СПОСОБ ОБРАБОТКИ ФТОРУГЛЕРОДНОГО СЫРЬЯ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В НЕМ ЗОНД ТУШЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК C07C19/08 B01D5/00 

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к обработке фторуглеродного сырья, а в частности имеет отношение к способу обработки фторуглеродного сырья и к зонду тушения (резкого охлаждения), предназначенному для использования в указанном способе.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается способ обработки фторуглеродного сырья, который предусматривает

генерирование в зоне высокой температуры электрической дуги между по меньшей мере одним катодом и по меньшей мере одним анодом;

генерирование в зоне высокой температуры и при помощи электрической дуги и газообразной плазмы, термической плазмы имеющей хвостовой факел;

предоставление возможности образования из фторуглеродного сырья, которое содержит по меньшей мере одно фторуглеродное соединение, химически активной термической (тепловой) смеси с хвостовым факелом термической плазмы, с фторуглеродным соединением, которое диссоциирует с образованием по меньшей мере одного предшественника фторуглерода или химически активных разновидностей, имеющих меньше атомов углерода, чем фторуглеродное соединение; и

охлаждение химически активной термической смеси для образования из предшественника фторуглерода или химически активных разновидностей фторуглеродного продукта.

Газообразной плазмой, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, может быть инертный газ, такой как аргон, азот, гелий или их смеси. Инертный газ при этом используют только в качестве источника теплоты и для поддержания плазмы, причем он не вступает в реакцию с предшественником фторуглерода или с химически активными разновидностями. Однако в другом варианте изобретения газообразная плазма может быть химически активным газом, таким как тетрафторметан, (четырехфтористый углерод) (СF₄), который будет разлагаться в термической плазме и, следовательно, в химически активной термической смеси, с образованием содержащих фтор разновидностей и содержащих углерод разновидностей, которые при охлаждении химически активной термической смеси будут вступать в реакцию с предшественником фторуглерода или с химически активными разновидностями с образованием указанного фторуглеродного продукта. В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, газообразная плазма может содержать смесь инертного газа и указанного химически активного газа, что далее описано более подробно.

Фторуглеродное соединение может иметь, например, пять или более атомов углерода. Следовательно, предшественник фторуглерода или химически активные разновидности могут затем иметь менее пяти атомов углерода; фторуглеродный продукт может затем иметь по меньшей мере одно фторуглеродное соединение, которое также имеет менее пяти атомов углерода.

В то время как фторуглеродное сырье может быть более или менее чистым сырьем, которое содержит единственное фторуглеродное соединение, такое как C₆F₁₄, не исключен случай, когда сырье нормально представляет собой не используемый непосредственно фторуглеродный продукт, который содержит два или более таких фторуглеродных соединений, как C₅F₁₂, C₆F₁₄, C₇F₁₆, C₈F₁₈, C₄F₈O, C₈F₁₆O, (C₃F₇)₃N, C₆F₁₃H, C₆F₁₂H₂, и т.п. Нормально один компонент присутствует в таком продукте в качестве доминирующего компонента, то есть образует большую часть такого продукта.

В соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения фторуглеродное сырье может иметь жидкую форму. В таком случае газообразная плазма может быть подана отдельно от сырья в зону высокой температуры.

Однако в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения фторуглеродное сырье может иметь паровую форму. В таком случае оно может быть подано в зону высокой температуры вместе с газообразной плазмой или может быть введено отдельно от газообразной плазмы, например, в горелку или плазматрон при подаче газообразной плазмы в зону высокой температуры.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения фторуглеродное сырье первоначально может иметь жидкую форму и может испаряться ранее поступления в зону высокой температуры вместе с газообразной плазмой или ранее подачи отдельно, как уже было упомянуто здесь ранее. Испарение сырья может быть осуществлено за счет пропускания жидкого сырья через барботер при соответствующей температуре или при помощи любого другого средства испарения.

Типичными продуктами, которые могут быть получены, являются тетрафторметан (CF₄), тетрафторэтилен (С₂F₄), гексафторэтилен (C₂F₆), гексафторпропилен (С₃F₆), гексафторбутан (С₄F₆), циклический октафторбутилен (c-C₄F₈), декафторбутилен (C₄F₁₀), октафторпропилен (С₃F₈) и другие C_xF_y цепочки, в которых х и у являются целыми числами. В качестве катода и анода (то есть в качестве электродов) могут быть использованы электроды плазменной горелки или плазматрона, к которым подводится питание от источника электропитания, причем хвостовой факел плазмы образуется на выходе горелки или плазматрона.

Генерирование термической плазмы, диссоциация фторуглеродных соединений и охлаждение химически активной термической смеси могут быть проведены в плазменном реакторе, на котором смонтирована плазменная горелка или плазматрон и который имеет реакционную камеру. Плазменная горелка или плазматрон могут быть, в частности, установлены у верхнего конца реакционной камеры. В этом случае плазматрон имеет горение в направлении вниз, то есть хвостовой факел плазмы входит в направлении вниз в реакционную камеру.

В принципе могут быть использованы любой подходящий плазматрон или горелка. Например, плазматрон может иметь единственный охлаждаемый водой термокатод и батарею, которая содержит до трех охлаждаемых водой анодов, при этом дуга образуется между катодом и анодами. Катод может иметь соответствующую вставку, такую как вставка из вольфрама или графита.

Зоной высокой температуры может быть область вокруг дуги, в непосредственной близости от дуги и в самой дуге плазменной горелки или плазматрона, то есть в дуге между электродами, и/или область непосредственно ниже плазменной горелки или плазматрона, внутри участка или области расширения реакционной камеры реактора.

Таким образом, расширение хвостового факела термической плазмы, диссоциация фторуглеродного соединения и охлаждение химически активной термической смеси происходят в реакционной камере, причем расширение хвостового факела термической плазмы и диссоциация фторуглеродного соединения осуществляются в первой зоне реакционной камеры, а охлаждение химически активной термической смеси осуществляется во второй зоне реакционной камеры. Плазматрон поэтому должен быть установлен рядом с первой зоной реакционной камеры, чтобы генерирование плазмы и расширение хвостового факела могли быть осуществлены в первой зоне реакционной камеры.

Следовательно, подача в зону высокой температуры газообразной плазмы и, если это применимо, сырья в виде пара, может быть осуществлена за счет вдувания газа между электродами, таким образом, что образуется вихрь термической плазмы в плазменной горелке или в плазматроне. Дополнительно газообразная плазма может быть введена между последовательными анодами для поддержания вихря в первой зоне реакционной камеры.

Сырье, когда оно имеет жидкую форму, может быть введено в горелку или плазматрон, то есть в дугу между электродами или в хвостовой факел плазмы. При введении жидкого сырья в хвостовой факел плазмы оно может быть введено либо тангенциально (по касательной) в хвостовой факел плазмы, либо по оси, в противотоке хвостовому факелу плазмы, или же под любым желательным углом; однако можно полагать, что при подаче сырья по оси в хвостовой факел плазмы, противоположно направлению перемещения хвостового факела плазмы, то есть по оси вверх в хвостовой факел плазмы, могут быть получены особенно хорошие результаты, так как все жидкое сырье в таком случае может быть испарено при помощи хвостового факела ранее входа в плазму в полностью газообразной фазе.

Подачу жидкого сырья в хвостовой факел обычно производят за счет его впрыскивания, например, через впрыскивающее сопло. При запуске для защиты сопла, то есть для охлаждения сопла, жидкое сырье преимущественно впрыскивают непосредственно перед инициированием плазмы. В противном случае подачу сырья в термическую плазму производят после инициирования плазмы.

Дополнительно сырье может быть введено через единственные впуск, точку введения или сопло, или же через множество точек введения, впусков или сопел, что, как можно полагать, увеличивает количество сырья, которое может быть испарено при помощи хвостового факела плазмы.

Охлаждение второй зоны реакционной камеры может быть осуществлено при помощи зонда тушения, которым может быть самоочищающийся зонд тушения. Самоочищающийся зонд тушения может иметь внешний цилиндрический компонент, смонтированный на реакторе, имеющий центральный проход и приспособленный для охлаждения горячего газа или химически активной термической смеси, проходящей через проход; множество размещенных с промежутками по окружности удлиненных зубцов или скребков, выступающих внутрь из внешнего компонента в проход; внутренний цилиндрический компонент, установленный с зазором внутри внешнего компонента, причем внутренний компонент также приспособлен для охлаждения горячего газа или химически активной термической смеси, проходящей через периферический зазор между компонентами; множество размещенных с промежутками по окружности удлиненных зубцов или скребков, выступающих наружу из внутреннего компонента в проход, причем эти зубцы или скребки расположены в шахматном порядке по отношению к зубцам или скребкам на внешнем компоненте; и средство привода для приведения одного цилиндрического компонента в колебания относительно другого цилиндрического компонента. Средством привода может быть, например, подпружиненный рычаг с приводом от поршня.

Однако вместо указанного может быть использована любая другая подходящая методика тушения, такая как быстрое расширение газообразного продукта, тушение (резкое охлаждение) газа при помощи другого холодного газа, и т.п.

Реакционная камера может работать под давлением в диапазоне от почти вакуума до высоких давлений, в зависимости от специфической реакции, то есть в зависимости от вида сырья и желательного получаемого фторуглеродного соединения. Удаление (полученного продукта) может производиться через зонд тушения.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, предлагается зонд тушения, который содержит:

внешний цилиндрический компонент, имеющий центральный проход и приспособленный для охлаждения горячего газа, проходящего через проход;

множество размещенных с промежутками по окружности удлиненных зубцов или скребков, выступающих внутрь из внешнего компонента в проход;

внутренний цилиндрический компонент, установленный с зазором внутри внешнего компонента, причем внутренний компонент также приспособлен для охлаждения горячего газа, проходящего через периферический зазор между компонентами;

множество размещенных с промежутками по окружности удлиненных зубцов или скребков, выступающих наружу из внутреннего компонента в проход, причем эти зубцы или скребки расположены в шахматном порядке по отношению к зубцам или скребкам на внешнем компоненте; и

средство привода для приведения одного цилиндрического компонента в колебания относительно другого цилиндрического компонента.

Внутренний компонент может быть расположен по центру или концентрически внутри внешнего компонента. Во внутреннем и внешнем компонентах может быть предусмотрено одинаковое число зубцов или скребков. Зубцы или скребки могут быть установлены на одинаковом расстоянии друг от друга на своих компонентах. Зубцы или скребки могут идти параллельно друг другу.

Компоненты могут быть полыми и/или могут иметь каналы для пропускания через них жидкости для охлаждения, такой как вода, для того, чтобы охлаждать или тушить горячий газ.

Средство привода может иметь, как уже было упомянуто здесь ранее, подпружиненный рычаг с приводом от поршня, соединенный с одним из цилиндрических компонентов.

За счет колебания одного компонента относительно другого достигается удаление затвердевшего или сублимированного материала, осаждаемого на их поверхностях при проходе газа через кольцевой зазор между компонентами.

Зонд тушения особенно хорошо подходит для использования в описанном здесь выше плазменном реакторе; однако его использование не ограничивается только таким случаем использования. Обычно внешний компонент должен быть закреплен на реакторе, а внутренний компонент может колебаться относительно внешнего компонента.

Далее изобретение будет описано в качестве примера со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 показана в упрощенном виде блок-схема установки для осуществления способа обработки фторуглеродного сырья в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.2 показано трехмерное изображение зонда тушения реактора фиг.1.

На фиг.3 показана в упрощенном виде блок-схема установки для осуществления способа обработки фторуглеродного сырья в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 позицией 10 обозначена в целом установка для осуществления способа обработки фторуглеродного сырья в соответствии с настоящим изобретением.

Установка 10 содержит плазменный реактор, обозначенный в целом позицией 12. Реактор 12 имеет удлиненную форму и установлен вертикально. Реактор имеет двойную стенку с водяным охлаждением (не показано), с отверстиями для отбора проб в боковой стенке реактора, расположенными на различной высоте (не показаны). Отверстия для отбора проб используют для оценки плазмы, которая образуется в верхней части реактора, для различных газов, для получения профилей температуры, форм течения и данных о составе газа внутри реактора при горении плазмы.

Трубопровод подачи сырья 14 входит в боковую стенку реактора 12 и имеет направленное верх впрыскивающее сопло 16.

Установка 10 содержит плазменную горелку или плазматрон, обозначенный в целом позицией 20 и установленный на верхнем конце реактора 12. Плазменная горелка или плазматрон 20 содержит охлаждаемый водой термокатод (не показан) и батарею до трех охлаждаемых водой анодов (не показана). Термокатод содержит вольфрамовую или графитовую вставку (не показана). Линия (трубопровод) введения газообразной плазмы 22 подключена к плазменной горелке 20. В рабочем состоянии через линию 22 газообразную плазму вводят (вдувают) в горелку между катодом и анодом таким образом, что результирующий газовый поток образует вихрь стабилизированной плазмы.

Установка 10 также содержит самоочищающийся зонд тушения, который обозначен в целом позицией 30, выступающий в нижний конец реактора 12. Самоочищающийся зонд тушения 30 содержит удлиненный цилиндрический внешний компонент 32 с водяным охлаждением, который закреплен на реакторе 12. Внешний компонент 32 (фиг. 2) имеет центральный проход, в который выступают размещенные с одинаковыми промежутками удлиненные выступающие радиально внутрь зубцы или скребки 34. Внутри прохода внешнего компонента 32 расположен с периферическим зазором удлиненный цилиндрический внутренний компонент 36 с водяным охлаждением. Размещенные с одинаковыми промежутками удлиненные выступающие радиально наружу зубцы или скребки 38 предусмотрены на внутреннем компоненте 36, причем зубцы 38 смещены по окружности относительно зубцов 34. Зубцы 34, 38 могут идти по всей длине компонентов 32, 36, причем компоненты 32, 36 имеют главным образом одинаковую длину. Внутренний компонент 36 снабжен средством привода (не показано), таким как подпружиненный рычаг с приводом от поршня, для создания его колебаний относительно внешнего компонента 32, как показано стрелкой 40. Таким образом, удаление твердых загрязнений с компонентов 32, 36 производят за счет колебаний зубцов 34, 38. За счет перемещения зонда тушения 30 вверх и вниз может быть увеличена или уменьшена эффективная длина реактора, что позволяет оптимизировать длину реакционной камеры.

Зонд тушения 30 таким образом представляет собой двойной кольцевой охлаждаемый водой зонд, предназначенный для охлаждения газообразной плазмы или химически активной термической смеси, которая образуется внутри реактора 12, как уже было упомянуто здесь ранее, до температуры ниже 200°С, со скоростью около 10⁵°С в секунду. Зонд имеет самоочистку для предотвращения его забивания (засорения), так как в рабочем состоянии на поверхностях зонда осаждается застывший или сублимированный материал.

Трубопровод 50 ведет от нижнего конца зонда тушения 30 в фильтр 52, причем трубопровод 54 идет от фильтра 52 к вакуумному насосу 56. Трубопровод удаления продукта 58 идет от выпуска насоса. При помощи вакуумного насоса 56 создается вакуум в реакторе 12.

При подаче газообразной плазмы, такой как аргон, в плазменную горелку 20 через трубопровод 22 генерируется плазма между катодом и анодами и у верхнего конца реакционной камеры (не показана) реактора 12. Плазма горит в направлении вниз и образуется перемещающийся вниз и поперечно расширяющийся хвостовой факел плазмы. Впрыскивающее сопло 16 сырья расположено в хвостовом факеле. Жидкое сырье, которое содержит по меньшей мере одно фторуглеродное соединение, имеющее пять или более атомов углерода, впрыскивают через сопло 16, в направлении, смещенном на 180° относительно направления движения хвостового факела плазмы (то есть вверх); сырье при этом испаряется и имеет таким образом полностью газообразную форму, когда оно вступает в реакцию с газообразной плазмой, фторуглеродное соединение сырья диссоциирует с образованием предшественников фторуглерода или химически активных разновидностей. Это происходит в верхней зоне реакционной камеры, предусмотренной в реакторе 12. В ходе движения химически активной термической смеси в направлении вниз и ее поступления в нижнюю зону реакционной камеры, то есть в зону, в которой расположен зонд тушения 30, происходит охлаждение химически активной термической смеси, в результате чего образуется плазменный продукт, который содержит по меньшей мере одно более желательное фторуглеродное соединение, имеющее менее пяти атомов углерода.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 3, на которой позицией 100 обозначена в целом установка для осуществления способа обработки фторуглеродного сырья в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения.

Узлы установки 100, которые аналогичны узлам описанной здесь ранее со ссылкой на фиг. 1 установки 10, имеют одинаковые позиционные обозначения.

Установка 100 содержит питающий баллон 102, в котором содержится CF₄ газообразная плазма. От баллона 102 идет подводящий трубопровод газообразной плазмы 22, оснащенный регулирующим клапаном (вентилем) 104 и отсечным клапаном 106. Трубопровод 108 идет от трубопровода 22, выше по течению относительно клапана 106, в барботер 110. Трубопровод 108 оснащен клапаном 109. Трубопровод 112, который идет от барботера 110, оснащен клапаном 114. Трубопровод 112 соединен с трубопроводом 22 ниже по течению относительно клапана 106.

В установке 100 сырье прежде всего испаряется в барботере 110 и затем поступает в виде пара и вместе с CF₄ газообразной плазмой между катодом и анодом. Таким образом, барботер 110 содержит сырье в жидкой форме. CF₄ газообразная плазма барботирует через жидкое сырье, при этом CF₄ газообразная плазма насыщается сырьем в паровой форме ранее поступления в плазменный реактор 12.

В описанных далее специфических Примерах использованы 30 кВт плазменная горелка или плазматрон с расходом газообразной плазмы около 3 кг в час. До проведения испытаний или осуществления примеров система была откачена ориентировочно до 10 кПа и промыта аргоном. Возбуждение плазмы производили при помощи высоковольтного стартера (не показан) и поддерживали при помощи источника питания 30 кВт. После завершения возбуждения аргоновой плазмы производили переключение на желательную газообразную плазму. Следует однако иметь в виду, что в других реакторных системах плазматрон может быть возбужден непосредственно с желательной газообразной плазмой, в зависимости от конструкции плазматрона.

Пример 1

Была использована установка 10, работающая с аргоновой плазмой. В качестве сырья использовали жидкие побочные продукты, образованные фторуглеродами С₆F₁₄-С₁₀F₂₂, причем содержание C₆F₁₄ превышает 90% (на молярный основе). Обнаружили, что по истечении трех часов реактор все еще остается относительно чистым, причем только тонкий слой углерода откладывается на холодных поверхностях реактора.

Полученные результаты показаны в Таблицах 1 и 2.

Пример 2

Была использована та же самая установка, что и в Примере 1. В этом примере использовали CF₄ плазменную горелку и CF₄ газообразную плазму. В Таблицах 1 и 2 показаны результаты этого испытания в сравнении с результатами Примера 1. Единственным существенным различием между Примерами 1 и 2 является то, что в Примере 1 требуется оконечное разделение плазменных газов, так как аргон, использованный для плазмы в Примере 1, является инертным и не принимает участия в реакции. Поэтому избыток аргона следует отделить при проведении дополнительной операции.

Таблица 1Полученные результаты Пример 1
Аr газообразная плазмаПример 2
CF₄ газообразная плазмаЭффективность горелки (%)4477Энергия на входе (кВт)7,525.8Энергия на выходе (кВт)9,725,7Энтальпия под горелкой (кВтч/кг)1,16,6Время прогона (мин)182168Скорость подачи жидкого фторуглерода1,870,91Масса подаваемого сырья (кг)5,672,85Отношение масс отложения и сырья (кг/кг)0,004570,0147

Из рассмотрения Таблицы 1 можно прийти к выводу о том, что расход массы сырья в Примере 1 более чем в 2 раза превышает указанный расход в Примере 2. Однако отложения в Примере 1 были существенно меньше в сравнении с Примером 2. Конверсия с содействием аргона Примера 1 является более эффективной по количеству материала, пропускаемого через систему, для конфигурации системы, показанной на фиг. 1.

Таблица 2Аналитические результатыПлазменные продуктыПример 1
Ar газообразная плазмаПример 2
CF₄ газообразная плазмаВоздух / Аr (%)--CF₄ (%)4,415,7C₂F₆ (%)10,68,7C₂F₄ (%)43,746,8C₃F₈ (%)16,515,6C₃F₆ (%)14,68Другие10,25,2

В Таблице 2 концентрация соединений продукта, анализ которых проводили при помощи газовой хроматографии, была нормализована по отношению к образующим результирующего плазменного продукта для упрощения сравнения между различными примерами. Это исключает искажения, связанные с наличием почти 90% аргона/ воздуха в Примере 1 и 10% воздуха в Примере 2. Однако следует иметь в виду, что чрезмерное содержание аргона в первом прогоне все еще следует отделять от потока продукта, так же как и воздух в том и другом случаях.

Конфигурация реактора, показанная на фиг. 1 и описанная ранее, вместе с использованными и также описанными ранее специфическими условиями процесса были применены для приготовления TFE (C₂F₄). Когда желательно максимально увеличить выход любого другого фторуглеродного продукта, имеющего менее 5 атомов углерода, необходимо изменить условия в реакторе для получения соответствующего выхода специфического продукта.

Пример 3

В этом примере проводили конверсию ряда различных жидких фторуглеродов, указанных в Таблице 3, в полезные продукты, такие как тетрафторэтилен (TFE), гексафторпропилен (HFP) и циклический C₄F₈, с акцентом на TFE. Была использована установка, показанная на фиг. 3. Таким образом, сырье вводили в виде пара в плазматрон между катодом и анодом, что было обеспечено при помощи барботера 110, через который барботировала CF₄ газообразная плазма. Давления пара различного вида сырья, а также температура барботера определяют эффективность испарения и, следовательно, расход сырья, подаваемого в плазму.

Плазменный реактор 12 работал при нормальных условиях запуска в течение ориентировочно 5 минут, после чего начали пропускать CF₄ через жидкое сырье в барботере при давлении в барботере 130 кПа (абс). Затем CF₄, насыщенный парами сырья, подавали в плазменную горелку при давлении 10 кПа (абс). Производили регулировку тока плазмы для достижения желательной энтальпии. Почти все прогоны начинали при энтальпии около 6,4 кВтч/кг газообразной плазмы, которая через час снижалась ориентировочно до 4 кВтч/кг газообразной плазмы. Расход сырья, напряжение и ток плазматрона, температуру сырья, температуру воды охлаждения и давления реактора постоянно измеряли и регистрировали. GC образцы отбирали при условиях стабильного равновесия для отображения каждого прогона.

В Таблице 3 показаны рабочие условия для различных прогонов, расположенные в соответствии с уменьшающимся молекулярным весом (mw) жидкого сырья. Некоторые времена прогона были короче, чем другие, например прогоны с жидким сырьем С₅ и C₆, по причине их более высокой скорости испарения и ограниченной емкости барботера. В некоторых случаях температуру барботера изменяли для исследования воздействия на выход более высокой скорости испарения и, следовательно, скорости подачи в плазму.

В Таблице 4 показаны относительные выходы продукта вместе с энтальпиями плазмы на двух уровнях (в двух местах), а именно у выпуска горелки и непосредственно выше по течению относительно зонда тушения. Обычно наблюдали, что при одинаковых условиях системы (напряжение (В) ток (А), массовый расход CF₄, температура барботера) энтальпия уменьшается при уменьшении молекулярного веса ('mw') жидкости. Это вызвано увеличением количества пара, присутствующего в газовом потоке для образцов с более высокими давлениями пара, что увеличивает полный массовый расход через горелку. Эффективность горелки зависит от энергии, которая теряется внутри горелки за счет радиации (испускания). В аналитических результатах указаны только самые существенные продукты. Другие продукты, такие как С₃F₈, C₄F₆, С₄F₁₀, составляют только ориентировочно 1-2% всех газообразных продуктов. Вообще говоря, при температурах барботера от окружающей температуры до ориентировочно 40°С жидкости с малым молекулярным весом (C₅F₁₂ и C₆F₁₆) дают лучший выход TFE. Основной причиной этого является их более высокая скорость испарения (подачи) при той же скорости подачи CF₄ газообразной плазмы.

В Таблице 5 суммирован баланс массы, рассчитанный для каждого прогона. Выпускной поток процесса не измеряли, однако в связи с тем, что в продукте нет следов конденсируемых материалов, можно предположить, что 100% сырья преобразовано в газообразные продукты, На основании потребления (расхода) CF₄ произвели расчет разности расхода CF₄ на входе и выходе. Однако в колонке баланса углерода указано, что почти во всех прогонах имеется добавка дополнительного углерода, вероятно из графитовой облицовки внутри реактора. Это явление более выражено при высоких энтальпиях, чем при более низких ее значениях.

Важным аспектом процесса конверсии является потребление CF₄. Во всех прогонах, кроме последнего, имеется потребление CF₄. Потребление CF₄ также больше при высоких энтальпиях, чем при более низких энтальпиях. Наоборот, в прогоне 7 (C₅F₁₂) содержание CF₄ в газообразных продуктах выше, чем в первоначально подводимой плазме. Возможное объяснение этого состоит в том, что CF₄ образуется как промежуточный материал в начальном процессе крекинга по меньшей мере для некоторых из указанных жидкостей, причем скорость образования CF₄ в таком случае (малая длина углеродной цепи) превышает ее потребление.

Поверхностно представляется, что высокая энтальпия является полезной для производства TFE, причем феномен усиливается для жидкостей с более высоким молекулярным весом. Однако более внимательное изучение показывает, что это связано также с более высоким потреблением CF₄, а также с использованием углерода за счет эрозии графитной облицовки. Эти результаты показывают, что энергия расходуется скорее на преобразование ценной газообразной плазмы (CF₄) в TFE вместо конверсии жидкого подаваемого сырья. Другой недостаток высокой энтальпии связан с эрозией анода в плазматроне, что далее описано более подробно.

В отличие от этого, секции прогонов низкой энтальпии (первый ряд в каждом прогоне, Таблица 4) четко показывают, что скорость выхода TFE главным образом пропорциональна скорости подачи жидкого фторуглерода. Любые расхождения могут быть отнесены на счет вариации скоростей потребления CF₄. Более того, потребление CF₄ является относительно низким при ориентировочно 0,5 кг/час, за исключением прогона 7, уже упомянутого здесь ранее, где оно к удивлению было отрицательным. Так как CF₄ представляет собой ценные продукт, который использован здесь в качестве газообразной плазмы, то есть как источник теплоты, то в идеальном случае он не должен участвовать в производстве желательных газов, а скорее должен рециркулировать в цикле процесса. Поэтому результаты прогона 7 являются не только неожиданными, но и весьма обнадеживающими, так как они означают, что жидкие фторуглероды с низким молекулярным весом, такие как C₅F₁₂, могут быть использованы в качестве дополнительного источника CF₄ и могут быть введены при правильно выбранной пропорции в любой прогон для установления самоподдерживающейся конверсии фторутлеродных материалов в плазменном реакторе, что позволяет снизить стоимость исходных материалов (сырья).

Скорость производства TFE кажется пропорциональной скорости подачи жидкого фторуглерода, вне зависимости от природы (молекулярного веса) жидкости, а так как скорость подачи сырья (пара) несомненно варьирует пропорционально давлению пара конкретного преобразуемого сырья, то можно полагать, что производительности при использовании сырья с высоким молекулярным весом могут быть повышены за счет повышения температуры жидкого сырья в камере барботера выше верхнего предела 40°С в данных прогонах. Последующие прогоны при таких высоких температурах и при более продолжительном времени (не показано) являются обнадеживающими.

Визуальный осмотр реактора после времени прогона до 4 часов показывает, что нигде в системе нет существенного осадка. Кажется, что графитовая обшивка внутри реактора служит в качестве потребляемого источника углерода, однако существует высокая вероятность того, что первоначальная эрозия была вызвана механическим износом за счет газа с высокой скоростью. Поэтому при длительных прогонах возможно сокращение эрозии до такого уровня, при котором масса графита будет оставаться практически постоянной.

Ни в одном из прогонов не происходит блокировка ни в зонде тушения, ни в фильтрах, которая обычно бывает при подаче необработанного углерода в такой реактор (прогоны не показаны). Аналогично, в ходе ряда предварительных прогонов (также не показаны) нарастание углерода от углеродной вставки в катоде вызывает электрическое короткое замыкание между катодом и анодом. Это более выражено при длительных прогонах, особенно при высоких значениях энтальпии. Однако в ходе данных прогонов не наблюдали существенного нарастания или осаждения в любой форме в плазматроне.

Очевидно, что введение паровой фазы жидкого сырья в плазму является выгодным и приводит к получению хороших результатов при малых эксплуатационных расходах. Более того, можно контролировать относительный выход продуктов за счет регулировки параметров процесса или состава питающей смеси, или того и другого.

Можно полагать, что способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет произвести конверсию любого содержащего фтор или углерод химиката или вещества, которое не является непосредственно используемым, в том числе фторуглеродного соединения, которое имеет пять или более атомов углерода, в полезные продукты, такие как TFE, при помощи пиролиза при высокой температуре. В частности, указанный способ позволяет провести конверсию жидких фторуглеродных побочных продуктов в полезные и ценные газообразные продукты, содержащие фтор.

Изобретение относится к переработке жидкого фторуглеродного сырья в ценные газообразные продукты, содержащие фтор, а также к применяемому в способе зонду тушения (резкого охлаждения). Способ обработки фторуглеродного сырья предусматривает генерирование в зоне высокой температуры электрической дуги между по меньшей мере одним катодом и по меньшей мере одним анодом, генерирование в зоне высокой температуры и при помощи электрической дуги и газообразной плазмы термической плазмы, имеющей хвостовой факел. При этом из фторуглеродного сырья, которое содержит по меньшей мере одно фторуглеродное соединение, образуется химически активная термическая смесь с хвостовым факелом термической плазмы. Фторуглеродное соединение диссоциирует с образованием по меньшей мере одного предшественника фторуглерода или его химически активных разновидностей, имеющих меньше атомов углерода, чем фторуглеродное соединение. Далее происходит охлаждение химически активной термической смеси с образованием из предшественника фторуглерода или химически активных разновидностей фторуглеродного продукта. Предпочтительно сырье имеет жидкую форму и представляет собой фторуглеродные побочные продукты, содержащие два или больше фторуглеродных соединений, причем одно из них составляет большую часть продукта в виде основного компонента, обычно содержащего менее пяти атомов углерода. Предпочтительно сырье вводят в хвостовой факел плазмы, а плазму подают в зону высокой температуры. Самоочищающийся зонд тушения содержит внешний цилиндрический компонент, смонтированный на реакторе и имеющий центральный проход для охлаждения горячего газа или химически активной термической смеси. Внутренний цилиндрический компонент установлен с зазором внутри внешнего компонента и служит для охлаждения горячего газа или химически активной термической смеси, которые проходят через периферический зазор между компонентами. Технический результат - снижение эксплуатационных расходов, возможность регулировки параметров процесса, а также состава питающей смеси и выхода конечных продуктов. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 табл., 3 ил.

1. Способ обработки фторуглеродного сырья, который предусматривает генерирование в зоне высокой температуры электрической дуги между по меньшей мере одним катодом и по меньшей мере одним анодом; генерирование в зоне высокой температуры и при помощи электрической дуги и газообразной плазмы термической плазмы, имеющей хвостовой факел; предоставление возможности образования из фторуглеродного сырья, которое содержит по меньшей мере одно фторуглеродное соединение, химически активной термической смеси с хвостовым факелом термической плазмы, с фторуглеродным соединением, которое диссоциирует с образованием по меньшей мере одного предшественника фторуглерода или химически активных разновидностей, имеющих меньше атомов углерода, чем фторуглеродное соединение; и охлаждение химически активной термической смеси для образования из предшественника фторуглерода или химически активных разновидностей по меньшей мере одного более желательного фторуглеродного продукта.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразная плазма представляет собой инертный газ, который используют только в качестве источника теплоты и для поддержания плазмы, причем он не вступает в реакцию с предшественником фторуглерода или с химически активными разновидностями.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразная плазма представляет собой химически активный газ, который в термической плазме и, следовательно, в химически активной термической смеси диссоциирует с образованием содержащих фтор разновидностей и содержащих углерод разновидностей, которые при охлаждении химически активной термической смеси вступают в реакцию с предшественником фторуглерода или с химически активными разновидностями для образования указанного фторуглеродного продукта.4. Способ по одному из пп.1-3, в котором фторуглеродное соединение имеет пять или более атомов углерода, причем предшественник фторуглерода или химически активные разновидности имеют менее пяти атомов углерода, а фторуглеродный продукт, который содержит по меньшей мере одно фторуглеродное соединение, также имеет менее пяти атомов углерода.5. Способ по одному из пп.1-4, в котором сырье представляет собой не используемый непосредственно фторуглеродный продукт, который содержит два или больше фторуглеродных соединений, причем одно соединение присутствует в продукте как основной компонент так, что оно образует большую часть продукта.6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что фторуглеродное сырье имеет жидкую форму и его вводят в хвостовой факел плазмы, причем газообразную плазму подают в зону высокой температуры.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что сырье вводят в хвостовой факел плазмы за счет подачи сырья по оси в хвостовой факел плазмы в направлении, противоположном направлению перемещения хвостового факела плазмы.8. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что фторуглеродное сырье имеет паровую форму и его вводят в зону высокой температуры совместно с газообразной плазмой.9. Способ по одному из пп.6-8, отличающийся тем, что катод и анод представляют собой электроды плазменной горелки или плазматрона, возбуждаемых при помощи источника питания, причем хвостовой факел образуется на выпуске горелки или плазматрона.10. Способ по п.9, отличающийся тем, что генерирование термической плазмы, диссоциацию фторуглеродного соединения и охлаждение химически активной термической смеси проводят в плазменном реакторе, который имеет реакционную камеру и на котором смонтированы плазменная горелка или плазматрон, причем плазменная горелка или плазматрон расположены у верхнего конца реакционной камеры и имеют горение в направлении вниз таким образом, что хвостовой факел плазмы входит в направлении вниз в реакционную камеру, при этом плазменная горелка или плазматрон содержит единственный охлаждаемый водой термокатод и батарею, которая содержит до трех охлаждаемых водой анодов, причем дуга образуется между катодом и анодами.11. Способ по п.10, отличающийся тем, что зона высокой температуры предусмотрена в области вокруг дуги, в непосредственной близости от дуги и в самой дуге плазменной горелки или плазматрона, и/или в области непосредственно ниже плазменной горелки или плазматрона, внутри участка или области расширения реакционной камеры реактора.12. Способ по п.11, отличающийся тем, что расширение хвостового факела термической плазмы, диссоциация фторуглеродного соединения и охлаждение химически активной термической смеси происходят в реакционной камере, причем расширение хвостового факела термической плазмы и диссоциация фторуглеродного соединения осуществляются в первой зоне реакционной камеры, а охлаждение химически активной термической смеси осуществляется во второй зоне реакционной камеры, при этом плазматрон смонтирован на реакторе рядом с первой зоной реакционной камеры, чтобы генерирование плазмы и расширение хвостового факела могли быть осуществлены в первой зоне реакционной камеры.13. Способ по п.12, отличающийся тем, что подачу газообразной плазмы в зону высокой температуры осуществляют путем вдувания газообразной плазмы между анодом и катодом таким образом, что образуется вихрь термической плазмы в плазменной горелке или плазматроне.14. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительная газообразная плазма вводится между последовательными анодами для поддержания вихря через первую зону реакционной камеры.15. Способ по одному из пп.12-14, отличающийся тем, что охлаждение второй зоны реакционной камеры осуществляют при помощи самоочищающегося зонда тушения.16. Способ по п.15, отличающийся тем, что самоочищающийся зонд тушения содержит внешний цилиндрический компонент, смонтированный на реакторе, имеющий центральный проход и приспособленный для охлаждения горячего газа или химически активной термической смеси, проходящих через проход; множество размещенных с промежутками по окружности удлиненных зубцов или скребков, выступающих внутрь из внешнего компонента в проход; внутренний цилиндрический компонент, установленный с зазором внутри внешнего компонента, причем внутренний компонент также приспособлен для охлаждения горячего газа или химически активной термической смеси, проходящих через периферический зазор между компонентами; множество размещенных с промежутками по окружности удлиненных зубцов или скребков, выступающих наружу из внутреннего компонента в проход, причем эти зубцы или скребки расположены в шахматном порядке по отношению к зубцам или скребкам на внешнем компоненте; и средство привода для приведения одного цилиндрического компонента в колебания относительно другого цилиндрического компонента.17. Зонд тушения, который содержит внешний цилиндрический компонент, имеющий центральный проход и приспособленный для охлаждения горячего газа, проходящего через проход; множество размещенных с промежутками по окружности удлиненных зубцов или скребков, выступающих внутрь из внешнего компонента в проход; внутренний цилиндрический компонент, установленный с зазором внутри внешнего компонента, причем внутренний компонент также приспособлен для охлаждения горячего газа, проходящего через периферический зазор между компонентами; множество размещенных с промежутками по окружности удлиненных зубцов или скребков, выступающих наружу из внутреннего компонента в проход, причем эти зубцы или скребки расположены в шахматном порядке по отношению к зубцам или скребкам на внешнем компоненте; и средство привода для приведения одного цилиндрического компонента в колебания относительно другого цилиндрического компонента.18. Зонд тушения по п.17, отличающийся тем, что внутренний компонент расположен по центру внутри внешнего компонента; и/или во внутреннем и внешнем компонентах предусмотрено одинаковое число зубцов или скребков; и/или зубцы или скребки установлены на одинаковом расстоянии друг от друга на своих компонентах; и/или зубцы или скребки идут параллельно друг другу.19. Зонд тушения по п.17 или 18, отличающийся тем, что внутренний и внешний компоненты являются полыми и/или имеют каналы для пропускания через них жидкости для охлаждения, для того чтобы охлаждать или тушить горячий газ.20. Зонд тушения по одному из пп.17-19, отличающийся тем, что средство привода содержит подпружиненный рычаг с приводом от поршня, соединенный с одним из цилиндрических компонентов.