Лекция № 9. Организация плазменного процесса. Камеры смешения.
План лекции
1. Принципы организации плазмохимического процесса.
2. Камеры смешения.
3. Распределение струй плазменном потоке.
В настоящее время наиболее распространенными генераторами низкотемпературной плазмы являются электродуговые, высокочастотные (индукционные) и сверхвысокочастотные плазмотроны. В качестве плазмообразующих газов могут использоваться либо реагенты химического процесса, либо газы, непосредственно не участвующие в реакции, а выступающие только в роли теплоносителя.
Современные электродуговые плазмотроны выполняются по осевой или коаксиальной схеме. Для плазмохимических процессов наибольшее распространение получили электродуговые плазмотроны, работающие на постоянном и переменном, однофазном и трехфазном токе. Преимущества электродуговых плазмотронов по сравнению с высокочастотными и сверхвысокочастотными плазмотронами заключаются в большой единичной мощности одного аппарата (что важно при разработке крупнотоннажных плазмохимических производств), а также в относительно простой схеме электропитания и регулирования параметров работы плазмотрона. Электродуговые плазмотроны обеспечивают приемлемый ресурс работы с достаточно высоким термическим КПД (до 85-92%) Коэффициент полезного действия электродуговых генераторов плазмы зависит от рода плазмообразующего газа, конструктивных особенностей плазмотрона, его режимных параметров. Так, работа на аргоне, характеризуется наиболее низким КПД - 40%; на водороде КПД составляет 80-95%. Ресурс работы электродуговых плазмотронов определяется родом плазмообразующего газа, конструктивными особенностями генератора, силой тока, напряженностью электрического поля дуги, материалом электродов и составляет сотни часов. Существенно, что даже при большой стойкости электродов возможно некоторое загрязнение целевых продуктов материалом электродов. Поэтому для процессов получения чистых и сверхчистых веществ обычно применяются так называемые безэлектродные плазмотроны, к которым принадлежат ВЧ- и СВЧ-генераторы низкотемпературной плазмы.
Высокочастотный разряд зажигается в сосредоточенных емкости (емкостный или Е-разряд) или индуктивности (индуктивный или Н-разряд), которые включены в высокочастотный контур генератора. Условно к высокочастотным относят разряды на частотах от нескольких сотен килогерц до десятков мегагерц. Важно, что индуктивные разряды при низких частотах могут существовать только при сравнительно больших мощностях, в то время как емкостные разряды могут существовать на низких частотах даже при сравнительно небольших мощностях.
Отсутствие внутренних электродов в высокочастотных плазмотронах позволяет расширить выбор плазмообразующих газов, которые могут быть использованы для осуществления плазмохимических процессов.
Для ряда плазмохимических процессов перспективными оказываются сверхвысокие частоты (до сотен гигагерц). В СВЧ-плазмотронах разряд зажигается в металлических полостях - волноводах и резонаторах. Особенностью СВЧ-разрядов является возможность получать неравновесную плазму при сравнительно высоких давлениях. Определяющую роль играет возбуждение молекул электронами с энергией 1 -10 эВ при одновременном воздействии СВЧ-излучения.
Низкотемпературная плазма может также генерироваться в тлеющем, барьерном, коронном, импульсном, искровом электрических разрядах; в установках адиабатического сжатия и ударных трубах; с помощью мощных оптических квантовых генераторов и т. п.
Плазмохимический процесс осуществляется либо непосредственно в плазмотроне, либо в специальном реакторе, совмещенном с плазмотроном.
Специальный реактор, применяемый для осуществления процессов второго типа, обычно состоит из камеры смешения, реакционной зоны и закалочного устройства. В этом случае весьма существенным оказывается этап перемешивания исходных компонентов с плазменной струей. Время протекания плазмохимических - реакций обычно составляет 10-3-10-4 с, поэтому процесс перемешивания необходимо проводить за более-короткое или, по крайней мере, соизмеримое время.
Реакционная камера предназначена для проведения непосредственно целевой химической реакции или для осуществления, какого-либо физического процесса: расплавления, испарения, конденсации порошков. Объем и конструктивное оформление реакционной камеры определяются кинетикой процесса - соображениями аэродинамики и теплопередачи.
Плазмохимические процессы проводят при высоких температурах, поэтому требуется последующее охлаждение продуктов реакции. Скорость охлаждения определяется кинетикой побочных и обратных реакций, протекающих в системе по мере понижения температуры. Так как скорость этих реакций при высоких температурах обычно велика, то требуется весьма быстрое, охлаждение (закалка) конечных продуктов.
Современные плазмохимические процессы, как правило, организуются таким образом, что потоки плазмы и сырья вводятся в плазмохимический реактор раздельно. Для проведения в реакторе целевой химической реакции необходимо прежде всего перемешивать сырье с плазменной струей. Молекулы реагентов при этом должны находиться в непосредственном контакте, т. е. сырье должно быть перемешано с плазмой до молекулярных контактов, независимо от того является ли плазмообразующий газ реагентом целевой химической реакции или только теплоносителем, поскольку перенос энергии от частиц плазмообразуюшего газа к молекулам реагента происходит также на молекулярном уровне
При плазменных температурах скорости химических реакций возрастают настолько, что характерные их времена становятся сравнимыми с характерными временами процессов переноса и, следовательно, с характерными временами процесса перемешивания. В процессе перемешивания реагентов с плазменной струей исходные химические компоненты могут испытывать значительные превращения. Из двух рассматриваемых последовательных стадий - смешения и непосредственно плазмохимического процесса - определяющей является стадия смешения. Недостаточно хорошо организованное смешение (даже при наличии высоких температур плазменной струи) может значительно снизить эффективную скорость процесса и таким образом затормозить его. Следовательно, камера смешения является основным и определяющим узлом плазмохимического реактора.
Смешение компонентов в плазмохимическом реакторе имеет ряд существенных особенностей, исключающих возможность применения традиционных методов расчета смесителей или требующих их существенного уточнения. Эти особенности состоят в следующем:
- плазменная струя характеризуется высокой температурой, наличием значительной диссоциации и заметной ионизации, а также весьма высокими градиентами параметров. Так, например, в плазменной струе аргона, генерируемой дуговым плазмотроном постоянного тока и истекающей в атмосферу из сопла круглого сечения диаметром 3 мм, радиальные градиенты температуры достигают 5-103 град/мм, осевые - около 400 град/мм.
- смешение осуществляется в неизотермических условиях: температура плазменной струи может иметь порядок 3000 К, в то время как сырье вводится при температуре примерно 300 К. Следствием этого является то, что смешивающиеся газы весьма существенно различаются по плотности;
- процесс смешения сопровождается эндотермической реакцией, время протекания которой соизмеримо с временем перемешивания;
- смешению сопутствуют различные рекомбинационные процессы со значительным энергетическим выходом. Так, при получении ацетилена из природного газа основным рекомбинационным процессом является рекомбинация атомов водорода.
Представляется разумным рассматривать плазмохимический реактор, состоящим из двух частей: смесителя плазменной струи с сырьем и собственно реактора. Смеситель должен обеспечивать получение гомогенной смеси реагентов на входе в реактор при некоторой температуре, значение которой определяется, исходя из кинетических и термодинамических характеристик данного химического процесса. На вход реактора из смесителя поступает турбулентный поток гомогенно перемешанных реагента и плазмообразующего газа
Процесс турбулентного перемешивания двух струй можно формально разделить на два этапа. На первом происходит перемешивание реагентов в крупном масштабе. Это соответствует процессу выравнивания профиля концентрации в сносящем потоке по мере удаления от места введения струи сырья в указанный поток. Второй этап состоит в турбулентном дроблении и смешении реагентов до молекулярных контактов за счет действия молекулярной диффузии.
Рисунок 20. Схема распространения струи в канале: а - симметричный ввод;
б - несимметричный ввода газа
Рассмотрим различные модели распространения струй в плазменном потоке. Пусть в цилиндрическом канале диаметром d распространяется плазменная струя, в которую вдувается холодный газ через отверстия диаметром δ<d (рис. 20 а, б). Если степень турбулентности холодной струи достаточно высока (Re~104), то мы имеем турбулентную струю, распространяющуюся практически свободно до тех пор, пока ее внешние границы не пересекутся со стенками реактора. Тангенс угла наклона внешней границы свободной турбулентной струи к ее оси составляет tg α/2 = 0,22/0,3. Следовательно, длина зоны перемешивания
ln = = (1,7/2,3)d (111)
При смещении холодной струи к боковой стенке реактора длина зоны перемешивания увеличивается и в пределе может достигать
ln макс = (3,4/4,6)d. (112)
У свободней турбулентной струи имеется начальный участок, на котором смешение еще не началось. Его длина lнач ≤ 58. Если lнач > (1,74/2,3)d, то длина зоны перемешивания определяется длиной начального участка холодной струи. Условие выбора диаметра канала реактора запишется в виде
lнач = (1,7/2,3)d (113)
или
d ~ 2,5δ.
Рисунок 21. Схема распространения струи при поперечном вдувании газа
Если холодный газ вводится перпендикулярно оси струи (рис. 21), то добиться строго симметричного заполнения сечения реактора распространяющейся турбулентной струей холодного газа практически невозможно. В этом случае необходимо подобрать траекторию холодного газа так, чтобы на расстоянии 2d центр сечения струи находился на оси реактора.
Вопросы
1. Основные виды плазмотронов и их характеристики.
2. Особенности смешение компонентов в плазмохимическом реакторе.
3. Модели распространения струй из плазмообразующего газа и сырья
Литература
1. Крапивина С.А. Основы плазмохимии. Л.: ЛТИ, 1976, - 65е.
2. Моссэ А.Л., Печковский В.В. Применение низкотемпературной плазмы в технологии неорганических веществ. Минск: Наука и техника, 1973.- 213с.
Дата добавления: 2017-06-13; просмотров: 1651;