Основные предпосылки использования плазмы

В химических процессах

В настоящее время более чем в 30 странах мира реализовано около 125 промышленных процессов, основанных на применении плазмы. До распада СССР в стране было реализовано порядка 40 плазмохимических процессов. В основном реализованные плазмохимические процессы относятся к малотоннажным производствам. В крупнотоннажных производствах плазмохимия проникла в такие процессы как переработка углеводородов, угля, фиксация атмосферного азота, порошковая металлургия. Наибольшего развития эти процессы получили в США, ФРГ, ЮАР, Японии, Швеции.

Об актуальности плазмохимии можно судить по ее соответствию основным тенденциям современной химической технологии и возможности решать проблемы, возникшие на современном уровне развития технологии. В числе явно обозначившихся тенденций химических технологий на сегодняшний день следует выделить следующие:

· сокращение числа технологических стадий;

· возрастающая интенсификация процессов;

· миниатюризация оборудования;

· создание малоинерционных процессов;

· автоматизация.

Среди проблем развития технологий на первый план выходят проблемы:

- передачи энергии от источника в реактор;

- создания технологий, исключающих вредное воздействие промышленности на биосферу;

- повышения требований к чистоте и физико-химическим свойствам материалов;

- " отходов" и " оборотов".

Решение перечисленных проблем с сохранением тенденций развития химических технологий вполне под силу плазмохимическим технологиям.

Основанием для подобного заявления является сущностный потенциал плазмохимии. Принципиальное отличие плазмохимических процессов от традиционных химических заключено в трех моментах идеологии плазмы:

- высокие энергии;

- концентрация энергии высокой величины в малом объёме;

- наличие большого количества возбуждённых частиц.

Именно эти три момента определяют те экстремальные условия, в которых протекают плазмохимические процессы, а именно:

температурный интервал от 2 до 50 тыс. градусов Кельвина,

время контакта реагирующих смесей от 1 до 10^-⁵ с и

скорость движения газа в зоне электрической дуги от 40 до 4000 м/с.

Такие жёсткие условия создаются при генерации изотермической (низкотемпературной) плазмы в электродуговом подогревателе, называемом плазмотроном. Выбор плазмотрона зависит от конкретного процесса, требующего определенного плазмообразующего газа и обусловливающего допустимую степень его загрязненности продуктами эрозии материала плазмотрона. Применение плазменных способов воздействия на сырьё определяет целый ряд достоинств плазмохимических процессов, делающих их перспективными и конкурентоспособными по сравнению с другими процессами получения разнообразных целевых продуктов, а именно:

· Осуществление процессов, которые при низких температурах не протекают и требуют значительного подвода энергии.

В качестве примера можно указать на получение карбида титана. Традиционными способами осуществить этот процесс очень сложно. Если же в плазменную струю водорода подать тетрахлорид титана и углеводород, то расчётные оптимальные условия могут быть реализованы. При этом водород не только является энергоносителем, позволяющим компенсировать тепловой эффект эндотермической реакции образования карбида титана и поддерживать нужный уровень температуры, но и сам участвует в реакции, повышая степень превращения сырья в целевой продукт.

· Увеличение удельной производительности реактора и уменьшение его габаритов.

Высокие температуры, как известно, существенно ускоряют скорости химических и физических процессов: продолжительность процесса сокращается в сотни и в тысячи раз по сравнению с традиционными низкотемпературными технологиями. Продолжительность различных плазмохимических процессов составляет обычно 10^-4-10^-1 с. При этом удельная производительность реактора очень велика, а его размеры (на единицу получаемых целевых продуктов) гораздо меньше, чем обычных аппаратов, что обусловливает снижение капитальных затрат. Достаточно мощные плазмотроны (мощностью до 5 МВт) имеют длину всего 1, 5 м, массу до 100 кг.

· Сокращение числа технологических стадий.

Плазмохимические процессы позволяют в некоторых случаях существенно уменьшить число стадий производства.

Например, современный способ получения монооксида азота включает следующие стадии: каталитическую конверсию природного газа водяным паром в печи при температуре около 1200 К и давлении 2-3 МПа, доконверсию непрореагировавшего метана в аппарате второй ступени, каталитическую двухступенчатую конверсию образовавшегося монооксида углерода водяным паром с целью получения водорода, низкотемпературное разделение воздуха, реакцию синтеза аммиака из азота и водорода при давлении около 30 МПа и температуре 420-500^оС, а также окисление аммиака на платиновом катализаторе при температуре около 900^оС.

В то же время монооксид азота можно получить в одну стадию в одном аппарате непосредственно из воздуха, без использования органического сырья. Если воздух пропустить через плазмотрон и продукты реакции закалить, то в этом одностадийном процессе можно получить концентрацию NО, приемлемую для промышленного использования.

Высокая селективность, обусловливающая одностадийность или малостадийность, безотходность или малоотходность, определяют высокую экологическую эффективность плазменных технологий.

· Использование дешёвого сырья, в том числе промышленных и бытовых отходов.

Высокие температуры плазмохимических процессов делают их малочувствительными к составу исходных реагентов. Во многих случаях важно лишь соотношение числа атомов соответствующих химических элементов в сырье, а не тип химической связи. Это позволяет заменять дорогие реагенты более дешёвыми, а иногда и просто отходами – промышленными или бытовыми. Например, в процессах, разработанных фирмой " СКФ сталь" (Швеция), восстановление металлов осуществляют либо путём использования пылевидных отходов газоочистных металлургических агрегатов, либо заменой части дорогостоящего кокса углём.

· Возможности получения модифицированных поверхностей материалов с уникальными свойствами.

С помощью низкотемпературной плазмы могут быть весьма эффективно осуществлены процессы с целью изменения твёрдости, смачиваемости, агрегации на поверхности, повышения стойкости материалов в высокотемпературной и агрессивной средах. К таким процессам относят напыление, азотирование и др.

· Возможности снижения температуры стенки реактора.

Это достоинство особенно существенно в тех случаях, когда сырьё и продукты реакции агрессивны. Плазмохимические процессы позволяют подводить энергию внутрь реактора с помощью плазменной струи, поддерживая при этом невысокую температуру стенок реакционного канала путём интенсивного охлаждения.

· Безинерционность, широкий диапазон варьируемых параметров и удобство автоматизированного управления.

Плазмохимические процессы основаны на использовании электрических разрядов различного типа. Включение реактора осуществляется быстро. Его характеристики могут быть легко изменены путём варьирования электрической мощности и расхода сырья, что позволяет легко автоматизировать процесс. Необходимо отметить, что в число варьируемых параметров в некоторых случаях можно включать вид сырья (в одном и том же плазмохимическом реакторе можно получить различные продукты).

Достоинства плазмохимических процессов не исчерпываются перечисленными выше. Иногда перспективность того или иного процесса определяется уменьшением числа последующих операций очистки и выделения целевых продуктов, возможностью сбалансированной сырьевой базы, безотходностью технологии, снижением удельных затрат энергии на получение продуктов.

Следует отметить, что наряду с вышеуказанными очевидными достоинствами плазмохимические процессы обладают рядом уязвимых моментов, к которым можно отнести следующие.

· Необходимость использования электроэнергии.

Для многих крупнотоннажных процессов этот недостаток является весьма существенным, что снижает их технико-экономическую эффективность. Особенно это проявляется на энергоемких плазмохимических производствах, которые оказываются конкурентоспособными лишь в районах с дешёвой электроэнергией и при использовании недорогого сырья.

Если плазменным способом получают продукты с уникальными свойствами или если доля энергетических затрат незначительна в себестоимости продукта, а также если другие преимущества процесса делают его рентабельным, то такой процесс, разумеется, находит промышленное применение, несмотря на дороговизну электроэнергии.

Однако следует отметить изменение структуры энергетического баланса в пользу электрической энергии, а следовательно, и в пользу плазмохимии. Если же попытаться взглянуть в будущее, где ставка в производстве электроэнергии делается на использование управляемого термоядерного синтеза, то указанный недостаток плазмохимических процессов постепенно превращается в их достоинство.

Однако уже сейчас возможно реализовать известные резервы снижения расхода электроэнергии в таком плазмохимическом производстве, как пиролиз углеводородного сырья (использование " пиковой" энергии, применение двухступенчатой закалки, предварительный нагрев сырья отходящими пирогазами самого плазмохимического процесса, переработка вторичных энергетических ресурсов). Также при проведении технико-экономического обоснования плазмохимических производств следует учитывать помимо энергии, затраченной на процесс, энергию, заключенную в самом сырьё. При таком подходе при сравнении с традиционными химическими процессами в силу высокой конверсии сырья и высокой селективности плазменной технологии последняя может быть отнесена не только к ресурсосберегающей, но также к энергосберегающей технологии. Детальный анализ энергетических расходов, проведенный советскими экономистами в середине 80-х гг. ХХ столетия показал, что в процессе плазмохимического пиролиза углеводородов в суммарных энергетических затратах основной удельный вес приходится на электроэнергию (88%), а в традиционных процессах нефтехимического синтеза, а также в процессе термического пиролиза твёрдых горючих ископаемых основная доля этих затрат связана с теплоэнергией и топливом.

Таким образом, оценивая плазмохимическую технологию в целом следует подчеркнуть определяющее значение высокой конверсии сырья и селективности как ее важнейшей технико-экономической особенности.

· Относительно невысокий ресурс работы плазмохимической аппаратуры.

Ресурс работы определяется, в основном, ресурсом работы электродов плазмотронов, который обычно составляет 100-1000 ч. Но этот недостаток не является принципиальным. Во-первых, усовершенствование конструкции плазмотронов постоянно увеличивает ресурс их работы в десятки раз. А во-вторых, в связи с малой инерционностью плазмохимической установки и небольшим её масштабом замена вышедших из строя электродов требует немного времени. Если необходимо осуществлять непрерывный процесс в течение длительного срока, во многих случаях целесообразно иметь резервные аппараты, стоимость которых невелика.

Таким образом, рассмотренные преимущества и недостатки плазмохимических процессов позволяют сделать вывод об их перспективности и целесообразности использования для получения разнообразных целевых продуктов.

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.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒