Особенности плазмохимических процессов

Особенность плазмохимического процесса — бурная динамика все реакции — расиад, столкновения и соединения — происходят вдоль плазменной струи в определенные промежутки времени. Промежутки эти очень невелики, весь процесс протекает за одну десятитысячную секунды. По выходе из плазмотрона смесь охлаждается. [c.113]

Ряд исследователей изучал пиролиз природного газа в плазменной струе. Расчета кинетики образования ацетилена из метана [15] позволили определить время контакта, температурный диапазон, момент начала и скорость закалки продуктов реакции. Система уравнений химической кинетики (использовалась схема Касселя) и гидродинамики плазменной струи была проинтегрирована на ЭВМ. Максимальная концентрация ацетилена достигаете за 10 — 10" сек. (рис. 1). Максимумы концентраций этилена и ацетилена разделены во времени и, следовательно, для плазменной струи в пространстве. Заметим, что пространственное разделение участков плазменной струи,, обогащенных различными веществами, является одной из особенностей плазмохимических процессов. [c.364]

В общем случае плазмохимический агрегат состоит из трех зон генерации низкотемпературной плазмы, плазмохимического реактора и закалочной зоны. Иногда различные стадии общего плазмохимического процесса могут совпадать и во времени, и в пространстве. Обусловлено это основной особенностью плазмохимических процессов, а именно по крайней мере один из компонентов реакционной смеси находится в состоянии плазмы. При этом плазма может быть и одним из реагентов рассматриваемой химической реакции и эффективным энергоносителем. Важно, что технологическая схема любого плазмохимического процесса должна включать в себя устройство для преобразования вещества в состоянии плазмы — генератор плазмы. [c.49]

Х.2. Особенности плазмохимических процессов [c.229]

Ряд исследователей изучали пиролиз природного газа в плазменной струе. Расчеты кинетики образования ацетилена из метана [57] позволили определить время контакта, температурный диапазон, момент начала и скорость закалки продуктов реакции. Система уравнений химической кинетики (использовалась схема Касселя [58]) и гидродинамики плазменной струи была проинтегрирована на ЭВМ. Максимальная концентрация ацетилена достигается за времена —10 —10" сек (рис. 3). Максимумы концентраций этилена и ацетилена разделены во времени и, следовательно, для плазменной струи — в пространстве. Заметим, что пространственное разделение участков плазменной струи, обогащенных различными веществами, является одной из особенностей плазмохимических процессов. Закалку ацетилена следует начинать через —10 сек, так как с этого времени из-за повышения температуры за счет выделения тепла при образовании углерода начинается процесс разложения ацетилена. [c.420]

Кинетические особенности плазмохимических процессов 260 [c.4]

Схема плазмохимического процесса в принципе не отличается от приведенной. Однако в ряде случаев указанные на рис. 1.1 стадии процесса (за исключением, быть может, стадий разделения и очистки) могут совпадать и в пространстве, и во времени. Обусловлено это основной особенностью плазмохимических процессов, заключаюш,ейся в том, что по меньшей мере один из компонентов реакционной смеси находится в состоянии плазмы Таким образом, технологическая схема любого плазмохимического процесса должна включать в себя устройство для преобразования вещ,ества в состояние плазмы — генератор плазмы. [c.5]

Практические применения плазмы. Плазмохимические процессы заняли прочное место в ряде отраслей техники. Они применяются для нанесения металлических покрытий на различного рода изделия, в том числе из полимерных материалов, для получения металлов из оксидов, галидов, сульфидов, для синтеза тугоплавких карбидов, нитридов, оксидов, в форме порошков. Плазменная переплавка стали приводит к получению металла очень высокой прочности и большой долговечности. Плазменные методы отличаются высокой производительностью аппаратуры, но обычно требуют большой затраты энергии. В плазменных процессах, как правило, достигаются очень высокие температуры, которые создают возможности осуществления химических реакции с очень высокими скоростями и образования высокоактивных форм веществ. Особенно эффективно применение плазмы для получения свободных радикалов и атомов из молекул. Так, в тлеющем разряде можно практически полностью осуществить диссоциацию водорода на атомы при 800 К, в то время как при обычном нагревании до этой температуры равновесная смесь содержит лишь 10 % атомов. [c.252]

В описанных реакциях этого типа, у которых Ед,кт кТ, химическая реакция, являющаяся сама неравновесным процессом, не вносит существенных изменений в равновесное распределение частиц по энергиям. Поэтому при описании квазиравновесных плазмохимических процессов можно пользоваться основными положениями химической кинетики. Для проведения таких процессов в оптимальных условиях необходимо знать их термодинамические и кинетические особенности и правильно решить вопрос закалки продуктов реакции. [c.362]

Рассмотрим плазмохимические процессы,-протекающие в квазиравновесных условиях. Для определения некоторых особенностей таких процессов предложено несколько их классификаций [3—51. В настоящем обзоре мы. будем придерживаться классификации, предложенной в работе [5], т. е. подразделим плазмохимические процессы по технологическому признаку в зависимости от того, являются ли целевые продукты конечными или промежуточными продуктами химического процесса. [c.363]

Особенно важен учет флюктуаций при описании плазмохимических реакций, протекающих в турбулентной среде. Для многих плазмохимических процессов существенную (а в ряде случаев и определяющую) роль играют условия и пространственно-временные характеристики смешения плазменных потоков и газовых струй [1-3]. [c.193]

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]

Четвертой особенностью осуществления плазмохимических процессов является наличие зоны закалки. Обеспечение необходимого режима закалки в значительной мере определяет выход продукта в плазмохимических реакторах. [c.50]

В низкотемпературной плазме реализуются процессы, которые практически не существуют и неизвестны в традиционной химии. Это — неравновесные процессы. Они играют все возрастающую роль в плазмохимической промышленной технологии и, в частности, позволяют получать твердые вещества (материалы) с необычной (неравновесной) структурой и уникальными свойствами (ультрадисперсные порошки и пленки). Существуют плазмохимические процессы модификации поверхностей металлов, полупроводников, диэлектриков (силицирование, азотирование, алюминирование и т. д., ионная имплантация, плазменно-электролитные процессы и др., процессы очистки поверхностей изделий и обрабатываемых материалов). Процессы травления в электронике, применение плазмохимии в медицине также обусловлены физико-химическими особенностями неравновесной реагирующей плазмы. В такой плазме могут иметь место неравновесные концентрации реагентов, промежуточных реакционноспособных соединений и продуктов реакции, приводящие в частности к исключительно высокой селективности реакций, а также неравновесные функции распределения по энергии различных компонентов реагирующей многокомпонентной плазмы и неравновесные заселенности [c.259]

Однако даже в этом случае задача отыскания механизмов плазмохимических процессов в реальных системах не может быть решена теоретически. Прежде всего это связано с недостаточными сведениями о характеристиках элементарных процессов. Данные об уровневых сечениях взаимодействий (особенно тяжелых частиц) очень немногочисленны, а прямое использование констант скоростей, найденных в системах с иным чем в плазме распределением частиц по скоростям и внутренним состояниям, затруднительно. Это заставляет при изучении механизмов плазмохимических процессов критически анализировать совокупность экспериментальных данных, полученных как для плазменных условий, так и для других систем. При этом последовательность и изучения механизма образования и гибели частиц данного вида А(/) должна включать указанные ниже этапы. [c.370]

Плазмохимические процессы условно можно разделить на-две группы квазиравновесные и неравновесные [3 с. 4, 411— 433]. Для первых характерно, что акт кТ. Химическая реакция, являющаяся по своему существу неравновесным процессом, не вносит существенных изменений в равновесное распределение частиц по энергиям. В системе сохраняется практически невозмущенное МБ-распределение частиц по энергиям и скорости. Поэтому при описании квазиравновесных плазмохимических процессов можно использовать основные положения химической кинетики и, в частности, уравнение Аррениуса, устанавливающее связь между коэффициентом скорости химической реакции и температурой. Для выбора оптимальных условий необходимо знать термодинамические и кинетические особенности процессов и правильно решить вопрос закалки целевых продуктов реакции. [c.52]

Исключительно важной особенностью неравновесных плазмохимических процессов является то, что ввиду низкой температуры тяжелых частиц закалка целевого продукта в большинстве случаев не нужна, что резко снижает экономические затраты на производство. [c.58]

Разработка и усовершенствование методов и устройств для реализации отдельных стадий плазмохимического процесса, особенно генерации плазмы и закалки. [c.9]

Предложенные классификации квазиравновесных плазмохимических процессов основаны на тех или иных особенностях протекающих в плазме процессов [c.231]

Перечисленные пять особенностей плазмохимических реакций представляют собой, говоря по существу, характерные черты неравновесных химических процессов, частным (хотя и очень важным) случаем которых являются реакции в низкотемпературной плазме. В настоящем пункте излагаются некоторые специфические черты именно плазмохимических реакций. [c.304]

Отличительной особенностью твердофазных процессов, протекающих в потоке плазмы, является высокая температура (2200— 3000 К) и воздействие на твердое тело активных частиц — атомов, ионов, возбужденных атомов, молекул и ионов. Поэтому высокотемпературные плазмохимические реакции могут протекать по иным механизмам, чем традиционные процессы. Влияет данное обстоятельство и на константу скорости твердофазных реакций. Результаты многочисленных экспериментальных исследований показывают, что зависимость ее от температуры выражается уравнением Аррениуса, в котором численные значения Е ж ко характеризуют степень затрудненности элементарных актов и всего процесса, являющиеся суммой этих актов. Для реакций типа газ — твердое тело Е зависит от химической активности обоих партнеров, участвующих во взаимодействии, поэтому высокореакционноспособные частицы — атомы и радикалы — способствуют снижению величины энергии активации. [c.70]

Выбор генератора плазмы для осуществления данного плазмохимического процесса определяется термодинамическими и кинетическими особенностями этого процесса. Ввиду большого разнообразия возможных плазмохимических процессов для их осуществления требуются генераторы плазмы самых разнообразных типов. С точки зрения организации промышленных многотоннажных плазмохимических процессов наиболее перспективными считаются в настоящее время электродуговые плазмотроны постоянного и переменного тока (промышленной частоты). Достигнутый уровень мощности таких плазмотронов составляет в настоящее время 10 МВт при ресурсе работы 200—300 ч и КПД 0,8. Конструкция этих плазмотронов допускает работу нескольких плазмотронов на общий канал плазмохимического реактора с соответствующим увеличением вкладываемой в плазму мощности. В том случае, когда недопустимо загрязнение плазмы материалами эрозии электродов, имеющее место в электродных дуговых плазмотронах, весьма перспективными генераторами плазмы могут служить безэлектродные ВЧ- и СВЧ-плазмотроны. Хотя достигнутый уровень мощности таких плазмотронов сравнительно невелик (ВЧ-плазмотроны — не более 0,5 МВт, СВЧ — не более 0,05 МВт) и КПД не превышает в лучшем случае 60%, они успешно конкурируют с дуговыми плазмотронами в тех производствах, где важнейшим фактором является стерильность генерируемой плазмы. Кроме того, следует отметить, что ресурс работы таких плазмотронов в принципе всегда превышает ресурс работы дуговых плазмотронов (по крайней мере в настоящее время). [c.6]

Плазмохимический нитрид кремния синтезирован двумя методами переработкой газообразного хлорида и переработкой порошка кремния, взвешенного в потоке плазмы. Рассмотрим подробнее особенности этих процессов. [c.288]

Плазмохимические процессы обладают следующими особенностями высокие удельные энтальпии и температуры, высокие скорости процессов (время контакта 10 - сек.), что позволяет уменьшать габариты оборудования [c.50]

Прикладная плазмохимия охватывает широкий круг процессов,, представляющих значительный интерес для различных областей народного хозяйства химической, металлургической, электронной, радиотехнической, электротехнической промышленности и-др. Кроме того, в последние годы сферы применения плазмохимических процессов постоянно расширяются, в частности, в технологии модифицирования поверхностей твердых тел, в химическом и физико-химическом анализах. Многие плазмохимические-процессы уже используют в промышленности, другие проходят опытные и опытно-промышленные испытания. Анализ результатов термодинамических и кинетических расчетов и экспериментальных исследований плазмохимических процессов свидетельствует о том, что процессы в низкотемпературной плазме особенно перспективны для промышленной реализации в тех. случаях, когда высокие выходы продуктов получаются в существенно неравновесных условиях в неравновесной плазме образуются уникальные соединения образуются чистые и высокочистые, например полупроводниковые, материалы равновесие смещено в сторону высоких температур скорости реакций резко возрастают с повышением температуры, что обусловливает резкую миниатюризацию техники используется широкодоступное, малоценное, неустойчивое по составу сырье сокращается число стадий в технологической линии. Практически невозмож- [c.327]

Рассматривая плазмохимические процессы, в которых используются дуговые, ВЧ- и СВЧ-плазмотроны, нетрудно заметить, что результаты, полученные в этих процессах, не имеют, за редким исключением, никаких особенностей, связанных со спецификой плазмы. Однако в последнее время появляется все больше данных (как правило, полученных спектрально-оптическими методами), которые свидетельствуют о суш,ествовании в плазме странных частиц и новых, ранее неизвестных соединений [59]. Одна из причин того, что эти соединения не удается сохранить при выведении из плазмы, состоит, по-видимому, в невозможности обеспечить необходимую скорость нх закалки при охлаждении плотной квазиравновесной плазмы, создаваемой указанными генераторами. Решение проблемы закалки можно облегчить путем проведения химических реакций в условиях неравновесной плазмы. В такой плазме средняя энергия тяжелых частиц значительно меньше энергии электронов, под действием ударов которых и происходят основные химические превращения. [c.23]

Другая особенность плазмохимических процессов определяется нетермичностью плазмы, когда температура электронов значительно превышает температуру других компонентов плазмы. [c.47]

На основании изложенного выше, представляется разумным рассматривать плазмохимический реактор состоящим из двух частей смесителя плазмы и сырья и собственно реактора. Смеситель долллен обеспечивать получение гомогенной смеси реагентов на входе в реактор при некоторой температуре, величина которой определяется исходя из кинетических и (или) термодинамических характеристик данного химического процесса. Одной из особенностей плазмохимических процессов является то, что часть химических превращений происходит в процессе перемешивания сырья с плазмой. Наличие этой особенности и диктует необходимость раздельного анализа и моделирования смесителя и реактора. На вход плазмохимического реактора поступает из смесителя турбулентный поток гомогенно перемешанных реагента и плазмы. В случае реактора цилиндрической формы характеристики такого реактора будут близки к характеристикам идеального реактора вытеснения. Прежде чем обсул дать возможные отклонения характеристик реального плазмохимического реактора от характеристик идеального реактора и их причины, представляется разумным напомнить об одном способе описания потоков лшдкости (газа) в химических реакторах, основанном на понятии о функциях распределения жидкости (газа) по временам пребывания в объеме реактора. [c.213]

Характерной, особенностью плазмохимической технологии является использование весьма высокиЗс температур от 2Л03 до (10- 15)-103К (при давлении от 10 до 10 Па и времени контакта от 10-6 до нескольких секунд в равновесных и неравновесных условиях). При этих температурах характерные времена химических реакций становятся сравнимыми с характерными временами процессов переноса и установления термодинамического равновесия. Поэтому уже в процессе перемешивания реагент испытывает значительные превращения, и описание процесса с учетом пространственных неоднородностей полей температуры и концентрации представляет значительные трудности [6]. [c.174]

В последнее десятилетие проводятся исследования по применению плазмы для химических реакций возникла фактически но- вая отрасль химии — плаэмохимия. Особенно интенсивно исследования ведутся в Институте нефтехимического синтеза АН СССР. Сущность плазмохимического процесса заключается в том, что смесь, например метана и кислорода, поступает в плазменную струю, где температуры достигают нескольких тысяч градусов. В плазменной струе происходит распад (диссоциация) молекул исходного вещества на атомы, простейшие молекулы, ионы, такие, как СНз, СНа, СН, С, Са, Са, СО, О, 0 +, обладающие очень высокой реакционной способностью. Взаимодействуя между собой, они образуют самые различные соединения, папример формальдегид, окись углерода, воду. [c.291]

Исследование химических процессов (особенно неизотермических реакций в потоке, что является наиболее распространенным случаем химической технологии) требует выяснения влияния изменения начальных условий (температура, соотнопгение концентраций и т. п.) на решение системы дифференциальных уравнений, представляющих собой математическую модель процесса. В данном разделе на примере реакции пиролиза метана в плазменной струе проведено такое исследование с помощью численного решения на электронной цифровой вычислительной машине. В работе 115] на математической модели плазмохимического процесса конверсии метана в ацетилен было изучено влияние начальной температуры Т (0), начально скорости V (0) плазменной струи и начальной концентрации метана (0) на максимум концентрации ацетилена Сз (г ), длину реактора Ь и другие величины. При этом было отмечено, что зависимость величин (г ), Ь и [c.52]

Получение связанного азота из атмосферного воздуха в плазменных реакторах интенсивно исследуется как у нас в стране, так и за рубежом, особенно в последние 10 лет. Пока плазменный метод по всем показателям уступает аммиачному, в первую очередь по расходу электроэнергии, который примерно в 7—10 раз выше. Однако разница становится менее ощутимой, если плазменный процесс совмещают с разложением фосфорсодержащего сырья в атмосфере воздуха с одновременной фиксацией азота. Дальнейшая переработка дает возможность получать из пятиокиси фосфора и окислов азота смесь фосфорной и азотной кислот для производства комплексных удобрений. Открываются определенные перспективы и для утилизации других компонентов фосфорсодержащего сырья. При диссоциации фосфорсодержащего сырья в плазме происходит практически полное его обесфторивание и выделение четырехфтористого кремния. Кроме того, отпадает необходимость в переработке фосфогипса, как это имеет место при сернокислотной переработке фосфатов, поскольку в плазмохимическом процессе образуется окись кальция. Варьируя температуру плазмохимического процесса, можно сначала обесфторить фосфорсодержащее сырье, а затем при более высокой температуре (около 3500 К) превращать его в пятиокись фосфора или получить в присутствии добавок (например, двуокиси кремния и углерода) элементарный фосфор, силикат и карбид кальция и окись углерода. [c.176]

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]

Выбор генератора плазмы для проведения данного плазмохимического процесса определяется термодинамическими и кинетическими особенностями этого процесса. В настоящее время существуют различные генераторы низкотемпературной плазмы. С точки зрения организации промышленных многотоннажных плазмохимических процессов наиболее перспективными считаются в настоящее время электродуговые плазмотроны по-стоянкого и переменного тока промышленной частоты [6]. [c.50]

Таким образом, подтверждается возможность непосредственной фиксации азота в дициан плазмохимическим способом. Анализ результатов экспериментов Лейтнера [321 показывает, что процесс реализуем. Исследование термодинамических и кинетических особенностей этой реакции свидетельствует о том, что соответствующим выбором условий работы можно увеличить выход продукта и снизить энергетические затраты. Эти условия таковы температура реакции около 4000 °К с последующей закалкой со скоростью, превышающей 10 град/сек. Заметим, что необходимо также решить и другие проблемы, такие, как проблема перемешивания реагентов, которую обсуждают Фримен и Скривен [261, считающие ее основной при реализации плазмохимических процессов. Вторая проблема заключается в выборе способа введения углерода в систему. Решение ее предлагают Бланше и Баддур [36], а также Амман и др. [37], использовавшие в своих экспериментах расходуемые электроды. Ни одна из перечисленных проблем не кажется нам непреодолимой, и существуют хорошие перспективы успешной реализации процесса. [c.142]

Плазмохимические процессы особенно перспективны для прод1ышлен-ной реализации тех химических реакций, у которых 1) равновесие смещено в сторону высоких температур, 2) скорости резко возрастают с повышением температуры, 3) высокие выходы достигаются в существенно неравновесных условиях, 4) используется широкодоступное, малоценное, неустойчивое по составу сырье. Значительные перспективы имеются в области получения чистых и высокочистых (нанример, полупроводниковых) материалов, так как в плазмохимических процессах в ВЧ- и СВЧ-плазме чистота продуктов определяется только чистотой исходного сырья и даже может быть повышена в ходе процесса без дополнительных. атрат. [c.411]

В настоящее время известно несколько методов закалки рекуперативными или регенеративными теплообменниками, введением в поток холодных твердых частиц, жидких или газовых струй реагентов, использованием сопла Лаваля. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки и может быть оптимальным для конкретного плазмохимического процесса. Только во всех случаях необходимо большое внимание уделять экономике процесса и возможностям утилизации сбросового тепла. В этом случае необходимо учитывать главное правило — из высокотемпературного газоносите ля невыгодно получать низкотемпературное тепло. Теплообменники, особенно изготовленные в последнее время из жаропрочной керамики, позволяют отделить конечный продукт от охлаждающего реагента и не терять их энергетический потенциал. Например , после закалки газ с высокой температурой 1000—1500 К может производить в теплообменнике водяной пар для выработки в турбине электроэнергии [47]. Ввиду того что кпд турбины не превышает 30 %, более целесообразно использовать высокотемпературный электролизер [49]. [c.122]

Результаты экспериментов, выполненных на плазменной гравиметрической установке при температурах изотермической выдержки 2000 и 2200 К, представлены на рис. 4.59. Длительность выхода на режим, близкий к изотермическому, составляла 15—20 с, а полное время превращения 200—240 с. Это позволило провести математическую обработку данных с помощью методов изотермической кинетики. Подбор кинетического уравнения (рис. 4.60) производили путем подстановки опытных данных в формулы табл. 1.9. Результаты обобщений экспериментальных данных приведены в табл. 4.31. Обращает на себя внимание тот факт, что при нагреве в дериватографе (скорость повышения температуры 15 К/мин) процесс идет через образование ряда промежуточных продуктов, в то время как при скоростном нагреве плазмой наблюдается образование лишь одного вещества — нитрида титана. Другая отличительная особенность плазмохимической реакции заключается в том, что она характеризуется низкими значениями энергии активации и предэкспоненциаль- [c.297]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология