СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/95 

Изобретение относится к квантовой электронике, преимущественно к химическим лазерам, и может быть использовано в химическом иодно-кислородном лазере в качестве источника донорного газа синглетного кислорода (в состоянии электронного возбуждения O₂(¹Δ)).

Известен способ получения синглетного кислорода в химическом иодно-кислородном лазере [1] заключающийся в барботировании газообразного хлора в химическом реакторе через раствор перекиси водорода и щелочи (NaOH, KOH). В этом способе хлор, заключенный в газовый пузырек в жидкости, взаимодействует с ней по поверхности пузырька с образованием синглетного кислорода в химической реакции
Cl₂+H₂O₂+2KOH _→ O₂(¹Δ)+2H₂O+2KCl (1)
Образовавшийся в результате реакции на поверхности жидкости синглетный кислород препятствует проникновению непрореагировавшего хлора к поверхности жидкости и, кроме того, синглетный кислород при столкновении с поверхностью жидкости теряет запасенную энергию и переходит в основное невозбужденное состояние, т. е. "тушится". Ниже по потоку синглетного кислорода ставят сепаратор, в котором синглетный кислород очищают от аэрозоля, обычно путем "вымораживания".

Однако в процессе транспортирования от реактора к сепаратору значительная часть кислорода "тушится". Процесс "тушения" тем более интенсивен, чем выше давление в реакторе, поэтому эффективная работа такого способа возможна лишь при низком давлении в реакторе (≅ 5 торр), что не приемлемо для успешной работы иодно-кислородного лазера большой мощности.

Известен способ и устройство для получения синглетного кислорода в химическом йодно-кислородном лазере [2] в котором реакция между хлором и смесью перекиси водорода со щелочью идет на поверхности вращающихся дисков, полупогруженных в жидкость.

Недостатком такого способа являются большие потери запасенной энергии за счет "тушения", вследствие того, что траектории хлора у стенки достигают поверхности жидкости, часть образованного ближе к оси реактора синглетного кислорода, "тушится" в столкновениях с этой поверхностью.

Недостатком такой схемы является также то, что часть сечения реактора занята жидкостью, что уменьшает реакционную зону реактора. Наличие аэрозоля при срыве капель с кромок дисков также способствует "тушению" полученного синглетного кислорода. Указанные недостатки ограничивают производительность химического реактора, а следовательно, и выходную мощность иодно-кислородного лазера в целом.

Наиболее близким к изобретению являются способ и устройство для получения синглетного кислорода в химическом лазере [3] основанный на взаимодействии газообразного хлора при смешении со струями смеси перекиси водорода со щелочью с последующим отделением ниже по потоку полученного синглетного кислорода от аэрозоля и жидкости.

Основной недостаток способа-прототипа связан с тем, что, как и в предыдущих аналогах, при смешении компонентов одновременно с образованием синглетного кислорода происходит его "тушение" при столкновении с поверхностью жидкости, особенно при наличии в устройстве застойных зон. Кроме того, кислород создает препятствия для проникновения к поверхности жидкости молекул хлора. Этот недостаток ограничивает производительность способа, а следовательно, и лазера в целом.

Техническая задача предлагаемого изобретения отделение полученного синглетного кислорода от хлора и аэрозоля сразу после его образования для уменьшения потерь запасенной энергии и устранения препятствия для проникновения к поверхности жидкости молекул хлора.

Технический результат изобретения повышение производительности способа получения синглетного кислорода.

Это достигается тем, что в известном способе получения синглетного кислорода, заключающемся во взаимодействии в химическом реакторе газообразного хлора при смешении со струями смеси перекиси водорода с щелочью с последующим отделением от аэрозоля и жидкости полученного синглетного кислорода осуществляют одновременно со смешением взаимодействующих компонентов в поле центробежных сил, направленных перпендикулярно потоку смешиваемых компонентов.

Центробежные силы создают в химическом реакторе путем вращательного движения смешиваемых компонентов, а отработанную смесь удаляют из реактора из пристеночного слоя, причем ось вращения смешиваемых компонентов совпадает с осью химического реактора.

В известном устройстве для получения синглетного кислорода, включающем корпус химического реактора, источник газообразного хлора, источник смеси перекиси водорода с щелочью, устройство для впрыска смеси, установленное в корпусе реактора, и устройство вывода синглетного кислорода из реактора, отличительным является то, что устройство для впрыска смеси выполнено в виде полого ротора с отверстиями в его стенке, соединенного с источником смеси корпус реактора содержит коллектор для сбора и отвода отработанной смеси, а на выходе реактора установлено устройство для трансформации вращательного движения газа в поступательное вдоль оси реактора.

Ротор выполнен с профилированными вдоль потока смеси лопастями для придания смешиваемым компонентам вращательного движения.

Отделение синглетного кислорода от аэрозоля и жидкости одновременно со смешением компонентов в поле центробежных сил происходит за счет различия в плотностях кислорода, жидкости и хлора. В поле центробежных сил образующийся в результате реакции (I) синглетный кислород оттесняется от стенки химического реактора в его центральную часть более тяжелым хлором и аэрозолью. В результате этого в приосевой области реактора образуется повышенная концентрация синглетного кислорода, а у стенки хлора и капель жидкости, что способствует полной выработке хлора и сохранности полученного синглетного кислорода.

Очищенный в поле центробежных сил от аэрозоля и жидкости синглетный кислород поступает на выход химического реактора перпендикулярно направлению действия центробежных сил, а отработанная смесь этими же силами отбрасывается на стенку реактора, накапливается у пристеночного слоя в коллекторе и удаляется из реактора.

В центральной зоне синглетный кислород без контакта с жидкостью хорошо сохраняет запасенную энергию даже при повышенном давлении. Уменьшение потерь запасенной энергии в данном способе связано с уменьшением времени пребывания его в области контакта с жидкой средой, что обусловлено отделением полученного синглетного кислорода от жидкости сразу после его образования.

Таким образом, на выходе химического реактора получается синглетный кислород, очищенный от аэрозоля и жидкости. Отделение синглетного кислорода от жидкости сразу после его образования позволяет снизить потери запасенной энергии и повысить концентрацию синглетного кислорода на выходе из реактора, что позволяет повысить давление в реакторе, а следовательно, и его производительность.

В целом указанное преимущество способствует повышению мощности иодно-кислородного лазера при неизменных габаритах и массе конструкции.

В устройстве отличительные признаки способа реализуются тем, что впрыск смеси перекиси водорода с щелочью осуществляется через устройство, представляющее собой вращающийся полый ротор с лопастями и отверстиями в его стенке для впрыска смеси в реактор. Отделенный синглетный кислород скапливается в центральной приосевой области реактора, а аэрозоль оттесняется к стенке и удаляется из пристеночной области через коллектор.

Предлагаемые способ и устройство поясняются чертежом.

На чертеже обозначено: 1 корпус химического реактора; 2 источник газообразного хлора; 3 источник смеси перекиси водорода со щелочью; 4 - полый ротор, с отверстиями в его стенке 5 и с лопастями 6; 7 коллектор для сбора и удаления отработанной жидкости; 8 устройство для трансформации вращательного движения газа в поступательное вдоль оси реактора.

Предлагаемый способ реализуется с помощью предлагаемого устройства следующим образом.

В начале приводят во вращательное движение ротор 4. От источника 2 подают в химический реактор 1 хлор, а от источника 3 смесь перекиси водорода с щелочью. Жидкость впрыскивают в реактор через отверстия 5 в стенке ротора 4, закручивают вращающимся ротором 4 и лопастями 6. В процессе смешения компонентов образуется синглетный кислород в результате химической реакции (I). Под действием центробежных сил синглетный кислород как наиболее легкий компонент вытесняется в центральную область реактора, а более тяжелая аэрозоль и жидкость отбрасываются на стенку и через коллектор 7 удаляются из реактора. Очищенный синглетный кислород через устройство 8 трансформации вращательного движения в поступательное удаляется из реактора.

На предприятии проведена экспериментальная проверка предлагаемого способа. В химическом реакторе осуществлялось смешение газообразного флора со смесью перекиси водорода с KOH. Смесь подавалась через цилиндрический вращающийся полый ротор, выполненный с лопастями и без них. Отработанная смесь удалялась через коллектор, выполненный на стенке реактора. Экспериментальная проверка показала устойчивую работу устройства при давлении в реакторе, составляющем 30 50 торр, при концентрации возбужденного кислорода более 50% что превосходит аналогичные характеристики аналога.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить производительность способа за счет увеличения давления в химическом реакторе и концентрации полученного синглетного кислорода в смеси на выходе из реактора.

Источники, принятые к рассмотрению
[1] S. Yoshida, H. Fujii, T. Sawano, M. Endo, T. Fujioka. Efficient operation of a dumically pumped oxygen iodine laser utilizing dilute hydrogen peroxide. Appl. Phys. Lett. 51, 1987, p. 1490 1492.

Использование: способ и устройство для получения синглетного кислорода могут быть в химическом иодно-кислородном лазере для получения рабочего донорного газа. Сущность изобретения: предлагается способ получения синглетного кислорода, основанный на взаимодействии в химическом реакторе газообразного хлора при смешении со струями смеси перекиси водорода с щелочью с последующим отделением от аэрозоля и жидкости полученного синглетного кислорода. Отделение синглетного кислорода осуществляют одновременно со смешением взаимодействующих компонентов в поле центробежных сил, направленных перпендикулярно потоку смешиваемых компонентов. После центробежные силы создают в химическом реакторе путем вращательного движения смешиваемых компонентов, а отработанную смесь удаляют из пристеночного слоя реактора. Ось вращения смеси компонентов совпадает с осью химического реактора. Устройство для получения синглетного кислорода включает корпус химического реактора, источник газообразного хлора, источник смеси перекиси водорода с щелочью, устройство для впрыска смеси, установленное в корпусе реактора, и устройство вывода синглетного кислорода из реактора. Устройство для впрыска смеси выполнено в виде полого ротора с отверстиями в его стенке, соединенного с источником смеси, корпус реактора содержит коллектор для сбора и отвода отработанной смеси, а на выходе реактора установлено устройство для трансформации вращательного движения газа в поступательное вдоль оси реактора. Ротор выполнен с профилированными вдоль потока смеси лопастями для придания смешиваемым компонентам вращательного движения. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения синглетного кислорода, основанный на взаимодействии в химическом реакторе газообразного хлора при смешении со струями смеси перекиси водорода со щелочью с последующим отделением от аэрозоля и жидкости полученного синглетного кислорода, отличающийся тем, что отделение синглетного кислорода осуществляют одновременно со смешением взаимодействующих компонентов в поле центробежных сил, направленных перпендикулярно потоку смешиваемых компонентов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поле центробежных сил создают в химическом реакторе путем вращательного движения смешиваемых компонентов, а отработанную смесь удаляют из пристеночного слоя реактора, причем ось вращения совпадает с осью химического реактора. 3. Устройство для получения синглетного кислорода, включающее корпус химического реактора, источник газообразного хлора, источник смеси перекиси водорода со щелочью, устройство для впрыска смеси, установленное в корпусе реактора, и устройство вывода синглетного кислорода из реактора, отличающееся тем, что устройство для впрыска смеси выполнено в виде полого ротора с отверстиями в его стенке, соединенного с источником смеси, корпус реактора содержит коллектор для сбора и отвода отработанной смеси, а на выходе реактора установлено устройство для трансформации вращательного движения газа в поступательное вдоль оси реактора. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что ротор выполнен с профилированными вдоль потока смеси лопастями для придания смешиваемым компонентам вращательного движения.