ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1995 года по МПК B01J19/08 

Изобретение относится к аппаратам химической технологии и может быть использовано в технологии получения порошкообразных оксидов из газообразного сырья, в частности оксидов титана из тетрахлорида титана.

Известен струйный плазменный (плазмохимический) реактор, содержащий плазменный генератор, цилиндрическую прямоточную реакционную камеру, устройства для подвода реагентов, выполненных в виде обогреваемых каналов, расположенных под углом к плазменному потоку, устройство для вывода готового продукта.

Недостатком такой конструкции плазменного реактора является ввод реагентов под углом к плазменному потоку, что приводит к сносу исходных веществ в относительно холодную пристеночную область. Это может снизить выход целевого продукта и соответственно ухудшать все характеристики процесса.

Задачей изобретения является снижение образования оксигалогенидов. В результате повысится стабильность работы реактора, повысится его производительность, улучшится качество получаемого продукта.

Это достигается тем, что в плазменном реакторе для получения тонкодисперсных порошков оксидов металлов из их газообразных соединений, содержащем корпус с плазмотроном на верхней торцовой крышке, патрубками для ввода исходных веществ, согласно изобретению в корпусе размещена диафрагма с отверстием, выполненным по оси установки плазмотрона, делящая корпус на камеру нагрева и реакционную камеру, причем патрубки подачи исходных веществ исходного газа и реагента расположены по обе стороны диафрагмы соответственно в камере нагрева и в реакционной камере.

Отверстие в диафрагме целесообразно выполнить диаметром в соответствии к высоте камеры нагрева, равном 0,2-0,4.

Высота камеры нагрева должна быть не более 0,2 высоты реакционной камеры.

Деление корпуса плазменного реактора на две камеры с помощью размещенной в нем диафрагмы с отверстием, выполненным по оси установки плазмотрона, расположение патрубков для подачи исходных веществ по обе стороны диафрагмы (для подачи исходного газа в камеру нагрева патрубок расположен над диафрагмой; для подачи реагента в реакционную камеру патрубок расположен под диафрагмой) позволяет отделить зону нагрева исходного вещества от зоны реакции. В камере нагрева происходит интенсивный теплообмен между плазменной струей и исходным веществом, в реакционной реагирование нагретого исходного вещества с водяными парами. Разделяющая реактор диафрагма обеспечивает перепад давления между камерой нагрева и реакционной камерой, что не позволяет водяному пару поступать в камеру нагрева, предотвращает образование промежуточных продуктов реакции оксигалогенидов, исключая забивание и зарастание ими патрубков ввода исходных веществ.

В результате достигается стабильность работы реактора, повышается его производительность. Кроме того, повышается качество получаемого продукта благодаря уменьшению степени образования оксигалогенидов.

Выполнение диаметра отверстия в диафрагме в соотношении к высоте камеры нагрева, равном 0,2-0,4, позволяет повысить эффективность химической реакции. При соотношении между диаметром и указанной высотой, меньшем 0,2, скорость истечения нагретого галогенида велика, возрастает дальнобойность струи, что уменьшает время пребывания нагретого галогенида в реакционной камере и снижает эффективность реакции. При соотношении диаметра и высоты камеры нагрева более 0,4 увеличивается вероятность проникновения водяного пара в камеру нагрева и появления отложений промежуточных продуктов реакции на стенках камеры нагрева.

На фиг. 1 изображен предлагаемый плазменный реактор (например, для синтеза оксидов титана), продольный разрез; на фиг. 2 то же, разрез А-А на фиг. 1.

Плазмохимический реактор состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого установлена перпендикулярно оси диафрагма 2 с отверстием, выполненным по оси установки плазмотрона. Диафрагма делит корпус на камеру 3 нагрева исходного вещества и реакционную камеру 4, при этом патрубок 5 для ввода исходного вещества (например, тетрахлорида титана) врезан в камеру 3, а коллектор с тангенциальными отверстиями 6 и патрубок 7 для подачи реагента (например, пара) размещен под диафрагмой в реакционной камере 4. На верхней торцовой крышке корпуса размещен плазмотрон 8, а на нижнем торце корпуса выполнено отверстие 9 для вывода продуктов реакции.

Реактор работает следующим образом.

Выводят на режим плазмотрон 8 и подают в необходимом количестве через патрубок 7 и отверстия 6 пар. Затем через патрубок 5 вводят газообразный галогенид металла в камеру 3 нагрева. Диафрагма 2 препятствует проникновению в камеру 3 нагрева паров воды, так как в ней создается повышенное по сравнению с реакционной камерой 4 давление. В то же время в камере 3 нагрева происходит смешение исходного газооразного галогенида металла с плазменной струей и нагрев его до температуры, исключающей разложение исходного галогенида до образования конденсированных продуктов, чем достигается отсутствие отложений в камере 3.

Смесь из камеры 3 поступает через отверстие диафрагмы 2 в реакционную камеру 4, где происходит реакция взаимодействия ее с водяным паром. Образовавшийся в результате реакции пылегазовый поток выводится через отверстие 9 из реактора.

П р и м е р. Плазменный реактор описанной конструкции диаметром 0,15 м и высотой 0,7 м имеет две камеры: камеру нагрева высотой 0,1 м и реакционную камеру высотой 0,6 м. Диафрагма имеет диаметр отверстия 0,04 м. При мощности плазмотрона ≈ 150 кВт в камеру нагрева поступало ≈ 50 кг/ч галогенида металла, а в реакционную камеру до 100 кг/ч водяного пара. Реактор работал стабильно в течение всего ресурса плазмотрона (≈ 150 ч), наличие оксогалогенидов в продуктах реакции не отмечалось.

При заданных мощности плазмотрона и расходе теплоносителя (азота) увеличение диаметра (свыше 0,04 м) диафрагмы приводило к проникновению водяного пара в камеру нагрева и появлению отложений на стенках камеры нагрева. При высоте камеры нагрева 0,3 м снижалась эффективность процесса за счет увеличения потерь тепла через стенки камеры, снижения температуры взаимодействия галогенидов с парами воды и, как следствие, снижение выхода целевых продуктов. При диаметре диафрагмы менее 0,02 м и заданных длине камеры реакционной и расходе пара резко увеличивалась скорость истечения нагретого галогенида из диафрагмы, что приводило к уменьшению времени пребывания нагретого галогенида в реакционной камере (возрастала дальнобойность струи) и снижению эффективности химической реакции. Таким образом, оптимальное соотношение между диаметром диафрагмы и высотой камеры нагрева лежит в пределах 0,2-0,4, то есть d (0,2-0,4)h, а высота камеры нагрева должна быть не более 0,2 высоты реакционной камеры.

Использование: в технологии получения порошкообразных оксидов из газообразного сырья, в частности оксидов титана из тетрахлорида титана. Сущность изобретения: корпус плазменного реактора содержит диафрагму с отверстием. Отверстие выполнено по оси установки плазмотрона. Диафрагма делит корпус на камеру нагрева и реакционную камеру. Патрубки подачи исходных веществ расположены по обе стороны диафрагмы. Диаметр отверстия диафрагмы выполнен в соотношении к высоте камеры нагрева, равном 0,2 - 0,4. Положительный эффект: достижение стабильности работы реактора, повышение его производительности, улучшение качества получаемого продукта. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР для получения тонкодисперсных порошков оксидов металлов из их газообразных соединений, содержащий корпус с плазмотроном на верхней торцевой крышке, патрубками для ввода исходных веществ, отличающийся тем, что в корпусе размещена диафрагма с отверстием, выполненным по оси установки плазмотрона, делящая корпус на камеру нагерва и реакционную камеру, причем патрубки подачи исходных веществ расположены по обе стороны диафрагмы. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что диаметр отверстия диафрагмы выполнен в соотношении к высоте камеры нагрева, равном 0,2 0,4.