3 .Теоретические основы плазмохимических процессов

3.1.Термодинамика плазмохимических процессов

Экстремальные условия плазмохимических процессов предопределяют установление термодинамического равновесия за доли секунды. Поэтому термодинамические расчеты равновесных систем являются обязательными на первом этапе разработки любой плазмохимической технологии. Результаты таких расчетов дают картину идеального состояния рассматриваемой системы при определенных конкретных параметрах, тем самым задавая ориентир, к которому следует стремиться при осуществлении реального процесса.

Термодинамический расчет плазмохимических процессов дает информацию по следующим моментам:

1. Определяется принципиальная возможность получения в конкретном плазмохимическом процессе целевого компонента (продукта).

2. Находятся условия, т.е. состав плазмообразующего газа, исходного сырья, температура и давление, обеспечивающие максимальный выход целевого продукта или условий, приводящих к минимальному содержанию в целевом продукте вредных примесей.

3. Определяется степень совершенства плазмохимических процессов.

4. Проводится сравнение реально осуществляемых процессов с предельно равновесными.

Такое сравнение позволяет в свою очередь:

а) найти пути совершенствования плазмохимических аппаратов: улучшить смесеобразование, выравнивать профиль температуры в дуге и газодинамические параметры;

б) найти экспериментальные корректировочные коэффициенты, учитывающие неизбежные отклонения реальных процессов от предельных равновесных. Это имеет существенное значение для уточнения проектировочных расчетов (так называемый второй уровень термодинамического исследования плазмохимических процессов).

Третий уровень термодинамических расчетов связан с вычислением параметров локального термодинамического равновесия (ЛТР). Параметры ЛТР используются тогда, когда неизбежны градиенты параметров рабочего тела (системы) по поперечному сечению плазмохимического реактора. Расчеты ЛТР также основываются на расчете параметров равновесного состояния изолированной системы.

Термодинамические расчеты состояния рабочих тел (системы) широко применяются при расчете и анализе совершенства плазмохимических процессов. Они, конечно, играют значительно меньшую роль в исследовании систем, в которых реализуются эффективные принципиально неравновесные плазмохимические реакции.

При проведении термодинамического анализа плазмохимических процессов условно принимают изучаемую систему как изолированную, т.е. такую, которая совершенно не вступает во взаимодействие с окружающей средой. Изменение состояния изолированной системы происходит исключительно под влиянием внутренних воздействий, связанных с выравниванием всех ее параметров (температуры, давления, химического потенциала и т.д.) и приводящих систему в наиболее вероятное - равновесное - состояние.

Для определения всех параметров состояния такой равновесной системы достаточно использования только двух основных законов термодинамики: первого закона - закона сохранения энергии - и второго закона, из многочисленных формулировок которого в данном случае целесообразно использовать закон возрастания энтропии в процессе изменения состояния изолированной системы и достижения максимума энтропии при установлении конечного равновесного состояния.

В большинстве случаев плазмохимические процессы протекают в многофазных многокомпонентных системах.

Термодинамический анализ этих процессов целесообразно проводить с учетом всех компонентов, присутствие которых в конечных продуктах наиболее вероятно, что позволяет правильно определить равновесный состав, оптимальные параметры и основные технологические показатели.

Развитие вычислительной техники и создание эффективных алгоритмов численного решения уравнений, описывающих равновесие в многофазных многокомпонентных системах и обеспеченных соответствующими программами, позволяет рассчитывать на ЭВМ равновесные составы смесей, включающих десятки компонентов. Это дает возможность в ряде случаев, не проводя дорогостоящих экспериментов, достаточно точно определить необходимые условия протекания соответствующего процесса, выход целевых продуктов и другие характеристики процесса.

Методика определения равновесных составов многофазных многокомпонентных систем основывается обычно на двух различных подходах, один из которых базируется на уравнениях закона действующих масс с использованием констант равновесия ("константный" метод), а другой - на поиске экстремума термодинамического потенциала системы.

Путем решения вариационной задачи нахождения экстремума любой из характеристик термодинамических функций (J - энтальпия, F - свободная энергия, Ф - изобарно-изотермический потенциал) могут быть установлены связи между параметрами термодинамического равновесия и составом многокомпонентной системы.