ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

При сильном нагревании любое вещество превра­щается в газ. При этом часть молекул переходит в возбу­жденное состояние, другая — разлагается на составляю­щие их атомы, а также осколки молекул, свободные радикалы, ионы и различные частицы вплоть до электро­нов. Подобная газообразная среда называется плазмой и обычно содержит более 1 % молекул в ионизированном состоянии. Так как число положительно и отрицательно заряженных частиц примерно одинаково, то плазма квазинейтральна. В отличие от газа она ярко светится, обла­дает электропроводностью и активно взаимодействует с магнитными полями.

Различают высоко- («горячую») и низкотемператур­ную («холодную») плазмы. «Холодная» плазма наблю­дается при электрических разрядах в газах при низком давлении. Она используется в газосветных трубках.

Примером «горячей» плазмы может служить Солнце, горячие звезды, «точечные» (диаметром несколько санти­метров) эпицентры взрыва атомных и водородных бомб и т. д. Высокотемпературная плазма характеризуется областью температур от нескольких миллионов до сотен миллионов градусов. На опытных установках плазма удерживается сверхмощным магнитным полем, имеет продолжительность существования сотую долю секунды. Изучается физиками как потенциальный источник деше­вой термоядерной энергии. При протекании управляемых термоядерных реакций возникает сверхвысокотемпера­турная плазма.

Низкотемпературная плазма в природе существует в виде шаровой молнии, а искусственно получаемая — в высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядах и в электрической дуге, имеет температуру ~10³-10⁴ К.

Плазменные процессы давно применяются на многих предприятиях машино-, авиа- и судостроения для процес­сов формообразования, включающих резку, сварку и на­плавку металлов, напыление тугоплавких, износостойких и коррозионностойких покрытий. На современном этапе развития технология позволяет получать сверхвысокие температуры, недостижимые никакими другими путями. Это обеспечивается подводом энергии большой мощно­сти к поверхности малого размера, струйному отводу компонентов из реакционной зоны со скоростью до 10 км/с и почти мгновенному их охлаждению в специаль­ном закалочном устройстве.

Сейчас более чем в 160 процессах плазма использует­ся для химического синтеза неорганических и органиче­ских соединений, композиционных материалов, получе­ния стекла, сверхчистых металлов, производства высоко­дисперсных порошков и даже выращивания монокри­сталлов.

Достоинством плазменных процессов является их ма­лая чувствительность к примесям в исходном сырье, вы­сокая скорость процесса, малые габариты используемой аппаратуры. К недостаткам относятся: высокая энер­гоемкость, а применительно к некоторым видам сырья и конечным продуктам неизученность и в ряде случаев их значительное несовершенство. Однако возможность во­влекать в переработку трудноперерабатываемое, но ши­роко доступное сырье, эффективно изменять физические и физико-химические свойства материалов, получать вы­сокочистые вещества открывает новые, еще неизвестные направления использования плазмы в промышленности и особенно в химической технологии.

Так, увеличение температуры процесса является в ря­де случаев одним из решающих факторов ускорения хи­мических превращений. Например, скорость окисления азота кислородом возрастает в 90 млн. раз при повыше­нии температуры процесса с 1700 до 4000 К. При такой температуре время, в течение которого устанавливается равновесие реакции N2-f-O2 *=* 2NO, сокращается со 140 до 1,5-10"⁶ с. Это создает предпосылки для осуществле­ния плазменного процесса окисления азота в проточном малогабаритном аппарате высокой интенсивности. По­добное оборудование для ряда плазменных процессов производится серийно и отличается большим многообра­зием. Оно компонуется из трех основных элементов: плазмотрона, реактора и закалочного устройства.

В плазмотроне с помощью электрических разрядов (электродуговых, ВЧ или СВЧ) создается высокая темпе­ратура, которая ионизирует поток аргона, гелия, азота или любого другого газа, превращая его в плазму. Полу­ченная плазма в качестве энергоносителя направляется в реактор. Здесь под действием высокой температуры в плазме за тысячные доли секунды протекает химиче­ская реакция. Однако скоротечность плазмохимической реакции значительно усложняет сохранение нужных про­дуктов от разложения. Поэтому фиксацию промежу­точных или охлаждение конечных продуктов в закалоч­ном устройстве проводят с такой скоростью, чтобы они не успели разложиться при переходе к нормальным тем­пературам. Любое нарушение режима закалки снижает выход желательных продуктов на ⅓ и более. Так, умень­шение скорости закалки оксидов азота в плазмохимиче­ской реакции между азотом и кислородом с 10⁸ до 10⁷ град/с снижает выход оксида азота с 9,6 до 6,4%. Практика показывает, что хорошие технико-экономи­ческие показатели работы плазмохимических установок могут быть достигнуты при соблюдении двух условий: выбор плазмотрона должен производиться с учетом осо­бенностей конкретного плазмохимического процесса; при компоновке схемы установки целесообразно стремиться к максимальной степени «развязки» отдельных аппара­тов, что позволяет оптимизировать работу каждого из них исходя из требований всего процесса в целом. В настоящее время в промышленном масштабе реа­лизовано сравнительно небольшое число плазмохимиче­ских процессов. Но зато в десятки раз большее их число интенсивно исследуется и изучается. К ним относятся те химические реакции, у которых: равновесие смещено в сторону высоких температур; скорость реакции резко возрастает с повышением температуры, и она протекает за 10"³ —10"⁵ с; высокие выходы продукта достигаются в существенно неравновесных условиях; используется де­шевое и доступное сырье (воздух, природный газ, про­стейшие углеводороды); имеется необходимость получе­ния чистых и высокочистых, например полупроводни­ковых, материалов.