3 Плазмохимический реактор

Плазмохимические реакторыиспользуют для производства газообразных продуктов (ацетилена, оксида азота, дициана, фторуглеродов и т. п.) и порошков функционального назначения (например, пигментного диоксида титана, ультрадисперсного нитрида титана, нитрида кремния и т. п.). Эффективность использования плазмохимического процесса для получения таких продуктов обусловлена механизмом и кинетикой химических и фазовых превращений при высоких температурах, а также возможностью введения энергии непосредственно в реакционный объем.

В плазмохимических реакторах в качестве теплоносителя используется низкотемпературная плазма (с энергией до 10 эВ, что соответствует температуре ~11 200 К). Процессы в низкотемпературной плазме особенно перспективны для промышленной реализации химических реакций, у которых:

1) равновесие смещено в сторону высоких температур;

2) скорости резко возрастают с повышением температуры (продолжительность контакта сырья с теплоносителем в таких реакторах обычно ~10^–3–10^–5 с). С этим связана значительная миниатюризация реакторных устройств (например, плазмохимический реактор пиролиза метана производительностью по целевому продукту – ацетилену 0,9 кг/с имеет длину 65 см и диаметр ~15 см);

3) высокие выходы целевого продукта достигаются в существенно неравновесных условиях;

4) используется широкодоступное, малоценное, неустойчивое по составу сырье (например, в плазмохимическом пиролизе природного газа примеси к метану до 20–25 % не влияют на выход целевых продуктов);

5) для получения чистых и высокочистых (например, полупроводниковых) материалов, т. к. в плазмохимических процессах в ВЧ- и СВЧ-плазме чистота продуктов определяется только чистотой исходного сырья и даже может быть повышена в ходе процесса.

Так как плазмохимические реакции являются многоканальными (получение целевого продукта – лишь один из возможных каналов взаимодействия), то коэффициент выхода полезного продукта находится обычно в интервале 0,15–0,75 от теоретически возможного.

Схема типового плазмохимического реактора представлена на рис. 3.1.

При выборе плазмохимических реакторов следует учитывать, что:

1) подавляющее большинство представляющих практический интерес плазмохимических процессов с технологической точки зрения одностадийны;

2) плазмохимические процессы хорошо моделируются, оптимизируются и управляются;

3) управление низкотемпературной плазмой может быть осуществлено газо- и электродинамическими методами, применение которых позволяет снизить требования к конструкционным материалам плазмотрона и реактора.

Для получения плазмы используются специальные устройства – плазмотроны. Плазмотроны делятся по способу зажигания разряда в газовой среде на дуговые (работают на постоянном токе или токе промышленной частоты) и безэлектродные – высокочастотные [1, 2]. Электродуговые плазмотроны имеют мощность от 25 кВт до 10 МВт и выпускаются как серийно, так и в виде образцов, спроектированных специально для конкретного плазмохимического реактора. Дуговые плазмотроны работают обычно при давлениях 0,1–5 МПа, материалом катода в них служит либо вольфрам, либо графит (материал катода определяет атмосферу в реакторе и возможные загрязнения продукта). Высокочастотные (ВЧ) плазмотроны в свою очередь делятся на индукционные (ВЧИ), емкостные (ВЧЕ) и сверхвысокочастотные (СВЧ). ВЧ-плазмотроны работают в диапазоне частот 0,2–40 МГц, мощности разряда 0,2 кВт–3 МВт, расходе плазмообразующего газа до 0,3 кг/c. Главная особенность ВЧ-плазмотрона – отсутствие загрязняющих веществ при образовании плазмы (разряд безэлектродный), широкие возможности в выборе плазмообразующего газа и высокий ресурс работы.

Рис. 3.1 Структурная схема плазмохимического реактора:1 – источник электропитания; 2 – плазмотрон;3 – плазмообразующий газ; 4 – сырье;5 – смесительное устройство и реакционная камера;6 – система охлаждения стенок реакционной камеры;7 – закалочное устройство (система принудительного охлаждения продуктов реакции);8 – блок разделения продуктов реакции; 9 – целевой продукт;10 – побочные продукты

Реакторы с ВЧ-плазмотронами конструктивно имеют следующие особенности: 1) сырье всегда подается в смеси с транспортирующим газом, в качестве которого обычно используют плазмообразующий газ (чтобы не загрязнять реакционную смесь); 2) плазмообразующий газ подают в ВЧ-плазмотрон с помощью специального завихрителя, который направляет струи газа тангенциально вдоль кварцевых стенок плазмотрона и реактора (для их охлаждения и снижения скорости контаминации).