [c.50] После расчета указанных основных параметров производят выбор остальных размеров, исходя из конструктивных соображений. Приведенный метод расчета дает удовлетворительные результаты, когда смешение газов и времени протекания реакции не ниже 10 —10 сек. [c.50] Четвертой особенностью осуществления плазмохимических процессов является наличие зоны закалки. Обеспечение необходимого режима закалки в значительной мере определяет выход продукта в плазмохимических реакторах. [c.50] Сверхзвуковой газовый поток, полученный в сопле Лаваля при адиабатических условиях, при полном торможении принимает начальное значение температуры, в результате чего теряется холодильный эффект. Поэтому сопло Лаваля можно использовать для закалки лишь в комбинации с другими методами охлаждения, позволяющими необратимо отводить тепло от газа. [c.52] Вернуться к основной статье