Плазменные технологии (стр. 4 из 12)
 |
Плазменные печи с керамической ванной обладают достаточной универсальностью, и поэтому многие из них, опробованные в черной металлургии, с успехом используются для получения цветных металлов, таких как никель, кобальт, магний, ванадий, молибден, олово и др.
Для многотоннажных процессов цветной металлургии значительный интерес представляет проблема переработки рудного трудновскрываемого сырья и промышленных отходов с выделением таких металлов, как Zn, Pb, Cu, Ni, Co, Sn, Cd, Bi, РМЗ, драгметаллы, платиноиды. Некоторые из таких процессов реализованы.
Третьей стадией использования плазмы в металлургии является заключительная (финишная) обработка продуктов: переплав металлов и сплавов, их рафинирование, легирование и др. Следует отметить, что в данных промышленных процессах роль плазмы наиболее значительна. Плазменный переплав по сравнению с другими способами получения чистых металлов и сплавов обладает рядом технологических преимуществ. Это, прежде всего, возможность широкого регулирования состава и давления газовой атмосферы над расплавом, скоростей плавления заготовок и кристаллизации слитка, выбора различных рафинирующих флюсов. В зависимости от состава газовой смеси при плазменном переплаве могут проходить либо процессы рафинирования, либо легирования. Например, переплав в восстановительной атмосфере позволяет эффективно удалять кислород, а в атмосфере азота или углеводородов проводить легирование расплава азотом, углеродом или водородом [14].
Среди плазменных процессов в металлургии особое место занимают процессы получения и формообразования дисперсных материалов: плазменная порошковая металлургия – один из наиболее перспективных путей применения плазмы. Это направление охватывает получение порошков (в том числе ультрадисперсных) плазмохимическим способом (путем восстановления и синтеза), испарением, переконденсацией, диспергированием расплавов, а также процессы их формообразования, сфероидации и плакирования. Последний процесс представляет большие возможности для создания композитных материалов.
Наиболее освоенными являются процессы получения высокодисперсных порошков металлов и их соединений: карбидов, нитридов, карбонитридов, боридов, силицидов при струйно-плазменном восстановлении оксидного и галоидного сырья. В лабораторном и промышленном масштабах освоены процессы производства высокодисперсных порошков W, Wo, Ta, Nb, карбидов Ta, Nb, Ti, Si, B, W, V, Zr, Hf, нитридов Ti, Si, Nb, Ta, B, V, карбонитридов, боридов, силицидов и других соединений при восстановлении оксидов, хлоридов, фторидов и других солей этих элементов при контакте с водородом, природным газом, аммиаком, азотом и при использовании дуговых, высокочастотных и сверхвысокочастотных генераторов низкотемпературной плазмы.
Нетрадиционные направления ПХ-переработки органических материалов. К нетрадиционным способам переработки относят методы, не направленные на получение синтез-газа и ацетилена как основных продуктов. Среди них следует отметить методы переработки возобновляемого органического сырья растительного происхождения и связанных с ним продуктов и отходов, в частности продуктов и отходов лесопромышленного комплекса.
Большой мировой проблемой является утилизация и регенерация отходов целлюлозно-бумажной промышленности. Для ее решения могут быть использованы плазменные технологии.
Так, в конце 80-х годов шведские фирмы SKF steel и Stora Kopparberg в ведущих промышленных странах запатентовали совместный способ регенерации варочных химикатов из сульфатного щелока, схема которого приведена на рис. 8 [17].
В ПХ-реакторе при Т = 1250 оС сульфатный щелок разлагается на смесь Na2S, NaOH, H2, CO, H2O, CO2 и т.д. Сера находится, в основном, в соединении Na2S, но часть и в H2S; натрий содержится в Na2S, в атомарном газообразном состоянии и в NaOH (газ).
В процессе закалки происходят следующие реакции:
1) NaOH → NaOH (плав);
2) Na + H2O → NaOH (плав) + 0.5Н2;
3) 2NaOH + CO2 → Na2CO3 (плав) + H2O;
4) 2Na + CO2 + H2O → Na2CO3 (плав) + H2.
Образование NaOH (плав) по реакциям 1 и 2 проходит быстрее, чем реакции образования Na2CO3 (плав) по реакциям 3 и 4, поскольку реакции 1, 2 являются бимолекулярными, а реакции 3, 4 – 3-х и 4-х молекулярными. При соответствующей скорости закалки реакции 1 и 2 успевают пройти, а 3 и 4 – нет.
В результате такого процесса в плаве внизу закалочного узла будет образовываться белый щелок, а Na2CO3 будет мало. Таким образом, при реализации данного процесса при производстве целлюлозы отпадает необходимость в организации традиционных для ЦБК металлоемких, энергозатратных и экологически грязных отделов каустизации и регенерации извести.
Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, что перед традиционными процессами и технологиями ПХ-процессы переработки имеют следующие преимущества:
– высокие температуры и скорости процессов приводят к значительному увеличению производительности оборудования вплоть до тысяч раз;
– ПХ-процессы в большинстве случаев являются малостадийными, не требуют промежуточных обработок, соответствующих реагентов и их производств;
– ПХ-технологии менее чувствительны к составу сырья и могут работать на менее дефицитном сырье, включая отходы производств;
– с помощью ПХ-технологий можно более полно и глубоко переработать сырье, что важно для создания малоотходных и ресурсосберегающих технологий (например, для получения 1 т ацетилена при низкотемпературном окислительном пиролизе требуется 4–5 т нефти, а по ПХ-технологии – около 2 т);
– ПХ-процессы хорошо моделируются, управляются и автоматизируются.
Самым большим недостатком ПХ-технологий является потребление больших количеств электроэнергии, что существенно сдерживает их широкое применение и особенно при производстве многотоннажных продуктов.
Однако темпы работ по исследованиям и разработкам ПХ-процессов и технологий с течением времени не уменьшаются, а возрастают и связано это со следующей тенденцией в развитии цивилизации: уже несколько десятилетий в мировой экономике наблюдается устойчивая закономерность опережения роста стоимости природного сырья по отношению к росту стоимости электроэнергии.
Считается, что данная ситуация будет иметь место и в будущем, а это значит, что роль ПХ-технологий возрастает и наступит момент, когда они будут достаточно рентабельны и в производствах многотоннажных продуктов для человечества. Эти и предопределяет перспективность ПХ-технологий.
2. Термодинамика и кинетика плазмохимических процессов
Предварительным этапом проектирования ПХ-технологий и соответствующего оборудования является оценка характеристик и параметров плазмохимической среды как определяющего агента ПХ-процесса.
2.1 Термодинамический анализ плазмохимических систем
Почти во всех случаях такие оценки для ПХ-технологий можно получить из термодинамического анализа ПХ-систем. Для равновесных (квазиравновесных) ПХ-процессов ТД-расчеты являются необходимым этапом проектирования. Для неравновесных ПХ-процессов ТД-расчеты позволяют оценить предельные значения различных параметров плазмохимических процессов. Методы ТД-анализа ПХ-систем подробно приводятся в работах [15, 18].
2.2 Кинетика плазмохимических процессов
Из термодинамики ПХ-процессов нельзя получить информацию об их временных характеристиках (скоростях превращений одних компонентов в другие и т.д.), которые зачастую являются определяющими при разработке ПХ-технологий и устройств для их осуществления.
Поэтому наряду с термодинамическими расчетами при разработке технологий стараются по возможности провести кинетический анализ происходящих процессов.
Химическая кинетика изучает закономерности протекания химических реакций во времени. Она позволяет установить изменение состава реагирующих компонентов во времени от условий протекания процесса (температуры, исходного состава сырья и т.д.). С помощью кинетических данных можно найти время образования максимального количества целевых продуктов и соответствующие размеры реакционной аппаратуры.
В зависимости от состояния плазменные среды можно условно разделить на равновесные (квазиравновесные) и неравновесные [15, 19].
2.2.1 Кинетика равновесных процессов
В равновесных условиях изотермическую плазму можно рассматривать как обычную высокотемпературную газовую систему, для описания которой используется классическая химическая кинетика.
В основе классической химической кинетики лежит представление о том, что химические взаимодействия осуществляются при термодинамически равновесных распределениях энергии по непрерывным (распределение Максвелла) и дискретным (распределение Больцмана) энергетическим уровнями, и такая ситуация не меняется в течение всего химического взаимодействия.
Данная ситуация реализуется, когда скорости физических процессов установления равновесия по поступательным, вращательным и колебательным степеням свободы существенно превышают скорости химических процессов. Например, при температурах Т = 3·103÷1.5·104 и атмосферном давлении, что соответствует наиболее распространенному виду квазинейтральной плазмы дугового разряда, длительности физических процессов характеризуются следующими величинами: