Энергии (энтальпии) энергоносителя Кривая 1 2 3 4 5 6 7

, мольная доля сырья в смеси

с энергоносителем 2/3 ½ 2/5 1/3 ¼ 1/5 1/6

Такие же оптимальные показатели могут быть рассчитаны для любых энтальпий плазменной струи при использовании в качестве сырья различных углеводородов. Именно эти оптимальные характеристики процесса пиролиза представлены на рис. 3.3, из которого видно, что пиролиз более тяжёлых алканов позволяет снизить минимальные удельные затраты энергии на получение продукта и повысить его максимально возможную концентрацию.

Рис. 3.3. Оптимальные показатели углеводородов в плазменной струе водорода в зависимости от энтальпии энергоносителя:

1 – СН₄; 2 – С₂Н₆; 3 – С₃Н₈; 4 – С₄Н₁₀; 5 – С₅Н₁₂; 6 – С₆Н₁₄

Термодинамические расчёты показывают, что температура, соответствующая оптимальным характеристикам процесса _{получения} ацетилена, довольно высока, а образование этилена происходит при более низких температурах. Поэтому целесообразно проводить процесс в две стадии: первую – с образованием С₂Н₂ из метана (Т₁  1800-2200 К), вторую – с образованием непредельных соединений (в основном С₂Н₄) из тяжёлых углеводородов за счет энергии, содержащейся в продуктах реакций первой стадии. При этом вторая стадия процесса является одновременно первой стадией закалки ввиду значительного теплового эффекта эндотермических реакций пиролиза.

3.3. Кинетика плазмохимических процессов

Кинетические расчёты, позволяющие рассмотреть развитие процесса во времени, весьма важны для разработки эффективных плазмохимических реакторов. Они дают возможность определить необходимое время пребывания продуктов в реакционном канале, требуемую скорость закалки и оптимальные параметры процесса. Уравнения химической кинетики устанавливают связь между производными по времени от количеств реагирующих веществ и их концентрациями. Они входят в физико-математические модели реактора совместно с уравнениями гидродинамики и тепло-массообмена.

Применимость классической химической кинетики к плазмохимическим процессам

Судить о том, насколько применима классическая кинетика к плазмохимическим процессам можно по выполнению основных допущений (постулатов) классической кинетики в плазмохимических процессах.

Химические процессы, подчиняющиеся законам классической химической кинетики, относятся к квазиравновесным. Неравновесные процессы описываются уравнениями неравновесной кинетики.

Как было указано во второй главе, неравновесные процессы осуществляются в условиях, создаваемых ВЧ- и СВЧ-плазмотронами, т.е. в высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядах, когда энергия электронов может в десятки раз превосходить энергию атомов, молекул и ионов. Для большинства же плазмохимических процессов, протекающих при атмосферном и немного повышенном давлении, в электродуговой плазме, температура которой не выше 5000 К, применимы способы классической кинетики. В этом случае реагирующая смесь не успевает пополняться активными частицами с энергией выше энергии активации.

Кинетические расчёты разнообразных плазменных процессов, выполненные в соответствии с способами классической кинетики, во многих случаях дают вполне удовлетворительное соответствие экспериментальным данным. Следует лишь отметить, что кинетические расчёты изоэнтальпических процессов часто рассматривают применительно к плазмоструйным реакторам, принимая, что смешение реагентов с энергоносителем происходит мгновенно, а дальнейшее изменение температуры смеси, определяемое из уравнения неизменной полной энтальпии системы, осуществляется за счет тепловых эффектов реакций.

Реакции в плазмоструйных реакторах протекают в условиях термодинамически равновесной низкотемпературной плазмы. В случае электродуговых реакторов плазма становится равновесной на выходе из разрядной камеры. Если считать, что в разрядной камере происходит только нагрев частиц любого углеродсодержащего сырья, а основные превращения (физические, физико-химические и химические) происходят вне её, то и в этом случае химические процессы протекают в равновесной плазме.