СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК B03C3/00 B01J19/08 H05H1/00 

Изобретение относится к прикладной неравновесной низкотемпературной плазмохимии и может найти применение в процессах получения озоносодержащих газовых смесей, очистки (обезвреживания) отработанных газов и паров, в том числе вентиляционных и технологических выбросов от токсичных газообразных веществ, пиролиза углеродсодержащих соединений, синтеза нитридов, оксидов, восстановительного синтеза карбидов, получения оксида азота, плазменной конверсии углеродсодержащего сырья, восстановления оксидного сырья и галогенидов водородом, получения высокодисперсных порошков из газовой фазы, модификации свойств поверхностей материалов, а также при кондиционировании воздуха, дезинфекции или стерилизации материалов, предметов или воздуха.

Известен способ проведения плазмохимических реакций (ПХР) путем прокачки нейтрального газа через неизотермическую плазму, при котором через плазму пропускают стационарный ленточный пучок электронов, причем параметры плазмы и пучка электронов подбирают так, чтобы способствовать развитию пучковой неустойчивости [1] . Указанный способ позволяет осуществлять управление физико-химическими процессами в плазме путем изменения характеристического параметра E/n₀, где E - напряженность электрического поля, n₀ - концентрация частиц газа, но, во-первых, только за счет изменения интенсивности пучка электронов, которая существенно ограничена условиями, приведенными в формуле изобретения, и, во-вторых, только в зоне действия стационарного пучка электронов. Кроме того, устройства, реализующие указанный способ [2], требуют достаточно сложных - как конструктивно, так и технологически - узлов генерации мощного ленточного пучка электронов и работы при стабильном давлении исходных газов, т.к. изменение давления приводит к нарушению существенного признака, определяющего основное условие реализации способа - пучковой неустойчивости.

Известен способ проведения ПХР, при котором в камеру, содержащую рабочую смесь, вводят уже не стационарный, как в предыдущем случае, а релятивистский импульсно-периодический пучок электронов, интенсивность и равновесный радиус которого в сочетании с длительностью импульсов подбирают так, чтобы в среде генерировалось вихревое электрическое поле с жестко заданными электрическими и временными параметрами, обеспечивающими вполне определенное соотношение между ионизационными и джоулевыми потерями [3]. При таком способе возможность управления физико-химическими процессами в плазме путем изменения характеристического параметра E/n₀, во-первых, принципиально ограничена снизу началом реально значимой ионизации веществ, составляющих рабочую смесь, и, во-вторых, ограничена интервалом значений ионизационных и джоулевых потерь, приведенным в формуле изобретения. Конструктивно-технологические сложности реализации указанного способа выше, чем у предшествующего, в частности из-за необходимости генерации релятивистского импульсно-периодического пучка электронов.

Известен способ проведения ПХР с использованием барьерного разряда, применяемый для получения озона в промышленной установке "Озон-100", при котором рабочую смесь газов продувают через зоны разряда, образованные углублениями в соприкасающихся диэлектрических прокладках, внутри которых размещены разнополярные электроды [4]. Простота конструкции устройств, реализующих указанный способ, оборачивается невозможностью влиять на протекание физико-химических процессов в плазме путем повышения доли актов требуемых химических взаимодействий при снижении доли актов нежелательных химических взаимодействий за счет изменения характеристического параметра E/n₀, т.е. однажды изготовленный реактор для реализации указанного способа будет оптимален только для конкретной смеси исходных веществ при конкретных физических условиях и только для конкретного критерия оптимизации проведения ПХР - либо, например, максимальный выход требуемого продукта, либо минимальный выход непрореагировавшего исходного вещества, либо вполне определенное соотношение между выходом тех или иных продуктов реакции, в частности минимальный выход по меньшей мере одного из возможных продуктов реакции при вполне определенном выходе другого продукта ПХР.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является способ проведения ПХР, при котором рабочую газовую смесь направляют в область барьерного разряда и отводят из той же области продукты ПХР (т.е. пропускают исходную газовую смесь через область барьерного разряда); на промежуточные и окончательные продукты реакции воздействуют дополнительным электрическим полем, ориентированным вдоль потока газа [5]. Возможность изменения характеристического параметра E/n₀ при данном способе также отсутствует, что не позволяет избирательно осуществлять реакции, особенно, если компоненты рабочей смеси допускают несколько вариантов химических реакций с разными продуктами реакций.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа проведения ПХР, позволяющего осуществлять управление физико-химическими процессами в плазме путем изменения в рабочей зоне характеристического параметра E/n₀, позволяющего перераспределять доли подводимой энергии по видам возбуждения и таким образом оптимизировать проведение ПХР по принятому критерию оптимизации с учетом несовпадения для разных веществ реальных зависимостей долей потери энергии в смесях исходных веществ или долей потери энергии электронов в однородных средах в зависимости от величины E/n₀.

Действительно, из приведенных графиков (фиг. 3.2., 3.3..) для простейшего случая газовой смеси - воздуха, представляющего собой в первом приближении смесь азота и кислорода при нормальных условиях, - следует, что максимальная доля подводимой энергии (до 72%) при E/n₀=1,5•10¹⁶ В•см² расходуется на возбуждение колебательных уровней энергии кислорода. При этом энергия возбуждения колебательных уровней азота не превышает 1%, что позволяет получать максимальный выход по озону. Увеличение значений E/n₀ до 7,5•10¹⁶ В•см² приводит в область максимума возбуждения колебательных уровней азота, в результате чего проведение ПХР будет сопровождаться значительным ростом доли окислов азота. В этом и заключается физическая сущность процесса управления проведением ПХР путем перераспределения долей подводимой энергии по видам возбуждения за счет изменения параметра E/n₀. Аналогичные зависимости могут быть получены для любых веществ в паро- или газообразном состоянии и по ним могут быть определены доли выхода различных продуктов реакции при конкретных значениях E/n₀.

Поставленная задача решается группой изобретений, вариантами, объединенными единым изобретательским замыслом - созданием в области проведения барьерного электрического разряда вспомогательной зоны, включенной электрически последовательно с оставшейся рабочей зоной, благодаря чему изменение состава, давления и/или температуры вещества или смеси веществ во вспомогательной зоне приводят к изменению значения E/n₀ в рабочей зоне.

В первом варианте, как и в прототипе, направляют в область барьерного электрического разряда исходные вещества в паро- или газообразном состоянии и отводят из нее продукты ПХР, но, в отличие от прототипа, при помощи диэлектрической в зоне барьерного разряда оболочки пространственно выделяют вспомогательную зону, причем выделяют так, чтобы вспомогательная зона оказалась соединена электрически последовательно с оставшейся, предназначенной для проведения ПХР рабочей зоной. При этом состав, давление и/или температуру вещества или смеси веществ во вспомогательной зоне устанавливают так, чтобы обеспечить принятый критерий оптимизации проведения ПХР в рабочей зоне.

Во втором варианте, в отличие от прототипа, в области барьерного разряда аналогичным образом при помощи диэлектрических в зоне барьерного разряда оболочек выделяют не менее чем одну вспомогательную зону, соединенную электрически последовательно с оставшейся и предназначенной для проведения ПХР рабочей зоной. Возникающее при этом во вспомогательных зонах под воздействием барьерного разряда электромагнитное излучение направляют в рабочую зону сквозь диэлектрические оболочки, прозрачные в интервалах частот электромагнитных колебаний, соответствующих условиям проведения требуемых ПХР в рабочей зоне, а состав, давление и/или температуру вещества (веществ) или смесей веществ во вспомогательных зонах устанавливают так, чтобы обеспечить принятый критерий оптимизации (режим) проведения ПХР в рабочей зоне.

Изменение состава вещества или смеси веществ во вспомогательной зоне для оптимизации проведения ПХР по принятому критерию может осуществлять известными способами: впуском или стравливанием паров или газов через клапаны, смещением константы равновесия обратимых фотохимических реакций, вводом или удалением частиц вещества, с поверхности которого осуществляется возгонка паров и т.п.

Изменение давления во вспомогательной зоне может осуществляться любым из известных способов: введением или выводом во вспомогательную зону (из нее) дополнительного количества того же самого вещества (смеси веществ), которые находились во вспомогательной зоне; принудительным изменением объема, непосредственно охваченного оболочкой или соединенного с объемом, охваченным оболочкой; изменением температуры вещества или смеси веществ, находящихся во вспомогательной зоне, путем нагрева теплопередачей или радиационного нагрева.

В качестве диэлектрика для реализации оболочки могут быть использованы кварцевое стекло, сапфир, прозрачные ситаллы и др. подобные материалы, причем диэлектрическая часть оболочки может самостоятельно выполнять функции барьера для осуществления барьерного электрического разряда.

Осуществление пропускания сквозь диэлектрическую оболочку потоков электромагнитного излучения из вспомогательной зоны в рабочую в интервалах частот, соответствующих условиям проведения требуемых ПХР в рабочей зоне, может быть обеспечено внесением соответствующих примесей в примененный для оболочки материал, использованием дифракционных решеток, размещением внутри собственно оболочки двух оптически скрещивающихся равноотстоящих слоев поляризаторов, применением дополнительных светофильтров.

При реализации второго варианта способа проведения ПХР часть поверхностей корпуса, диэлектрической оболочки и/или электродов целесообразно выполнять зеркально или диффузно отражающими для более полного использования потоков электромагнитного излучения, порождаемых во вспомогательной зоне под действием барьерного разряда.

Дополнительным техническим результатом можно считать тот факт, что вещество или смесь веществ во вспомогательной камере при отсутствии необратимых ПХР во вспомогательной зоне не расходуется, в силу чего вспомогательная камера для проведения конкретных ПХР по вполне конкретному критерию оптимизации может быть изготовлена в виде запаянной капсулы, кюветы и т.п. объектов, содержащих вполне определенное количество необходимых веществ при определенных условиях - давлении, температуре.

На чертежах представлены наиболее простые варианты схем устройств - плазмохимических (ПХ) реакторов, реализующих варианты предлагаемого способа проведения ПХР. На нечетных фигурах представлены устройства, реализующие первый вариант способа проведения ПХР без направления электромагнитного излучения из вспомогательной зоны в рабочую; на четных фигурах представлены устройства, реализующие второй вариант способа проведения ПХР.

На фиг. 1 - 10 приведены схемы бескорпусных устройств, предназначенные для применения в потоках обрабатываемых паров или газов, в частности для стерилизации или дезинфекции материалов, предметов или воздуха. На фиг. 11 - 16 приведены схемы устройств, имеющих корпуса для ограничения объема рабочей камеры и вспомогательной камеры.

На фиг. 1 и 2 приведены схемы ПХ реакторов, в которых диэлектрическая оболочка вспомогательной зоны (-ных зон) не охватывает ни один из высоковольтных (ВВ) электродов и расположена(ны) между ними. На фиг. 3, 4 приведены схемы ПХ реакторов, в которых один из ВВ электродов расположен непосредственно в диэлектрической оболочке. На фиг. 5, 6 приведены схемы ПХ реакторов, в которых часть поверхности оболочки является одним из ВВ электродов. На фиг. 7 и 8 приведены схемы ПХ реакторов, в которых один из ВВ электродов расположен внутри пространства, ограниченного оболочкой. На фиг. 9 и 10 приведены схемы шарообразных или цилиндрических ПХ реакторов. На фиг. 11 и 12 приведены схемы ПХ реакторов, в которых предусмотрена возможность смены герметичных вспомогательных камер, причем вспомогательные камеры могут отличаться друг от друга составом или давлением содержимого, толщиной диэлектрического барьера, расположением ВВ электрода. На фиг. 13 представлена схема ПХ реактора со сменными диэлектрическими вставками, обеспечивающими барьерный разряд между основной и вспомогательной камерами, причем вставки могут отличаться толщиной или материалом. На фиг. 14 представлена схема ПХ реактора, в котором в оболочке вспомогательной камеры предусмотрена возможность установки сменных фильтров электромагнитного излучения (светофильтров), являющихся одновременно частью диэлектрического барьера. Стрелки в патрубках рабочих камер на фиг. 11 - 14 обозначают направление подвода исходных веществ (белая стрелка) и направление отвода продуктов реакций (черная стрелка). Схемы ПХ реакторов с внутренним расположением рабочей камеры и внешним расположением вспомогательных камер приведены на фиг. 15 и 16.

Устройства, представленные на чертежах, включают в себя ВВ электроды 1, между которыми осуществляется барьерный разряд, диэлектрическую (по меньшей мере в зоне барьерного разряда) оболочку 2, ограничивающую вспомогательную зону 3 барьерного разряда, соединенную электрически последовательно с рабочей зоной 4 барьерного разряда. В устройства также могут входить: перегородки 5, разделяющие разные вспомогательные зоны 3, постоянные или сменные фильтры электромагнитного излучения 6, располагаемые на пути излучения, порождаемого во вспомогательной зоне 3, к рабочей зоне 4; сменные диэлектрические вставки 7, а также корпус устройства 8.

Первый способ проведения ПХР реализуется, например, в ПХ реакторе, приведенном на фиг. 11, следующим образом. Вспомогательную камеру с вспомогательной зоной 3, образованную диэлектрической оболочкой 2, выполняющей одновременно роль части диэлектрического барьера, наполняют веществом или смесью веществ, состав, давление и температура которого (-ых) при наличии барьерного разряда между электродами 1 и заданных параметрах среды в рабочей камере с рабочей зоной 4, обеспечивают протекание ПХР в соответствии с принятым критерием оптимизации (режимом). В рабочую камеру подают исходные вещества, а на ВВ электроды 1 подают соответствующее напряжение, благодаря чему между ВВ электродами 1 возникает барьерный разряд, пронизывающий вспомогательную зону 3 и рабочую зону 4. При этом, за счет последовательного электрического соединения вспомогательной зоны 3 и рабочей зоны 4, установленными во вспомогательной камере и, следовательно, во вспомогательной зоне 3 параметрами среды обеспечивают в рабочей зоне 4 требуемое значение характеристического параметра E/n₀, что и приводит к проведению ПХР по выбранному критерию оптимизации, т.е. по принятому отношению возможных продуктов ПХР.

Второй вариант способа проведения ПХР реализуется, например, в ПХ реакторе, приведенном на фиг. 16, следующим образом. Вспомогательную камеру (по меньшей мере одну), образованную корпусом 8, перегородками 5 и диэлектрической оболочкой 2, ограничивающей в данном случае объем рабочей камеры и выполняющей одновременно роль диэлектрического барьера, наполняют веществом или смесью веществ, состав, давление и температура которого (-рых) при наличии барьерного разряда между ВВ электродами 1 и заданных параметрах среды в рабочей камере обеспечивают протекание ПХР в соответствии с принятым критерием оптимизации. В рабочую камеру подают исходные вещества, на ВВ электроды 1 подают соответствующее напряжение, благодаря чему между ВВ электродами 1 возникает барьерный разряд, образующий вспомогательную зону 3 и рабочую зону 4. При этом за счет последовательного электрического соединения вспомогательной зоны 3 и рабочей зоны 4, параметрами, установленными во вспомогательной камере и, следовательно, во вспомогательной зоне 3, обеспечивают требуемое значение характеристического параметра E/n₀ в рабочей зоне, что и приводит к проведению ПХР по выбранному критерию оптимизации. Порожденные во вспомогательных зонах 3 потоки электромагнитного излучения после прохождения сквозь диэлектрические оболочки 2, прозрачные в разных интервалах частот электромагнитных колебаний, соответствующих условиям диссоциации конкретных исходных веществ, попадают в рабочую зону 4, где за счет квантовомеханического контакта с конкретными химическими веществами приводят к образованию дополнительных химически активных радикалов, за счет чего дополнительно повышается количество единичных актов конкретных химических взаимодействий, т.е. снижается вероятность отклонения проведения ПХР от принятого критерия оптимизации (режима).

Изобретение может быть использовано для получения озоносодержащих газовых смесей, очистки (обезвреживания) отработанных газов и паров, пиролиза углеродсодержащих соединений, синтеза нитридов, оксидов, карбидов, конверсии углеродсодержащего сырья и получения высокодисперсных порошков из газовой фазы, модификации свойств поверхностей материалов. Исходные вещества в паро- или газообразном состоянии направляют в область барьерного разряда и отводят из той же области продукты плазмохимических реакций (ПХР), при этом осуществляют выделение в области барьерного электрического разряда при помощи диэлектрических оболочек вспомогательных зон, электрически последовательно соединенных с оставшейся для проведения ПХР рабочей зоной барьерного разряда, причем состав, давление и/или температуру вещества или смеси веществ во вспомогательных зонах (камерах) устанавливают так, чтобы удовлетворить выбранному критерию оптимизации проведения ПХР. Направление электромагнитного излучения, возникающего при проведении барьерного разряда во вспомогательных зонах, в рабочую зону сквозь указанные диэлектрические оболочки, прозрачные в интервалах частот электромагнитных колебаний, соответствующих условиям проведения требуемых ПХР в рабочей зоне. Изобретение позволяет осуществить проведение ПХР по выбранному критерию оптимизации (режиму) за счет повышения доли актов требуемых химических воздействий при снижении доли актов нежелательных взаимодействий. 2 с.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ проведения плазмохимических реакций (ПХР), при котором исходные вещества в паро- или газообразном состоянии направляют в область барьерного электрического разряда и отводят из той же области продукты ПХР, отличающийся тем, что в области барьерного разряда при помощи диэлектрической оболочки пространственно выделяют вспомогательную зону, электрически последовательно соединенную с предназначенной для проведения ПХР рабочей зоной той же области барьерного разряда, при этом состав, давление и/или температуру вещества или смеси веществ во вспомогательной зоне устанавливают исходя из принятого критерия оптимизации проведения ПХР в рабочей зоне. 2. Способ проведения плазмохимических реакций (ПХР), при котором исходные вещества в паро- или газообразном состоянии направляют в область барьерного электрического разряда и отводят из той же области продукты ПХР, отличающийся тем, что в области барьерного разряда при помощи диэлектрических оболочек пространственно выделяют не менее чем одну вспомогательную зону, электрически последовательно соединенную с предназначенной для проведения ПХР рабочей зоной барьерного разряда, возникающее во вспомогательных зонах под воздействием барьерного разряда электромагнитное излучение направляют в рабочую зону сквозь диэлектрические оболочки, прозрачные в интервалах частот электромагнитных колебаний, соответствующих условиям проведения требуемых ПХР в рабочей зоне, при этом состав, давление и/или температуру вещества (веществ) во вспомогательных зонах устанавливают так, чтобы обеспечить принятый критерий оптимизации проведения ПХР в рабочей зоне.