Плазменный реактор — это узел плазмохимического, плазменного металлургического агрегата или плазменный агрегат в целом, в котором идут химические реакции с участием низкотемпературной плазмы. Плазменный реактор выполняет смешивание компонентов в условиях высоких температур плазмы, создает условий для эффективного тепло- и массообмена при минимальных теплопотерях, переводит в расплав нерудные материалы в случае выполнения металлургических процессов. Основными типами плазменных реакторов являются безэлектродные реакторы, как правило, индукционного типа, а также электродуговые струйные реакторы — именно они имеют промышленное значение. Плазменные реакции позволяют перерабатывать газообразное, твердое и жидкое сырье. В промышленных масштабах реализован ряд плазмохимических процессов: получение ацетилена и водорода из природного газа, а также ацетилена, этилена и водорода из нефтяных углеводородов; производство синтез-газа (используемого для синтеза винилхлорида), фиксация атмосферного азота (для получения азотной кислоты), получение пигментного диоксида титана и других важных химических продуктов.

Классификация

Безэлектродные плазменные реакторы

Индукционные реакторы В безэлектродных плазменных реакторах отличительной чертой является то, что плазмообразующий газ во время работы плазмотрона не соприкасается с электродами индуктора. К ним относятся высокчастноные индукционные плазмотроны (200 кГц—400 МГц, мощность заряда 0,2—650 кВт, расход плазмообразующего газа — до 0,3 м3/с), в которых используется высокочастный безэлектродный раряд H-типа, и сверхвысокочастные (СВЧ) индукционные плазмотроны (100—1000 МГц), в которых разряд возбуждается в полых волноводах. В индукционных реакторах объём разрядной кварцевой камеры с медными водоохлаждаемыми трубками, опоясанной индуктором, совмещен с реакционной зоной (рис. 1). Эта зона окружена экранирующим корпусом, на его верней торцевой крышке расположен завихритель, куда подаётся плазмообразующий газ, а к нижней крышке крепится камера реактора. Важная особенность СВЧ индукционных реакторов заключается в возможности генерировать неравновессную плазму, что даёт возможность осуществялть многие химические реакции как необратимые.

Высокочастотные плазмотроны выгодно отличаются от электродуговых тем, что обеспечивают более чистую плазму, отличаются высокой устойчивостью разрядных характеристик, способны к непрерывной длительной работе и допускают применение химически активных газов в качестве плазмообразующей среды.

Другие безэлектродные реакторы Наряду с индукционными, к плазменным реакторам безэлектродного типа также относятся высокочастноые ёмкостные реакторы ( мощность заряда 100—1000 кВт), в которые возбуждается высокочастный разряд E-типа с внешними электродами, и высокочастные факельные реакторы (10—20 МГц, мощность заряда 10—15 кВт, расход плазмообразующего газа — до 0,2—4 м3/ч, средняя температура плазменной струи 1500—4000 К), использующие высокочастный моноэлектродный (факельный) разряд.

Электродуговые струйные плазменные реакторы В струйных плазмотронах установлен электродуговой нагреватель газа, который переводит его в плазменное состояние. При этом плазмообразующий газ проходя камеру завихрения, после чего попадает в канал плазмотрона , где расположены электроды, создающие дугу, которую ионизированный газ вытягивает в зону реактора, на входе которого осуществляется подача исходных веществ реакции. В струйных плазменных реакторах плазму получают в виде сформированной струи; их подразделяют на прямоточные реакторы и реакторы со встречными струями (рис. 2) .

Электродуговые плазмотроны обеспечивают широкий диапазон параметров плазменной струи: скорость истечения газа может изменяться от 10 м/с до нескольких километров в секунду в зависимости от расхода плазмообразующего газа, диаметра сопла и мощности дугового разряда; температура на оси струи достигает значений от 10⁴ до 5·10⁴ К, при этом среднемассовая температура потока составляет около 10⁴ К для одноатомных газов и снижается до (4–5)·10³ К для двухатомных (азот, водород).

Основные технологические операции

Подготовка и дозирование сырья Сырье может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии. Твердое сырье перед введением в реактор измельчают; при переработке в плазменной струе до 1–100 мкм, в кипящем слое – до 1–2 мм. Подачу измельченной шихты в реактор осуществляют механическими или пневматическими питателями различных типов. Жидкое сырье представляет собой растворы нелетучих соединений, а также суспензии или пульпы, которые диспергируются с помощью пневматических и центробежных форсунок и подаются в реактор в виде капель; дозирование осуществляется с помощью насосов и мерников. Газообразное сырье подается в виде струй через одно или несколько отверстий. В ряде случаев газообразный реагент подмешивают к плазмообразующему газу.

Дозирование плазмообразующих газов Дозирование плазмообразующих газов осуществляют через установки, включающие компрессор, измеритель расхода газа и дроссельные заслонки, регулирующие поток. Контрольными параметрами являются расход газа на измерителе и давление в системе.

Перемешивание сырья с плазмой К эффективности перемешавания сырья с потоком плазмы предъявляют жесткие требования, т.к. по причине высокой скорости химических реакций в плазме, именно перемешивание в большинстве случаев лимитирует скорость процесса. Потоки сырья вводят спутно или под углом друг к другу. Конденсированные реагенты вводят через боковые относительно потока плазмы дозаторы. Для интенсификации используют изменение параметров потоков плазмы, закручивание её струи и струй реагентов; в ряде случаев применяют акустические и гидродинамические пульсации потоков.

Нагревание сырья В случае газообразного сырья его нагревание до температуры плазменного потока происходит после завершения процесса перемешивания, в то время как для жидкого и твердого сырья после перемешивания требуется дополнительное время для нагрева его частиц. Нагревание твердых и жидких частиц часто сопровоздается фазовыми переходами: плавлением, сублимацией, испарением, что приводит к существенной интенсификации последующих процессов.

Сохраненеие целевых продуктов (закалка) Для сохранения целевых продуктов, образующихся в плазмохимическом реакторе, важно предотвратить нежелательные реакции (обратные, параллельные или последовательные), способные снизить концентрацию продуктов реакции. Эффективным методом решения этой задачи является закалка — резкое охлаждение реакционной смеси до температур, при которых нежелательные процессы прекращаются.

Закалку можно проводить в поверхностных теплообменниках. Этот метод предпочтителен, когда необходимо исключить прямой контакт продуктов реакции с охлаждающей средой. Теплообменник представляет собой систему каналов с водоохлаждаемыми стенками, через которые теплота от горячего газа передаётся воде. Расход охлаждающей воды рассчитывается на основе теплового баланса, с учётом начальной и конечной температуры газа, его теплоёмкости и тепловых потерь.

Самым простым способом закалки с использованием сторонних веществ является закалка продуктов газовой фазой. При этом холодный инертный газ подмешивается в струю к продуктам реакции. Недостатком является существенно разбавление продуктов реакции, что приводит к необходимости их последующего концентрирования.

В ряде случаев для закалки в поток вводятся жидкости. При непосредственном контакте газа с жидкостью охлаждение происходит интенсивно, так как теплота отводится одновременно за счёт нагрева жидкости и её испарения. Скорость закалки пропорциональна площади поверхности контакта фаз, поэтому для её увеличения одну из фаз диспергируют — например, распыляют жидкость в газовом потоке или барботируют газ через жидкость. Это обеспечивает высокую эффективность теплообмена и быстрое снижение температуры продуктов реакции. Недостатком является ощитимое разбавление продуктов реакции вводимым жидким реагентом.

Для закалки дисперсной твёрдой фазой в горячий газовый поток вводят мелкодисперсные частицы тугоплавких материалов. Часть тепловой энергии газа расходуется на нагрев этих частиц, что приводит к быстрому снижению температуры газовой смеси. Эффективность закалки возрастает с уменьшением размера частиц, поскольку при этом увеличивается их удельная поверхность и, следовательно, интенсивность теплообмена. Использование твёрдых частиц не приводит к разбавлению продуктов реакции газами или парами охлаждающей среды. Однако при этом возникает техническая проблема отделения и вывода охлаждающих частиц из газового потока после завершения процесса закалки.

Разделение продуктов После проведения процесса охлаждения продуктов реакции производится их отделение от газа носителя и закалочных агентов, побочных и исходных веществ, для чего применяют стандартные методу разделения и очистки, например, абсорбцию и мембранные процессы для разделения газообразных веществ, электростатический метод для разделения смесей газ–твердое вещество, метод на основе ионизации твердых частиц и притяжения к их к электроду с противоположным зарядом, мокрое пылеулавливание для отделения твердой фазы от газа за счет барботажа в пылеуловителях, фильтрование с использование различных типов фильтров.

Применение в технологических процессах Использование плазмохимических реакторов для осуществления плазмохимических реакций в промышленном масштабе имеют ряд особенностей, которые определяются спецификой их механизмов и кинетики, а также спецификой химических процессов в низкотемпературной плазме и плазменных струях. Плазмохимические процессы протекают с высокой скоростью (продолжительность составляет 10−2—10−5 сек), что позволяет уменьшить размеры промышленной аппаратуры и оборудования. Например, для процесса плазмохимического пиролиза метана плазменный реактор производительностью 25000 т в год имеет длину 65 см и диаметр 15 см. В таких процессах время, затрачиваемое на перемешивания реагентов в плазменных струях, близко ко времени самой реакции, что приводит к тому, что существенное значение имеет выбор оптимальныго турбулентного перемешивания реагентов до молекулярного уровня. Как правило, процессы в плазменных реаторах легко управляемы: они хорошо моделируются и оптимизируются. Во многих случаях плазмохимическая технология позволяет получать материалы (например, высокодисперсные порошки, плёнки, покрытия) и вещества, которые обладают весьма ценными свойствами (в частности, вольфрам, приобретает устойчивость к рекристаллизации и ползучести, а также анизотропию эмиссионных свойств).

В промышленных и полупромышленных масштабах реализовано большое количество важных плазмохимических реакций: а именно, получение ацетилена и технического водорода из природного газа, получение ацетилена, этилена и водорода из углеводородов нефти (дистиллятов и сырой нефти), производство синтез-газа, которые далее используется для получения винилхлорида, фиксация атмосферного азота при получении азотной кислоты, получение пигментного диоксида титана, а также других ценных продуктов химической промышленности.

Примечания

Литература

Категория:Физика плазмы