Plasma ngọn lửa
Xử lý ngọn lửa là phương pháp tiền xử lý pha khí, trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu hydrocarbon, dưới các điều kiện được kiểm soát, tạo ra plasma ngọn lửa làm biến đổi bề mặt vật liệu nền mà không ảnh hưởng đến các đặc tính khối của polymer. Quá trình oxy hóa bề mặt polymer do xử lý ngọn lửa diễn ra qua nhiều quá trình vật lý, bao gồm sự đốt cháy đồng nhất của các chất phản ứng đã trộn sẵn, sự vận chuyển các sản phẩm cháy đến bề mặt polymer và phản ứng dị thể giữa các sản phẩm ngọn lửa với polymer. Nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt vào khoảng 3,300°F (1,816°C). Cơ chế của xử lý ngọn lửa là quá trình đốt cháy có kiểm soát nhiên liệu hydrocarbon để tạo ra plasma ngọn lửa. Ngọn lửa tầng đã trộn sẵn tạo ra phản ứng tỏa nhiệt. Tỷ lệ chính xác giữa chất oxy hóa và nhiên liệu cần thiết để đốt cháy hoàn toàn được gọi là tỷ lệ hóa học lượng (stoichiometric). Tại điều kiện đốt cháy hóa học lượng, không có oxy hoặc nhiên liệu dư. Tỷ lệ hóa học lượng vào khoảng 10:1 đối với khí thiên nhiên và 24:1 đối với propane.
Ngọn lửa là hỗn hợp giữa nhiên liệu và chất oxy hóa được trộn đều trước khi đốt cháy. Tỷ lệ mol giữa nhiên liệu và chất oxy hóa có lẽ là thông số quan trọng nhất trong quá trình xử lý ngọn lửa. Đối với khí thiên nhiên, phương trình sau đây mô tả phản ứng đốt cháy:
CH4 + 2O2 + 8N2 ? CO2 + 2H20 + 8N2 + plasma ngọn lửa
Ba biến số kiểm soát quy trình chính là thành phần hóa học của ngọn lửa, khoảng cách từ vật liệu nền đến ngọn lửa và thời gian lưu xử lý. Trong một hệ thống đốt cháy, ngọn lửa là một sóng dưới âm được đặc trưng bởi một vận tốc gọi là tốc độ ngọn lửa tầng, được định nghĩa là vận tốc mà khí chưa cháy di chuyển xuyên qua sóng đốt cháy theo hướng vuông góc với bề mặt sóng. Một biên dạng ngọn lửa tầng gồm ba vùng – vùng khử, vùng phát sáng và vùng sau đốt cháy. Mỗi vùng có gradient nhiệt độ và các loại phân tử phản ứng hóa học khác nhau. Việc định vị chi tiết khi di chuyển qua ngọn lửa rất quan trọng và phải chính xác để đạt được độ thấm ướt bề mặt và chức năng hóa tối đa.
Quá trình xử lý (oxy hóa) tối ưu diễn ra ở vùng phản ứng chính, tức vùng phát sáng hay vùng oxy hóa. Đây là vùng ngọn lửa nóng nhất, nơi nhiệt độ của hệ thống đốt cháy đạt khoảng 1,700°C đối với khí thiên nhiên và 1,900 đến 2,000°C đối với hỗn hợp gốc propane. Tại vùng này, hàm lượng các gốc tự do phản ứng (bao gồm hydroxyl, carbonyl, carboxyl, ether và ester) tăng mạnh, làm giảm nồng độ chất phản ứng. Nồng độ cao của các gốc tự do khiến vùng này có tính oxy hóa mạnh, trái ngược với vùng khử.
Màu sắc của vùng này phụ thuộc vào tỷ lệ nhiên liệu/không khí. Bức xạ màu tím ánh xanh đậm, với ngọn lửa gần như trong suốt khi lượng khí giảm dần, xuất hiện khi hỗn hợp nghèo khí (do các gốc CH bị kích thích). Bức xạ màu xanh lá xuất hiện khi hỗn hợp giàu khí (do các phân tử C2 bị kích thích). Khi lượng khí trong hỗn hợp tăng thêm nữa, bức xạ chuyển sang màu vàng do các hạt carbon hình thành. Thành phần hóa học lý tưởng của ngọn lửa là loại tạo ra nồng độ oxy trong plasma ngọn lửa, sau phản ứng đốt cháy, ở mức 0.1% đến 0.5%.
Khoảng cách xử lý tối ưu (vị trí) của vật liệu nền so với ngọn lửa (ngay phía trên vùng khử trước đốt cháy) thường nằm trong khoảng 3/8″ đến ½” (9.5 mm đến 12.7 mm). Phần xử lý thực tế của ngọn lửa kéo dài khoảng 1½” (38.1 mm) vượt ra ngoài đầu ngọn lửa, trong đó khoảng ½” (12.7 mm) tạo ra mức độ xử lý cao nhất. Tham khảo đường chấm màu vàng trong Sơ đồ 1. Bề mặt cần xử lý không bao giờ được tiếp xúc với vùng khử (dưới mức hóa học lượng) của ngọn lửa.
Vùng trước đốt cháy hay vùng khử là vùng lạnh nhất trong ngọn lửa, nơi các khí chưa cháy đã trộn sẵn chưa đạt đến điều kiện oxy hóa tối ưu. Được đặc trưng bởi màu xanh thép sáng, vùng này không hiệu quả cho việc hoạt hóa bề mặt và không mang lại lợi ích oxy hóa nào. Vùng sau đốt cháy là vùng lớn nhất trong ba vùng của biên dạng ngọn lửa tầng. Nhiệt độ vẫn duy trì ở mức cao do phản ứng oxy hóa tỏa nhiệt của CO thành CO2, kèm theo sự giải phóng nhiệt.
Vùng này được đặc trưng là trung gian, giữa vùng khử và vùng phát sáng, xét về nhiệt độ và nồng độ các gốc oxy. Khí cháy ở nhiệt độ cao thường có màu đỏ, do bức xạ của hơi nước và carbon dioxide (các sản phẩm đốt cháy với nhiên liệu hydrocarbon) cùng một số hạt bụi bẩn.
Khoảng cách giữa ngọn lửa phát sáng và bề mặt vật liệu nền là yếu tố quan trọng quyết định mức độ hoạt hóa đạt được từ quá trình xử lý. Nhìn chung, khi vật liệu nền di chuyển qua ngọn lửa, độ thấm ướt của bề mặt đã xử lý suy giảm nhanh khi khoảng cách giữa các đầu côn của ngọn lửa và vật liệu nền tăng lên. Tuy nhiên, hiệu quả có lợi từ quá trình xử lý vẫn còn đáng kể ở khoảng cách vài milimet ngoài vùng sau đốt cháy. Để tối đa hóa lợi ích từ quá trình xử lý, ngọn lửa cần hoạt động kết hợp với vùng phát sáng của nó – vùng giàu các gốc oxy hóa hoạt tính nhất (gốc OH và nguyên tử O) và cũng là vùng có nhiệt độ cao nhất trong toàn bộ hệ thống đốt cháy.
Bộ điều áp khí bằng không nên được lắp đặt cùng hệ thống mỏ đốt trộn sẵn, sử dụng bộ trộn khí/nhiên liệu kiểu venturi để duy trì tỷ lệ khí/nhiên liệu ổn định bất kể tốc độ đốt của mỏ đốt. Bộ trộn venturi là thiết bị trộn theo tỷ lệ, có cửa vào cho cả khí nhiên liệu (khí thiên nhiên hoặc propane) và không khí/oxy, bên trong thân thiết bị trộn đều các khí này và phân phối qua cửa ra. Về nguyên lý hoạt động, khi không khí đốt cháy đi qua lỗ tiết lưu trong bộ trộn khí/nhiên liệu, nó tạo ra một độ sụt áp được cảm biến bên trong dưới dạng áp suất âm thông qua một ống cảm biến ở phía hạ lưu trong bộ điều áp khí bằng không – nhằm duy trì áp suất bằng không so với áp suất khí quyển.
Việc lựa chọn đúng loại mỏ đốt là yếu tố quan trọng đối với tính đồng đều và toàn diện của quá trình xử lý. Thiết kế sản phẩm, hình dạng hình học và vật liệu nền polymer là những yếu tố quan trọng. Một mỏ đốt được thiết kế tốt sẽ có độ ổn định cao, giảm thiểu hiện tượng cháy ngược (flashback) và tách ngọn lửa (flame lift) – hai dạng mất ổn định xảy ra do sự mất cân bằng giữa vận tốc dòng hỗn hợp nhiên liệu/chất oxy hóa và vận tốc cháy của hỗn hợp có thể cháy. Hiện tượng cháy ngược có thể xảy ra trong mỏ đốt trộn sẵn nếu vận tốc cháy của ngọn lửa vượt quá vận tốc dòng chảy ra khỏi cổng đốt. Trong điều kiện này, đường kính cổng đốt tối đa đảm bảo tổn thất nhiệt cần thiết đã bị vượt quá, khiến ngọn lửa lan ngược vào buồng trộn.
Có hai loại mỏ đốt được sử dụng cho xử lý ngọn lửa: mỏ đốt dải băng (ribbon) và mỏ đốt khoan lỗ (drilled port). Mỏ đốt dải băng gồm một loạt dải thép không gỉ được dập gấp nếp, lắp vào đồng thau, thép không gỉ, thép thường và gang. Số lượng dải băng, kiểu dập gấp nếp, số lượng cổng đốt và các đặc điểm thiết kế khác của dải băng tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Mỏ đốt dải băng có thể mang lại lợi thế nhờ khả năng tạo bề mặt ngọn lửa lớn và giúp ổn định ngọn lửa. Loại mỏ đốt thứ hai là mỏ đốt khoan lỗ. Mỏ đốt khoan lỗ thường được chế tạo bằng thép không gỉ và nhôm.
Mỏ đốt dải băng là thế hệ mỏ đốt mới nhất và là giải pháp được áp dụng rộng rãi nhất ở quy mô công nghiệp vì các kiểu ngọn lửa có thể tùy chỉnh bằng cách điều chỉnh chiều rộng khe và cấu hình dải băng3. Mỏ đốt dải băng là giải pháp tối ưu cho việc biến đổi bề mặt hoặc xử lý ngọn lửa đối với màng polymer.
Yêu cầu báo giá miễn phí
Scott Sabreen — Chủ tịch kiêm Kỹ sư trưởng, hơn 30 năm kinh nghiệm chuyên môn. Hãy liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để trao đổi miễn phí về ứng dụng của quý khách và các giải pháp của SABREEN. Hãy giao cho chúng tôi những thách thức khó nhất của quý khách.
Điện thoại: +1 972-820-6777
Câu hỏi thường gặp
Xử lý ngọn lửa làm thay đổi bề mặt nhựa như thế nào?
Quá trình cháy có kiểm soát của nhiên liệu hydrocarbon tạo ra plasma ngọn lửa, oxy hóa bề mặt polymer mà không ảnh hưởng đến tính chất khối của chi tiết. Sự oxy hóa diễn ra qua nhiều quá trình cùng lúc: cháy đồng thể của hỗn hợp phản ứng đã trộn trước, vận chuyển sản phẩm cháy tới bề mặt, và phản ứng dị thể giữa các sản phẩm đó với polymer. Nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt vào khoảng 3.300°F (1.816°C).
Chi tiết nên đặt ở vị trí nào trong ngọn lửa?
Ở vùng phát sáng, oxy hóa — vùng nóng nhất, nơi các gốc tự do gồm hydroxyl, carbonyl, carboxyl, ether và ester tăng mạnh. Khoảng cách tối ưu thường là 3/8 đến 1/2 inch (9,5 đến 12,7 mm) phía trên vùng khử. Phần ngọn lửa có tác dụng xử lý kéo dài khoảng 1-1/2 inch (38,1 mm) vượt qua đỉnh ngọn lửa, trong đó khoảng 1/2 inch đầu tiên cho mức xử lý cao nhất. Bề mặt không bao giờ được chạm vào vùng khử.
Màu ngọn lửa cho biết gì về hỗn hợp?
Màu tím xanh đậm, gần như trong suốt khi giảm khí, nghĩa là hỗn hợp nghèo khí — màu đó đến từ các gốc CH bị kích thích. Màu xanh lá nghĩa là giàu khí, do các phân tử C2 bị kích thích. Tăng khí thêm nữa thì bức xạ ngả vàng khi các hạt carbon hình thành. Hóa học ngọn lửa lý tưởng để lại nồng độ oxy từ 0,1 đến 0,5 phần trăm trong plasma sau phản ứng cháy.
Các biến kiểm soát quy trình là gì?
Ba biến: hóa học ngọn lửa, khoảng cách từ nền vật liệu tới ngọn lửa, và thời gian lưu của xử lý. Tỷ lệ mol giữa nhiên liệu và chất oxy hóa có lẽ là thông số đơn lẻ quan trọng nhất. Cháy hợp thức — không dư oxy cũng không dư nhiên liệu — vào khoảng 10:1 với khí thiên nhiên và 24:1 với propan.
Đầu đốt kiểu băng hay kiểu lỗ khoan?
Đầu đốt kiểu băng là thế hệ sau và được áp dụng rộng rãi hơn ở quy mô công nghiệp: các băng thép không gỉ gấp nếp lắp vào thân đầu đốt, cho diện tích ngọn lửa lớn, ổn định ngọn lửa tốt và biên dạng ngọn lửa tùy chỉnh được qua bề rộng khe và cấu hình băng. Đây là lựa chọn thông thường khi xử lý màng polymer. Đầu đốt kiểu lỗ khoan thường được chế tạo bằng thép không gỉ và nhôm. Việc chọn đầu đốt quyết định độ đồng đều và tính trọn vẹn của xử lý, nên cả hình học chi tiết lẫn nền vật liệu đều là căn cứ lựa chọn.
Hiện tượng cháy ngược và tách ngọn lửa là gì?
Đó là hai hiện tượng mất ổn định do mất cân bằng giữa vận tốc dòng của hỗn hợp nhiên liệu/chất oxy hóa và vận tốc cháy của hỗn hợp đó. Cháy ngược xảy ra ở đầu đốt trộn trước khi vận tốc cháy của ngọn lửa vượt vận tốc dòng ra khỏi miệng phun, khiến ngọn lửa lan ngược vào buồng trộn. Một đầu đốt thiết kế tốt đủ ổn định để không xảy ra hiện tượng nào trong hai hiện tượng đó.
