PL207074B1 - Reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w objętościowym wyładowaniu ślizgowym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w objętościowym wyładowaniu ślizgowym, służący do realizacji syntez lub rozkładu substancji chemicznych za pomocą plazmy nierównowagowej.

Znane i stosowane urządzenia plazmowe zawierają źródła-generatory plazmy nierównowagowej tzn. takiej, w której sumaryczna energia cząstek ciężkich jest znacząco niższa od średniej energii elektronów. Taką plazmę otrzymuje się za pomocą elektrycznych wyładowań wysokonapięciowych lub wyładowań uzyskiwanych za pomocą prądów wysokiej częstotliwości i mikrofal, najlepiej pod obniżonym ciśnieniem.

Chcąc uzyskać plazmę nierównowagową przy ciśnieniu atmosferycznym lub podwyższonym, konieczne jest stosowanie specjalnych zabiegów konstrukcyjnych umożliwiających utrzymywanie plazmy w stanie o niskiej gęstości elektronów (Ne<10¹³cm^-3) co zapobiega powstawania łuku elektrycznego (Ne>10¹⁵cm^-3).

Znanymi sposobami otrzymywania plazmy nierównowagowej są wyładowanie jarzeniowe przy ciśnieniu atmosferycznym tzw. APGD (ang. Atmospheric Pressure Glow Discharge) lub wyładowania barierowe, w których istnieje naturalne ograniczenie prądu takie jak np. bariera w postaci warstwy materiału dielektrycznego lub bariera w postaci warstwy materiału o zwiększonej rezystywności ułożonej pomiędzy elektrodami doprowadzającymi energię elektryczną do plazmy.

Innym sposobem jest generacja plazmy niestacjonarnej typu ślizgowego (glid arc) gdzie plazma porusza się pomiędzy minimum dwoma elektrodami o kształcie noży (ustawionych tak, że w kierunku przepływu gazu dystans pomię dzy ich ostrzami roś nie. W takim źródle plazmy wyładowanie rozpięte pomiędzy ostrzami przechodzi przez wszystkie stany od przebicia elektrycznego poprzez stan dynamicznego rozwoju wyładowania aż do jego zerwania wskutek deficytu napięcia (w miejscu, w którym dystans pomiędzy ostrzami jest największy) z jednoczesnym formowaniem się nowego przebicia elektrycznego (tam gdzie dystans pomiędzy ostrzami jest minimalny). Znane i stosowane ukł ady generowania plazmy typu ś lizgowego posiadają co najmniej tyle elektrod, ile jest przewodów doprowadzających napięcie do zasilania plazmy. I tak, w układach jednofazowych i dwufazowych minimalna liczba elektrod wynosi 2, zaś przy zasilaniu trójfazowym 3 lub 6. Czasem stosowana jest także dodatkowa elektroda zapłonowa, służąca do podtrzymywania wyładowania, usytuowana tam, gdzie dystans pomiędzy elektrodami jest minimalny, do której doprowadzane jest wysokie napięcie o częstotliwości równej częstotliwości źródła prądu razy ilość głównych przewodów zasilania. Typowy układ wyładowania ślizgowego posiada dwie elektrody w kształcie noży usytuowanych ostrzami naprzeciw siebie tak, że krawędzie ostrzy tworzą ze sobą kąt rozwarty. Początki ostrzy usytuowane w pobliżu wlotu gazu plazmotwórczego tworzą między sobą względnie wąską szczelinę gwarantując powstawanie kolejnych przebić elektrycznych, które dają początek kolejnym wyładowaniom poruszającym się w kierunku rozwartych końców elektrod gdzie ulegają zerwaniu. Należy podkreślić, że mimo rozszerzającej się strefy wyładowania układ dwuelektrodowy nie umożliwia uzyskania wyładowania o charakterze objętościowym, szczególnie pożądanym dla prowadzenia przemian chemicznych. Uzyskanie wyładowania objętościowego możliwe jest dopiero przy większej liczbie elektrod. Innymi układami zbliżonymi do układu typu glid arc są konstrukcje tzw. tornada plazmowego (TGA) oraz układ z elektrodą spiralną o stałej średnicy. W układzie tornada stosuje się wirowy przepływ gazu skierowany przeciwnie do kierunku wypływu plazmy. Wprowadzany gaz porywa zjonizowane przy katodzie cząstki tworząc kolumnę plazmy. W rozwiązaniu z elektrodą spiralną łuk powstaje pomiędzy tą elektrodą, a umieszczonym w jej osi przewodnikiem i jest rozwijany przez gaz wewnątrz spirali. Obydwa wyżej opisane sposoby otrzymania wyładowania objętościowego wymagają stosowania bardzo wysokich napięć oraz znacznych przepływów gazu, co znacząco utrudnia konstruowanie reaktorów o większych gabarytach. Powyższych wad pozbawiony jest reaktor według wynalazku.

Istotą wynalazku jest zastosowanie w reaktorze co najmniej dwóch spiralnych elektrod o zmiennej średnicy rosnącej wzdłuż ściany reaktora tak, że ich zwoje w przekroju wzdłuż pionowej osi reaktora opasują kształt lejkowaty, zaś w rzucie prostopadłym wyglądają jak drogi mleczne symetrycznej galaktyki lub zbiór spiral Archimedesa. Kształt lejkowaty (powierzchni, która tutaj służy wyłącznie do zobrazowania geometrii) może być porównany do jednej połówki hiperboloidy jednopowłokowej albo do kształtu powierzchni wiru, jaki tworzy ciecz wokół ścieku lub też do kształtu, jaki tworzy pył unoszony tornadem. Zwoje elektrod ułożonych wg tej zasady tworzą zbiór identycznych spiral o średnicy

PL 207 074 B1 i skoku rosną cych w miarę oddalania się od miejsca, w którym przewody tych elektrod są najbardziej do siebie zbliżone. Przy takiej konfiguracji elektrod wyładowanie rozpoczyna się w wąskiej części leja, tam gdzie odległość pomiędzy elektrodami jest niewielka i dzięki przepływającemu gazowi rozwija się przemieszczając ku górze z jednoczesnym wykonaniem obrotu, wynikającym z ukształ towania spiral. Zaletą rozwiązania jest to, że przez ukształtowanie spiralnych elektrod według wynalazku można modyfikować kształt i wielkość przestrzeni, w której biegnie wyładowanie. Jednocześnie, co jest korzystne, wyładowanie zachodzi przy stosunkowo niskich napięciach i dobrze się rozwija przy stosunkowo niskich natężeniach przepływu gazu. Inicjowanie wyładowania plazmowego może być ułatwione dzięki zastosowaniu jeszcze jednej elektrody umieszczonej współosiowo względem spirali. Dodatkowo wirowanie plazmy można modyfikować i wzmacniać poprzez zastosowanie układu generującego pole magnetyczne umieszczonego na zewnętrznej ścianie reaktora w obszarze elektrod spiralnych.

Reaktor według wynalazku został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia reaktor w przekroju podłużnym AA, fig. 2 - reaktor w przekroju poprzecznym BB, fig. 3 - reaktor z dodatkową elektrodą w przekroju AA a fig. 4 reaktor z dodatkową elektrodą w przekroju BB. Reaktor oraz sposób jego działania opisują poniższe przykłady:

P r z y k ł a d I. Reaktor, który został przedstawiony na fig. 1 w przekroju podłużnym AA oraz na fig. 2 w przekroju poprzecznym BB, ma kształt pionowej, cylindrycznej komory 1 o średnicy przestrzeni reakcyjnej 40 mm. W reaktorze znajdują się dwie spiralne elektrody 2 o rosnącej średnicy od 10 do 38 mm i skoku zwoju rosnącym od 5 do 10 mm. Gazy doprowadza się do reaktora przez dyszę 3. Elektrody 2 zasilane są przez przewody 4 prądem jednofazowym, o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 300 W. Produkty reakcji odprowadza się przez króciec 5. Do reaktora wprowadzano mieszaninę podtlenku azotu z powietrzem o natężeniu przepływu 1,0 Nm³/h. W wyniku reakcji uzyskano 50% stopień przemiany podtlenku azotu, przy czym stężenie NO w gazie wynosiło ok. 5,5-6,1%, co umożliwia dalsze jego wykorzystanie w procesie produkcji kwasu azotowego.

P r z y k ł a d II. Stosowano reaktor jak w przykładzie I do otrzymywania acetylenu i sadzy technicznej z metanu. Reaktor zasilano prądem przemiennym o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 600 W. Przez reaktor przepuszczano gaz zawierający równomolową mieszaninę metanu i argonu o natężeniu przepływu 1,5 Nm³/h. W wyniku reakcji uzyskano 55% stopień przemiany metanu. Stopień przemiany metanu do acetylenu wynosił 25%, a do sadzy 17%.

P r z y k ł a d III. Reaktor, który został przedstawiony na fig. 3 w przekroju podłużnym AA oraz na fig. 4 w przekroju poprzecznym BB, ma kształt pionowej, cylindrycznej komory 1 o średnicy przestrzeni reakcyjnej 40 mm. W reaktorze znajdują się dwie spiralne elektrody 2 o rosnącej średnicy od 10 do 38 mm i skoku zwoju rosnącym od 5 do 10 mm. Gazy doprowadza się do reaktora przez dyszę 3. Elektrody 2 są zasilane przez przewody 4 prądem z trójfazowego układu elektrycznego (trzy fazy oznaczono jako R, S, T) o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 900 W. Produkty reakcji odprowadza się przez króciec 5. Reaktor posiadał dodatkową elektrodę prętową 6 połączoną ze źródłem prądu. Reaktor stosowano do otrzymywania acetylenu z metanu. Przez reaktor przepuszczano gaz zawierający równomolową mieszaninę metanu i wodoru o natężeniu przepływu 1,2 Nm³/h. W wyniku reakcji uzyskano 64% stopień przemiany metanu do acetylenu.

P r z y k ł a d IV. Stosowano reaktor jak w przykładzie III z dodatkowym układem generującym pole magnetyczne 7 do otrzymywania acetylenu z metanu. Reaktor zasilano prądem przemiennym o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 600 W. Przez reaktor przepuszczano Gaz zawierający równomolową mieszaninę metanu i wodoru o natężeniu przepływu 1,2 Nm³/h. W wyniku reakcji uzyskano 55% stopień przemiany metanu do acetylenu.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w objętościowym wyładowaniu ślizgowym, posiadający cylindryczną komorę zaopatrzoną w doprowadzenie gazu oraz zawierający elektrodę spiralną, połączoną ze źródłem prądu elektrycznego, znamienny tym, że posiada co najmniej dwie elektrody spiralne (2) o rosnącej średnicy i skoku, przy czym wzrost średnicy i skoku przebiega zgodnie z kierunkiem przepływu gazu.

   PL 207 074 B1
2. 2. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada dodatkową elektrodę prętową (6) usytuowaną osiowo centralnie w stosunku do elektrod spiralnych (2).
3. 3. Reaktor według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że jest wyposażony w zewnętrzne źródło pola magnetycznego (7) generującego swoje pole w obszarze elektrod spiralnych (2).