РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ПЛАЗМОХІМІЧНОГО РОЗКЛАДУ СІРКОВОДНЮ
Однією з головних передумов для формування макромолекул полімерної сірки є висока концентрація реакційно активних частинок. Якщо їх концентрація є недостатньою, то утворюватимуться термодинамічно нестійкі короткі ланцюгові структури сірки, які надалі циклізуватимуться з утворенням ромбічної модифікації. Очевидно, що така умова стосується усіх, без винятку, хімічних систем, в яких можливе утворення полімерної сірки - як розплаву та парів сірки, так і рідиннофазної, де відбувається взаємодія SO2 з H2S. Особливо це стосується тих систем, що містять інертні речовини, які зумовлюють зменшення концентрацій реагентів, а відтак і швидкість полімеризації сірки.
Отже, необхідно було дослідити вплив тих чинників, які зумовлюють збільшення концентрації активних частинок сірки у газовій фазі, на утворення полімерної сірки. До них належать, передусім, ступінь розкладу H2S та тиск в системі. Перший, у свою чергу, визначається кількістю енергії, введеної в плазмохімічну систему, витратою газу тощо. Навіть за повного розкладу H2S за реакцією (1.4), концентрація парів сірки у газовій фазі не перевищуватиме 50 об. %. Тому слід очікувати, що із зменшенням ступеня плазмолізу H2S концентрація атомарної Сірки буде спадати, а відтак сповільнятись швидкість утворення полімерної модифікації. Разом з тим, досягнення якомога вищого ступеня розкладу H2S може призвести до різкого збільшення енерговитрат.
Можна спрогнозувати, що вплив тиску буде неоднозначним. Так, із зменшенням тиску зростатиме лінійна швидкість газового потоку в плазмотроні, що спричинятиме збільшення ступеня його закручування і, як наслідок, локальне збільшення концентрації частинок сірки біля стінок реактора, а це пришвидшуватиме взаємодію між ними з утворенням фрагментів сірки з більшим числом її атомів. Окрім цього, зменшення тиску приведе до покращення стабілізації плазмового розряду. Однак, з іншого боку, пониження тиску зумовить збільшення нерівноважності [147] у плазмохімічній системі (температура електронів зростатиме, а атомарних частинок - падатиме) та зменшення концентрації частинок сірки в парогазовій суміші (ПГС). Це призведе до зменшення швидкостей охолодження ПГС зокрема та рекомбінації атомарної Сірки з утворенням кластерів як зародків макромолекул полімерної сірки загалом. Таке припущення ґрунтується на відомій залежності швидкості газофазної полімеризації від тиску [192].
Разом із зазначеними чинниками на перебіг розкладу H2S, а відтак і процес утворення полімерної сірки, може впливати геометричний фактор, що залежить від масштабів (потужності, геометричних розмірів тощо) плазмотронів. Отже, необхідно було дослідити плазмохімічний розклад H2S на установках різних масштабів - з номінальними потужностями 2 і 50 кВт.
2.1. Дослідження плазмохімічного розкладу сірководню на лабораторній
установці
2.1.1. Опис лабораторної установки, методик дослідження та аналізів
Дослідження процесу одержання полімерної сірки плазмолізом сірководню проводили на лабораторній установці (рис. 2.1), яка складалась з таких головних вузлів: генераторного, приготування газової суміші, реакційного, конденсації, контрольно-вимірювального та аналітичного.
Генераторний вузол призначений для створення НВЧ-випромінювання, регулювання його потужності та направленого передавання до плазмохімічного реактора. НВЧ-випромінювання генерувалось магнетроном М-571 (Wmax = 2 кВт; частота - 2375?45 МГц), а його потужність регулювали зміною вхідної напруги до блоку живлення (10). Потік НВЧ-випромінювання від магнетрона (11) до реактора (9) спрямовувалось НВЧ-трактом (13) з внутрішнім перерізом 50?100 мм. НВЧ-тракт (13) закінчувався водяним навантаженням (14), яке призначене для поглинання енергії, яка "не поглинулась" плазмовим розрядом.
Рис. 2.1. Схема лабораторної установки для одержання полімерної сірки плазмохімічним розкладом сірководню:
1 - газгольдер; 2, 5, 19 - ротаметри; 3 - змішувач; 4 - балон з газом-додатком;
6 - балон з Ar; 7 - перехідник; 8 - шайба; 9 - реактор; 10 - блок живлення;
11 - магнетрон; 12 - водяна оболонка; 13 - НВЧ-тракт; 14 - водяне навантаження; 15 - перехідна муфта; 16 - змінний конденсатор; 17 - термопара; 18 - самописець; 20 - блок нейтралізації H2S; 21 - вакуум-насос
Вузол приготування газової суміші призначений для одержання сірководневого газу заданого складу та забезпечення його необхідної витрати. Він охоплює газгольдер для H2S (1), балони з газом-додатком (4) та аргоном (6), газові ротаметри (2, 5), кварцовий змішувач (3). Н2S одержували взаємодією розчину Na2S з 20 %-ою H2SO4 і осушували прожареним CaCl2.
Реакційний вузол призначений для здійснення плазмохімічного розкладу H2S. Він охоплює перехідник (7), кварцовий реактор (9) і перехідну муфту (15). Реактор (9) споряджений: у верхній частині - кварцовою шайбою (8), призначеною для закручення газового потоку в реакторі (9) з метою газодинамічної стабілізації плазмового розряду; у нижній частині - кільцевим буртом для під`єднання до перехідної муфти (15), яка слугує для з'єднання реактора (9) із блоком конденсації парів сірки (16).
Вузол конденсації призначений для охолодження ПГС, яка виходить із реактора (9), із заданою швидкістю та конденсування парів сірки у конденсаторі (поверхневому (рис. 3.1) або змішування (рис. 3.6)).
Контрольно-вимірювальний та аналітичний вузол призначений для вимірювання параметрів перебігу плазмохімічного розкладу сірководневого газу, визначення концентрацій компонентів газової суміші, на підставі яких розраховували кількісні матеріально-енергетичні показники цього процесу. Він охоплював (рис. 2.1) системи вимірювання потужності генератора та температури газових потоків та охолоджувальної води, а також хроматографи (ЛХМ-80, "Газохром 3001") (на рис. 2.1 не показано).
При виконанні пошукових досліджень використовували не сі