Головна

У хімічних процесах

  1. IV. Теплові ефекти хімічних реакцій. Термохимические рівняння і розрахунки
  2. Антидоти небезпечних хімічних речовин
  3. У ізохорно процесах вся теплота, повідомлена системі або виділена нею, визначається зміною внутрішньої енергії системи
  4. Види взаємозв'язків в масових явищах і процесах
  5. Види хімічних речовин
  6. Вплив хімічних речовин на живі організми

В даний час більш ніж в 30 країнах світу реалізовано близько 125 промислових процесів, заснованих на застосуванні плазми. До розпаду СРСР в країні було реалізовано близько 40 плазмохімічних процесів. В основному реалізовані плазмохімічні процеси відносяться до малотоннажних виробництв. У великотоннажних виробництвах плазмохімії проникла в такі процеси як переробка вуглеводнів, вугілля, фіксація атмосферного азоту, порошкова металургія. Найбільшого розвитку ці процеси набули в США, ФРН, ПАР, Японії, Швеції.

Про актуальність плазмохімії можна судити по її відповідності основним тенденціям сучасної хімічної технології і можливості вирішувати проблеми, що виникли на сучасному рівні розвитку технології. У числі явно позначилися тенденцій хімічних технологій на сьогоднішній день слід виділити наступні:

· Скорочення числа технологічних стадій;

· Зростаюча інтенсифікація процесів;

· Мініатюризація обладнання;

· Створення малоінерційних процесів;

· Автоматизація.

Серед проблем розвитку технологій на перший план виходять проблеми:

- Передачі енергії від джерела в реактор;

- Створення технологій, що виключають шкідливий вплив промисловості на біосферу;

- Підвищення вимог до чистоти і фізико-хімічними властивостями матеріалів;

- "Відходів" і "оборотів".

Рішення перерахованих проблем зі збереженням тенденцій розвитку хімічних технологій цілком під силу плазмохімічним технологіям.

Підставою для такої заяви є сутнісний потенціал плазмохімії. Принципова відмінність плазмохімічних процесів від традиційних хімічних укладено в трьох моментах ідеології плазми:

- Високі енергії;

- Концентрація енергії високої величини в малому обсязі;

- Наявність великої кількості збуджених часток.

Саме ці три моменти визначають ті екстремальні умови, в яких протікають плазмохімічні процеси, а саме:

температурний інтервал від 2 до 50 тис. градусів Кельвіна,

час контакту реагують сумішей від 1 до 10-5 з і

швидкість руху газу в зоні електричної дуги від 40 до 4000 м / с.

Такі жорсткі умови створюються при генерації ізотермічної (низькотемпературної) плазми в електродуги підігрівачі, званому плазмотроном. Вибір плазмотрона залежить від конкретного процесу, що вимагає певного плазмообразующего газу і обумовлює допустимий ступінь його забрудненості продуктами ерозії матеріалу плазмотрона. Застосування плазмових способів впливу на сировину визначає цілий ряд достоїнств плазмохімічних процесів, що роблять їх перспективними і конкурентоспроможними порівняно з іншими процесами отримання різноманітних цільових продуктів, а саме:

· Здійснення процесів, які при низьких температурах не протікають і потребують значного підведення енергії.

Як приклад можна вказати на отримання карбіду титану. Традиційними способами здійснити цей процес дуже складно. Якщо ж в плазмовий струмінь водню подати тетрахлорид титану і вуглеводень, то розрахункові оптимальні умови можуть бути реалізовані. При цьому водень не тільки є енергоносієм, що дозволяє компенсувати тепловий ефект ендотермічної реакції освіти карбіду титану і підтримувати потрібний рівень температури, але і сам бере участь в реакції, підвищуючи ступінь перетворення сировини в цільовий продукт.

· Збільшення питомої продуктивності реактора і зменшення його габаритів.

Високі температури, як відомо, істотно прискорюють швидкості хімічних і фізичних процесів: тривалість процесу скорочується в сотні і в тисячі разів в порівнянні з традиційними низькотемпературними технологіями. Тривалість різних плазмохімічних процесів становить зазвичай 10-4-10-1 с. При цьому питома продуктивність реактора дуже велика, а його розміри (на одиницю одержуваних цільових продуктів) набагато менше, ніж звичайних апаратів, що обумовлює зниження капітальних витрат. Досить потужні плазмотрони (потужністю до 5 МВт) мають довжину всього 1,5 м, масу до 100 кг.

· Скорочення числа технологічних стадій.

Плазмохімічні процеси дозволяють в деяких випадках істотно зменшити число стадій виробництва.

Наприклад, сучасний спосіб отримання монооксиду азоту включає наступні стадії: каталітичну конверсію природного газу водяною парою в печі при температурі близько 1200 К і тиску 2-3 МПа, доконверсія непрореагировавшего метану в апараті другого ступеня, каталітичну двоступеневу конверсію утворився монооксиду вуглецю водяною парою з метою отримання водню, низькотемпературне поділ повітря, реакцію синтезу аміаку з азоту і водню при тиску близько 30 МПа і температурі 420-500оС, а також окислення аміаку на платиновому каталізаторі при температурі близько 900оС.

У той же час монооксид азоту можна отримати в одну стадію в одному апараті безпосередньо з повітря, без використання органічної сировини. Якщо повітря пропустити через плазмотрон і продукти реакції загартувати, то в цьому одностадійному процесі можна отримати концентрацію NО, прийнятну для промислового використання.

Висока селективність, що зумовлює одностадійна або малостадійность, безвідходність або маловідходних, визначають високу екологічну ефективність плазмових технологій.

· Використання дешевої сировини, в тому числі промислових і побутових відходів.

Високі температури плазмохімічних процесів роблять їх малочутливими до складу вихідних реагентів. У багатьох випадках важливо лише співвідношення числа атомів відповідних хімічних елементів в сировині, а не тип хімічного зв'язку. Це дозволяє замінювати дорогі реагенти більш дешевими, а іноді і просто відходами - промисловими або побутовими. Наприклад, в процесах, розроблених фірмою "СКФ сталь" (Швеція), відновлення металів здійснюють або шляхом використання пилоподібних відходів газоочисних металургійних агрегатів, або заміною частини дорогого коксу вугіллям.

· Можливості отримання модифікованих поверхонь матеріалів з унікальними властивостями.

За допомогою низькотемпературної плазми можуть бути вельми ефективно здійснені процеси з метою зміни твердості, змочуваності, агрегації на поверхні, підвищення стійкості матеріалів у високотемпературній і агресивної середовищах. До таких процесів відносять напилення, азотування тощо.

· Можливості зниження температури стінки реактора.

Це гідність особливо істотно в тих випадках, коли сировина і продукти реакції агресивні. Плазмохімічні процеси дозволяють підводити енергію всередину реактора за допомогою плазмового струменя, підтримуючи при цьому невисоку температуру стінок реакційного каналу шляхом інтенсивного охолодження.

· Безінерційні, широкий діапазон змінних параметрів і зручність автоматизованого управління.

Плазмохімічні процеси засновані на використанні електричних розрядів різного типу. Включення реактора здійснюється швидко. Його характеристики можуть бути легко змінені шляхом варіювання електричної потужності і витрати сировини, що дозволяє легко автоматизувати процес. Необхідно відзначити, що в число змінних параметрів в деяких випадках можна включати вид сировини (в одному і тому ж плазмохімічному реакторі можна отримати різні продукти).

Переваги плазмохімічних процесів не вичерпуються перерахованими вище. Іноді перспективність того чи іншого процесу визначається зменшенням числа наступних операцій очищення і виділення цільових продуктів, можливістю збалансованої сировинної бази, безвідхідністю технології, зниженням питомих витрат енергії на отримання продуктів.

Слід зазначити, що поряд з вищевказаними очевидними перевагами плазмохімічні процеси мають ряд вразливих моментів, До яких можна віднести наступні.

· Необхідність використання електроенергії.

Для багатьох великотоннажних процесів цей недолік є дуже великою, що знижує їх техніко-економічну ефективність. Особливо це проявляється на енергоємних плазмохимических виробництвах, які виявляються конкурентоспроможними лише в районах з дешевою електроенергією і при використанні недорогої сировини.

Якщо плазмовим способом отримують продукти з унікальними властивостями або якщо частка енергетичних витрат незначна в собівартості продукту, а також якщо інші переваги процесу роблять його рентабельним, то такий процес, зрозуміло, знаходить промислове застосування, незважаючи на дорожнечу електроенергії.

Однак слід відзначити зміну структури енергетичного балансу на користь електричної енергії, а отже, і на користь плазмохімії. Якщо ж спробувати поглянути в майбутнє, де ставка у виробництві електроенергії робиться на використання керованого термоядерного синтезу, то зазначений недолік плазмохімічних процесів поступово перетворюється в їх гідність.

Однак вже зараз можливо реалізувати відомі резерви зниження витрат електроенергії в такому плазмохімічному виробництві, як піроліз вуглеводневої сировини (використання "пікової" енергії, застосування двоступеневої гарту, попереднє нагрівання сировини відходять пірогазу самого плазмохимического процесу, переробка вторинних енергетичних ресурсів). Також при проведенні техніко-економічного обґрунтування плазмохимических виробництв слід враховувати крім енергії, витраченої на процес, енергію, укладену в самому сировину. При такому підході при порівнянні з традиційними хімічними процесами в силу високої конверсії сировини і високій селективності плазмової технології остання може бути віднесена не тільки до ресурсозберігаючої, але також до енергозберігаючої технології. Детальний аналіз енергетичних витрат, проведений радянськими економістами в середині 80-х рр. ХХ століття показав, що в процесі плазмохимического піролізу вуглеводнів в сумарних енергетичних витратах основний питома вага припадає на електроенергію (88%), а в традиційних процесах нафтохімічного синтезу, а також в процесі термічного піролізу твердих горючих копалин основна частка цих витрат пов'язана з теплоенергією і паливом.

Таким чином, оцінюючи плазмохімічноїтехнологія в цілому слід підкреслити визначальне значення високою конверсії сировини і селективності як її найважливішої техніко-економічної особливості.

· Відносно невисокий ресурс роботи плазмохимической апаратури.

Ресурс роботи визначається, в основному, ресурсом роботи електродів плазмотронов, який зазвичай становить 100-1000 ч. Але цей недолік не є принциповим. По-перше, удосконалення конструкції плазмотронів постійно збільшує ресурс їх роботи в десятки разів. А по-друге, у зв'язку з малою інерційністю плазмохимической установки і невеликим її масштабом заміна що вийшли з ладу електродів вимагає трохи часу. Якщо необхідно здійснювати безперервний процес протягом тривалого терміну, у багатьох випадках доцільно мати резервні апарати, вартість яких невелика.

Таким чином, розглянуті переваги і недоліки плазмохімічних процесів дозволяють зробити висновок про їхню перспективність і доцільність використання для отримання різноманітних цільових продуктів.

 




ГЕНЕРАТОРИ низькотемпературної плазми | Електродугові плазмотрони | високочастотні плазмотрони | Термодинаміка плазмохімічних процесів | низькотемпературної плазмі | Енергії (ентальпії) енергоносія | До плазмохімічним процесам | Речовин в плазмі | углеродсодержащими СИРОВИНИ | вуглецевмісних сполук |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати