СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B01J19/08 B03C3/00 C01B13/00 C01B13/10 

Изобретение может быть использовано для инициирования физико-химических реакций в газовой среде, в том числе для получения озона, при очистке газов от вредных примесей и другим путем воздействия на обрабатываемый газ пучком быстрых электронов.

Известен способ генераций озона [1] в котором описана технология генерации озона путем воздействия пучком быстрых электронов на кислородосодержащий газ.

Известен генератор озона [2] Это устройство выбрано за прототип.

В работе [1] описан способ, где обрабатываемый газ пропускается через реакционную камеру с большой скоростью (30 35 м/с), где облучается пучком быстрых электронов, что дает возможность насыщать газ озоном и может быть использовано для последующей очистки газа.

В работе [2] описано устройство, в котором ускоритель электронов выполнен неподвижным и соприкасается с реакционной камерой вдоль оси по цилиндрической поверхности. В поверхности их соприкосновения выполнено окно, через которое пучки электронов проникают в реакционную камеру.

Устройство [2] имеет значительные габариты, недостаточно надежно в работе, имеет невысокую мощность даже при значительных энергозатратах. Кроме того в [2] невозможно получить достаточно высокую степень очистки газа.

Технический результат предложенного способа и устройства состоит в повышении степени очистки при снижении энергозатрат, в уменьшении габаритов устройства и повышении надежности его работы.

В предложенном способе это достигается тем, что обрабатываемый газ смешивают с водяным аэрозолем, облучают газ-инициатор пучком быстрых электронов и воздействуют на смесь обрабатываемого газа с водяным аэрозолем одновременно пучком быстрых электронов и облученным газом-инициатором и, кроме того, еще тем, что между воздействием одновременно на обрабатываемый газ пучком быстрых электронов и облученным газом-инициатором создают временные паузы. При этом в паузы между одновременным воздействием на обрабатываемый газ пучком быстрых электронов и облученным газом-инициатором воздействуют охлажденным газом-инициатором.

В устройстве для реализации способа указанные обстоятельства достигаются тем, что в устройство введена буферная камера, которая охватывает ускоритель, размещена между вакуумной камерой ускорителя и реакционной камерой, при этом буферная камера выполнена с отверстиями в стенке со стороны реакционной камеры.

Кроме того, тем, что реакционная камера размещена внутри буферной камеры, снаружи которой размещен ускоритель электронов.

Кроме того, тем, что реакционная камера размещена снаружи буферной камеры, а ускоритель внутри буферной камеры.

Кроме того, тем, что в стенке буферной камеры со стороны реакционной камеры выполнены отверстия, закрытые фольгой, при этом расстояние этих отверстий до отверстий в стенке буферной камеры приближено к их диаметру.

Кроме того, тем, что стенка буферной камеры со стороны реакционной камеры выполнена из фольги.

Кроме того, тем, что на стенку буферной камеры со стороны реакционной камеры нанесено покрытие, вызывающее вторичную электронную эмульсию.

На фиг. 1 представлено предложенное устройство, которое для наглядности показано в виде прозрачной модели; на фиг. 2 конструктивная схема устройства.

Устройство содержит реакционную камеру 1, которая предназначена для очистки обрабатываемого газа в результате инициируемых химических реакций, и ускоритель 2 электронов.

Ускоритель 2 электронов предназначен для облучения обрабатываемого газа потоком быстрых электронов и содержит катод 3 с электродами 4 и охватывающую катод 3 вакуумную камеру 5, корпус которой выполнен из фольги на каркасе из титана или сплава алюминия и бериллия.

Буферная камера 6 предназначена для подачи газа-инициатора внутрь реакционной камеры 1. Размещение буферной камеры 6 между фольгой корпуса вакуумной камеры 5 ускорителя 2 и реакционной камерой 1 необходимо для изолирования тонкой фольги корпуса вакуумной камеры 5 от воздействия агрессивной среды реакционной камеры 1. Ускоритель 2 электронов может быть размещен внутри буферной камеры 6, а реакционная камера 1 при этом охватывает буферную камеру 6.

Ускоритель 2 электронов может располагаться снаружи буферной камеры 6 (охватывать ее), а реакционная камера 1 при этом располагается внутри буферной камеры 6. Но всегда буферная камера 6 размещена между фольгой корпуса вакуумной камеры 5 и реакционной камерой 1.

В стенке буферной камеры 6 со стороны реакционной камеры 1 выполнены отверстия 7, которые предназначены для подачи газа-инициатора и пучков ускоренных электронов ускорителя 2 в реакционную камеру 1.

В том случае, если при обработке газ-реагент не образует агрессивную среду, то эта стенка буферной камеры 6 с отверстиями 7 может быть выполнена из фольги.

В стенке буферной камеры 6 со стороны реакционной камеры 1 выполнены отверстия 8, закрытые фольгой (из титана, алюминия или бериллия), которые предназначены для попадания в реакционную камеру потока быстрых электронов.

Кроме этого, на внутренней поверхности стенки буферной камеры 6 с отверстиями 7 может быть нанесено покрытие, вызывающее вторичную электронную эмиссию, для создания дополнительных потоков электронов в буферной камере 6.

Патрубки 9, 10 предназначены для подачи обрабатываемого газа внутрь реакционной камеры 1, а патрубки 11, 12 для отвода очищенного газа. Стенки реакционной камеры выполнены утолщенными, поэтому устройство обладает самозащищенностью к излучению во внешнее пространство.

Способ заключается в следующем.

В очищаемый газ вводится водяной аэрозоль в составе 5% от объема газа (размер капель 10 30 мм). Эта смесь подается в реакционную камеру 1 через патрубки 9 и 10. В буферную камеру 6 подается газ-инициатор, например, воздух, который подвергается облучению от ускорителя 2 электронов. Воздух при необходимости охлажден. В буферной камере 6 под действием потоков ускоренных электронов возникают примеси синглентных (возбужденных) атомов кислорода, а также молекулы озона O₃.

В результате комбинированного воздействия озоном и пучками ускоренных электронов в присутствии водяного аэрозоля улучшается степень очистки.

В реакционной камере 1 образуются азотная и серная кислоты (HNO₃ и H₂SO₄), которые конденсируются и собираются на выходе реакционной камеры 1. Путем добавления аммиака или аммиачной воды смесь азотной и серной кислот можно превратить в твердое вещество NH₄NO₃ и NH₄NO₃•(NH₄)₂SO₄, которое собирается путем преципитации на стенках специальной камеры (не показана).

Между воздействиями на смесь обрабатываемого газа с водяным аэрозолем пучком быстрых электронов и одновременно облученным газом-инициатором устанавливают временные паузы, которые необходимы для регулирования технологии очистки. Эта величина может изменяться от микросекунд до 1 с. Кроме этого, во время временных пауз в реакционную камеру 1 может поступать при необходимости охлажденный газ-инициатор.

В таблице приведены параметры, полученные в результате применения предложенного способа, на примере очистки отходящих газов ТЭЦ в сравнении с параметрами известного способа.

В таблице степень очистки газа (η) характеризуется отношением

где C_вх концентрация вредных примесей (окислов азота и серы) в составе газа на входе реакционной камеры;
C_вых концентрация вредных примесей (окислов азота и серы) в составе газа на выходе из реакционной камеры.

Приведенные в таблице результаты позволяют сделать вывод, что с помощью предложенного способа степень очистки газов повышается в 2 раза по сравнению с очисткой газов способом озонирования, описанном в прототипе.

Устройство для реализации способа работает следующим образом.

Ускоритель 2 электронов создает мощные радиально направленные пучки ускоренных электронов, энергия которых ≈ 300 500 (кэВ). Эти пучки быстрых электронов ускоряются в вакуумной камере 5, проходят сквозь фольгу ее корпуса и попадают в буферную камеру 6. Ускоритель 2 электронов может работать в двух режимах:
с постоянным высоким напряжением на электроде 4 анодной сетке (спирали). Величина напряжения ≈ 300 500 кВ;
в форме коротких импульсов длительностью ≈ 10^-7 - 10^-6 с с максимальным (амплитудным) значением ускоряющего напряжения (≈ 300 500 кВ).

Внутрь буферной камеры 6 подается газ-инициатор, который может быть при необходимости охлажден. В качестве газа-инициатора могут использоваться воздух, кислород, азот, инертные газы и др. Под действием потока быстрых электронов ускорителя 2 газ-инициатор облучается, и в нем возникают свободные радикалы или возбужденные атомы (молекулы), например, синглетного кислорода или молекул озона (в случае использования в качестве газа-инициатора воздуха, кислорода). При нанесении на внутреннюю поверхность стенки покрытия, например, медно-бериллиевого эмиттера, вызывающего вторичную эмиссию, эффект облучения газа-инициатора увеличивается. Облученный газ-инициатор под небольшим избыточным давлением выходит через отверстия 7 буферной камеры 6 в реакционную камеру 1. Через эти же отверстия 7 и отверстия 8, закрытые фольгой, в реакционную камеру 1 поступают пучки быстрых электронов. Отверстия 8, закрытые фольгой, хотя и находятся в агрессивной среде реакционной камеры, не подвергаются большой опасности, поскольку их можно сделать близко расположенными к выходным отверстиям 7 на расстоянии, приближенном к диаметру отверстия 8, и при движении газового потока вдоль реакционной камеры пристеночный слой газа-инициатора защищает фольгу от действия агрессивной среды.

В том случае, если стенки буферной камеры 6 выполнены из фольги, то пучки быстрых электронов проходят через всю поверхность буферной камеры 6, что улучшает степень очистки.

Через отверстия 7, 8 в реакционную камеру 1 поступают облученный газ-инициатор и пучки быстрых электронов, которые создаются одним и тем же ускорителем электронов.

Через патрубки 9, 10 в реакционную камеру 1 поступает смесь очищаемого газа с водным аэрозолем.

Таким образом, в реакционной камере в результате комбинированного воздействия озоном (полученным при облучении газа-инициатора) и пучком ускоренных электронов в присутствии водного аэрозоля проходит окончательная очистка обрабатываемого газа. При этом в предложенном способе и устройстве степень очистки газа (η) повышается ≈ в 2 раза по сравнению с прототипом.

Положительный эффект предложенного устройства состоит в возможности инициировать физико-химические реакции в реакционной камере одним и тем же ускорителем электронов, но двумя путями -облученным газом-инициатором (в результате облучения которого получается озон) и пучком быстрых электронов. Это приводит к улучшению степени очистки и ≈ в 2 раза выше по сравнению с прототипом.

Очевидно, что при этом упрощается устройство, значительно сокращаются его габариты и повышается надежность работы.

Кроме того, расположение буферной камеры между реакционной камерой и ускорителем электронов предохраняет фольгу корпуса вакуумной камеры и повышает надежность работы устройства.

Выбор расстояния между отверстиями, закрытыми фольгой, и отверстиями для прохода газа-инициатора, приближенным к их диаметру, также дает возможность повысить надежность работы устройства.

Введение в способ работы временных пауз дает возможность регулировать технологию очистки.

Использование: инициирование физико-химических реакций в газовой среде, в том числе для получения озона, при очистке газов от вредных примесей и др. Сущность: очищаемый газ смешивают с водным аэрозолем, газ-инициатор облучают пучком быстрых электронов и воздействуют указанными агентами на обрабатываемый очищаемый газ с регулируемыми паузами или постоянно. В устройстве между реакционной камерой и ускорителем электронов установлена буферная камера, которая выполнена с отверстиями в стенке со стороны реакционной камеры и с дополнительными отверстиями, закрытыми фольгой. Стенка может быть выполнена из фольги и покрыта изнутри или снаружи покрытием, вызывающим вторичную электронную эмиссию. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ инициирования физико-химических реакций путем воздействия на обрабатываемый газ пучком быстрых электронов, отличающийся тем, что перед воздействием на обрабатываемый газ пучком быстрых электронов обрабатываемый газ смешивают с водяным аэрозолем, подают газ-инициатор, облучают его пучком быстрых электронов и воздействуют на смесь обрабатываемого газа с водяным аэрозолем одновременно пучком быстрых электронов и облученным газом-инициатором. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что между одновременным воздействием на обрабатываемый газ пучком электронов и облученным газом-инициатором создают временные паузы. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в паузы между одновременным воздействием на обрабатываемый газ пучком быстрых электронов и облученным газом-инициатором на обрабатываемый газ воздействуют охлажденным газом-инициатором. 4. Устройство инициирования физико-химических реакций, содержащее ускоритель электронов и реакционную камеру, при этом ускоритель электронов выполнен в виде катода, электродов и вакуумной камеры, отличающееся тем, что устройство снабжено буферной камерой, которая размещена между вакуумной камерой ускорителя и реакционной камерой. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что реакционная камера размещена внутри буферной камеры, снаружи которой размещен ускоритель. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что реакционная камера размещена снаружи буферной камеры, а ускоритель размещен внутри буферной камеры. 7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в стояке буферной камеры со стороны реакционной камеры выполнены отверстия, часть которых закрыта фольгой, при этом расстояние от этих закрытых фольгой до открытых отверстий в стенке буферной камеры приблизительно равно их диаметру. 8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что стенка буферной камеры со стороны реакционной камеры выполнена из фольги. 9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что стенка буферной камеры со стороны реакционной камеры выполнена из материала, вызывающего вторичную электронную эмиссию.