Способ получения электрического разряда в среде сверхкритического флюида Российский патент 2021 года по МПК H01J13/00 B01J19/08 B01J3/00 H01J37/02 

Изобретение относится к плазменной технике и технологии и может быть использовано для получения электрического разряда в большем объеме в среде сверхкритического флюида.

Известны способы получения электрического разряда в газовых и жидких средах.

Предлагаемый способ - получение разряда в среде сверхкритического флюида, физико-химические свойства которого являются промежуточными между жидкостью и газом.

Известен способ (Plante G.11 Zeit. Phys. 1875. №80.S.1133) получения парогазового разряда. При данном способе получения парогазового разряда разряд горит между угольным анодом и электролитическим катодом в интервале межэлектродного расстояния от 1 и 7 мм при токе разряда от 5 до 250 А и напряжении разряда 500≤U≤1200 В. Недостатком известного способа является то, что разряд горит точечным пятном на аноде контрагированным плазменным столбом и конусообразным каналом в прикатодной области с ростом межэлектродного расстояния, устойчивость паровоздушного разряда существенно ухудшается и разряд гаснет. Разряд горит в небольшом объеме - 70 мм³.

Известен способ получения электрического разряда (Гайсин Аз.Ф., патент № 2457571), заключающееся в зажигании многоканального разряда между струей - электродом и металлическим электродом, в котором в качестве струи электролита используют электролит, состоящий из последовательных непрерывных капель, являющийся анодом, а металлический электрод является катодом, полученный путем подачи напряжения между электродами, равного U≥200 В, при токе разряда I в диапазоне 0,015≤I≤250 А, при общей длине струи капель lск≥2 мм, диаметре капель dк≥2 мм, при расходе капель электролита Gк≥1 г/с.

В качестве прототипа выбран способ непрерывного осуществления электрохимической реакции в суб- и сверхкритических флюидах и устройство для его проведения (Брункин А.А., патент № 2442644), который включает подачу потока исходного реагента со сверхкритическим давлением, электрохимическую активацию потока в зоне разряда с образованием множества парогазовых пузырьков кавитационной смеси, снижение в зоне реакции скорости потока, осуществление дальнейшего взаимодействия кавитационной смеси, обеспечивающее коллапсирование парогазовых пузырьков с образованием реакционной смеси и дросселирование потока реакционной смеси через редуцирующее устройство, поддерживающее необходимое сверхкритическое давление в зоне реакции. Устройство для проведения способа содержит средство подачи исходного реагента, электроразрядный реактор в виде цилиндрического корпуса, который имеет две взаимосвязанные реакционные зоны, зону разряда и зону реакции, коаксиально установленный внутри реактора электрод, выведенный через диэлектрическую вставку к источнику тока, и редуцирующее устройство. Недостатком способа является то, что электрохимическую активацию исходного реагента осуществляют в зоне разряда электроразрядного реактора электрическим разрядом высокой плотности при субкритическом давлении турбулентного истечения флюида, а не в сверхкритическом состоянии вещества.

Сверхкритическое флюидное состояние - это состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки, является сверхкритической жидкостью. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, сверхкритическая жидкость обладает высокой плотностью, близкой к плотности жидкости, низкой вязкостью и при отсутствии межфазных границ поверхностное натяжение также исчезает. Диффузионное проникновение газа в обрабатываемый материал при этом имеет промежуточное значение между таковыми для жидкости и газа. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является получение стабильного электрического разряда между металлическим электродом, являющимся анодом, погруженным в раствор электролита, являющийся одновременно катодом, и находящийся в сверхкритическом флюидном состоянии в замкнутом объеме с нулевой скоростью движения (статический режим).

Технический результат предлагаемого способа получения электрического разряда в среде сверхкритического флюида заключается в получении устойчивого электрического разряда между анодом и катодом при сверхкритических параметрах катода.

Технический результат предлагаемого способа получения электрического разряда в среде сверхкритического флюида, включающий подачу на металлический анод, погруженный в раствор электролита, являющегося одновременно катодом, напряжения, равного U≥50 В, при токе разряда I в диапазоне 0,015≤I≤250 А, достигается тем, что в качестве электролита используется сверхкритический флюид, состоящий из газа с температурой (1,01-3)Т_кр и давлением (1,01-6)Р_кр и органической токопроводящей добавки в количестве (0.5-50)% от массы газа, находящихся в замкнутом объеме с нулевой скоростью движения (статический режим) при определенных термобарических параметрах и составе среды, где U - напряжение между электродами; I - ток разряда; Т_кр - температура критической точки газа; Р_кр - давление критической точки газа.

На фиг. 1 показан чертеж устройства для получения электрического разряда. Устройство для получения электрического разряда (Фиг. 1) содержит холодильник (1); насос для подачи газа в систему (2); ресивер с системой нагрева и термостатирования (3), предназначенный для получения сверхкритической флюидной фазы с заданными параметрами и равномерного перемешивания сверхкритического флюида и органической токопроводящей добавки; ячейку с системой нагрева и термостатирования для получения электрического разряда (4); заземление корпуса ячейки (5); сепаратор (6); массовый расходомер - регулятор расхода газа (7); регулятор давления «до себя» (8); насос для подачи органической токопроводящей добавки (9); металлический анод (10), помещенный вовнутрь ячейки и выходящий из нее через диэлектрический уплотнитель; источник питания (11).

Рассмотрим осуществление способа получения электрического разряда. Способ получения электрического разряда включает подачу газа из баллона в холодильник (1) с целью его сжижения, после чего жидкая фаза поступает в насос (2), который закачивает ее в ресивер (3) до момента достижения заданного давления, равного (1,01-6)Р_кр. Одновременно с этим, насос (8) подает в ресивер (3) органическую добавку в заданном количестве. В ресивере происходит нагрев смеси до заданной температуры, равной (1,01-3)Т_кр, и переход смеси в сверхкритическую фазу, после чего проводящая смесь, подается в ячейку высокого давления (4), где расположена зона разряда и происходит зажигание электрического разряда между анодом и катодом от источника питания (10), когда в качестве электролита используется сверхкритический флюид, состоящий из газа с температурой (1,01-3)Т_кр и давления (1,01-6)Р_кр и органической токопроводящей добавки в количестве (0.5-50)% от массы газа. Электрический разряд получают путем подачи напряжения между анодом и катодом, равного U≥100 В, при токе разряда I в диапазоне 0,015≤I≤250 А, где U - напряжение между электродами; I - ток разряда; Т_кр - температура критической точки газа; Р_кр - давление критической точки газа. По окончании работ источник питания отключается, газ из ресивера и ячейки медленно стравливается в атмосферу.

Указанные выше термобарические условия сверхкритического флюида выбраны именно такими, т.к. только при таких условиях обеспечивается получение заявленного электрического разряда.

Способ осуществляют следующим образом:

Пример 1. Для получения сверхкритической флюидной среды газ, в частности взят диоксид углерода, который подают из баллона в холодильник (1) с целью его сжижения, после чего жидкая фаза поступает в насос (2), который закачивает ее в ресивер (3) до момента достижения заданного давления, равного 10 МПа. Одновременно с этим, насос (8) подает в ресивер (3) органическую добавку - уксусную кислоту в количестве 25% от массы диоксида углерода. В ресивере происходит нагрев смеси до заданной температуры, равной 45°С, и переход смеси в сверхкритическую фазу, после чего смесь, подается в ячейку высокого давления (4), где расположена зону разряда и происходит зажигание электрического разряда между анодом и катодом от источника питания (10). Электрический разряд произошел при подаче подачи напряжения между электродами, равного U≥100 В, при токе разряда I не менее 5 А, где U - напряжение между электродами; I - ток разряда.

Пример 2. Для получения сверхкритической флюидной среды газ, в частности взят диоксид углерода, который подают из баллона в холодильник (1) с целью его сжижения, после чего жидкая фаза поступает в насос (2), который закачивает ее в ресивер (3) до момента достижения заданного давления, равного 10 МПа. Одновременно с этим, насос (8) подает в ресивер (3) органическую добавку - уксусную кислоту в количестве 15% от массы диоксида углерода. В ресивере происходит нагрев смеси до заданной температуры, равной 55°С, и переход смеси в сверхкритическую фазу, после чего смесь, подается в ячейку высокого давления (4), где расположена зону разряда и происходит зажигание электрического разряда между анодом и катодом от источника питания (10). Электрический разряд произошел при подаче подачи напряжения между электродами, равного U≥145 В, при токе разряда I не менее 10 А, где U - напряжение между электродами; I - ток разряда.

Таким образом, в предлагаемом способе получения электрического разряда, решаемая техническая задача получения электрического разряда в процессе горения между анодом и катодом в среде сверхкритического флюида при нулевом расходе (статический режим), по сравнению с прототипом, достигается за счет подбора определенных термобарических параметров среды и добавления органической токопроводящей добавки в количестве (0.5-50)% от массы газа.

Изобретение относится к плазменной технике и технологии и может быть использовано для получения электрического разряда в большом объеме. Технический результат - повышение устойчивости электрического разряда между анодом и катодом при сверхкритических параметрах катода. Способ получения электрического разряда в среде сверхкритического флюида включает электрохимическую активацию исходного реагента в зоне разряда. В зону разряда, расположенную в ячейке высокого давления, подают исходный реагент, включающий смесь негорючих газов и органическую токопроводящую добавку в количестве (0.5-50)% от массы газа, электрохимическую активацию проводят при температуре (1,01-3)Ткр и давлении (1,01-6)Ркр, где Ткр и Ркр - это температура и давление образования сверхкритической фазы исходной смеси, при этом на катод и анод подают ток разряда I в диапазоне 0,015≤I≤250 А, напряжения, равного U≥50 В, для образования электрического разряда между анодом и катодом, а в качестве электролита используют сверхкритический флюид. 1 ил.

Способ получения электрического разряда в среде сверхкритического флюида, включающий электрохимическую активацию исходного реагента в зоне разряда, отличающийся тем, что в зону разряда, расположенную в ячейке высокого давления, подают исходный реагент, включающий смесь негорючих газов и органическую токопроводящую добавку в количестве (0.5-50)% от массы газа, электрохимическую активацию проводят при температуре (1,01-3)Ткр и давлении (1,01-6)Ркр, где Ткр и Ркр - это температура и давление образования сверхкритической фазы исходной смеси, при этом на катод и анод подают ток разряда I в диапазоне 0,015≤I≤250 А, напряжения, равного U≥50 В, для образования электрического разряда между анодом и катодом, а в качестве электролита используют сверхкритический флюид.