Плазменные процессы

Плазменными называют такие технологические процессы, в ходе которых главным двигателем выступает плазма.

Плазмой называют ионизированный газ, который состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, нейтральных атомов и молекул.

Количество положительных и отрицательных частиц в плазме почти одинаково. Именно поэтому плазма является электронейтральным веществом. В отличие от газовых веществ плазма ярко светится, имеет электропроводность и активно взаимодействует с магнитным полем. Примером плазмы является пламя, которое вырывается из сопла двигателя ракеты, искры в электрических приборах, молния, электрическая дуга и т.п.. Впервые термин «плазма» употребил американский ученый И. Ленгмюр в 1923 г. для определения состояния газа, которое он приобретает при электрическом разряде.

Условно плазму разделяют на «холодную» и «горячую».

Примеры «горячей» плазмы - Солнце, эпицентры взрывов атомных и водородных бомб. Искусственную «горячую» плазму получают в исследовательских учреждениях и удерживают сверхмощным магнитным полем. Эта плазма существует частицы секунды. В будущем (по мнению физиков) «горячая» плазма будет источником термоядерной энергии. «Холодная плазма в природе встречается в виде пулевой молнии. Искусственную «холодную» плазму получают с помощью специальных устройств, которые называют плазмотронами. В промышленности «холодную» плазму используют для химического синтеза неорганических и органических соединений, композиционных материалов, производства порошков, получения стали, выращивания монокристаллов, резки и сварки конструкционных материалов, нанесения жароустойчивых и других видов покрытий на поверхности изделий, получения сверхчистых металлов и т.д.

Использование плазмы в технологии ценно тем, что плазма имеет большую скорость потока, а это очень важно при резке: плазма выдувает расплавленный металл из зоны резки. Кроме того, плазменный поток легко изменяет форму и направление с помощью внешнего магнитного поля. Его можно использовать для работ под водой, например в процессе сварки.

На современном этапе развития технологий плазма дает возможность получать сверхвысокие температуры, которых нельзя достичь другими способами. Это очень важно, поскольку для некоторых технологических процессов повышение температуры выступает решающим фактором ускорения химических преобразований. Например, скорость окисления азота возрастает в 90 млн. раз, если температуру процесса повысить из 1700 до 4000°С. Кроме того, использование плазмы в химико-технологических процессах дает возможность выбрать дешевое сырье. Например, известные способы производства азотной кислоты, окисления аммиака громоздки, кроме того, они связаны с использованием природного газа, которого в земных недрах становится каждый раз меньше. Вырабатывать оксид азота (N0) из воздуха можно лишь при условиях высоких температур (3000°С), которые можно получить в плазмотроне.

Применение плазмы в промышленности, в особенности, в химической технологии, обусловлено небольшими размерами реакторов, большой скоростью прохождения технологического процесса и т.п. Оснащение необходимое для прохождения плазменных процессов вырабатывают на заводах серийно. Оно состоит из таких основных элементов: плазмотрон, реактор и закалочное устройство. В плазмотроне с помощью электродуговых или других разрядов получается плазма, то есть поток ионизированного газа (аргона, гелия, азоту и т.п.), который направляется в реактор, куда подают реагирующие вещества (сырье). После реакции, полученная продукция поступает в холодильник, где быстро охлаждается.

Основными элементами плазмотрона являются электрод и сопло. Для образования плазмы используют аргон, гелий, азот, аммиак, кислород, воздух и т.п. Инертные газы (аргон, гелий) обеспечивают хорошее горение дуги, защищают электрод от окисления. Тем не менее, эти газы одноатомные и запас энергии, которую они приобрели в столбе дуги, меньший, чем при использовании молекулярных газов, например азота. Для образования, плазмы используют азот, а в последнее время и воздух.