Плазменные процессы и технологии (стр. 5 )

Следует учитывать, что температурный порог диссоциации многоатомных и ионизации одноатомных газов различный для разных газов. Так, гелий легко можно нагреть до температуры 16·103 К, в то время как азот трудно нагреть даже до 8·103 К. Однако удельная энтальпия гелия при 8·103 К составляет всего 160 кДж/моль, в то время как для азота – 1200 кДж/моль.

Часто при выборе плазмообразующего газа решающими являются экономические требования – его стоимость и доступность. Рассмотренные выше требования часто противоречивы и в таком случае выбор плазмообразующего газа представляет собой типичную задачу оптимизации по нескольким параметрам.

Компримирование (сжатие) газов. Плазмохимические процессы ведут при повышенном, атмосферном или пониженном давлении. Если процесс протекает при повышенном или атмосферном давлении, то газ необходимо предварительно сжимать (компримировать). В общем случае избыточное давление, до которого необходимо сжимать газ, определяется как сумма

Р = Рр + SDР,

где Рр – необходимое давление в плазмохимическом реакторе; SDР – сумма гидравлических сопротивлений всех последовательно соединенных аппаратов плазмохимической установки, включая систему очистки газа, плазмотрон и плазмохимический реактор.

Если процесс ведут при атмосферном давлении, то давление газа расходуется лишь на преодоление гидравлических сопротивлений системы:

Р = SDР

Сжатие газов чаще всего осуществляют поршневыми или центробежными компрессорами.

На многих химических предприятиях существует разветвленная сеть трубопроводов, по которым под избыточным давлением транспортируют воздух, азот, метан и другие газы. Азот и кислород транспортируют также в сжиженном виде в специальных емкостях – танках, снабженных устройством для газификации. Танки устанавливают на железнодорожной платформе или автомобильном шасси. Несмотря на то, что они имеют хорошую теплоизоляцию, все же часть газа непрерывно теряется (до 1 % в сутки) за счет испарения.

При сравнительно небольших расходах плазмообразующих газов и отсутствии соответствующих газопроводов, газы (воздух, аммиак, азот, кислород, водород, метан, оксиды углерода (II) и (IV), аргон и др.) транспортируют в баллонах. Для этого применяют реципиенты – баллоны вместимостью 0,4 м3, рассчитанные на давление 20 МПа. Большее распространение получили баллоны вместимостью 0,04 м3, рассчитанные на давление до 15 МПа. Баллоны заполняют на месте получения того или иного газа.

Очистка газов. Содержащиеся в газе примеси могут отрицательно влиять на работу плазмотрона и качество получаемых продуктов. Например, примесь 0,5 % кислорода в инертном газе сокращает ресурс работы электродугового плазмотрона в несколько раз. Ресурс снижается также в присутствии водяного пара и других кислородсодержащих соединений.

Содержащиеся в газах пыль и масло (последнее поступает в заметных количествах из поршневых компрессоров) накапливаются в трубопроводах и в каналах плазмотрона. Продукты термического разложения веществ, содержащихся в пыли и масле, могут конденсироваться на стенках разрядного канала плазмотрона, ухудшая тем самым его работу, или же попадать в плазмохимический реактор, загрязняя получаемые продукты. Даже небольшие примеси некоторых веществ в. плазмообразующем газе способны заметно снизить качество получаемых продуктов. Так, при синтезе многих катализаторов в присутствии хлор‒или серосодержащих соединений, в зависимости от концентрации примесей, наблюдается частичная или полная потеря активности целевых продуктов.

Перед поступлением в плазмотрон газ должен быть счищен от пыли, масла, водяного пара и кислорода (последнее при использовании инертных газов), а также вредных примесей, способных снизить качество получаемых продуктов. Газы, получаемые централизованно (например, азот и кислород на установках разделения воздуха) в дополнительной очистке от пыли и масла не нуждаются. Атмосферный воздух, сжатый компрессором, может содержать значительное количество пыли, влаги и масла. Содержание пыли в воздухе находится в пределах 2·10-6...2·10-5 кг/м3.

Для предварительной очистки больших количеств воздуха от пыли применяют масляные фильтры, в которых воздух проходит через слой колец Рашига, смоченных маслом, или через фильтрующие сетки, для тонкой очистки от пыли – фильтры с волокнистой насадкой.

Очистка газов от водяного пара производится адсорбцией силикагелем или активным глиноземом. После осушки силикагелем содержание влаги в газе не превышает 3·10-5 кг/м3, а после адсорбции активным глиноземом – 5·10-6 кг/м3, После насыщения адсорбентов влагой их регенерируют, продувая газом, нагретым до 443÷453 К при осушке силикагелем, и 518÷543 К при осушке активным глиноземом. Синтетические цеолиты можно применять для адсорбции влаги, а также для очистки газов от оксида углерода (IV), аргона, кислорода и т. д.

В последнее время для очистки газов от примесей с полярными молекулами применяют искусственные иониты (ионообменные смолы). Иониты хорошо поглощают аммиак, оксиды углерода (IV) и серы (IV), сероводород и другие газы. При необходимости одновременного поглощения двух или нескольких газов различной природы рекомендуется использовать аппараты со смешанными ионитами. Очистка газов ионитами осуществляется в обменных колоннах периодического действия. Параллельное включение колонн обеспечивает непрерывность процесса. Полный цикл работы колонны можно разделить на стадии:

·  ионообмена, т. е. поглощения примесей из газового потока активными ионогенными группами ионита;

·  отмывки ионита от механических примесей;

·  регенерации ионита;

·  отмывки ионита от регенерирующего раствора.

Тонкую очистку газа от оксидов углерода (II) и углерода (IV) производят гидрированием до метана (метанирование) на никельалюминиевом катализаторе по реакциям:

СО + ЗН2 « CH4 + H2O + Q

СО2 + 4Н2 « CH4 + 2H2O + Q

Процесс ведут при 553÷623 К и объемной скорости процесса 4200ч-1. На выходе из метанатора газ содержит не более 20 миллионных долей СО и 6 миллионных долей СО2.

Дозирование плазмообразующих газов. Сжатый и очищенный от примесей газ подают в плазмотрон. Дозирование поддерживает в заданных пределах массовый расход газа G.

Принципиальная схема дозирования газа представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема дозирования плазмообразующего газа:

1-компрессор, 2-измеритель расхода, 3-дроссельное устройство

Газ от компрессора 1 по трубопроводу поступает в измеритель расхода 2, например электрический ротаметр. Регулирование производится автоматически изменением открытия дроссельного устройства 3. Контроль ведут по сигнализируемой величине давления Р, так как значительное изменение ее свидетельствует о серьезных нарушениях процесса. Если давление Р или расход G выходят за установленные пределы, срабатывают автоматические устройства защиты, отключающие электропитание плазмотрона и прекращающие подачу газа от компрессора. При отключении плазмотрона срабатывает звуковая или световая сигнализация.

Если используется одноконтурная система автоматического регулирования (САР), то изменение давления в системе влечет за собой изменение расхода газа. Для более точного дозирования газа на заданном уровне применяют многоконтурную САР, в которой вспомогательный регулятор предотвращает изменение расхода при изменении давления в системе.

1.4. Сырье

Подготовка и подача сырья. Сырье может находиться в различных агрегатных состояниях твердом, жидком или газообразном, в зависимости от которых применяют те или иные способы подготовки, дозирования и подачи сырья в плазмохимический реактор.

Твердое сырье. Для увеличения поверхности раздела фаз твердое сырье измельчают. Степень измельчения сырья зависит от способа его дальнейшей переработки. Основными являются три способа переработки сырья:

·  сырье подается в плазменную струю и перемещается вместе с ней;

·  сырье находится во взвешенном слое;

·  сырье обрабатывается плазмой в неподвижном слое.

Необходимый химический и гранулометрический состав шихты получают путем дробления, измельчения и смешения отдельных компонентов. Если требуется высокая однородность распределения компонентов в сырье, то их предварительно смешивают в виде раствора или пульпы. Полученную смесь упаривают, сушат и измельчают.

Следует учитывать, что в плазмохимических процессах обычно не происходит рафинирования сырья, т. е. имеющиеся в сырье нежелательные примеси могут переходить в целевые продукты. Поэтому на стадии подготовки необходимо принять меры для удаления из сырья вредных примесей известными в химической технологии методами: перекристаллизацией, отмывкой, выщелачиванием и др.

При переработке шихты в неподвижном слое характерный линейный размер кусков составляет 10-2–10-1 м; при переработке в кипящем слое размер зерен равен 10-3–10-2 м, а при переработке порошка в плазменной струе 10-6–10-4 м. Подача твердого сырья в плазмохимический реактор и дозирование сырья зависят от его фракционного состава.

Подача сыпучих материалов в плазмохимический реактор и предварительное их дозирование осуществляются механическими или пневматическими питателями различных типов. Основные требования, предъявляемые к питателям – равномерность подачи и возможность регулирования расхода. На рис. 5 показан барабанный питатель, пригодный для подачи порошковых, зернистых и мелкокусковых материалов. Производительность барабанного питателя (в кг/с) рассчитывают по формуле

Q = Vinjr,

где V – объем ячейки барабана; i – число ячеек; п – число оборотов барабана; j – коэффициент разрыхления; r – насыпная плотность материала.

Окончательное дозирование производится дозаторами непрерывного действия объемного или массового типа. Конструктивно дозаторы часто объединяют с питателями. На рис. 6 показан винтовой дозатор для зернистых или влажных порошковых материалов. Для подачи сухих порошковых материалов в плазменную струю удобен пневматический питатель-дозатор (рис. 7).