СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ГАЗОФАЗНЫХ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК B01J12/00 

Изобретение относится к областям: химия, химические технологии, лазерная техника, промышленные производства и, в частности, может быть использовано:
- при проектировании и создании камер сгорания, печей, работающих на жидких, газообразных и твердых углеводородных топливах;
- в химической промышленности, где используются газофазные реакции;
- в автомобильной промышленности при создании термических нейтрализаторов вредных примесей выхлопных газов;
- в технике создания устройств по термической нейтрализации вредных примесей в выхлопных газах промышленных объектов;
- в лазерной технике.

Известен способ ускорения газофазных химических реакций при низких температурах с использованием реакционных камер, в которых реагирующие газы облучаются потоком электронов [1].

К недостаткам этого способа относятся:
- значительные дополнительные затраты энергии;
- необходимость применения дорогостоящей высоковольтной аппаратуры, требующей высококвалифицированного обслуживания;
- необходимость применения радиационной защиты от рентгеновского излучения;
- низкий ресурс работы оборудования и сложность его обслуживания;
- высокая себестоимость способа.

Известен способ ускорения газофазных реакций при низких температурах с использованием катализаторов, выполненных с применением редкоземельных элементов, благородных металлов и других сложных веществ [2]. Однако применение катализаторов существенно удорожает стоимость технологического процесса, кроме того, в процессе эксплуатации катализаторы забиваются механическими примесями, теряют свои активные свойства и имеют низкий ресурс работы.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ автотермической очистки воздуха от примесей органических веществ и CO, основанный на пропускании воздуха с примесями органических веществ и CO с входной температурой 20^oC через неподвижный слой инертного зернистого материала с размером зерен 1 - 20 мм, например, из карборунда или кварца, нагретого до температуры 900 - 1000^oC, при этом периодически изменяют направление пропускания газа на противоположное [3].

К недостаткам этого способа следует отнести:
- совершенно не объясняется физика явлений химических реакций, а, следовательно, невозможно заранее определить оптимальные параметры реагирующих газов, возможность ускорения реакций при низкой температуре, состава и концентраций продуктов реакций;
- большая длительность технологического процесса и, как следствие, низкая производительность;
- невозможность использования этого способа для других химических реакций;
- необходимость использования дополнительных нагревателей большой мощности;
- невозможность использования для непрерывных технологических процессов с проточными газами.

Известна установка для очистки отходящих газов от примесей органических веществ и CO, содержащая типичные для существующих технологических процессов узлы и устройства: реакционную камеру с инертным наполнителем, нагревательное устройство, запорную и регулирующую арматуру, подводящие и отводящие трубопроводы [8].

Недостатки данной установки подробно перечислены выше и, кроме того, использование подобного устройства будет затруднено по следующим причинам:
- с течением времени эксплуатации инертный наполнитель будет загрязняться механическими примесями и твердыми продуктами сгорания;
- экономическая рентабельность эксплуатации такой установки будет низкой.

Целью изобретения является ускорение газофазных реакций при низких температурах (600-1000 К) по сравнению с типичными 1600-2000 К, обеспечение высокой полноты сгорания горючего и вредных веществ в выхлопных газах, а также увеличение производительности и существенного удешевления технологического процесса.

Предлагаемый способ ускорения экзотермических газофазных реакций при низких температурах основан на том факте, что в общем случае скорость химической реакции зависит не только от статической температуры смеси газов, но и от колебательных температур (внутренней энергии) вступающих между собой в реакцию молекул газов. В смеси реагирующих газов, содержащих возможно также и буферный, нейтральный газ, при оптимальных параметрах и определенных условиях возможна следующая схема протекания физико-химических процессов. Вновь образующиеся молекулы газа, являющегося продуктом реакции реагирующих компонент, передают часть колебательной энергии, запасенной в них в процессе химической реакции, при столкновении молекулам буферного, нейтрального газа, а также молекулам реагирующих газов, в которых эта энергия накапливается. Далее при столкновении молекул буферного газа с молекулами одного или нескольких реагирующих газов им передается часть запасенной колебательной энергии, переводя их в возбужденное состояние и увеличивая колебательную температуру молекул. При этом скорость химических реакций резко возрастает, нарабатывается большее количество молекул газа, являющегося продуктом реакции, увеличивается количество запасенной колебательной энергии, которая в большем объеме передается молекулам реагирующих газов. Происходит лавинообразный процесс ускорения реакций при низких статических температурах, приводящий к взрывному горению. В качестве буферного накопителя колебательной энергии может использоваться при определенных условиях и один из реагирующих газов, но в этом случае начальная концентрация его должна быть велика, а по мере расходования этого газа в процессе реакций эффект лавинообразного ускорения реакций прекращается и полного выгорания реагирующих газов не происходит. Для того чтобы протекала подобная реакция, необходимо подобрать подходящую смесь газов и подавать реагирующие и буферный газы в смесительное устройство с заданными оптимальными параметрами, а в зоне мономолекулярного смешения газов создать определенные условия, описанные ниже.

Патентное исследование, анализ научной и технической литературы показал, что предлагаемый способ ускорения газофазных реакций при низких температурах и устройство для его реализации в настоящее время нигде не описаны,
Поставленная цель достигается тем, что подбирают такую смесь реагирующих газов, когда молекулы компонента, являющегося продуктом реакции, имеют колебательные уровни, близко расположенные к колебательным уровням молекул по крайней мере одного из реагирующих компонентов, затем организуют струйное перемешивание реагирующих компонентов в потоке газа, при этом их параметры подбирают и поддерживают в процессе протекания реакции в заданном диапазоне таким образом, чтобы в зоне перемешивания компонентов на мономолекулярном уровне выполнялись условия - время перемешивания компонентов было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонентов; время химических реакций между молекулами реагирующих компонентов было не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции; время передачи колебательной энергии от молекул компонента, являющегося продуктом реакции, к молекулам одного из реагирующих компонентов должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции; время релаксации колебательной энергии молекул одного из реагирующих компонентов должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции; время передачи колебательной энергии от молекул компонента, являющегося продуктом реакции, к молекулам одного или нескольких реагирующих компонентов должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции, а также молекул одного или нескольких реагирующих компонентов; время релаксации колебательной энергии молекул одного или нескольких реагирующих компонентов должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций образования молекул компонента, являющегося продуктом реакции; время релаксации колебательной энергии молекул одного или нескольких реагирующих компонентов должно быть не менее пролетного времени смеси компонентов зоны индукции и зоны реакции.

Кроме того, в смесь компонентов добавляют буферный, нейтральный газ, молекулы которого имеют колебательные уровни, близко расположенные к колебательным уровням молекул компонента, являющегося продуктом реакции, и к колебательным уровням молекул по крайней мере одного из реагирующих компонентов, затем организуют струйное перемешивание реагирующих компонент в потоке газа, при этом их параметры подбирают и поддерживают в процессе протекания реакции в заданном диапазоне таким образом, чтобы в зоне перемешивания компонентов на мономолекулярном уровне выполнялись условия - время перемешивания компонентов было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонентов; время химических реакций между молекулами реагирующих компонентов было не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции; время передачи колебательной энергии от молекул компонента, являющегося продуктом реакции, к молекулам буферного компонента должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции; время релаксации колебательной энергии молекул буферного компонента должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции; время передачи колебательной энергии от молекул буферного компонента к молекулам одного или нескольких реагирующих компонентов должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул буферного компонента, а также молекул одного или нескольких реагирующих компонентов; время релаксации колебательной энергии молекул одного или нескольких реагирующих компонентов должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций образования молекул компонента, являющегося продуктом реакции; время релаксации колебательной энергии молекул буферного компонента должно быть не менее пролетного времени смеси компонентов зоны индукции и зоны реакции.

Рассмотрим это на примере брутто реакции 2CO + O₂ + N₂ = 2CO₂ + N₂.

1. Добавляемый в смесь реагирующих газов CO и O₂ буферный газ N₂ имеет характеристическую температуру нижнего колебательного уровня 3354 К, который близко расположен к нижнему колебательному уровню антисимметричной моды (001) молекулы углекислого газа CO₂ (3380 К), являющейся продуктом реакции газов CO и O₂. В то же время нижний колебательный уровень молекулы N₂ достаточно близок и к нижнему колебательному уровню молекулы горючего CO (3084 К), и кроме того, нижний колебательный уровень антисимметричной моды (001) молекулы углекислого газа CO₂ (3380 К) близок к нижнему колебательному уровню реагирующего газа CO (3084 К).

Такое близкое расположение колебательных уровней молекул этих газов позволяет принципиально накопить колебательную энергию от вновь образующихся молекул CO₂ в азоте и передать ее молекулам горючего CO, а также непосредственно от молекул CO₂ к молекулам CO за времена меньшие времен релаксации колебательной энергии с молекул CO₂, CO, N₂. Кроме того, при больших концентрациях газом-накопителем колебательной энергии для этой реакции может служить и CO.

2. Параметры буферного и реагирующих компонентов подбирают и поддерживают в процессе протекания реакции в заданном диапазоне исходя из условий, чтобы в зоне перемешивания компонентов на мономолекулярном уровне выполнялись условия:
а) Время перемешивания компонентов на мономолекулярном уровне было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонентов.

В данном случае выдвигается естественное требование, чтобы перемешивание газов на мономолекулярном уровне было быстрее, чем скорости химических реакций. В противном случае запасенная колебательная энергия в молекулах за счет химических реакций будет успевать релаксировать и самоускоряющаяся реакция не пойдет.

б) Время химической реакции между молекулами реагирующих компонентов было не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции.

Это условие означает, например, что скорость образования молекул CO₂ в реакции должна быть больше скорости релаксации колебательной энергии этой же молекулы после ее образования, что обеспечивало бы возможность накопления колебательной энергии.

в) Время передачи колебательной энергии от молекул компонента, являющегося продуктом реакции, к молекулам буферного компонента или к молекулам одного из реагирующих компонентов должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции.

Для данного конкретного примера при столкновении вновь образовавшейся колебательно возбужденной молекулы CO₂ с молекулами азота за счет подобранной концентрации и начальных параметров смеси создаются условия, когда большая доля колебательной энергии передается азоту и CO. В случае когда в качестве накопителя колебательной энергии используется другой реагирующий компонент, то к нему выдвигается вышеприведенное требование.

г) Время релаксации колебательной энергии буферного компонента или молекул одного из реагирующих компонентов - накопителя колебательной энергии должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции.

Это условие соответствует тому факту, что за счет подобранных параметров газов создаются условия передачи колебательной энергии от вновь образующихся молекул CO₂ к азоту или к CO и накопления ее в них.

д) Время передачи колебательной энергии от молекул буферного компонента или от молекул компонента, являющегося продуктом реакции, к молекулам одного или нескольких реагирующих компонентов должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул буферного компонента, а также молекул одного или нескольких реагирующих компонентов.

Это условие означает, что при столкновении молекул горючего CO с молекулами азота значительная доля запасенной колебательной энергии в N₂ должна передаваться молекулам CO либо в случае отсутствия буферного газа колебательная энергия сразу от молекул CO₂ передается молекулам CO.

е) Время релаксации колебательной энергии молекул одного или нескольких реагирующих компонентов должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций, образования молекул компонента, являющегося продуктом реакции.

Этот факт означает, что после передачи колебательной энергии от азота к горючему (CO) колебательно возбужденные молекулы CO должны присутствовать во всей цепочке и во все время протекания реакций образования CO₂.

ж) Время релаксации колебательной энергии буферного компонента или молекул одного или нескольких реагирующих компонентов должно быть не менее пролетного времени смеси компонентов зоны индукции и зоны реакции.

Данное естественное требование необходимо, чтобы на протяжении всей зоны индукции и зоны реакции молекулы горючего или окислителя подпитывались колебательной энергией из "резервуара" буферного газа.

Осуществление способа.

В случае выполнения в совокупности всех вышеперечисленных требований создаются условия, когда колебательная энергия вновь образующихся молекул, являющихся продуктом реакции, передается молекулам буферного газа и "замораживается" в нем на некоторое время. Далее эта колебательная энергия передается молекулам горючего или окислителя, переводя их в возбужденное состояние. Для колебательно возбужденных молекул окислителя или горючего в связи с присутствием колебательной температуры в экспоненциальном множителе скоростного коэффициента скорость реакции резко возрастает и увеличивается количество молекул, являющихся продуктом реакции. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию запасенной колебательной энергии в смеси газов и увеличению "накачки" молекул горючего или окислителя. Возникает лавинообразный процесс увеличения скорости реакции, и выгорание данного вида горючего осуществляется взрывным способом.

Осуществление устройства.

На чертеже показана схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство для ускорения газофазных реакций при низких температурах включает в себя камеру сгорания 1, смесительный узел с инжекторами подачи инжектируемого газа в основной поток газа 2, турбулизатор газового потока 3, теплонагревательное устройство одного из компонентов реагирующих газов 4, запорно-регулирующую арматуру 5, системы подачи компонентов реагирующих и буферного нейтрального газов 6, 7, а также, при необходимости, систему подачи дополнительного горючего 8.

В камеру сгорания 1 подается один из реагирующих газов 7, при необходимости через теплообменник 4, и создается равномерный поток основного газа 9, поступающий на вход смесительного устройства с инжекторами 2. Через инжекторное устройство вдувается другой компонент реагирующего газа 6, при этом буферный нейтральный газ может подаваться в смесь основного потока и (или) в инжекторное устройство. В инжекторном устройстве коллектор раздачи газа выполнен в виде ряда трубок с отверстиями, равномерно распределенных по сечению смесительного узла. При этом отверстия в трубках размещают равномерно по сечению основного потока газа, а оси вдуваемых струй инжектируемого газа по отношению к направлению основного потока располагают в диапазоне углов от 0 до 120^o. За инжекторными трубками 2 основной поток газа 9 смешивается с потоком вдуваемого газа 10. На заданном расстоянии от инжекторного устройства 2 размещают турбулизатор 3, вниз по потоку газа представляющий собой набор газодинамических сопел либо решетку из прутков (проволоки) или сетку. За турбулизатором создаются условия перемешивания газов на мономолекулярном уровне, возникает зона индукции и далее зона реакции (фронт пламени). Далее газы поступают на утилизацию либо на выброс.

Оптимизация параметров, поступающих на вход газов, осуществляется с помощью запорно-регулирующей арматуры 5, при необходимости с использованием теплонагревателя 4 или подачи дополнительного горючего 8.

Турбулизатор 3 имеет возможность линейной подвижки относительно инжектора 2 и устанавливается на заданном оптимальном расстоянии от него, зависящем от параметров подаваемых газов и характерных размеров инжекторного устройства. Турбулизатор в камере сгорания необходим для обеспечения смешения газов на мономолекулярном уровне при обязательном выполнении условия, чтобы время перемешивания газов на мономолекулярном уровне τ_см. было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих газов τ_хим то есть τ_см.< τ_хим.. Время смешения на мономолекулярном уровне можно определить τ_см. ~ L²/D м, где: L - тепловой масштаб турбулентности потока газа за турбулизатором; a D_м - коэффициент молекулярной диффузии. Тепловой масштаб турбулентности согласно теории А. Н. Колмогорова можно оценить из формулы L ~ d/Re^3/4, где d - характерный размер отверстий сопел, расстояний между прутками или размера ячейки сетки турбулизатора, a Re - число Рейнольдса, определенное по характерному размеру d и параметрам газового потока. Тогда условие для выбора характерного размера турбулизатора d определяется следующим образом: d < τ_хим(u/ν)³D2м

. Здесь u - скорость газа, а ν - кинематическая вязкость газа.

Использование способа и устройства для его реализации.

Использование способа и устройства для его реализации позволит:
1. В лазерной технике существенно улучшить характеристики технологического газодинамического CO₂-лазера.

2. В химической промышленности создать технологии на основе низкотемпературных газофазных реакций, что позволит существенно снизить энергозатраты и увеличить экономический эффект.

3. Существенно улучшить характеристики камер сгорания.

4. Создать экономически выгодные установки по дожиганию вредных примесей выхлопных газов промышленных объектов.

5. Существенно упростить конструкции, уменьшить их стоимость и удешевить эксплуатацию различных устройств для очистки выхлопных газов от вредных примесей в автомобильной промышленности.

Пример 1. Данный способ ускорения газофазных реакций и устройство для его реализации проверялись и использовались в газодинамическом лазере, в частности, для реакции горения CO в воздухе в присутствии паров воды и углеводородов.

На вход дозвуковой части сверхзвукового сопла подавалась нагретая смесь газов CO, CO₂, H₂, H₂O, N₂, а воздух вдувался через инжекторы перед районом критического сечения сопла. В результате вышеописанных механизмов химической и колебательной кинетики молекул в конце зоны смешения образовывалась зона индукции, а в районе критического сечения сопла - зона реакции (фронт пламени). Расчетные и экспериментальные исследования показали, что реакция горения CO продолжается и в сверхзвуковой части сопла при низкой статической температуре газов. Согласно классическим известным данным в реакции сжигания углеводородов в воздухе в первую очередь выгорает водород, а CO в последнюю очередь и реакция идет при высокой температуре. В то же время экспериментальные исследования показали:
- в процессе реакции при низких температурах газов CO выгорала практически полностью, а H₂ только частично;
- зоны критического сечения и сверхзвуковой части сопла создают условия поддержания реакции в заданном диапазоне параметров;
- измерения характеристик активной среды за сверхзвуковой частью сопла дали существенное увеличение коэффициента усиления активной среды и запасенной колебательной энергии молекул в 2 - 2,5 раза, а колебательной температуры молекулы CO₂ на 300^oC по сравнению с равновесным режимом газодинамического лазера;
- все вышеперечисленные требования, необходимые для протекания реакции, в эксперименте полностью выполняются;
- в выхлопных газах CO отсутствовал.

Таким образом, непосредственно проведенные экспериментальные исследования и прямого измерения колебательных энергий молекул газов полностью подтверждают возможность ускорения газофазных реакций при условии выполнения всех вышеперечисленных требований.

Пример 2. В газодинамическом лазере рабочая смесь газов создавалась в газогенераторе на продуктах сгорания керосина в воздухе с недостатком окислителя таким образом, что нарабатывался CO. Перед сопловым блоком устанавливалась гребенка инжекторов, через которые вдувался воздух для дожигания CO. Эксперименты показали, что при размещении гребенки инжекторов на заданном оптимальном расстоянии от критического сечения сверхзвуковых сопел создавались вышеописанные условия и осуществлялось ускорение химической реакции сгорания CO при низкой статической температуре, причем значения коэффициента усиления активной среды и запасенной колебательной энергии в газе были в два раза выше, чем при равновесном режиме газодинамического лазера, а в выхлопных газах CO отсутствовал. Кроме того, в эксперименте наблюдалось полное выгорание не только CO, но и частиц сажи (твердого углерода C), образующихся в камере сгорания при сжигании углеводородного топлива с недостатком окислителя. Этот важный экспериментальный факт подтверждает возможность использования предлагаемого способа не только для ускорения химических реакций при низких температурах газообразных компонентов, но и твердых веществ в потоке газа.

Пример 3. В авторском изобретении [4] отходящие газы, содержащие окислы азота NO и NO₂, смешивались с CO₂ в соотношении 1:1 - 1:2, пропускались через слой кокса, нагретого до температуры 450 - 550^oC, и очищенные газы выбрасывались в атмосферу. В этом эксперименте в присутствии азота воздуха протекали брутто реакции: 2CO + 2NO = 2CO₂ + N₂ и 2CO + 2NO₂ = 2CO₂ + O₂ + N₂. В то же время нижний колебательный уровень молекулы NO составляет 2760 К, и по отношению к молекуле CO дефект энергии между нижними колебательными уровнями равен 324 К, что близко к дефекту энергий между нижними колебательными уровнями молекул CO и N₂ - 330 К. У молекулы NO₂ третий колебательный уровень деформационной моды имеет энергию 3270 К, что близко к энергии нижнего колебательного уровня молекулы N₂ (3354 К). Таким образом, при протекании газов через щели между кусками кокса за счет хорошей турбулизации должно осуществляться перемешивание отдельных компонентов на мономолекулярном уровне и создаются условия ускорения химических реакций при низкой температуре и полном уничтожении окислов азота.

Пример 4. В авторском изобретении [5] отходящие газы, содержащие окислы азота в количестве 8,8%, смешивались с воздухом и подавались для сжигания в печь, работающую на природном газе. Уже при температуре газов в топке 650 - 1000^oC содержание окислов азота в выхлопных газах не превышало 0,2 - 0,08%. Для подаваемых компонентов газов в присутствии азота воздуха идут брутто реакции: 2CO + O₂ + N₂ = 2CO₂ + N₂, 2NO + 2CO = 2CO₂ + N₂, 2NO₂ + 2CO = 2CO₂ + O₂ + N₂ и выполняются условия ускорения газофазных реакций согласно вышеприведенным требованиям.

Пример 5. В авторском изобретении [6] отходящие газы металлургической или химической промышленности, содержащие окислы азота, пропускают через углеродосодержащий материал, являющийся отходом процесса неполного низкотемпературного сжигания бурого угля. Эксперименты проводились для отходящих газов, содержащих 0,37 г/нм³ окислов азота, и температуре углесодержащего материала 350 - 450^oC, при этом измерялось содержание окислов азота и CO на входе и выходе из печи. Приведенные опытные данные показывают, что в диапазоне температур углесодержащего материала 350 - 380^oC содержание окислов азота на выходе составляло 0,008 - 0,0 г/нм³ а CO 0,1 г/нм³. В данных опытах также создавались условия ускорения вышеописанных газофазных реакций окисления CO и уничтожения окислов азота.

Пример 6. В авторском изобретении [7] агломерационные выхлопные газы, содержащие CO, пропускают через слой агломерата, имеющего начальную температуру 950 - 1000^oC, причем продувка газов предназначалась также и для охлаждения агломерата, поэтому средняя температура газов не превышала 400 - 500^oC. При начальной концентрации CO 1 - 2,03% на выходе в газах она составляла 0,09 - 0,0%. В этих экспериментах также создавались условия ускорения реакции окисления CO при низких температурах.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 738650, кл. В 01 J 19/08, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР N 1544469, кл. В 01 D 53/36, 1985.

3. Авторское свидетельство СССР N 1430080, кл. В 01 D 53/34, 1986.

4. Авторское свидетельство СССР N 831161, кл. В 01 D 53/34, 1974.

5. Авторское свидетельство СССР N 387725, кл. В 01 D 53/34, 1970.

6. Авторское свидетельство СССР N 1611419, кл. В 01 D 53/34, 1988.

7. Авторское свидетельство СССР N 982761, кл. В 01 D 53/34, 1981.

8. WO 96/22158, кл. B 01 J 8/12, 1997.

Изобретение может быть использовано при проектировании и создании камер сгорания, в химической, нефтехимической, автомобильной промышленностях, в лазерной технике, в областях техники и промышленности, где необходимо очищать выхлопные газы от вредных примесей. Способ ускорения газофазных реакций при низких температурах между газообразными компонентами заключается в том, что подбирают смесь реагирующих газов и буферного, нейтрального компонента так, чтобы колебательные уровни молекул реагирующих газов были близки к колебательным уровням молекул буферного, нейтрального газа, а также к колебательным уровням молекул, являющихся продуктом реакции. Затем осуществляют перемешивание компонент на мономолекулярном уровне, при этом параметры буферного и реагирующих компонент подбирают и поддерживают в процессе протекания реакции в заданном диапазоне для создания условий самоускоряющейся реакции при низкой статической температуре. Создаются условия, когда в смеси газов за счет химических реакций накапливается колебательная энергия, которая передается молекулам реагирующих газов, ускоряя химические реакции. Это, в свою очередь, приводит к росту количества молекул, образовавшихся в результате реакции, и увеличению запасенной колебательной энергии в смеси газов и дальнейшему ускорению реакций. Происходит взрывное выгорание горючего, причем осуществляется это при низкой статической температуре. Устройство для ускорения газофазных реакций при низких температурах содержит в камере сгорания смесительный узел инжектируемого газа в основной поток газа, который выполнен в виде ряда трубок с отверстиями, равномерно распределенных по сечению основного потока газа. При этом оси вдуваемых струй инжектируемого газа по отношению к направлению основного потока газа расположены в диапазоне углов от 0 до 120°. Кроме того, вниз по потоку газа от инжектора установлен турбулизатор, сделанный в виде решетки газодинамических сопел либо в виде гребенки прутков или сетки. При этом характерный размер d отверстий турбулизатора выбран из условия d < τ2хим

(u/ν)³D2м, где τ_хим - скорость химической реакции реагирующих газов, u - скорость смеси газов, ν - кинематическая вязкость смеси газов, D_М - коэффициент молекулярной диффузии смешивающихся газов. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ ускорения газофазных экзотермических реакций при низких температурах между реагирующими газообразными компонентами, включающий их подачу в проточную реакционную камеру, отличающийся тем, что подбирают такую смесь реагирующих компонент, когда молекулы компонента, являющегося продуктом реакции, имеют колебательные уровни, близко расположенные к колебательным уровням молекул, по крайней мере, одного из реагирующих компонент, затем организуют струйное перемешивание реагирующих компонент в потоке газа, при этом параметры компонент подбирают и поддерживают в процессе протекания реакции в заданном диапазоне так, чтобы в зоне перемешивания компонент на мономолекулярном уровне выполнялись условия - время перемешивания компонент было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонент, время химических реакций между молекулами реагирующих компонент было не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции, время передачи колебательной энергии от молекул компонента, являющегося продуктом реакции, к молекулам одного из реагирующих компонент должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции, время релаксации колебательной энергии молекул одного из реагирующих компонент должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции, время передачи колебательной энергии от молекул компонента, являющегося продуктом реакции, к молекулам одного или нескольких реагирующих компонент должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции, а также молекул одного или нескольких реагирующих компонент, время релаксации колебательной энергии молекул одного или нескольких реагирующих компонент должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций образования молекул компонента, являющегося продуктом реакции, время релаксации колебательной энергии молекул одного или нескольких реагирующих компонент должно быть не менее пролетного времени смеси компонентов зоны индукции и зоны реакции. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в смесь компонентов добавляют буферный, нейтральный газ, молекулы которого имеют колебательные уровни, близко расположенные к колебательным уровням молекул компонента, являющегося продуктом реакции, и к колебательным уровням молекул, по крайней мере, одного из реагирующих компонент, затем организуют струйное перемешивание реагирующих компонент в потоке газа, при этом параметры компонент подбирают и поддерживают в процессе протекания реакции в заданном диапазоне так, чтобы в зоне перемешивания компонент на мономолекулярном уровне выполнялись условия - время перемешивания компонент было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонент, время химических реакций между молекулами реагирующих компонент было не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции, время передачи колебательной энергии от молекул компонента, являющегося продуктом реакции, к молекулам буферного компонента должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции, время релаксации колебательной энергии молекул буферного компонента должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекул компонента, являющегося продуктом реакции, время передачи колебательной энергии от молекул буферного компонента к молекулам одного или нескольких реагирующих компонент должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул буферного компонента, а также молекул одного или нескольких реагирующих компонент, время релаксации колебательной энергии молекул одного или нескольких реагирующих компонент должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций образования молекул компонента, являющегося продуктом реакции, время релаксации колебательной энергии молекул буферного компонента должно быть не менее пролетного времени смеси компонентов зоны индукции и зоны реакции. 3. Устройство для ускорения газофазных экзотермических реакций при низких температурах, включающее в себя камеру сгорания, запорно-регулирующую арматуру, системы подачи реагирующих газов, отличающееся тем, что в камере сгорания смесительный узел инжектируемого газа в основной поток газа выполнен в виде ряда трубок с отверстиями, равномерно распределенных по сечению основного потока газа, а оси вдуваемых струй инжектируемого газа по отношению к направлению основного потока газа расположены в диапазоне углов от 0 до 120°, кроме того, вниз по потоку газа от инжектора установлен турбулизатор, выполненный в виде решетки газодинамических сопел, причем характерный размер d отверстий турбулизатора выбран из условия
d < τ2хим

(u/ν)³D2м,
где τ_хим - скорость химической реакции реагирующих газов;
u - скорость смеси газов;
ν - кинематическая вязкость смеси газов;
D_м - коэффициент молекулярной диффузии смешивающихся газов,
при этом турбулизатор имеет возможность линейной подвижки относительно инжекторного устройства и он установлен на оптимальном расстоянии от инжектора, зависящего от параметров смеси газов и характерных размеров инжектора, а системы подачи буферного и реагирующих газов снабжены теплонагревательным устройством и узлом подачи дополнительного горючего. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что турбулизатор выполнен в виде гребенки прутков проволоки. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что турбулизатор выполнен в виде сетки.