новости бизнеса
компании и предприятия
нефтехимические компании
продукция / логистика
торговый центр
ChemIndex
новости науки
работа для химиков
химические выставки
лабораторное оборудование
химические реактивы
расширенный поиск
каталог ресурсов
электронный справочник
авторефераты
форум химиков
подписка / опросы
проекты / о нас


контакты
поиск
   

главная > справочник > химическая энциклопедия:

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ


выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

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

Использование неравновесных плазмохим. процессов основано главным образом на инициировании хим. взаимод. электронами высоких энергий при сравнительно низких (до 30 кПа) давлениях. Это позволяет осуществлять газофазные синтезы с более высоким выходом, меньшими уд. затратами энергии, сокращать число стадий процесса по сравнению с традиц. технологиями, применять плазму для эффективной обработки и модифицирования пов-стей материалов и изделий, получения и нанесения тонких пленок орг. и неорг. веществ.

Плазмотрон - газоразрядное устройство для получения плазмы. В крупнотоннажных произ-вах используют в осн. электродуговые генераторы плазмы пост. или перем. тока пром. частоты (см. рис.). Их мощность достигает 10 МВт, тепловой кпд (отношение кол-ва 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 лаб. 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-ок. 1·103 К/мм при осевых осредненных температурах до 1,5· 104 К и скорости потока до 1 · 103 м/с. В тех произ-вах, 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 разл. плазмообразующих газов при скоростях течения до 100 м/с.

Квазиравновесные плазмохимические процессы проводят, как правило, в ограниченных потоках плазмы (реже в своб. 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 плазмохим. реакций возрастают в такой степени, что их характерные времена тx становятся меньше характерных времен тп тепло- и массопереноса. Вследствие этого кинетика плазмохим. 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 осн. показатели плазмохим. процесса-степень и селективность превращения. Совр. теория турбулентного смешения не позволяет пока предсказать характер и степень этого влияния, поэтому возрастает роль эмпирич. и полуэмпирич. подходов. Так, для нахождения времени смешения реагента с плазмой на мол. уровне используют методы "быстрой хим. реакции" и "быстрого физ. процесса", характерные времена которых много меньше характерного времени смешения (т.е. число Дамкёлера ). "Трассируя" с помощью быстрых процессов турбулентный смеситель, получают эмпирич. 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 плазмохим. реактор, в который после смесителя поступает гомог. смесь плазмы и реагента, принадлежит, как правило, к классу аппаратов вытеснения, хотя по своим характеристикам плазмохим. реакторы могут существенно отличаться от идеального реактора вытеснения. Осн. причина такого отклонения — резкое различие температур реагирующего потока и внутр. стенок реактора; др. причинами м. б. интенсивная осевая диффузия, значит. радиальный градиент осевой скорости потока, возникновение зон рециркуляции и колебаний статич. давления в канале реактора. Для улучшения режима работы плазмохим. реактора стремятся поддерживать температуру внутр. пов-стей реактора близкой к температуре проведения процесса и применять принудит. турбулизацию потока плазмы на выходе из плазмотрона. В настоящее время возможно лишь приближенное моделирование плазмохим. реакторов. При масштабном переходе от модельного к натурному плазмохим. реактору пром. производительности обычно отказываются от газодинамич. и теплового подобия и сохраняют термодинамич. подобие системы плазма-реагент, условия кинетич. подобия реакций и геом. 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 Так, при плазмохим. фиксации атм. азот. 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 азот. на 30%. При получении ультрадисперсных порошков скорость закалки влияет как на дисперсность целевого продукта, так и на его физ.-хим. свойства.

плазмохимическая технология 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 физ. свойствами обрабатываемого материала, но и распределениями частиц по скоростям и размерам, формой частиц и др. Характерные времена физ.-хим. 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 разл. реакторы: с кипящим слоем, с интенсивной рециркуляцией, электродуговые с малыми линейными скоростями плазмы.

В опытно-пром. масштабах реализованы плазмохим. процессы получения ацетилена и техн. водорода из прир. 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. азот. в произ-ве слабой азот.ой 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 фторорг., целлюлозно-бумажных, нефтехим., полимерных и др. произ-в.

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 (напр., получение озона, фторидов металлов, оксидов азот. и др.), плазмохимическая технология используют в осн. для осуществления гетеро-фазных процессов: получения и травления тонких пленок из орг. и неорг. материалов, обработки и модификации пов-сти изделий с целью придания им требуемых эксплуатац. Cв-в (антикоррозионных, термостойких, износостойких, антифрикционных и т.п.).

Неравновесные плазмохим. процессы проводят в реакторах периодич. 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 (напр., полимерную), или изделия, пов-сть которых подлежит обработке. Воздействие активных частиц плазмы (ионов, электронов, своб. радикалов), оптич. излучения плазмы и др. эффекты приводят к изменению хим. состава и структуры поверхностного слоя и позволяют получать материалы и изделия с улучшенными, часто уникальными (по сравнению с традиц. технологиями), свойствами пов-сти. Так, плазмохим. модификацию пов-сти 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 неск. минут до неск. часов в зависимости от вида обрабатываемого материала, необходимой глубины модифицир. слоя и т.п. Хорошо разработаны процессы азот.рования, борирования, силицирования, титанирования и т.п., модификация пов-сти полимерных разделит. мембран, резиновых изделий и др.

Лит.: 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.





выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


Все новости



Новости компаний

Все новости


© ChemPort.Ru, MMII-MMXVII
Контактная информация