МАШИНОСТРОЕНИЕ

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Плазмохимические реакторы - аппара­ты, в которых осуществляются физико - химические превращения с помощью низко­температурной плазмы. В общем виде плазмо- химический реактор состоит из плазмотрона, реакционного объема, устройства ввода реа­гентов в высокотемпературную зону, закалоч­ного устройства и фильтра для отделения гото­вого продукта. Конструкции плазмохимиче­ских реакторов многообразны, и выбор опре­деленной схемы зависит от конкретного техно­логического процесса. Их классифицируют по различным признакам:

По числу фаз в аппарате - для осуществ­ления гомогенных и гетерогенных процессов;

По наличию разряда в зоне физико - химических превращений реагентов - на элек­троразрядные, в которых физико-химические превращения осуществляются в зоне разряда, (рис. 4.6.6, з, м, н, о, ц), и плазмоструйные, в которых реагенты подают в плазменную струю, вытекающую из плазмотрона (рис. 4.6.6, а - ж, n - jc, ч, ш);

По конструктивным особенностям узлов для ввода реагентов - с поперечным вводом сырья через систему отверстий или щель (рис. 4.6.6, а), спутным вводом (рис. 4.6.6, г), встречным (рис. 4.6.6, д), спутно-вихревым (рис. 4.6.6, е), встречно-вихревым (рис. 4.6.6, ж, з), спутно-поперечным (рис.4.6.6, 5, в, н), встречно-поперечным (рис. 4.6.6, и) и др.;

По числу используемых генераторов - с одним (рис. 4.6.6, а - в) или с несколькими (чаще всего с тремя) плазмотронами (рис. 4.6.6, к, л, р);

По принципу относительного движения сырья и энергоносителя - на прямоточные (рис. 4.6.6, а - г, к), противоточные (рис. 4.6.6, л, т) комбинированные (рис. 4.6.6, д, ж, з, р) реакторы;

По методу организации движения дис­персного материала в аппарате - с кипящим и фонтанирующим слоем (рис. 4.6.6, п, х), шахт­ные с плотным слоем частиц (рис. 4.6.6, с, т), с газодисперсным потоком;

По конфигурации реакционного канала - с цилиндрическим каналом (типа идеального вытеснения), с внезапным расширением (рис. 4.6.6, б, в), с каналом типа диффузор - конфузор (рис. 4.6.6, д, ж, ч) и др;

По физико-химическим свойствам сырья и методам подачи его в аппарат - с коллекто­рами для распределения газа и ввода его через отверстия; с форсунками для распыления жидко­сти или суспензии, с вводом реагентов с помо­щью шнека, в виде газовзвеси (рис. 4.6.6, л) - с помощью транспортирующего газа, в виде спрессованных из частиц сырья расходуемых электродов (рис. 4.6.6, ц);

По методу очистки стенок от отложений конденсированных продуктов - с обдувом га­зом (рис. 4.6.6, ч), с обмывом жидкостью (рис. 4.6.6, ш), с механической очисткой и др.;

По температуре стенок реакционного ка­нала - на футерованные (рис. 4.6.6, в) и нефу - терованные (рис. 4.6.6, а, б).

Электроразрядные реакторы. Эти реак­торы обладают более высоким КПД, чем дру­гие, так как зоны выделения и поглощения энергии в них совмещены. Они позволяют про­водить процесс при достаточно высоких значе­ниях температуры и времени пребывания про­дуктов в реакционном объеме. В аппаратах этого типа часто используют переменный ток. К недостаткам электроразрядных реакторов следует отнести нестационарность разряда, наличие (в большинстве случаев) расходуемых графитовых электродов, что требует организа­ции системы их подачи и затрудняет работу в окислительных средах.

На рис. 4.6.6, м представлена конструк­ция электроразрядного реактора с тремя гра­фитовыми стержневыми электродами. Аппара­ты такого типа могут быть также с одним или двумя стержневыми электродами. Графитовая цилиндрическая втулка, расположенная вдоль стен реактора, также является одним из элек­тродов. Под действием магнитного поля соле­ноида электрическая дуга совершает враща­тельные движения и образует как бы плазмен­ный конус. Частицы конденсированного сырья, попадая в дугу, отбрасываются на стенку. Ус­танавливаемая в реакторе диафрагма способст­вует рециркуляции горячих газов, что увеличи­вает время пребывания частиц в зоне высоких температур и повышает степень переработки конденсированного материала. Аппараты этого типа позволяют перерабатывать дисперсное сырье с большим соотношением массовых расходов конденсированных частиц и плазмо - образующего газа.

Реакторы, представленные на рис. 4.6.6, н, о, разработаны фирмой Ионарк смелтерс (США) для процесса переработки цирконового песка с целью получения диоксида циркония. Плаз­менная струя, генерируемая в электродуговом плазмотроне постоянного тока небольшой мощности, создает электропроводный проме­жуток между графитовыми электродами (рис. 4.6.6, и) и позволяет стационарно под­держивать между ними дугу переменного тока.

В модификации этого реактора вольфра­мовый катод расположен по оси. а три графи­товых анода - в горизонтальной плоскости. Конструкция аппарата с продуваемыми анода­ми показана на рис. 4.6.6, о. В национальной физической лаборатории Великобритании раз­работан реактор, в котором с целью повыше­ния ресурса работы анодов по оси расположен катод-сопло для подачи порошкообразного сырья (циркона), а в горизонтальной плоскости - три вспомогательных плазмотрона (плазмен­ные аноды).

При использовании электроразрядного реактора (рис. 4.6.6, з) фирмы Кнапзак - Грисхейм (Германия) для пиролиза углеводо­родов до ацетилена в водородной плазме, водо­род вводят в верхнюю часть аппарата. Углево­дородное сырье подают закрученным потоком вдоль конической части реакционного канала. Оно обдувает стенки реактора, поднимается, смешивается с водородом, пиролизуется и вы­текает в нижнюю часть аппарата, в которой осуществляется закалка целевых продуктов диспергированной жидкостью. Графитовые электроды, к которым подводится напряжение трехфазного тока, подают в аппарат автомати­чески. Встречно-вихревой ввод реагентов по­зволяет снизить потери теплоты, предотвра­тить отложение конденсированных продуктов на стенках реакционного канала и предвари­тельно подогреть сырье перед его смешением с водородной плазмой.

К электроразрядным относятся конструк­ции реакторов с расходуемыми электродами, спрессованными из частиц сырья (аппараты с дугой высокой интенсивности). Для получения различных металлов электроды изготовляют из смеси оксидов с углеродом, количество кото­рого определяется не только стехиометрией реакции восстановления, но и необходимой электропроводностью электрода. Для повыше­ния электропроводности и механической проч­ности электрода его после формовки прессова­нием спекают при 800.. .1200 °С.

Плазмоструйные реакторы. В этих ап­паратах электроды плазмотрона вынесены за пределы реакционного объема. Они могут быть выполнены с поперечным и спутно-поперечным вводом реагентов через систему отверстий (рис. 4.6.6, а - в). Во многих случаях целесооб­разен спутный ввод сырья в самую высокотем­пературную осевую часть плазменной струи (рис. 4.6.6, г).

Для получения ультрадисперсных порош­ков однородного состава, а также для синтеза неравновесных продуктов (образующихся на промежуточных стадиях химического процесса) требуется использование реакторов с выровнен­ным поперечным профилем температур, позво­ляющим осуществлять плазмохимическую ре­акцию для всей реагирующей массы примерно в одинаковых условиях. Такие реакторы выпол­няют с футеровкой стенок (рис. 4.6.6, в, с - у). В качестве футеровочного материала исполь­зуются стеклоуглерод, пироуглерод, графито­вый войлок, каолиновую вату и др. Для уменьшения образования отложений конден­сированных продуктов на стенках реактора его увеличивают в диаметре (рис. 4.6.6, б, в), обду­вают защитным газом (рис. 4.6.6, ч) или обмы­вают пленкой жидкости (рис. 4.6.6, ш) [38].