Основы плазменной технологии

Еще одна большая группа принципиально новых тех­нологий - плазменные, основанные на обработке исходных материалов концентрированными потоками энер­гии. Ныне известно более 50 таких технологий. Сформи­ровалась и научная база этой группы технологий - плазмохимия, изучающая процессы, протекающие при сред­немассовой температуре рабочего газа 8000 - 10000°С, когда вещество находится в состоянии плазмы.

Техника плазменных технологий - это генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны, единствен­ные установки, позволяющие с высоким тепловым КПД (80 - 90%) осуществлять непрерывный регулируемый нагрев газа до столь высоких температур. Кстати,по своим размерам это чрезвычайно компактные агрегаты: их размеры в поперечнике составляют несколько десят­ков сантиметров, а длина - несколько метров.

Химия, металлургия, машиностроение - вот основные сферы применения плазменных технологии.

В металлургии вместо доменных печей для процесса восстанов­ления железа вполне можно использовать плазмотроны.

Это компактные, и весьма производи­тельные агрегаты - ведь процесс там идёт при температуре не 800°С, а при гораздо более высокой. При этом вместо кокса или природного газа для процесса восстанов­ления железа могут использоваться самые дешевые топливно-энергетические ресурсы, по существу отходы - угольная пыль и древесная стружка. К тому же плазменные металлургические технологические процессы в отличие от традиционных экологически чисты, не выделяют в окружающую среду сернистых и иных вредных газов.

На базе плазменных методов можно организовать эффективную разработку бедных, так называемых заба­лансовых месторождений минеральных ископаемых, в ча­стности фосфоритов. Речь идет о способе азотнокислотной экстракции фосфоритов, причем азотную кислоту можно получать плазменным способом непосред­ственно из воздуха. Небезынтересно, что малотоннаж­ное производство минеральных удобрений можно орга­низовать непосредственно на местах их использования - небольшие малотоннажные установки могут иметь у се­бя сельскохозяйственные предприятия. Правда, плазменные агрегаты довольно энергоемки, но и здесь есть выход - их можно эксплуатировать в период спада нагрузокв сетях, в частности, в ночное время.

Важная особенность плазменных процессов заключа­ется в том, что при высоких температурах химические реакции идут иначе, чем обычно. А это значит, что в плазмотронах можно получать материалы с новыми свойствами, в том числе принципиально новые - компо­зитные.

В разных отраслях успешно используется метод плазменного напыления - нанесения на поверхность де­талей упрочняющих, термостойких, антикоррозионных, защитных, декоративных и других покрытий. Такие покрытия позволяют улучшить качество, повысить ресурс и надежность машин. Методом плазменного напыления можно восстанавливать изношенные поверхности дета­лей.

На базе плазменной технологии можно организовать резку стальных плит толщиной до 25 см и плит из цвет­ных металлов толщиной 10-15 см. Назовем еще несколько областей применения плаз­менных технологий.

Газификация каменных и бурых углей, сланцевиторфа позволяет не только перерабатывать малокалорийное топливо в высококалорийное, но и получать ацетилен - исходный продукт для производства полимеров.

При высокой температуре в струе плазмы происхо­дит разложение отходов на элементы с последующим синтезом новых продуктов. Так открывается путь к без­отходным экологически чистым технологиям.

Розжиг и стабилизация горения пылеугольного топ­лива в топках электростанций, запуск с помощью плазменных установок газотурбинных двигателей на перека­чивающих станциях трансконтинентальных нефтепрово­дов - также работа для плазмотронов.

Можно назвать и другие сферы высокоэффективного применения плазменных технологий. Однако широкое использование плазменных технологий тормозиться слабой изученностью данного класса процессов, иногда слишком высокой скоростью их протекания, сравнительно высокой энергоёмкостью производства.

 3.7 Основы мембранной технологии

Мембранная технология - новый принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку, отличающийся отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.

По сравнению с традиционными процессами разделения неоднородных систем мембранная технология выгодно отличается высокой энерго- и ресурсоэкономичностью, простотой аппаратурного оформления, экологической чистотой.

Слово “мембрана” имеет латинское происхождение (membrana) и означает кожица, перепонка. В технологии под словом “мембрана” мы будем понимать перегородку, обладающую различной проницаемостью по отношению к отдельным компонентам жидких и газовых неоднородных смесей.

При внешнем сходстве процессов фильтрования и мембранного разделения (рис. 3.3) между этими процессами есть принципиальное отличие. В ходе фильтрования хотя бы один из компонентов газовой или жидкой смеси задерживается и фиксируется внутри фильтрующей перегородки. Это приводит к тому, что перегородка постепенно забивается и осуществление процесса фильтрования на ней без очистки делается практически невозможным. В отличие от фильтра мембрана не фиксирует в себе ни один из компонентов разделяемой жидкой или газовой смеси, а только делит первоначальный поток на два, один из которых обогащён по сравнению с исходным каким-то компонентом. Такой принцип действия мембраны делает её способной к практически неограниченному сроку службы, без заметного изменения в эффективности разделения смесей.

В зависимости от материала, из которого изготавливают мембраны, их делят на полимерные, металлические, стеклянные, керамические или композиционные.

По механизму мембранного действия различают диффузионные, адсорбционные и ионообменные мембраны.

В зависимости от агрегатного состояния разделяемой смеси, движущей силы процесса разделения, размеров частиц компонентов и механизма разделения различают следующие разновидности мембранных процессов:

· диффузионное разделение газов;

· разделение жидкостей методом испарения через мембрану;

· баромембранные процессы разделения жидких смесей;

· электродиализ.

Диффузионное разделение газов основано на различной проницаемости мембран для отдельных компонентов газовых смесей. В качестве мембран для осуществления диффузионного разделения газовых смесей используются как сплошные так и пористые мембраны с размерами пор меньшими, чем длина свободного пробега молекул газов при заданном давлении. Движущей силой процессов диффузии компонентов является разность их концентраций на противоположных поверхностях мембраны.

а - мембранное разделение;

б - фильтрование

Диффузионное разделение газов сегодня является наиболее крупномасштабным и экономичным методом и широко используется для получения урана-235, являющимся ядерным топливом, широко используется для создания аппаратов “искусственное лёгкое”, при производстве водорода, выделении гелия из состава природных и нефтяных газов, является перспективным для выделения кислорода из воздуха, удаления диоксида углерода, воды и других компонентов из газовоздушных смесей в системах жизнеобеспечения людей в замкнутых пространствах, для создания контролируемой атмосферы, обогащённой диоксидом углерода, при хранении овощей и фруктов. Созданы и используются специальные плёнки, которые по­могают длительное время сохранять качество завёрнутых в них овощей, фруктов, цветов. В основе такой технологии лежит свойство полимерных мембран разделять воз­дух на молекулярном уровне: в нём становится мень­ше кислорода, что резко замедляет процессы гниения.

Разделение жидкостей методом испарения через мембрану основано на различной диффузионной проницаемости мембран для паров веществ. Движущей силой процесса является разность концентраций или давлений. Смесь жидкостей, находящихся в контакте с мембраной, нагревают, а пары проникающие через мембрану, отводят с помощью вакуумирования или потоком инертного газа. Наиболее широко этот метод применяется при разделении азеотропных смесей, а также смесей веществ, имеющих невысокую термическую стабильность.

Баромембранные процессы разделения жидких смесей на практике осуществляются под избыточным давлением и поэтому объединены в группу баромембранных.

Установки, работающие на принципе баромембранного разделения, уже сегодня широко используются для обессоливания морской и солёной вод, очистки сточных вод, извлечения ценных компонентов из разбавленных растворов, в пищевой промышленности для концентрирования сахарных сиропов, фруктовых и овощных соков, растворимого кофе, для получения ультрачистой воды для электронной промышленности, медицины и фармацевтики.

Если мембранный процесс применяют для отделения от идеального раствора крупных коллоидных или взвешенных микрочастиц размером 0,1…10 мкм, то его называют микрофильтрацией или мембранной фильтрацией.

Микрофильтрация нашла широкое применение в микробиологической промышленности при концентрации водных растворов ферментов, белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других веществ в химической, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности для очистки сточных вод.

Микрофильтрация используется для концентрирования тонких суспензий, осветления растворов, очистки сточных и природных вод при проведении обессоливания морской воды.

Мембранное концентрирование различных жидких продуктов с ус­пехом может заменить традиционный процесс - вакуум-выпаривание.

Электродиализ можно определить как перенос ионов через мембрану под действием электрического тока. При наличии мембран, избирательно пропускающих одни ионы и задерживающих другие, можно решать многочисленные задачи выделения ценных компонентов из растворов, обессоливания воды, снижения жёсткости, регенерации растворов в гальванических производствах, очистки сточных вод.

Перспективность мембранных методов прежде всего в их универсальности. Скоро нельзя будет представить ни одной технологической линии в пищевой, медицин­ской, фармацевтической и ряде других отраслей про­мышленности, в которой не было бы установок для мем­бранного синтеза, разделения, концентрирования и очи­стки продуктов.