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

l_n = = (1,7/2,3)d (111)

При смещении холодной струи к боковой стенке реактора длина зоны перемешивания увеличивается и в пределе может достигать

l_{n макс} = (3,4/4,6)d. (112)

У свободней турбулентной струи имеется начальный учас­ток, на котором смешение еще не началось. Его длина l_нач ≤ 58. Если l_нач > (1,74/2,3)d, то длина зоны перемешива­ния определяется длиной начального участка холодной струи. Условие выбора диаметра канала реактора запишется в виде

l_нач = (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.