PL206356B1 - Reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w plazmie mikrofalowej oraz sposób prowadzenia procesów chemicznych w plazmie mikrofalowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest reaktor plazmochemiczny przeznaczony do prowadzenia reakcji chemicznych zwłaszcza pod ciśnieniem atmosferycznym w plazmie wyładowania mikrofalowego oraz sposób prowadzenia procesów w plazmie mikrofalowej.

Plazma nierównowagowa wykorzystywana jest w wielu dziedzinach techniki np. w przemyśle opakowań, w elektronice, w analizie chemicznej, w obróbce powierzchni, w technice oświetleniowej, w procesach odpylania gazów i w procesie uzdatniania wody. Jednym z rodzajów plazmy nierównowagowej jest plazma mikrofalowa, która szczególnie nadaje się do prowadzenia reakcji o wysokich energiach aktywacji np. do rozkładu szczególnie trwałych zanieczyszczeń gazowych oraz do wytwarzania powłok węglowych (o strukturze diamentu) z węglowodorów.

Plazma mikrofalowa cechuje się stosunkową wysoką energią elektronów wynoszącą od 1 do kilkunastu elektronowoltów oraz wysoką temperaturą wynoszącą ok. 4000K. Źródłem energii promieniowania mikrofalowego są magnetrony mikrofalowe. Energia promieniowania mikrofalowego doprowadzana jest do reaktora z magnetronu za pomocą falowodu. Najistotniejsze różnice między plazmą wyładowania mikrofalowego i innymi rodzajami plazmy wyładowań elektrycznych to wysoka koncentracja cząstek aktywnych oraz duża gęstość plazmy przy znacznej energii elektronów.

Znane są obecnie dwa sposoby prowadzenia procesów chemicznych w fazie gazowej w wyładowaniu mikrofalowym. Pierwszy sposób polega na wzbudzeniu bezelektrodowej plazmy wyładowania mikrofalowego w wyniku absorpcji energii mikrofalowej skoncentrowanej w objętości zjonizowanego gazu, zwykle pod zmniejszonym ciśnieniem. Drugi sposób wzbudzania plazmy mikrofalowej polega na wytworzeniu w obszarze reaktora silnego pola elektrycznego za pomocą dodatkowej elektrody (wyładowanie jednoelektrodowe typu torch). Przepuszczany gaz ulega jonizacji, w wyniku czego następuje przebicie elektryczne i uformowanie się wyładowania elektrycznego w formie płomienia plazmowego. Takie rozwiązanie wymaga stosowania odpowiednich zabezpieczeń uniemożliwiających uszkodzenie generatora mikrofal wskutek pojawienia się nadmiernej energii fali odbitej. Wadą metody jest konieczność stosowania jedynie niewielkich przepływów gazu.

Okazało się, że zwiększenie wydajności przemian chemicznych jest możliwe poprzez połączenie działania wyładowania mikrofalowego z wyładowaniem elektrycznym, powodującym wstępną jonizację gazu roboczego. Zastosowanie źródła jonów w przestrzeni, w której tworzy się wyładowanie mikrofalowe ułatwia inicjację plazmy mikrofalowej i pozwala na prowadzenie procesu pod ciśnieniem atmosferycznym lub zbliżonym do atmosferycznego.

W reaktorze wg wynalazku jako dodatkowe ź ródł o jonów umoż liwiają cych inicjację wył adowania mikrofalowego zastosowano wyładowanie ślizgowe. Znany sposób generowania plazmy w wyładowaniu ślizgowym polega na tym, że przez przestrzeń znajdującą się między co najmniej dwoma elektrodami przepuszcza się gaz o odpowiednio dużej szybkości liniowej przepływu. Przepływający gaz powoduje przemieszczanie się powstałej w miejscu, w którym odległość między elektrodami jest najmniejsza, ścieżki wyładowania, i w którym następuje inicjacja wyładowania. W niewielkiej odległości od końców elektrod wyładowanie zanika. W miejscu, w którym odległość między elektrodami jest najmniejsza, pojawia się kolejne wyładowanie.

Istotnym elementem reaktora wg wynalazku jest komora reakcyjna, w której jednocześnie zachodzi wyładowanie ślizgowe i wyładowanie mikrofalowe. W dolnej części reaktora umieszczono dwie elektrody, które generują wyładowanie ślizgowe jonizując gaz przechodzący przez stalową dyszę umieszczoną między elektrodami. W górnej części reaktora, w kierunku przepływu gazu, znajduje się komora, w której występuje silne pole elektryczne wytworzone przez promieniowanie mikrofalowe (częstotliwość 2,45GHz) generowane przez magnetron i doprowadzone przez falowód. Po włączeniu przepływu gazu roboczego i zasilania wyładowania ślizgowego włącza się zasilanie magnetronu generującego promieniowanie mikrofalowe o ustalonej mocy. Dzięki połączeniu obu typów wyładowań nie jest konieczne stosowanie elementów zabezpieczających głowicę magnetronu przed uszkodzeniem przez falę odbitą gdyż jej powstawanie jest ograniczone dzięki absorpcji energii mikrofalowej w plazmie wytwarzanej w wyładowaniu ślizgowym. Jonizacja gazu w wyładowaniu ślizgowym ułatwia też inicjację wyładowania mikrofalowego. Inicjacja plazmy mikrofalowej jest polepszana dzięki zagęszczeniu linii sił pola elektrycznego w wyniku umieszczenia w falowodzie, w osi przepływu gazu, elektrody inicjującej wykonanej z przewodnika umieszczonego w ceramicznej obudowie.

Na rysunku przedstawiono reaktor w ujęciu schematycznym.

PL 206 356 B1

P r z y k ł a d I.

Reaktor według wynalazku posiada komorę reakcyjną 1 o średnicy wewnętrznej 40 mm, w której zachodzi wyładowanie ślizgowe i wyładowanie mikrofalowe. W dolnej części reaktora umieszczono dwie elektrody 2, które generują wyładowanie ślizgowe jonizując gaz przechodzący przez stalową dyszę 3 umieszczoną między elektrodami 2. W górnej części reaktora, w kierunku przepływu gazu, znajduje się komora, w której występuje silne pole elektryczne wytworzone przez promieniowanie mikrofalowe (częstotliwość 2,45 GHz) generowane przez magnetron 4 i doprowadzone przez falowód 5. Po włączeniu przepływu gazu roboczego i zasilania wyładowania ślizgowego włącza się zasilanie magnetronu generującego promieniowanie mikrofalowe o ustalonej mocy. Inicjacja plazmy mikrofalowej następuje w wyniku umieszczenia w falowodzie, w osi przepływu gazu, elektrody inicjującej 6 wykonanej z przewodnika umieszczonego w ceramicznej obudowie 7. Strumień gazowych reagentów doprowadza się do reaktora króćcem 8. Przez reaktor przepuszczano mieszaninę podtlenku azotu w powietrzu przy natężeniu przepływu 0,5 Nm³/h. Po ustaleniu warunków pracy wyładowania ślizgowego będącego źródłem jonów w przestrzeni reakcyjnej następowało włączenie generatora mikrofal i inicjacja plazmy mikrofalowej. Reaktor w części wyładowania ślizgowego zasilany był prądem o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 200 W. Część mikrofalowa zasilana była promieniowaniem mikrofalowym o mocy 100W. Stwierdzono, że zastosowana metoda pozwala zwiększyć przemianę podtlenku azotu do NO. Przyrost ten wynosił ok. 50%.

P r z y k ł a d II

Stosowano reaktor jak w przykładzie I do rozkładu tetrachlorometanu z tym, że przez reaktor przepuszczano mieszaninę tetrachlorometanu w powietrzu przy natężeniu przepływu 1 Nm³/h. Reaktor, w części wyładowania ślizgowego zasilany był prądem o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 500 W. Część mikrofalowa zasilana była mocą 150 W przy częstotliwości 2,450 GHz. Stwierdzono, że zastosowanie układu według wynalazku pozwala na całkowitą przemianę wprowadzonego tetrachlorometanu.

P r z y k ł a d III.

Stosowano reaktor jak w przykładzie II do rozkładu tetrachlorometanu z tym, że przez reaktor przepuszczano mieszaninę tetrachlorometanu w powietrzu przy natężeniu przepływu 1,5 Nm³/h. Reaktor, w części wyładowania ślizgowego zasilany był prądem o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 700 W. Część mikrofalowa zasilana była promieniowaniem mikrofalowym o mocy 150 W. Stwierdzono, że przez zastosowanie układu według wynalazku uzyskano istotny wzrost sprawności przemiany tetrachlorometanu z 65% do 93%.

Claims (2)

1. Reaktor do prowadzenia reakcji chemicznych w plazmie mikrofalowej, składający się z komory reakcyjnej ze źródłem mikrofal doprowadzanych do strefy reakcji poprzez falowód oraz dodatkowej elektrody inicjującej, znamienny tym, że zawiera dodatkowo dwie elektrody (2) zasilane prądem, umieszczone w komorze reakcyjnej (1) przed strefą działania promieniowania mikrofalowego w stosunku do kierunku przepływu gazu.

2. Sposób prowadzenia procesów chemicznych w plazmie mikrofalowej polegający na poddaniu gazu działaniu promieniowania mikrofalowego o ustalonej mocy, znamienny tym, że gaz przed strefą działania promieniowania mikrofalowego poddaje się wstępnie procesowi zjonizowania za pomocą wyładowania typu ślizgowego.