химический каталог




ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, основана на использовании низкотемпературной плазмы, по крайней мере на одной из стадий технол. процесса. В ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ т. различают два принципиально различные направления, в соответствии с тем, что плазма при данном давлении может быть квазиравновесной, т. е. характеризуется максвелл-больцмановским распределением частиц по энергиям и единой для всех частиц температурой, и неравновесной, описываемой несколько температурами для частиц разной массы или для разных типов их движения. Квазиравновесные плазмохимический процессы реализуют при температурах 3000-10000 К и давлениях порядка атмосферного (или выше). В этих условиях резко возрастает скорость химический превращений по сравнению с традиц. технологиями; высокая удельная энергия плазмы позволяет перерабатывать широкодоступное малоценное или неустойчивое по составу сырье, невыгодное при традиц. технологиях. Высокие скорости плазмохимический процессов (их времена от 0,1 до 10 мс) позволяют существенно миниатюризировать оборудование. Как правило, такие процессы легко управляются и оптимизируются.

Использование неравновесных плазмохимический процессов основано главным образом на инициировании химический взаимодействие электронами высоких энергий при сравнительно низких (до 30 кПа) давлениях. Это позволяет осуществлять газофазные синтезы с более высоким выходом, меньшими удельная затратами энергии, сокращать число стадий процесса по сравнению с традиц. технологиями, применять плазму для эффективной обработки и модифицирования поверхностей материалов и изделий, получения и нанесения тонких пленок органическое и неорганическое веществ.

Плазмотрон - газоразрядное устройство для получения плазмы. В крупнотоннажных производствах используют в основные электродуговые генераторы плазмы пост. или перем. тока пром. частоты (см. рис.). Их мощность достигает 10 МВт, тепловой кпд (отношение количества энергии, уносимой в единицу времени газом из плазмотрона, к мощности электрич. дуги) составляет 85% при ресурсе работы порядка 250 ч. В пром. условиях в качестве плазмообразующих газов применяют воздух, азот, водород, углекислый газ; в лабораторная условиях также аргон, др. инертные газы.


Генерируемые в электродуговых плазмотронах потоки плазмы турбулентны и характеризуются неоднородными распределениями осредненных значений температуры и скорости. Радиальные градиенты температуры могут достигать 5•104 К/мм, осевые-около 1•103 К/мм при осевых осредненных температурах до 1,5• 104 К и скорости потока до 1 • 103 м/с. В тех производствах, 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) и 0,1 МВт (СВЧ плазмотроны), кпд-до 0,6. Радиальные градиенты температуры в генерируемых этими плазмотронами потоках плазмы достигают 102 К/мм, макс. температуры-от 7 до 11•103 К для различные плазмообразующих газов при скоростях течения до 100 м/с.

Квазиравновесные плазмохимические процессы проводят, как правило, в ограниченных потоках плазмы (реже в свободный струях плазмы). Потоки плазмы и сырья вводят в реактор, как правило, раздельно и производят их смешение обычно в условиях интенсивной турбулентности. При температурах 3000-5000 К скорости плазмохимический реакций возрастают в такой степени, что их характерные времена тx становятся меньше характерных времен тп тепло- и массопереноса. Вследствие этого кинетика плазмохимический процесса на стадии турбулентного смешения практически полностью определяется кинетикой турбулентного смешения сырья с плазмой. Доля превратившегося во время смешения сырья зависит от энергии активации проводимой реакции, возрастает с повышением температуры плазмы и при достаточно высоких температурах может достигать единицы. T. обр., стадия турбулентного смешения может оказать определяющее влияние на основные показатели плазмохимический процесса-степень и селективность превращения. Совр. теория турбулентного смешения не позволяет пока предсказать характер и степень этого влияния, поэтому возрастает роль эмпирическая и полуэмпирическая подходов. Так, для нахождения времени смешения реагента с плазмой на мол. уровне используют методы "быстрой химический реакции" и "быстрого физических процесса", характерные времена которых мно го меньше характерного времени смешения (т.е. число Дамкёлера ). "Трассируя" с помощью быстрых процессов турбулентный смеситель, получают эмпирическая характеристику последнего - зависимость от времени степени смешения газа с плазмой; затем эту зависимость используют для оценки степени превращения исходного сырья за время полного смешения его с плазмой, т. е. к моменту поступления реагирующего потока на вход реактора.

Собственно плазмохимический реактор, в который после смесителя поступает гомог. смесь плазмы и реагента, принадлежит, как правило, к классу аппаратов вытеснения, хотя по своим характеристикам плазмохимический реакторы могут существенно отличаться от идеального реактора вытеснения. Осн. причина такого отклонения — резкое различие температур реагирующего потока и внутр. стенок реактора; др. причинами может быть интенсивная осевая диффузия, значительной радиальный градиент осевой скорости потока, возникновение зон рециркуляции и колебаний статич. давления в канале реактора. Для улучшения режима работы плазмохимический реактора стремятся поддерживать температуру внутр. поверхностей реактора близкой к температуре проведения процесса и применять принудит. турбулизацию потока плазмы на выходе из плазмотрона. В настоящее время возможно лишь приближенное моделирование плазмохимический реакторов. При масштабном переходе от модельного к натурному плазмохимический реактору пром. производительности обычно отказываются от газодинамич. и теплового подобия и сохраняют термодинамическое подобие системы плазма-реагент, условия кинетическая подобия реакций и геометрическая подобия самих реакторов.

Закалку продуктов производят в трубчатых теплообменниках (скорость снижения температуры до 106 К/с), посредством затапливания потока реагирующей смеси струями холодных газов или жидкостей (скорость закалки 107-108 К/с), а также в кипящем слое, в охлаждаемых соплах Лаваля (скорость закалки до 108 К/с). Выбор скорости закалки и ее зависимости от времени может играть существ. роль в ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ т. Так, при плазмохимический фиксации атм. азота воздух нагревают в электродуговом плазмотроне до температуры 2000-5000 К и затем быстро охлаждают, причем снижение скорости охлаждения на начальных стадиях закалки с 108 до 107 К/с приводит к уменьшению концентрации оксида азота на 30%. При получении ультрадисперсных порошков скорость закалки влияет как на дисперсность целевого продукта, так и на его физических-химический свойства.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ т. процессов с участием конденсир. фазы существенно сложнее по сравнению с газофазными процессами. При использовании порошков или капельно-жидких реагентов смеситель должен обеспечивать равномерное распределение их в потоке плазмы. Глубина превращения частиц определяется не только пространств. распределениями температуры и состава плазмы и физических свойствами обрабатываемого материала, но и распределениями частиц по скоростям и размерам, формой частиц и др. Характерные времена физических-химический 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 применяют различные реакторы: с кипящим слоем, с интенсивной рециркуляцией, электродуговые с малыми линейными скоростями плазмы.

В опытно-пром. масштабах реализованы плазмохимический процессы получения ацетилена и техн. водорода из природные газа, этилена и ацетилена из бензина и др. жидких углеводородов, а также из сырой нефти и угля; производство синтез-газа, состоящего из ацетилена и этилена, для получения винил-хлорида; фиксация атм. азота в производстве слабой азотной кислоты; получение техн. углерода, пигментного TiO2, ультрадисперсных порошков Al, Ti, Si, W, их оксидов, нитридов, боридов, карбидов и др. (многие из ультрадисперсных материалов невозможно получить в рамках традиц. технологий). Осуществлена переработка отходов хлор- и фторорганическое, целлюлозно-бумажных, нефтехимический, полимерных и др. производств.

Неравновесные плазмохимические процессы осуществляют 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 (например, получение озона, фторидов металлов, оксидов азота и др.), ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ т. используют в основные для осуществления гетеро-фазных процессов: получения и травления тонких пленок из органическое и неорганическое материалов, обработки и модификации поверхности изделий с целью придания им требуемых эксплуатационных Cв-в (антикоррозионных, термостойких, износостойких, антифрикционных и т.п.).

Неравновесные плазмохимический процессы проводят в реакторах периодической действия, близких по своим характеристикам к реакторам идеального смешения, обычно в условиях небольшого потока газа. В плазму помещают подложки, на которые необходимо нанести (или с которых необходимо стравить) пленку (например, полимерную), или изделия, поверхность которых подлежит обработке. Воздействие активных частиц плазмы (ионов, электронов, свободный радикалов), оптический излучения плазмы и др. эффекты приводят к изменению химический состава и структуры поверхностного слоя и позволяют получать материалы и изделия с улучшенными, часто уникальными (по сравнению с традиц. технологиями), свойствами поверхности. Так, плазмохимический модификацию поверхности изделий из металлов и сплавов проводят в условиях тлеющего разряда при давлениях 10-103 Па в газовых смесях задаваемого состава при температуре изделий не выше 103 К. Время обработки составляет от несколько минут до несколько часов в зависимости от вида обрабатываемого материала, необходимой глубины модифицир. слоя и т.п. Хорошо разработаны процессы азотирования, борирования, силицирования, титанирования и т.п., модификация поверхности полимерных разделит. мембран, резиновых изделий и др.

Литература: Использование плазмы в химических процессах, пер. с англ., M., 1970; Плазмохимические реакции и процессы, M., 1977; Компанией В. 3., Овсянников А.А., Полак Л.С., Химические реакции в турбулентных потоках газа и плазмы, M., 1979; Плазмохимия-87, ч. 1-2, M., 1987. А. А. Овсянников.


Химическая энциклопедия. Том 3 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
проекторы и и экраны аренда
Компания Ренессанс наборная лестница - оперативно, надежно и доступно!
кресло soft
купить место на складе хранения

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(11.12.2016)