Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследований разложения углеводородов (Литературный обзор)
1.1. Плазменные технологии разложения углеводородов 14
1.2. Некоторые лабораторные и опытно - промышленные установки 41
1.2.1. Плазмохимическая установка по переработке жидких нефтяных отходов и нефтешламов 41
1.2.2. Переработка углеводородов в электрической дуге с целью получения летучих фракций 44
Глава 2. Экспериментальный стенд по разложению тяжелых углеводородов на легкие фракции 53
2.1. Система электрического питания 53
2.2. Система зажигания дуги 57
2.3. Система газоснабжения 58
2.4. Система охлаждения 59
2.5. Устройство для подачи сырья 60
2.6. Электродуговой І плазмотрон 62
2.7. Плазмохимический реактор 70
2.8. Камера закалки 73
Глава 3. Электрические и энергетические характеристики плазмотрона
3.1. Вольтамперные характеристики плазмотрона 77
3.2. Тепловые характеристики плазмотрона 81
3.3. Радиальное распределение температуры струи плазмотрона 84
Глава 4. Плазмохимический метод переработки углеводородов с помощью электродуговой плазмы
4.1. Теоретический анализ взаимодействия капель мазута с потоком электродуговой плазмы 89
4.2. Разложение мазута на легкие фракции с помощью азотной электродуговой плазмы 92
4.2.1. Методика проведения экспериментов 92
4.2.2. Результаты экспериментальных исследований 94
4.3. Разложение нефти на легкие фракции в потоке аргоновой электродуговой плазмы 96
4.3.1. Методика проведения экспериментов 96
4.3.2. Результаты экспериментальных исследований 96
4.4. Разложение мазута на легкие фракции с помощью аргоновой электродуговой плазмы 99
4.4.1. Методика проведения экспериментов 99
4.4.2. Результаты экспериментальных исследований 99
4.5. Выводы по 4 главе Ю5
Заключение 106
Литература 108
- Плазмохимическая установка по переработке жидких нефтяных отходов и нефтешламов
- Электродуговой І плазмотрон
- Тепловые характеристики плазмотрона
- Теоретический анализ взаимодействия капель мазута с потоком электродуговой плазмы
Введение к работе
Актуальность работы. Высоковязкие нефтяные остатки (мазут, гудрон), которые образуются после выделения из нефти летучих и низкокипящих фракций, могут составлять от 50 до 80 % от общей массы нефти в зависимости от ее качества. В связи с ростом потребления легких фракций нефтепродуктов использование высоковязких нефтей и нефтяных остатков в качестве дополнительного источника углеводородного сырья для производства легких фракций нефтепродуктов является во всем мире чрезвычайно актуальной задачей.
В последние годы в качестве одного из вариантов углубления переработки тяжелых нефтей и мазута предлагается использование мощного деструкционного процесса пиролиза в плазменной струе инертного газа, водородсодержащего газа, азота. Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию плазмохимического разложения углеводородного сырья, до сих пор актуальной остается проблема организации технологического процесса и увеличения выхода легких фракций из нефти.
Использование электродуговой плазмы для пиролиза углеводородов уже давно привлекает ученых и производственников благодаря своим уникальным возможностям как по избирательности реакций и простоте реализации технологического процесса. Теоретическая база разложения углеводородного сырья на легкие фракции строится на механизме взаимодействия данного сырья с низкотемпературной газоразрядной плазмой, в результате которого активизируются химические реакции. Интенсивности протекания этих реакций зависят от многих факторов, главными из которых являются состояние сырья, температуры плазмы и сырья, мольные соотношения между теплоносителем и сырьем, состояния возбужденностей молекул, скорости протекания реакций, процессы тепломассообмена, газодинамики, электродинамики и др.
Основные задачи диссертационной работы:
-
Создать электродуговой плазмотрон мощностью до 20 кВт и определить его электрические, энергетические характеристики.
-
Создать экспериментальный стенд для изучения взаимодействия углеводородного сырья с потоком электродуговой плазмы.
-
Провести экспериментальные исследования характеристик плазмохимического реактора.
-
Провести теоретический анализ взаимодействия капель мазута с потоком электродуговой плазмы.
-
Провести анализ продуктов плазмохимического разложения углеводородного сырья.
Научная новизна диссертационной работы. Проведены комплексные исследования электрических, энергетических характеристик плазмотрона на его основе создан плазмохимический реактор для разложения тяжелых углеводородов на легкие фракции. Построены зависимости напряжения дуги и мощности плазмотрона от расхода плазмообразующего газа. Изучены процессы взаимодействия нефти, мазута с потоком электродуговой азотной и аргоновой плазмы.
На основе проведенных экспериментов по воздействию на нефть азотной и аргоновой плазмы предложен способ глубокой переработки тяжелых фракций нефти. Установлено влияние силы тока на концентрацию полученных компонентов
Установлено, что в результате взаимодействия плазмы с мазутом образовываются легкие углеводороды, такие как: метан, этилен, ацетилен, пропан, бутан, и полная бензиновая группа. Максимальные концентрации выхода ацетилена наблюдаются в аргоновой плазме при токах 200 – 300А, максимальные концентрации этилена в азотной плазме при токах 125 – 175А.
Практическая значимость. Результаты работы позволяют установить диапазон значений силы тока плазмотрона, при которых наблюдается наибольшая концентрация легких фракций.
Использование результатов. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при проектировании и разработке промышленных плазмохимических реакторов для разложения тяжелых углеводородов на легкие фракции в нефтехимической промышленности.
Достоверность полученных результатов подтверждается и обеспечивается использованием измерительной аппаратуры, прошедшей метрологическую поверку; расчетом погрешности измерений; хорошим согласованием полученных теоретических результатов по взаимодействию капель мазута с потоком электродуговой плазмы с экспериментальными данными.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментальный стенд для плазмохимического разложения тяжелых углеводородов на легкие фракции.
-
Методика проведения экспериментов по разложению тяжелых углеводородов на легкие фракции.
-
Результаты по исследованию взаимодействия нефти, мазута с потоком электродуговой плазмы и разложению тяжелых углеводородов на легкие фракции.
Личный вклад автора диссертации состоит в следующем:
При непосредственном участии автора создан лабораторный стенд для плазмохимического разложения тяжелых углеводородов на легкие фракции, включающий в себя: электродуговой плазмотрон, реакционную камеру, камеру закалки, а также системы электрического питания, газоснабжения, водоснабжения, измерительных приборов, подачи обрабатываемого сырья, отбора целевых продуктов. Автором были проведены многочисленные эксперименты как по изучению взаимодействия углеводородного сырья с электродуговой плазмой, так и по исследованию параметров электродугового плазмотрона. Проведены обобщения результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на «Международной молодежной научной конференции, посвященной 1000-летию г. Казани» (г. Казань 2005 г.), на «Международной молодежной научной конференции ХVI Туполевские чтения» (г. Казань 2008 г.), на VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург 2009г.),
на Международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения» (г. Казань 2009 г.), а также на научных семинарах кафедры общей физики КГТУ им. А.Н.Туполева в 2004-10 годах.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 12 печатных работ из них 3 статьи в рекомендованных ВАК научных журналах, 9 работ в трудах международных научных конференций. Результаты работы также отражены в научных отчетах по грантам Министерства образования и науки РФ в рамках программы: «Развитие научного потенциала высшей школы» 2.1.1/3199, Молодежному гранту АН РТ № 08-14/ 2005 (Г) от 04 апреля 2005 г. «Разработка плазменной технологии по переработке бытовых отходов», и в научных отчетах по договорам № 09-03-97010/2009 (РФФИ) АН РТ «Разложение мазута на легкие фракции с использованием плазмы газового разряда» и № 09-03-97010/2010 (РФФИ) АН РТ «Разложение углеводородов в неравновесной плазме газового разряда».
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация объемом 120 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 50 рисунков и 25 таблиц. Список литературы включает 91 наименований.
Плазмохимическая установка по переработке жидких нефтяных отходов и нефтешламов
Поиск новых методов переработки углеводородного топлива, в том числе получение которых совмещено с утилизацией отходов, в последние годы привлекает все большее внимание ученых и специалистов во всем мире. Имеет оригинальное решение проблема превращения жидких органических отходов в энергию с использованием плазменной технологии. Основная идея заключается в следующем. Поскольку не существует естественных ресурсов, которые смогли бы обеспечить приемлемое для окружающей среды замещение природных топлив, то новые чистые энергии и топлива должны быть синтезированы. А чтобы быть принятыми, они должны отвечать следующим требованиям: 1) не создавать проблем с загрязнением окружающей среды; 2) быть приемлемыми для использования в ДВС; З)- быть конкурентоспособными с доступными на рынке природными топливами. В развитие этих идей д-р Ругерро Мария Сантилли 1998 г. построил реактор Plasma Arc Flow - устройство для производства принципиально нового газообразного топлива «magnegas» /48/. Такой газ образуется в условиях очень интенсивных магнитных полей в электрической дуге, погруженной в перерабатываемое жидкое сырье. Практически важный с точки зрения энергетики аспект изобретения Сантилли состоит в том, что при определенных условиях группы атомов могут образовывать немолекулярные комплексы — "магнекулы". Энергии связей в подобных комплексах могут существенно превышать соответствующие величины для обычных молекул, поэтому теплотворная способность магнегаза выше, чем у обычного синтез — газа аналогичного химического состава. «Магнекулы» устойчивы при обычных условиях, так что для хранения газа не требуется каких-либо особых условий по сравнению с природным газом. Более того, магнегаз легче воздуха и не воспламеняется от удара, что делает его еще более привлекательным с точки зрения безопасности.
В качестве сырья используются жидкие отходы на основе нефти (автомобильные жидкие отходы, сельскохозяйственные отходы нефти, отработанное масло кораблей, сырая нефть) и отходы на основе воды (городские, сельскохозяйственные сточные воды или шлам, вода из водоемов или отстойников и т. п.) в соотношении один объем нефтяных отходов к двум объемам отходов на основе воды. Технология позиционируется как способ выгодной утилизации промышленных и хозяйственных отходов с получением нового топлива. Теплотворная способность магнегаза зависит от сырья, из которого он выработан - чем больше насыщенность стоков углеводородами, тем она выше. Так из смеси антифриза и органических стоков она составляет около 7700 ккал/м , из смеси нефтепродуктов с водой - 8900 ккал/м3.
По данным американских ученых, несмотря на внешне обычную химическую структуру, газ, представленный водородом и моноксидом углерода, дает при сгорании аномально высокое количество теплоты. Так по сравнению с ацетиленом смесь СО+Нг имеет теплоту сгорания почти в 8 раз меньшую. Однако, использование магнегаза для резки металла показывает, что скорость резки при этом возрастает в два раза в сравнении с ацетиленом. Это аномальное явление объясняется большим запасом энергии в магнитносвязанных молекулах. Магнегаз - дешевый, безопасный и эффективный газ. По сравнению с углеводородами он горит быстрее, но взрывобезопасен, легче воздуха и поэтому быстро рассеивается, имеет четко выраженный естественный запах, что позволяет его легко обнаружить. Магнегаз не воспламеняется самостоятельно, и баллоны для его транспортировки безопаснее, чем бензиновые резервуары.
Автомобили Ferrari 308 GTSi и Honda Civic, заправляемые этим газом, подвергались различным тестам. Так автомобиль Honda Civic, первоначально работавший на природном газе, без существенных модификаций был заправлен магнегазом и успешно прошел все испытания (без катализатора). Результаты свидетельствуют о превосходстве магнегаза в сравнении с бензином и природным газом по чистоте выхлопа. Сравнительные испытания в различных режимах (ускорения, полная нагрузка и др.) показали, что мощность двигателя, работающего на сжатом магнегазе полностью эквивалентна таковой для того же двигателя, работающего на сжатом природном газе. Авторами разрабатывается ряд плазмохимических процессов /49/, в том числе реактор модульного типа мощностью 50-100-150 кВт для получения синтез - газа (магнегаза) с улучшенными свойствами. Лабораторная установка плазменно-дуговой переработки жидких отходов приведена на Рис. 1.2.1. Параметры работы лабораторной установки: ток дуги 80 А, напряжение на дуге Одним из первых процессов получения ацетилена на базе углеводородов, осуществленным в промышленном масштабе, был электрокрекинг метана (ЭКМ) /50,51/. Производительность завода в Хюльсе, пущенного в 1940 г., составляла 60000 тонн ацетилена в год, в настоящее время она доведена до 100000 тонн в год . В состав цеха входят 17 агрегатов, каждый мощностью 8200 кВт, агрегат включает два электродуговых реактора: один работающий и резервный (рис. 1.2.2). Газ, подлежащий превращению, входит тангенциально в камеру печи 3 высотой 478 мм, диаметром 785 мм и поступает в трубчатый водоохлаждаемый анод 4 длиной 1,5 м, диаметром 85 - 105 мм. Дуга, общая длина которой порядка 1 м, горит между водоохлаждаемым колоколообразным катодом 1 и анодом 4, захватывая 40 — 50 см длины последнего. По джиг дуги осуществляется с помощью пускового устройства 5. Между анодом и катодом установлен керамический изолятор 2. Напряжение на дуге 7 кВ, ток 1150 А. Закалку осуществляют двухступенчато - путем ввода углеводородов (900 кг/ч) в точке, где температура 1770 К, и впрыском воды на выходе из реактора. Время реакции. 2 мкс, скорость газа порядка 1000 м/с.
Электроды изготовлены из стали, ресурс работы анода -150 ч, катода 800 ч. Специальные меры принимаются для предотвращения закоксовывания электродов, поскольку такие отложения влияют на стабильность дуги. В качестве сырья используются: нефтезаводской газ; сжиженный нефтяной газ (Сз + С4); легкие и тяжелые нефтяные фракции различного происхождения; природный газ; побочные углеводородные продукты из печей пиролиза этилена и других процессов; рециркулирующие продукты самого электродугового процесса, включающие высшие ацетиленовые углеводороды.
Электродуговой І плазмотрон
Для генерации низкотемпературной плазмы наиболее широко применяют электродуговые плазмотроны на постоянном или переменном токе, а также высокочастотный разряд /66 - 67, 72 - 78/. Дуговые разряды характеризуются относительно низкими значениями катодного падения потенциала, которые имеют порядок потенциалов ионизации или возбуждения атомов. Этим дуговой разряд отличается от тлеющего разряда, у которого катодное падение составляет сотни вольт. Малое значение катодного падения является результатом действия иных, чем в тлеющем разряде, механизмов катодной эмиссии.
Дуговым разрядам свойственны большие токи (1 - 105 А), намного превышающие типичные токи в тлеющих разрядах (10"4 - 10"1 А). Велики по сравнению с тлеющим разрядом плотности тока на катоде. В одних формах дуг они составляют JK - (10 -10 А/см ), в других JK- (10 -10 А/см ).
Напряжения горения дуг чаще низкие. В коротких дугах они не превышают 20 - 30 В, в некоторых формах всего несколько вольт. В дугах с горячим термоэмиссионным катодом температура катода достигает 3000 К и даже выше, так что сильный ток дуги получается просто за счет интенсивной термоэлектронной эмиссии. Токовое пятно занимает на катоде сравнительно большую площадь. Плотность составляет JK - (102 - 104 А/см2). Дуга привязана к одному и тому же месту катодной поверхности и токовая площадка стационарна. Столь высокую температуру в течение длительного времени способны выдержать только тугоплавкие вещества: углерод (графит, уголь, сажа), который вообще не плавится при обычных давлениях (температура кипения Ткип - 4000 К), особенно широко применяемый на практике вольфрам (температура плавления Тпл - 3700 К, ТКип - 5900 К), молибден, цирконий, тантал и др. Дуги с вольфрамовыми катодами применяют в электродуговых устройствах, где требуется большой ресурс работы (малая эрозия) электродов. В дугах с «холодным» катодом и катодными пятнами ток протекает через одно или много маленьких, быстро и беспорядочно перемещающихся, возникающих и исчезающих пятен на катоде. Плотность тока в пятнах очень велика JK - (104 - 107 А/см2 ). Во время локализации пятна металл в данном месте сильно разогревается, разрушается и испаряется, но в целом катод остается сравнительно холодным. Пятна всегда образуются на катодах из легкоплавких металлов: меди, железа, серебра, жидкой ртути и др. Но при слабых токах и низких давлениях пятна появляются и на тугоплавких материалах: вольфрам, молибден и др. Дуги с катодными пятнами, которые зажигаются между электродами, находящимися в вакууме, но горят в плотных металлических парах материалов электродов, которыми вследствие сильной эрозии и испарения электродов немедленно заполняется разрядный промежуток, называют вакуумными дугами. Дуга высокого давления возникает при давлении выше р = 0,1 - 0,5 атм., для которых характерно образование равновесной плазмы в положительном столбе. Среди таких тип дуг особенно распространены дуги атмосферного давления, в том числе и в свободном воздухе. Столб дуги атмосферного давления наиболее типичный и распространенный образец плотной низкотемпературной равновесной плазмы, поддерживаемой электрическим полем. Обычно температура таких дуг составляет Т = 6000 - 12 000 К, но при определенных условиях достигаются и более высокие температуры, вплоть до 50 000 К. Дуги низкого давления возникают при давлении р = 10" - 1 торр. В таких условиях в положительном столбе получается сильнонеравновесная плазма, мало отличающаяся от плазмы тлеющего разряда, как в отношении отрыва температур (Те » Т), так и степени ионизации, которая много меньше равновесной /66/. Если ограничить свободное развитие дуги в поперечном направлении, например, помещая ее в узких каналах, уменьшая размеры электродов, обдувая дугу струями газов или жидкостей, то можно повысить плотность тока дуги, а, следовательно, и температуру. Уравнение (2.6.1) показывает, что температура столба сжатой дуги определяется, прежде всего, потенциалом ионизации U\ плазмообразующего газа и растет по мере уменьшения радиуса столба R (сжатия) и увеличения силы тока / . Такое приращение начинается после того, как радиус столба, ограниченный стенками канала, становится меньше радиуса свободной дуги. Наиболее простыми в конструктивном исполнении и надежными в эксплуатации являются плазмотроны однокамерной схемы /67/. В зависимости от условий эксплуатации, главным образом от химической активности нагреваемого газа по отношению К материалу электрода и диапазона рабочего тока, плазмотроны однокамерной схемы могут быть изготовлены в следующих трех вариантах: 1) однокамерный плазмотрон со стаканообразным внутренним электродом; 2) однокамерный плазмотрон с глухим торцевым внутренним электродом; 3) однокамерный плазмотрон с глухим торцевым внутренним электродом и дополнительной вихревой камерой.
Стабилизация дуги на оси электродуговой камеры во всех трех вариантах осуществляется с помощью закрученного потока газа. В первых двух вариантах нагреваемый газ однороден по своему составу. В третьем, с целью защиты внутреннего электрода от воздействия агрессивной среды, устанавливается дополнительная вихревая камера, куда подается нейтральный по отношению к материалу электрода (защитный) газ.
Основными элементами плазмотрона рис.2.6.1 являются: У и 2 — внутренний и выходной электроды соответственно; 3 - диафрагма (межэлектродная вставка); 4,5 - вихревые камеры, узлы подачи рабочего G\ (в первых двух вариантах) и защитного G3 (в третьем варианте) газов; 6 — соленоид.
Тепловые характеристики плазмотрона
Из приведенных анализов отчетливо видно, что увеличение силы тока в дуге приводит к увеличению концентраций более легких фракций и уменьшению бензиновых фракций.
Установлено, что в результате взаимодействия плазмы с мазутом образовываются легкие углеводороды, такие как: метан, этилен, этан, ацетилен, пропан, бутан, бутилен и другие.
Если появление в конечном продукте изобутана, этилена, ацетилена и бензиновых фракций можно было объяснить также их наличием в исходном сырье - нефти, то появление этих же компонентов при экспериментах с мазутом указывает на эффективность плазмохимических процессов при электродуговом воздействии на тяжелые углеводороды с целью их разложения на легкие фракции.
Показано, что степень образования легких фракций и его качественный состав зависят от состава и состояния исходного сырья, от исходного состава и температуры плазмы, количественных соотношений между расходами сырья и плазмообразующего газа, от места смешения и эффективности закалочного устройства. Максимальные концентрации выхода ацетилена наблюдаются в области 1800 - 2100 К, при токах 200 - 300А в аргоновой плазме, максимальные концентрации.этилена в области 1600— 1800 К, при токах 125 — 175А в азотной плазме.
Показано, что оптимизируя эти параметры, можно добиться максимального выхода нужного состава углеводородов. Степень превращения сырья в газообразные продукты может достигать 90 И более процентов.
На основе проведенных экспериментов по воздействию на нефть азотной плазмой установлена принципиальная возможность образования легких углеводородов. 1. Создан экспериментальный стенд по изучению взаимодействия потока электродуговой плазмы с углеводородным сырьем, который включает в себя системы электрического питания, системы зажигания дуги, газоснабжения, охлаждения, подготовки и подачи перерабатываемого сырья, плазмохимического реактора и закалочного устройства, системы отбора целевых продуктов. Проведены исследования электрических, энергетических характеристик созданного плазмотрона. Изучены вольтамперные характеристики плазмотрона. Построены зависимости напряжения дуги и мощности плазмотрона от расхода плазмообразующего газа. Изучены его тепловые характеристики. Экспериментальным путем определено радиальное распределение температуры на выходе из плазмотрона. 2. На основе проведенных экспериментов по воздействию на углеводородное сырье потоком азотной и аргоновой плазмой установлена возможность образования легких углеводородов. Показано, что плазмохимическая переработка тяжелых фракций нефти, с использованием потока, низкотемпературной плазмы позволяет углубить переработку нефтяного сырья. 3. Установлено, что в результате взаимодействия потока плазмы с мазутом образовываются легкие углеводороды, такие как: метан, этилен, ацетилен, пропан, бутан, и полная бензиновая группа. Показано, что степень образования легких фракций и их качественный состав зависят от состава и состояния исходного сырья, от исходного состава и температуры плазмы, количественных соотношений между расходами сырья и плазмообразующего газа, от места смешения и эффективности закалочного устройства. Показано, что оптимизируя эти параметры, можно добиться максимального выхода нужного состава углеводородов. Максимальные концентрации выхода ацетилена наблюдаются в аргоновой плазме при токах 200 - 300А, максимальные концентрации этилена в азотной плазме при токах 125 - 175А. 4. Проведенные эксперименты и полученные результаты по плазмохимическому способу переработки нефти и мазута позволяют констатировать, что найден способ глубокой переработки тяжелых нефтей.
Теоретический анализ взаимодействия капель мазута с потоком электродуговой плазмы
Высокотемпературный поток газов после нагревания электрической дугой и смешения в реакторе с целью фиксации образовавшихся при высоких температурах реагентов, а также предотвращения обратных реакций, требует эффективного охлаждения - замораживания, т.е. закалки. /79/
Средняя скорость закалки для устройства прямо пропорциональна перепаду температур охлаждаемого газа, средней скорости и обратно пропорциональна длине закалочного устройства. Чем выше скорость закалки, тем больше конечного продукта остается в смеси охлажденных газов после закалки.
В настоящее время известно несколько способов, методов закалки: рекуперативными теплообменниками, введением в поток холодных твердых частиц, жидких или газовых струй реагентов, использованием сопла Лаваля. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки и может быть оптимальным для конкретного плазмохимического процесса. Наиболее распространенным для закалки продуктов плазмохимических процессов является рекуперативные закалочные устройства из-за простого исполнения и возможности утилизации сбросового тепла. Рекуперативная поверхностная закалка представляет теплообменник, в котором газы охлаждаются при течении вдоль или поперек твердой неплавящеися поверхности, омываемой с другой стороны холодным газовым или жидким теплоносителем.
С учетом рекомендаций, изложенных в /79/ была выбрана конструкция закалочной камеры с использованием пучка ребристых труб, как одна из наиболее эффективных. На рис.2.8.1 показана схема закалочной камеры. Она состоит из водоохлаждаемых стенок. В рабочем сечении расположены три ряда ребристых труб. Общая площадь прохождения продуктов реакции 200 мм . Периметр соприкосновения на самом узком участке 320 мм. Скорость закалки регулируется изменением расхода охлаждающей воды и скоростью потока. Для выравнивания температуры и равномерного распределения компонентов выходного продукта за камерой закалки расположена камера с водоохлаждаемыми стенками. Для конечного охлаждения продуктов реакции имеется теплообменник. Он представляет собой медную трубку с внутренним диаметром 10 мм, утопленную в емкость с водой. Перед поступлением в плазмотрон газ должен быть очищен от пыли, масла, паров воды, при использовании инертных плазмообразующих газов, кислорода. Газы, получаемые централизованно в дополнительной очистке от пыли и масла не нуждаются. Процессы переноса количества энергии и массы в плазмохимических реакторах зависят от теплофизических свойств плазмообразующих газов при высоких температурах. К таким свойствам относятся: плотность р, вязкость [І, теплоемкость С, теплопроводность X. Важным при выборе типа плазмообразующего газа является также его удельная энтальпия.
Так для диссоциированного азота при изменении температуры от 300 К до 6000 К теплопроводность увеличивается в 95 раз. Существенно изменяются и другие свойства, причем часть из них при повышении температуры проходит через максимум (табл.2.8.1).
Следует учитывать, что температурный порог диссоциации многоатомных и ионизации одноатомных газов отличается для разных газов. Так температуру гелия можно поднять до 16 103 К, в то время как азот трудно нагреть даже до 8 103 К. Однако удельная энтальпия гелия при 8 10 К составляет всего 160 кДж/моль, в то время как для азота - 1200 кДж/моль. При охлаждении газов теплота, выделяющаяся вследствие рекомбинации атомов в молекулы, может быть эффективно использована для нагревания обрабатываемого материала. Поэтому в процессе передачи нагреваемому веществу одинакового количества тепловой энергии температура плазмы двух- и многоатомных газов понижается значительно меньше, чем одноатомных. При применении в качестве плазмообразующего многоатомных газов повышается также тепловой КПД плазмотрона. Следовательно, как теплоноситель плазма многоатомных газов имеет преимущества перед одноатомными.
Иногда при выборе плазмообразующего газа решающими являются экономические критерии — его стоимость и доступность. Рассмотренные выше требования часто входят в противоречие, и тогда выбор вида плазмообразующего газа представляет собой типичную задачу оптимизации по нескольким параметрам.
Выводы по главе 2. В данной главе определены основные требования к выбору плазмотрона, плазмохимического реактора, камеры закалки. Выполнены чертежи этих устройств и создан экспериментальный стенд. Приведено описание системы электрического питания, системы зажигания дуги, газоснабжения, охлаждения, подготовки и подачи перерабатываемого сырья, плазмохимического реактора и закалочного устройства. Показаны принципы работы каждого узла в отдельности. Определены критерии выбора плазмообразующего газа.
Похожие диссертации на Разложение тяжелых углеводородов на легкие фракции с использованием электродуговой плазмы
