Плазменные технологии (стр. 10 из 12)

1-й стадией процесса перемешивания обычно является ввод и равномерное распределение отдельных частиц сырья (турбулентных глобул газа, капель жидкости, частиц порошка) по всему сечению наиболее высокотемпературной зоны энергоносителя.

Затем, на 2-й стадии, происходит перемешивание до молекулярного уровня (дробление и диффузия турбулентных глобул газа, испарение конденсированных частиц и взаимная диффузия образовавшихся паров). Следует отметить, что разделение на такие стадии является довольно условным.

На 1-й стадии, учитывая тот факт, что продолжительность испарения конденсированных частиц и диффузии глобул газа существенно возрастают с увеличением их размера, необходимо организовать процесс так, чтобы размер вводимых диспергированных частиц был невелик.

Поэтому в большинстве случаев целесообразно использовать мелкие фракции порошка сырья, применять форсунки с интенсивным дроблением жидкости, а газообразные реагенты вводить через отверстия малого диаметра. При этом желательно, чтобы распределение частиц по размерам было бы близко к монодисперсному.

На 1-й стадии компоненты сырья распределяются по объему равномерно в виде глобул, внутри которых, однако, распределение концентрации неравномерное. На 2-й стадии за счет процессов диффузии происходит выравнивание концентраций на молекулярном уровне.

При перемешивании глобулы дробятся, пока не достигнут размеров, определяемых соотношением Колмогорова:

,

где

– характерный размер потока (диаметр трубки).

Исследования показали, что продолжительность дробления глобул до размеров

превышает время молекулярной диффузии в маштабе . Поэтому скорость процесса перемешивания определяется скоростью уменьшения размеров только крупных глобул, размер которых соизмерим с характерным размером отверстия, через которое вводится сырье.

3.2.2 Модель перемешивания газовых потоков в цилиндрических каналах

Процессы взаимодействия турбулентных потоков с сырьем плохо поддаются теоретическому описанию (до сих пор отсутствует достаточно разработанная теория турбулентности). Поэтому основные закономерности базируются на экспериментальных результатах.

На основе анализа результатов экспериментальных и теоретических работ была предложена следующая приближенная модель процесса перемешивания газовых потоков в цилиндрических каналах (рис. 10) [1].

Пусть в цилиндрическом канале диаметром D распространяется поток газа, в который вдувается газ из отверстия диаметром d < D, расположенного на оси потока (рис. 10а).

Предположим, что степень турбулентности в струе вдуваемого газа достаточно высока для того, чтобы распространение этой струи можно было описать с помощью полуэмпирических соотношений, предложенных для описания свободных затопленных турбулентных струй [21].

Вдуваемую струю можно считать свободной до тех пор, пока ее пограничный слой не соприкасается со стенками канала. Справедливость этого подтверждается результатами экспериментов в пределах изменения отношения D/d от 1.4 до 13.

Очевидно, что профиль концентрации вдуваемого газа в канале можно считать установившимся (в грубом масштабе), когда внешние границы вдуваемой струи пересекутся со стенками канала, при условии, что расстояние L_n, на котором происходит заполнение сечения канала пограничным слоем вдуваемой струи, не меньше длины начального участка этой струи l₀.

Оценим L_n исходя из представлений полуэмпирической теории свободных турбулентных струй. Согласно этим представлениям, тангенс угла наклона внешней границы свободной турбулентной струи к ее оси составляет: tg a/2 = 0.22 ¸ 0.30 в широком диапазоне изменения значений числа Рейнольдса Re, скоростей и температуры турбулентной струи.

Следовательно, длина зоны установления профиля концентрации вводимого в поток газа составит величину:

. (34)

В крайнем случае, когда вводимая струя смещена с оси канала и располагается у ее стенки (рис. 10б), величина L_n лежит в интервале (3.4 ¸ 4.6)D.

В случае поперечного ввода струи газа в поток (рис. 10в) добиться строго симметричного заполнения сечения реактора пограничным слоем холодного газа практически не удается.

Поэтому, для того чтобы обеспечить достижение минимального значения L_n в условиях радиального ввода струи, необходимо пользоваться исследованиями траекторий струй в сносящих потоках.

Например, траектории струй холодных газов в сносящем плазменном потоке аргона в канале описывается с погрешностью 12% следующим выражением:

y/d = q^0.48(x/d)^0.65 , (35)

где y, x – координаты точки траектории (оси струи), отсчитываемые перпендикулярно и параллельно оси плазменного потока, мм; q = r_^

_^²/r_г

_г² – отношение динамического напора струй холодного газа к среднему по сечению динамическому напору плазменной струи; r_^, r_г,

_^,

_г – плотности и скорости холодного и нагретого газов соответственно; d – диаметр отверстия для ввода холодного газа, мм.

Здесь в качестве холодных газов использовались аргон, азот, кислород и метан, а d имел значения 0.4 ¸ 1.3 мм. Существует ряд других исследований и эмпирических формул для траекторий сносимых струй.

Таким образом, согласно вышеописанной приближенной модели, длина L_n сохраняется постоянной для данного канала диаметром D и равна 2D с погрешностью ±15%. Очевидно, что для сокращения длины смесителя следует уменьшить диаметр канала. Однако сокращение L_n путем уменьшения D целесообразно проводить до тех пор, пока L_n не станет сравнимой с длиной начального участка турбулентной струи

.

Согласно экспериментальным измерениям и теоретическим оценкам, выполненным с учетом того, что при вдуве струи в поток газа меньшей плотности

несколько увеличивается, имеем = (5 ¸7)d, где d – диаметр отверстия для вдува. Следовательно, минимальное значение D_min составит величину, равную (2.5 ¸ 3.5)d, что не противоречит одному из основных положений модели – о свободном характере распространения струи холодного газа в канале реактора.

Время установления профиля концентрации введенного в реактор газа составит величину

, где – линейная скорость движения смеси в канале.

3.3 Закалка продуктов плазмохимических процессов.

Способы закалки

Чтобы сохранить целевые продукты, выходящие из ПХ-реактора, необходимо предотвратить обратные, параллельные или последовательные реакции, ведущие к снижению концентрации целевых продуктов. Чаще всего данную задачу решают с помощью закалки – быстрого снижения температуры системы до значений, при которых такие реакции невозможны или проходят достаточно медленно.

Закалку необходимо проводить в следующих случаях.

1) Целевой продукт является промежуточным на пути системы к равновесию, например, СН₄ ® С₂Н₂ ® С + Н₂. Закалка предотвращает наступление равновесия и останавливает развитие процесса на определенной стадии, когда достигается максимальный выход целевых компонентов. В вышеприведенном примере ацетилен (С₂Н₂) – это достаточно устойчивое (метастабильное) вещество при комнатной температуре.

Отметим, что в ПХ-процессе получения ацетилена достаточно опоздать с закалкой на 0.002 с, чтобы концентрация его уменьшилась в смеси с 16 до 10%.

2) Целевые продукты устойчивы (равновесны) при условиях их образования в ПХ-реакторе, то есть при высоких температурах. В области же низких (комнатных) температур равновесие смещается в сторону образования других компонентов. Концентрация целевого продукта при этом существенно снижается, а иногда близка к нулю. Закалка в данном случае «замораживает» равновесный состав, отвечающий высокой температуре.

3) Целевые продукты образуются в процессе закалки из молекул, атомов и радикалов, полученных в реакционном канале ПХ-реактора.

Требуемые скорости закалки dT/dt определяются кинетикой протекания соответствующего процесса, его механизмом, значениями кинетических параметров отдельных стадий, а также начальной температурой продуктов. Необходимое значение dT/dt может быть определено на основании кинетических расчетов или из эксперимента.