УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Российский патент 1997 года по МПК B01J19/08 B03C3/00 C01B13/11 

Изобретение может быть использовано для инициирования физико-химических процессов для широкого круга промышленных объектов, в том числе для экологической очистки отработанных газов сжигаемого топлива ТЭЦ, электростанций, в металлургической промышленности, химической и топливной индустрии, а также в качестве озонатора или например, для стерилизации продуктов и медикаментов.

За прототип выбран аппарат для генерации озона (патент США N 4.095115), где описано устройство, содержащее ускоритель электронов и реакционную камеру. Ускоритель электронов и реакционная камера выполнена в виде двух имеющих разные оси и соприкасающихся цилиндров. Цилиндры сообщаются между собой через сквозное окно, которое выполнено в поверхности их соприкосновения. Ускоритель выполнен в виде цилиндрического катода с электродной нитью, проходящей вдоль оси цилиндрического катода, и электродной сетки. Электродная сетка установлена в сквозном окне, сообщающем камеры цилиндрического ускорителя электронов и цилиндрической реакционной камеры. Через это окно проходят пучки заряженных электронов. Воздух пропускается с большой скоростью (30-35 м/с) через реакционную камеру, где облучается сильным пучком ускоренных (до энергии ≈ 100 150 кВ) электронов, что создает поток воздуха с повышенным содержанием озона.

В устройстве прохождение пучков заряженных электронов, идущих от ускорителя в реакционную камеру, ограничено размерами сквозного окна и приводит к значительным потерям и рассеиванию энергии заряженных электронов, к недостаточной мощности электронного потока, а также к повышенному выходу рентгеновского излучения во внешнюю среду, т.е. устройство не имеет самозащиты от возникающей радиации.

Для равномерной подачи электронов в реакционную камеру предусмотрены дополнительные средства, усложняющие устройство. Однако эти средства не дают возможность в достаточной степени регулировать равномерность прохождения физико-химических процессов.

Несоосное расположение ускорителя электронов и реакционной камеры приводит к тому, что устройство имеет значительные габариты.

Кроме того, в устройстве не предусмотрены средства для использования тепловой энергии отходящих горячих газов для подогрева катода ускорителя, например, при использовании устройства на ТЭЦ, электростанциях и др.

Технический результат предложенного устройства состоит в универсальности за счет возможности его использования как для экологической очистки, получения озона, так и для инициирования физико-химических процессов.

Технический результат предложенного устройства состоит также в повышении мощности электронного потока, в сохранении энергии заряженных частиц и в равномерном их распределении в реакционной камере по всей ее поверхности, в возможности равномерной обработки газа, что дает возможность получить повышенное значение мощности электронного потока даже при малом значении плотности тока.

Кроме того, благодаря специальной компоновке устройство обладает радиационной самозащищенностью, в нем имеется возможность исключить радиационный фон без введения специальных мер при значительном сокращении габаритов устройства.

Указанные преимущества достигаются тем, что реакционная камера образована двумя сообщающимися полостями, одна из которых внешняя охватывает вакуумную камеру ускорителя, а другая внутренняя размещена внутри катода ускорителя и сообщена с магистралью обрабатываемого газа, при этом электродная сетка ускорителя охватывает катод.

Кроме того, тем, что электродная сетка выполнена в виде спирали.

Кроме того, тем, что катод выполнен в виде трубчатого катода и образован группой встроенных в него цилиндров, внутри каждого из которых установлена электродная нить.

Кроме того, тем, что реакционная камера выполнена замкнутой со стороны, противоположной подводу обрабатываемого газа, и образует кольцевую полость сообщения внутренней и внешней полости реакционной камеры, при этом кольцевая полость выполнена с отверстиями для подачи присадочных реагентов.

На фиг. 1 представлен общий вид предложенного устройства, которое для наглядности показано в виде прозрачной модели; на фиг.2 сечение фиг.1, поясняющее работу ускорителя; на фиг. 3 вариант выполнения трубчатого катода ускорителя в виде встроенной в него группы цилиндров; на фиг. 4 общий вид устройства с электродной сеткой; на фиг. 5 схема, поясняющая направление движения обрабатываемого газа.

Устройство содержит сблокированные в один узел реакционную камеру 1 и ускоритель 2 электронов, которые предназначены для инициирования физико-химических процессов в газовой фазе путем возбуждения молекул газа, проходящего через реакционную камеру 1, диффузным потоком электронов от ускорителя 2.

Ускоритель 2 электронов содержит вакуумную камеру 3, соосно которой установлен катод 4 с электродной нитью 5, и охватывающую катод 4 электродную сетку 6 анод.

Реакционная камера 1 образована двумя сообщающимися между собой полостями внутренней полостью 7, предназначенной для предварительной обработки, которая размещена внутри катода 4, и внешней полостью 8 основной частью реакционной камеры 1, которая охватывает вакуумную камеру ускорителя 2 электронов. Корпусом внешней полости 8 реакционной камеры 1 служит толстостенная оболочка (≈100 нм), что необходимо для экранирования потока рентгеновских лучей, исходящих из вакуумной камеры 3 и внешней полости реакционной камеры 1.

Корпус вакуумной камеры 3 выполнен из фольги на каркасе из титана или сплава алюминия и бериллия.

Корпус катода 4 служит направляющим внутренней полости 7 реакционной камеры 1 и необходим для прохождения внутри него газов, подлежащих обработке, и для проведения радиационных процессов в горячем газе.

Электродная сетка 6 может быть выполнена в виде спирали, что необходимо для регулирования равномерности распределения потока ускоренных электродов.

Реакционная камера 1 открыта с одного из торцев со стороны подвода обрабатываемого газа и замкнута с противоположного торца, образуя кольцевую полость 9 с отверстиями 10 для подачи присадочных реагентов (аммиачной воды, водяного аэрозоля, азота и др.).

Катод 4 может быть выполнен в виде группы встроенных в катод 4 образующих трубчатый катод 12 цилиндров 11, внутри каждого из которых установлена электродная нить 5, что дает возможность подачи на катодные цилиндры различных потенциалов, благодаря этому появляется возможность регулировки потоков ускоренных электронов. В том случае, если цилиндры 11 включены электрически параллельно, они имеют равные потенциалы.

Устройство работает следующим образом.

Газ, подлежащий обработке, проходит через полый катод 4 (или через полые катодные цилиндры 11, как на фиг.3) внутренней полости 7 реакционной камеры 1, где происходят радиационные процессы в горячем газе. Далее газ проходит по кольцевой полости 9, сообщающей внутреннюю полость 7 и внешнюю полость 8 реакционной камеры 1, обрабатывается охлажденными присадочными реагентами, при этом охлаждается и поступает во внешнюю полость 8 реакционной камеры 1, где проходит окончательную обработку под действием потока быстрых электронов (фиг. 2), исходящих из ускорителя 2.

В ускорителе 2 газ, проходящий внутри катода 4 по внутренней полости 7 реакционной камеры 1, нагревает катод до температуры (≈1000^oC), при которой происходит усиленная термоэлектронная эмиссия. В этом случае, если обрабатывается холодный газ, катод 4 подключают к источнику тепла (не показан).

Для ускорения электронов, вылетающих из катода 4, на электронную сетку 6 накладывается ускоряющее напряжение либо постоянное напряжение (150-1000 кВ) при условии поддержания высокого вакуума в вакуумной камере 3 в форме коротких импульсов, продолжительность которых от десятков наносекунд до 1 μс (при недостаточно высоком вакууме в вакуумной камере 3). Ускоритель 2 электронов может запитываться от высоковольтного трансформатора с выпрямителем на выходе.

Выходящий из катода 4 (или из катодных цилиндров 11 как на фиг.3) поток электронов ускоряется в вакуумной камере 3 за счет разности потенциалов между катодом 4 и электродами электродной нитью 5 и электродной сеткой 6. Величина этой разности потенциалов приближена к значению 100-1000 кВ, причем разность потенциалов цилиндров катода и электродных нитей не должна превышать 100 кВ.

Поток электронов проходит через фольгу металлического корпуса вакуумной камеры 3. При этом внутри катода 4 под действием быстрых электронов происходит частичный распад окислов азота на элементарный (свободный) азот и кислород).

В кольцевой полости 9 реакционной камеры 1 при сниженной температуре (Т= 100^o) происходит окисление оставшейся после предварительной обработки окиси азота до двуокиси азота, одновременно осуществляется взаимодействие с присадочными реагентами, которые поступают в кольцевую полость 9 через отверстия 10.

В качестве присадочных реагентов используются охлажденная аммиачная вода, газообразный азот, водяной аэрозоль и т.д.

Во внешней полости 8 реакционной камеры 1 происходят воздействие потоком быстрых электронов на обрабатываемый газ, возбуждение и частичная ионизация молекул газа электронным ударом через всю поверхность фольги вакуумной камеры 3. При этом равномерно по окружности разных радиусов или с заданной плотностью инициируются физико-химические процессы, в том числе образования озона.

Возможность регулировать степень равномерности, а также плотность электронов и тем самым распределение дозных полей в обрабатываемом газе во внешней полости 8 реакционной камеры 1 достигается регулированием длины витка спирали электрода-анода, а степень равномерности и плотность потоков электронов внутри катода регулируются с помощью разных напряжений, поданных на цилиндры 11 трубчатого катода 12.

В случае использования устройства на ТЭЦ, электростанциях и других объектах, работающих на нефти, мазуте и природном газе, требуется удаление токсичных оксидов (NO_x, CO и SO₂) из отходящих газов. Эти окислы обрабатываются сначала, как было описано выше, во внутренней полости 7 (камере предварительной обработки), а затем поступают в кольцевую полость 9, где по описанному выше принципу к обрабатываемому газу добавляются присадочные реагенты, и окончательная обработка происходит во внешней полости. В результате окислы азота и серы превращаются в твердые микрочастицы, которые удаляются, а окись углерода окисляется до двухокиси углерода. В итоге из трубы выходит чистый воздух.

Положительный эффект предложенного устройства заключается в значительном увеличении мощности ускорителя электронов при одновременном сокращении габаритов за счет двойного прохождения газа внутри одного и того же объема в разных направлениях и за счет равномерного прохождения электронов по всей поверхности фольги вакуумной камеры 3 с равномерной или заданной степенью обработки газа во всем объеме реакционной камеры 1.

Кроме этого, положительный эффект устройства состоит в ликвидации радиационного фона за счет компоновки ускорителя внутри реакционной камеры (радиационная самозащищенность устройства).

Возможность использования тепла отходящих обрабатываемых газов для нагрева катода увеличивает КПД устройства по сравнению с известными до 85-90%
Дополнительное преимущество состоит в универсальности устройства.

Использование: инициирование физико-химических реакций для широкого круга промышленных объектов, в том числе для экологической очистки отработанных газов сжигаемого топлива ТЭЦ, электростанций, в металлургической промышленности, химической и топливной индустрии, а также в качестве озонатора или, например, для стерилизации продуктов и медикаментов. Сущность: в устройстве реакционная камера содержит внутреннюю и внешнюю полости. Ускоритель электронов размещен внутри реакционной камеры - ее внешней полости. Внутренняя полость реакционной камеры размещена внутри катода. Электродная сетка - анод - охватывает катод. Электрод-анод может быть выполнен в виде спирали. Дополнительная полость (ДП) сообщается с внутренней и внешней полостями реакционной камеры, стенка ДП выполнена с отверстиями для подачи присадочных реагентов. 3 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для инициирования физико-химических реакций, содержащее ускоритель электронов и реакционную камеру с подводом обрабатываемого газа, причем ускоритель электронов включает в себя анод, вакуумную камеру и цилиндрический катод с внутренней электродной нитью, отличающееся тем, что вакуумная камера совместно с цилиндрическим катодом, размещенным внутри, установлена в реакционной камере с образованием внешней реакционной полости вокруг вакуумной камеры и внутренней полости внутри катода, сообщающихся между собой и с подводом обрабатываемого газа, при этом анод ускорителя размещен коаксиально катоду с наружной стороны. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анод выполнен в виде спирали. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что катод образован группой встроенных в общий цилиндр большего радиуса цилиндров меньшего радиуса, внутри каждого из которых установлена электродная нить. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в стенке реакционной камеры со стороны, противоположной подводу обрабатываемого газа, выполнены отверстия для подачи присадочных реагентов, при этом между этой стенкой и внешней и внутренней полостями образована дополнительная, сообщающаяся с ними, полость.