1.1.5. Плазмохимические реакторы в системе газ-газ
Плазма – это полностью или частично ионизированный газ, являющийся, в целом, электронейтральным. Полностью ионизированный газ называют высокотемпературной плазмой, а частично ионизированный, т.е. содержащий наряду с заряженными частицами (ионами, электронами) нейтральные компоненты (атомы, молекулы, радикалы) – низкотемпературной плазмой.
В плазмохимических реакторах в настоящее время используют низкотемпературную плазму.
Если средние температуры всех компонентов плазмы близки между собой, то такую плазму считают [28] термически равновесной. Если же плазма находится при пониженном давлении, когда время соударения легкой электронной компоненты газа с тяжелой достаточно велико, то происходит отрыв среднегазовой температуры плазмы от электронной, и такая плазма считается термически неравновесной.
В плазмохимических реакторах используют как равновесную, так и неравновесную плазмы.
Равновесная плазма является источником большого количества активных частиц, поэтому именно ее чаще используют при проведении крупнотоннажных плазмохимических процессов, таких как пиролиз и конверсия углеводородов, получение оксида азота в производстве азотной кислоты, получение высокодисперсных карбидов, нитридов, боридов, оксидов и др.
Неравновесную плазму низкого давления применяют, в основном, для осуществления таких синтезов, при которых недопустима высокая газовая температура.
Конструктивно плазмохимические реакторы базируются на той или иной модели, в которую входят плазмотрон, реакционная камера, устройство подачи реагентов, выгрузочное устройство, закалочное устройство и т.д.
Основным узлом плазмохимического реактора является плазмотрон-генератор низкотемпературной плазмы.
Вид плазмотрона зависит от того, какой тип разряда в них используется.
Практическое применение нашли устройства, использующие дуговой, высокочастотный, сверхвысокочастотный и, в некоторых случаях, оптический разряды.
В настоящее время наибольшее распространение получили электродуговые и высокочастотные плазмотроны.
1.1.6. Дуговые плазмотроны
В этих плазмотронах реализуется дуговой разряд при больших токах (от единиц ампер до десятков и даже сотен килоампер). Размер дуги может изменяться от нескольких миллиметров до 1 м и более, а ее мощность достигает десятков мегаватт. Принцип действия дугового плазмотрона сравнительно прост – между электродами зажигается разряд, который нагревает обдувающий его газ до высокой температуры.
Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества.
Конструктивно плазмотроны могут быть организованы разными способами.
Основными среди них являются следующие: с традиционным осевым расположением электродов (линейные) (рис.1.10,а); с коаксиальным расположением электродов (рис.1.10,б); с тороидальными электродами (рис.1.10,в); с двухсторонним истечением плазмы (рис.1.10, г); с расходуемыми электродами (рис.1.10, д,е).
Рис. 1.10. Схемы основных дуговых плазмотронов:
а – осевой; б – коаксиальный; в – с тороидальными электродами; г – двустороннего истечения; д – с внешней плазменной дугой; е – с расходуемыми электродами; 1 – разряд; 2 – плазма; 3 – электрод; 4 – разрядная камера; 5 – соленоид; 6 – обрабатываемое тело; I – плазмообразующий газ; II – охлаждающая вода.
В осевом плазмотроне дуга 1 горит между двумя водоохлаждаемыми электродами 3.
Плазмообразующий газ I, подающийся тангенциально к разряду, выносит плазменную струю 2 за пределы разрядного промежутка. У линейных плазмотронов достигается наибольшая протяженность плазменного разряда, что позволяет увеличить среднее время пребывания реагентов в активной зоне и расширяет возможность варьирования условий проведения плазмохимических реакций. Дуга стабилизируется потоком плазмообразующего газа, подаваемого в дуговую камеру 4 тангенциально с помощью вихревой газоформирующей головки. Так как при горении разряда дуговое пятно непрерывно перемещается по относительно протяженной поверхности анода, то такие конструкции имеют повышенный ресурс работы.
В плазмотронах с коаксиальным расположением электродов (рис.1.10 в) и с тороидальными электродами (рис.1.10, б) наблюдается значительный износ электродов в связи с высокой плотностью тока при их малых габаритах.
Для уменьшения быстрого разрушения электродов в такие плазмотроны добавляют устройство магнитного вращения дуги. При вращении дуги в плазмотронах наблюдается повышенная устойчивость горения разряда в широком диапазоне расходов плазмообразующего газа.
Плазмотроны с двустороним истечением плазмы (рис.1,10, г) являются аналогами плазмотронов с осевым расположением электродов и отличаются от последних симметричным вводом плазмообразующего газа в зону разряда, при котором он распространяется в двух диаметрально противоположных направлениях. В этом случае обеспечивается непрерывное перемещение дуговых пятен анода и катода, что приводит к увеличению ресурса их работы.
Плазмотроны с расходуемыми электродами (рис.1.10, д,е) применяются в тех случаях, когда один из реагентов плазмохимической реакции может служить материалом самого плазмотрона.
Для изготовления электродов электродуговых плазмотронов применяют различные тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, молибден, цирконий, гафний или специальные сплавы.
Ресурс работы вольфрамового электрода при токах до 1000 А составляет несколько сотен часов и определяется, в основном, природой плазмообразующего газа.
Часто электроды дугового плазмотрона выполняют в виде медных водоохлаждаемых конструкций, хотя их эрозия на два порядка выше, чем, например, циркониевых, при одних и тех же условиях.
Примером реактора для синтеза ацетилена путем крекинга в электрической дуге (низкотемпературной плазме) является аппарат, изображенный на рис. 1.11.
Газы проходят по трубопроводу в распределитель с круговым движением и по касательной входят внутрь распределительной камеры 1. Там они смешиваются и закрученным потоком входят в реакционное пространство 3, стенки которого служат одновременно нижним электродом. Электрическая дуга зажигается между стенками реакционного корпуса 3 и верхним электродом 2. Протяженность дуги – от верхнего электрода 2 практически до нижней части камеры 3. Температура дуги более 1500 0С. Дуга вытягивается между верхним катодом и анодом на расстоянии 0,8-1,0 м. Реакционная труба 3 имеет внутренний диаметр 100 мм и длину 1000 мм. Скорость газов в реакционной трубе очень большая – 1000 м/с; соответственно продолжительность реакции - 0,001 с.
Хотя процесс крекинга углеводородов в электрическом разряде является взрыво- и пожароопасным, при отсутствии подсоса воздуха он проходит нормально. Поэтому герметичность всех соединений реактора является обязательным условием его устойчивой работы.
Рис. 1.11. Реактор для получения ацетилена путем крекинга в электрической дуге постоянного тока: 1 – распределительная камера; 2 – верхний электрод; 3 – реакционная труба; 4 - форсунка.
Процесс ведется при небольшом давлении. Давление на входе составляет 0,3 – 0,4 МПа, а на выходе – 0,15 МПа.
Для создания электрического разряда в период пуска вспомогательный электрод (анод) пневматическим капсулем перемещается на небольшое расстояние к катоду и после зажигания электрической дуги опускается на корпус 3 – основной анод. Мощность аппарата составляет ~ 700 квт при напряжении 700-800 вольт и силе тока 800-900 А.
Несмотря на высокую скорость течения реакционных газов – 1000 м/с – крекинг осуществляется устойчиво. Верхний электрод сделан из меди и изолирован фарфоровыми изоляторами. Под распределительной камерой 1 находится вспомогательный электрод, снабженный пневматическим капсулем. Как верхний, так и нижний электроды охлаждаются водой для исключения перегрева. Непосредственно при выходе из реакционного пространства продукты реакции резко охлаждаются до 1500С впрыском воды, которая одновременно и очищает их от присутствующей сажи.
К большим достоинствам плазменного реактора можно отнести: большую удельную производительность при малых габаритах реактора.
К недостаткам относится, в первую очередь, малая продолжительность работы электродов в местах контакта с концами электрической дуги несмотря на их охлаждение проточной холодной водой. Анод приходится заменять через 500 часов непрерывной работы, катод – через 800-1000 часов. Быстрая закалка газов (охлаждение) позволяет подавить процесс разложения метана на углерод и водород, а также прекратить процесс разложения целевого продукта – ацетилена. Отмечено, что увеличение времени реакции в два раза, т.е. τр = 0,002 с приводит к снижению выхода ацетилена с 15 % до 10 %. Поэтому закалку производят интенсивным распылением холодной воды путем постановки форсунок 4 на выходе газов из реакционной зоны.
К другим недостаткам плазменно-химических реакторов можно отнести высокий расход электроэнергии и образование на электродах кокса и сажи, снижающих эффективность процесса.