Закалка продуктов плазмохимических реакций

Х.З. Закалка продуктов плазмохимических реакций [c.230]

При обсуждении вопроса о режиме закалки можно различать два случая, связанных с двумя типами плазмохимических реакций. В первом случае равновесная концентрация целевого продукта в плазменной струе при высокой температуре достаточно велика и задача состоит в том, чтобы при быстром охлаждении плазменной [c.180]

В плазмохимических процессах большое значение приобретает вывод целевых продуктов. Для обеспечения закалки продуктов плазмохимического синтеза (например, при фиксации азота) необходимо охладить продукты реакции настолько быстро, чтобы они не успели разложиться в процессе охлаждения [4]. [c.176]

На выходе из плазмохимического реактора прореагировавшая смесь содержит целевые продукты химического процесса. Для прекращения реакции служит операция закалки. Наиболее распространенный способ закалки — охлаждение в теплообменниках — пригоден для охлаждения газов с температурой до 3700 °С. Широко используют также способ закалки продуктов плазмохимического процесса струями жидкости (воды или реагента) или газа. Например, закалка продуктов плазмохимического пиролиза углеводородов углеводородами повышает выход целевых продуктов, позволяет более гибко регулировать их состав и уменьшает удельные затраты электроэнергии. [c.477]

В промышленных масштабах чаще всего реализуют равновесные плазмохимические реакции, для которых с повышением температуры увеличивается равновесная концентрация веществ, являющихся целевыми продуктами. При этом скорость реакции очень велика (длительность контакта реагентов составляет от 10-3 дд 10-5 с), что позволяет создавать миниатюрные химические реакторы. Например, метановый плазмотрон с производительностью 25 тыс. т ацетилена в год имеет в длину 65 см и диаметр, 15 см. Состав исходного/сырья может колебаться в широких пределах. Трудность использования аппаратуры связана с необходимостью закалки процесса. [c.96]

Технологическая схема равновесных плазмохимических процессов включает следующие операции. Теплоноситель или один из реагентов нагревается в плазмотроне с помощью электрического разряда и переводится в состояние плазмы. В смесителе плазма смешивается с остальными реагентами. При температурах (2—10)-103 К может начаться химическая реакция, которая обычно продолжается в реакторе. Чтобы остановить реакцию на требуемой стадии, температуру реагентов резко снижают в закалочном устройстве. Для сохранения продуктов, являющихся промежуточными веществами плазмохимических реакций (например, ацетилена, получаемого при пиролизе метана), чрезвычайно важны момент времени, в который начинают закалку, и скорость снижения температуры. Так, опоздание с закалкой на 2-10 с приводит к уменьшению концентрации ацетилена с 15,5 до 10% В зависимости от скорости закалки конечные продукты могут иметь стехиометрический или нестехиометрический состав (например, ШС или ШгС). [c.96]

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]

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]

Основные успехи были достигнуты в разработке методов генерации плазмы и использовании ее для проведения химических реакций. Разработка способов быстрой закалки продуктов реакции с одновременной утилизацией энергии представляет главную задачу, решение которой позволит создать плазмохимический процесс фиксации азота, удовлетворяющий требованиям практики. [c.147]

Выполнение необходимого режима закалки очень сильно влияет на выход продукта в плазмохимических реакциях. Так, при превращении метана в ацетилен достаточно запоздать с закалкой на 2-10 сек, чтобы концентрация ацетилена упала от 15,5 до 10% [3]. Уменьшение скорости закалки нитрозных газов в реакции синтеза окиси азота от 10 до 10 град сек снижает концентрацию окиси азота от 9,6 до 6,4%. Более того, необходимо не просто обеспечить среднюю скорость закалки в некотором диапазоне температур, но выдержать определенный закон dT/dt— f T) [4]. Нарушение этого закона в каком-либо диапазоне температур нельзя компенсировать увеличением скорости закалки в другом диапазоне. Однако обеспечить нужную скорость закалки и высокий выход продукта часто бывает недостаточно. В некоторых случаях важно не только быстро отвести тепло от системы, но и максимально его утилизировать. [c.413]

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]

Значительное внимание в химической промышленности уделяется использованию низкотемпературной плазмы для одностадийного проведения реакций, протекающих обычно многостадийно. Для осуществления плазмохимических процессов потребуется создание совершенной аппаратуры, промышленное освоение техники высоких напряжений и получение особо чистой воды для высадки продуктов из плазмы (процесса закалки ). Однако все это компенсируется многократным снижением удельных энергетических затрат на единицу химической продукции, резким повышением производительности труда, компактностью плазмохимических установок (плазмотронов). Значительная экономия топлива возможна также при использовании ядерных реакторов для обеспечения технологических процессов высокотемпературным теплом, технологическим паром и электроэнергией. В этом направлении ведутся совместные работы с учеными АН СССР. [c.94]

Все технологические процессы, предназначенные для переработки сырья в целевые продукты, осуществляются по принципиальной схеме (рис. 2.1). Специфика конкретного плазмохимического процесса может привести к тем или иным изменениям в схеме. Так, в некоторых процессах не требуется закалка продуктов реакции, либо при отсутствии токсичных веществ в продуктах реакции отпадает необходимость в узле очистки. [c.92]

Таким образом, исследование квазиравновесного плазмохимического процесса предполагает в общем случае изучение элементарных актов соударений, термодинамики, физической и химической кинетики процесса, вопросов газодинамики перемешивающихся потоков реагентов с учетом взаимо-осложняющих воздействий всех этих факторов друг на друга. Кроме того необходимо специально исследовать процесс закалки продуктов реакции, имеющей решающее значение для большинства плазмохимических процессов [c.223]

Для организации технологического процесса и сохранения целевого продукта во многих плазмохимических процессах важную роль играет закалка — резкое охлаждение продуктов реакции со скоростями 10 —10 град/с (3, 4, с. 411—433]. Существуют [c.50]

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]

Все плазменные процессы обладают некоторыми общими чертами. Необходимо генерировать плазму в реагентах или перемешать ее с реагентами. Для того чтобы произошли химические и физические изменения, индуцированные плазмой, нужно обеспечить достаточную длительность контакта и соответствующую среду. И наконец, необходимо вывести реагенты из состояния плазмы таким образом, чтобы образовались или сохранились желаемые продукты. Таким образом, плазмохимический процесс подразделяется на три стадии генерацию плазмы, реакцию и закалку. Во многих случаях эти стадии могут рассматриваться отдельно, а затем объединяться в общий процесс. В других случаях две или все три стадии необходимо исследовать одновременно из-за сложных взаимосвязей, которые могут существовать между ними. Оба эти подхода описаны в книге. Пример применения первого подхода дан в гл. VII, в которой при исследовании процесса фиксации азота в дуге постоянного тока отделялась стадия генерации плазмы от химической реакции и закалки. Пример использования второго подхода, в котором все стадии процесса изучались одновременно, приведен в гл. VI при рассмотрении реакций в сверхвысокочастотном разряде. Там, где это возможно, следует подразделить процесс на отдельные стадии для лучшего его понимания и Экономии усилий. [c.8]

Необходимо отметить, что непосредственно на химическую реакцию расходуется 45% всей затрачиваемой энергии против 30—35% в случае окислительного пиролиза. В газах плазмохимического пиролиза практически отсутствует сажа, содержание гомологов ацетилена мало и понижается с увеличением мощности установки, отсутствуют СО и СО2, водород является товарным продуктом. Показатели этого процесса могут быть значительно улучшены, если закалку [c.232]

С технологической стороны оценивают является ли газ реагентом или только теплоносителем, каковы его переносные свойства, удельная энтальпия, максимальная температура нагревания. Необходимо учитывать, как будет вести себя газ при закалке, на стадии выделения целевых продуктов и очистки газовых выбросов. Если плазмообразующий газ трудно отделить от продуктов реакции, то потребуется сложная система разделения, которая по материалоемкости и занимаемой площади может в несколько раз превосходить собственно плазмохимическую часть технологической установки. [c.94]

Химические реакции. Знать продолжительность химических реакций, следующих за процессом нагревания вещества, необходимо для определения времени пребывания реагентов в плазмохимическом реакторе и, в конечном счете, для расчета его геометрических размеров. Для обратимых реакций крайне важно найти также пространственно-временное распределение целевых продуктов для того, чтобы вовремя включить закалку. [c.119]

Большое внимание уделено проблеме плазмохимической фиксации азота в виде окиси азота, синильной кислоты и дициана, имеющей исключительно важное прикладное значение. Подробно рассмотрены реакции углеводородов (в частности, разложение метана) в графитовых печах и проблемы синтеза фторуглево-дородов (например, тетрафторэтилена), фторидов азота и др. в низкотемпературной плазме. Затронуты в книге и вопросы закалки продуктов плазмохимических реакций — проблема весьма важная для оптимизации плазмохимической технологии и повышения ее экономической эффективности. [c.5]

Закалка продуктов плазмохимических процессов. Специальное теорети ческое и экспериментальное исследование проблемы закалки является одним из основных вопросов плазмохимической технологии. Существуют два типа плазмохимических реакций, при которых состав продуктов зависит от режима закалки. В случае, когда необходимо зафиксировать промежуточные продукты химических превращений (например, ацетилен при пиролизе углеводородов), существенны скорость закалки и момент начала ее. Опоздание с началом закалки приблизительно на 2 10 сек в плазмохимическом пиролизе метана приводит к падению концентрации СзН с 15,5 до 10об.% [11J Во втором случае, когда получаемое вещество — конечный продукт реакции, протекающей при высокой температуре,— достаточно устойчиво при комнатной температуре, необходимо охладить продукты так, чтобы они не успели разлоя иться в промежуточном интервале температур. К этому типу реакций относится, например, термическое образование окиси азота в воздухе. Здесь вая но обеспечить необходимый режим закалки (dTldt) (Т) и не начать ее слишком рано, когда равновесие еще не установилось. Естественно, что рея им закалки определяется кинетикой процесса. [c.226]

Таким образом, в начале рассматриваемого процесса происходит быстрое охлаждение плазменной струи в ходе реакции, которое приводит к закалке, во всяком случае частичной, продуктов реакции. Такая закалка может быть названа автозакалкой, в отличие от принудительной закалки, осуществляемой путем специальных внешних воздействий. В работе [8] отмечалось, что интенсивная автозакалка (или автостабилизация) продуктов эндотермических плазмохимических реакций является одной из их характерных особенностей, и был приведен один из возможных путей ее осуществления. В настоящей работе рассмотрена другая возможность ав-тозакалкп в ходе многостадийной химической реакции. [c.32]

Одной из специфических проблем кинетики плазмохимических реакций является создание условий, обеспечивающих быстрое охлаждение плазменной струи во время протекания реакции в определенных пространственно-временных интервалах. Если скорость охлаждения будет недостаточно велика, то целевые продукты реакции успеют разложиться и эффективность процесса окажется малой. Следует рассмотреть два типа закалки принудительную закалку и автозакалку. [c.167]

По Г. Гульберту и М. Фримэну [1], плазмохимическая установка состоит из трех частей плазменного генератора, реактора и устройства для закалки продуктов реакции. Иногда плазменный генератор совмещен с реактором. [c.238]

При дальнейшем обсуждении предполагается, что плазмохимический процесс протекает в две стадии первая стадия — в дуге — включает в себя также перемешивание и подогрев реагентов, а вторая стадия — закалку продуктов реакции. Факторы, определяющие ввод энергии в газовый поток, не влияют на ароцессы, которые про текают за зоной дуги. Такое разделение основано на предположении, что химическое состояние газа, истекающего из плазматрона, можно охарактеризовать энтальпией газа и что дуговые плазматроны, позволяющие получать газ с одинаковым уровнем энтальпии создают те же начальные условия для соответствующих химических реакций. Такой подход кажется оправданным для обсуждаемых в этой главе реакций, поскольку плазма дуги постоянного тока при давлениях, близких к атмосферному, характеризуется локальным термодинамическим равновесием [2]. Результаты экспериментальной работы, рассматриваемые в следующих разделах главы, подтверждают это предположение. [c.117]

Выполнение необходимого режима закалки очень сильно в,лияет на выход продуктов в плазмохимических реакциях. Так, при превращении метана в ацетилен достаточно запоздать с закалкой на 2 10" сек, чтобы концентрация ацетилена упала с 15,5 до 10% [72], Уменьшение скорости закалки нйтрозных газоа в реакции синтеза окиси азота с 10 до 10 град сек снижает концентрацию окиси азота с 9,6 до 6,4% [73]. [c.230]

Если в системе после выделения целевых продуктов содержатся токсичные вещества, то ее направляют в блок очистки. Очистку жидкостей и газов осуществляют известными методами. Очищенные до санитарных норм жидкости и газы выводятся из системы. Однако если удается предварительно выделить плазмообразующий газ или непрореагировавптее сырье, то их следует возвратить вновь в узел подготовки сырья или плазмообразующего газа. Такой прием приводит к заметному снижению расходных коэффициентов технологического процесса. Существует вариант использования отходящих газов и жидкостей для закалки продуктов реакции, в результате чего снижаются расходные коэффициенты и уменьшается нагрузка на блок очистки. Использование рециклов позволяет создавать безотходные экологически чистые плазмохимические технологии. [c.93]

Из методов плазмохимического получения наиболее подробно изучен процесс взаимодействия хлоридов металлов с углеводородом в среде водорода. Термодинамические расчеты показывают 180], что карбиды ниобия и тантала легко образуются при высоких температурах и устойчивы соответственно до 3600 ( ЬС) и 4200 К (ТаС). Выше 2500 К они являются единственными компонентами конденсированной фазы, а степень переработки хлорида близка к 100 %. При температурах, меньших 2500 К, возможно образование конденсированного углерода, поэтому процесс желательно проводить выше указанного температурного предела с последуюп] ей закалкой продукта реакции до Т < 1100 К, когда в связи с развитием реакции метапообразовапия конденсированная фаза свободна от углерода. [c.319]

Важное значение для большинства квазиравновесвых плазмохимических процессов имеют процессы закалки продуктов реакции. Существуют два типа реакций в плазменной струе, при которых состав продуктов зависит от режима закалки. К первому типу относятся реакции, при которых образуется ряд последовательных промежуточных продуктов (из них отдельные фиксируются), Для этих реакций существенны не только скорость закалки, но и момент начала снижения температуры. Ко второму типу относятся реакции, при которых целевой продукт образуется только в случае высокой температуры и устойчив при комнатной. Задача закалки в этом случае сводится к тому, чтобы охладить продукт реакции настолько быстро, чтобы он не успел разложиться в промежуточном диапазоне температур. При этом необходимо обеспечить должную скорость закалки и не начинать ее пока не установилось равновесие, [c.4]

Закалка остается и будет оставаться областью, работы в которой могут привести к снижению Экономических затрат на проведение плазмохимического процесса. Проблема состоит в том, чтобы отвести энергию из системы в полезной форме (высокотемпературной тепловой, механической или электрической) и в то же время образовать или сохранить целевые продукты. Простая теплопередача обеспечивает закалку реакции, но в значительной мере снижает возможность использования отводимой энергии. Другие предложенные, но недостаточно проанализированные схемы закалки включают закалку во взвешенном слое, в сверхзвуковом сопле и турбине, в МГД-канале и за счет теплоты реакции при введении реагента. Для более широкого применения плачменной технологии необходима дальнейшая работа по оценке этих и разработке других методов закалки. [c.10]

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]

Реакции в процессе закалки. Последняя стадия плазмохимического процесса заключается в быстрой закалке многокомпонентной высокотемпературной плазмы. Для оценки составов газообразных продуктов после закалки необходимо знать кинетику различных реакций с участием описанных выше соединений в широком диапазоне температур, проходимых в процессе закалки. Приведенный в гл. VII анализ кинетики реакций в процессе закалки касается этой проблемы для несложной системы N—О. Однако в литературе отсутствуют полные кинетические данные для системы С—Р в условиях температур до 5000 °К. Также не доказано существование С2Р2 в высоких концентрациях. Поэтому о реакциях, протекающих в процессе закалки, можно лишь делать предположения. Конечно, следует ожидать, что при закалке, начиная с температур, превышающих 2500 °К, протекает целый ряд реакций фторирования и перегруппировки. Реакционноспособные соединения, такие, как атомарный фтор и фторуглеродные радикалы, не сохраняются при охлаждении до комнатной температуры. В разделе, посвященном описанию механизмов реакций (стр. 195), приводятся выводы относительно конкретных реакций, сделанные на основании анализа экспериментальных данных. [c.191]

Итак, мы получили на выходе из плазмохимического реактора смесь, содержащую те или иные целевые продукты химического процесса. Далее нам необходимо вывести их из зоны высоких температур или энергий таким образом, чтобы их концентрации если и уменьшились, то в заданных пределах. Для этой цели прибегают к операции закалки. Задача закалки в этом случае — охладить продукт реакции настолько быстро, чтобы он не успел разложиться в промежуточном интервале температур. Скорость закалки определяют как дТ1д1, она лежит обычно в пределах 10 - 108 К/с. [c.308]