Устройство для проведения химических реакций в холодной плазме Российский патент 2023 года по МПК B01J19/26 H05H1/24 

Техническое решение относится к области плазмохимии, а именно, к устройствам для генерирования плазмы и проведения в ней химических реакций.

Из уровня техники известен способ проведения химических реакций, включающий подачу реакционного газа из источника реакционного газа в вакуумную реакционную камеру, формирование в ней сверхзвукового потока реакционного газа и активацию названного сверхзвукового потока реакционного газа воздействием на него электронным пучком с образованием электронно-пучковой плазмы. Названный сверхзвуковой поток реакционного газа формируют таким образом, что на входе в вакуумную реакционную камеру в его центральной части образуется зона разрежения с пониженной относительно соседних с нею частей плотностью, а воздействие на сверхзвуковой поток реакционного газа электронным пучком осуществляют, вводя названный электронный пучок в названную зону разрежения. Патент РФ №2200058, опубликован 10.03.2003.

Известно устройство для ввода пучка электронов в плазмохимический реактор, состоящее из секции откачки обратного потока и блока кольцевых сопел для создания «зоны разрежения» вблизи совмещенных осей газового потока и электронного пучка, и «зоны спокойствия». Блок кольцевых сопел включает внутреннее и внешнее соосно расположенные кольцевые сопла для подачи защитного и рабочего газа, соответственно. В центре внутреннего сопла выполнено отверстие для прохождения пучка электронов. Патент РФ №2612267, опубликован 03.03.2017.

Известно устройство для проведения химических реакций с помощью плазмы, включающее генератор плазмы, систему форсунок для подачи ионизированного, защитного и рабочих газов в плазменный реактор. При этом, внутренние форсунки предназначены для подачи реакционного газа, в внешние - для защитного. Плазменный поток подается в осевом направлении через вход по оси реактора. Заявка на патент Китая №102960072, опубликована 06.03.2013.

Задачей заявленного решения является создание устройства для проведения химических реакций в холодной плазме, позволяющего достичь вихревого потока газовых сред со сверхзвуковой скоростью.

Технический результат заявленного решения проявляется в повышении эффективности устройства для проведения химических реакций в холодной плазме.

Повышение эффективности, в частности, обусловлено повышением скорости проведения химических реакций в газовой среде, увеличением времени обработки подаваемого реакционного газа в потоке плазмы, при одновременном снижении энергозатрат на проведение реакций.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для проведения химических реакций в холодной плазме включает генератор холодной плазмы, соединенный через сопловой блок с реактором, сопловой блок включает сопло для подачи потока ионизированного газа в реактор, расширяющееся в направлении к входу в реактор, кольцевое сопло для подачи защитного газа в реактор, расположенное по внутреннему контору блока, вокруг сопла, соосно с ним, и форсунки для подачи реакционного газа в реактор, расположенные по внешнему контору блока, вокруг кольцевого сопла для подачи защитного газа, форсунки для подачи реакционного газа в реактор расположены так, что угол между осью каждой форсунки и стенкой форсунки равен 10-17 градусов, угол между внешней стенкой кольцевого сопла и осью сопла для подачи потока ионизированного газа составляет 10-28 градусов, угол между стенкой сопла для подачи потока ионизированного газа и его осью составляет 9-13 градусов.

Холодная и, как следствие, сильно неравновесная плазма, используемая в качестве инициатора химических реакций, обеспечиваемая генератором, имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами активации. Основным из них является увеличение скорости прямых химических реакций частиц в плазме и замораживание обратных реакций, связанные с отсутствием в холодной плазме существенного нагрева газа. Последнее обусловлено тем, что подвод внешней мощности к плазме в любом ее варианте, инициирующий дальнейшие физико-химические превращения, происходит через возбуждение (заселение) внутренних степеней свободы. Так устроены сечения взаимодействия электронов с атомами и молекулами. Прямой нагрев газа электронами или, другими словами, передача напрямую энергии от внешних источников в поступательные степени свободы невелик, поэтому увеличение «температуры» поступательных степеней свободы происходит в другой последовательности: сначала происходит накачка энергии во внутренние степени свободы, такие как электронные, колебательные, вращательные, на ионизацию, диссоциацию и т.д., а затем эта энергия в результате релаксационных процессов передается в поступательные степени свободы. В отличие от этого, при термической активации химических реакций началом пути является нагрев газа и увеличение его поступательной температуры.

Одно из сопел соплового блока, расширяющееся в направлении к входу в реактор, необходимо для подачи ионизированного газа в реактор. Угол между стенкой сопла для подачи потока ионизированного газа и его осью составляет 9-13 градусов

Кольцевое сопло, расположенное по внутреннему контору блока, вокруг сопла, соосно с ним, необходимо для подачи защитного газа в реактор. Угол между внешней стенкой кольцевого сопла и осью сопла для подачи потока ионизированного газа составляет 10-28 градусов, при этом, защитный газ подается во внутренний сопловой блок тангенсально, таким образом, что на выходе из сопла создается сверхзвуковой вихрь, вытягивающий заряженный плазмообразующий газ (гелий) из генератора холодной плазмы.

Форсунки, расположенные по внешнему контору блока, вокруг кольцевого сопла для подачи защитного газа, предназначены для подачи реакционного газа в реактор. Форсунки для подачи реакционного газа в реактор расположены так, что угол между осью каждой форсунки и стенкой форсунки равен 10-17 градусов. Угол наклона форсунок и углы выхода из сопла для подачи ионизированного газа и кольцевого сопла для подачи защитного газа обеспечивают формирование клиновоздушного потока плазмообразующего газа, позволяющего собрать реакционный газ в виде жгута с максимальной плотностью в зоне обработки электронно-пучковой плазмой. Предпочтительно угол наклона стенки форсунки, обращенной к оси кольцевого сопла, совпадает с углом наклона внешней стенки кольцевого сопла, что дополнительно усиливает описанный эффект. Кроме того, угол наклона форсунок обеспечивает закручивание потока рабочего газа на сверхзвуковой скорости. Заявленная конструкция способствует формированию вихревого потока реакционных газов, движущегося с вращением более одного оборота вокруг оси электронного пучка, увеличивая тем самым свой «пробег» и, следовательно, время обработки электронно-пучковой плазмой, при этом, не дает ему попасть в зону разряжения в месте ввода электронного пучка в реакционную камеру.

Представленные значения углов были определены посредством экспериментальных и численных методов. Заявленные диапазоны позволяют достичь формирование газового вихря с устойчивой фокусировкой, характеризующегося сверхзвуковой скоростью потока, обеспечивающего выход ионизированного газа на максимальной скорости, увеличения времени обработки газа в потоке плазмы и скорости химических реакций в газовой фазе. Выход за указанные в диапазонах пределы может привести к нарушению сплошности формирующейся струи.

Выполнение угла между внешней стенкой кольцевого сопла и осью сопла для подачи потока ионизированного газа менее 10 градусов, угла между стенкой сопла для подачи потока ионизированного газа и его осью менее 9 градусов, угла между осью каждой форсунки и стенкой форсунки менее 10 градусов, характеризуется увеличением длины сопла и растяжении зоны реакции, что негативно сказывается на эффективности заявленного устройства.

При выполнении угла между внешней стенкой кольцевого сопла и осью сопла для подачи потока ионизированного газа более 28 градусов, угла между стенкой сопла для подачи потока ионизированного газа и его осью более 13 градусов, угла между осью каждой форсунки и стенкой форсунки более 17 градусов, возможно снижение сверхзвуковой скорости и срыв потока со стенок устройства.

Конкретные значения углов зависят от физических свойств реагирующих в плазме веществ и их входных параметров, а также условий.

В предпочтительном варианте, количество форсунок для подачи реакционного газа в реактор составляет от 2 до 32 единиц и зависит от необходимых расходов и составов пропорций газовых смесей.

Предпочтительно, каждая форсунка для подачи реакционного газа в реактор имеет вид сопла Лаваля, что позволяет дополнительно увеличить скорость и завихрения потока реакционных газов.

Предпочтительно, выходная часть сопла для подачи потока ионизированного газа выполнена в виде цилиндрической поверхности. Указанная поверхность образует плавный переход к входу в реактор, обеспечивающий вытеснение присоединенного вихря, и придания ему дополнительного ускорения.

Предпочтительно, реактор соединен с блоком катализаторов, обеспечивая синтез получаемых элементов при прохождении через них обработанного в плазме газа.

В предпочтительном варианте устройство для проведения химических реакций в холодной плазме включает устройства наложения внешнего электромагнитного поля в реакторе для дополнительной активации вторичных электронов в плазме. Устройство наложения внешнего поля можно охарактеризовать как устройство наложения внешнего поля нескольких когерентных или синхронизированных по определенному закону источников, способствующих формированию стоячих или бегущих волн и интерференционных картин.

Заявляемое техническое решение далее поясняется с помощью фигур, на которых представлен один из возможных вариантов исполнения устройства для проведения химических реакций в холодной плазме.

На фиг. 1 представлен вид в разрезе устройства для проведения химических реакций в холодной плазме сбоку.

На фиг. 2 представлен общий вид в разрезе устройства для проведения химических реакций в холодной плазме (фрагмент).

На фиг. 3 представлен вид в разрезе устройства для проведения химических реакций в холодной плазме (фрагмент) сбоку.

На фиг. 4 представлен снимок с экрана программы для численного моделирования, демонстрирующий результат использования заявленного устройства для проведения химических реакций.

На фигурах 1-3 изображена конструкция заявленного технического решения, цифрами отмечены следующие элементы:

- сопловой блок (1);

- реактор (2);

- сопло (3) для подачи потока ионизированного газа в реактор (2);

- кольцевое сопло (4) для подачи защитного газа в реактор (2);

- форсунки (5) для подачи реакционного газа в реактор (2);

- обмотка (6) внешнего поля.

Далее со ссылками на фигуры описан предпочтительный вариант исполнения конструкции заявленного устройства.

Устройство для проведения химических реакций в холодной плазме включает генератор холодной плазмы, соединенный через сопловой блок (1) с реактором (2). Электронная пушка для поддержания холодной плазмы условно обозначена слева от соплового блока (1).

Сопловой блок (1) включает сопло (3) для подачи потока ионизированного газа в реактор (2), расширяющееся в направлении к входу в реактор (2). Сопловой блок (1) также включает кольцевое сопло (4) для подачи защитного газа в реактор (2), расположенное по внутреннему контору блока (1), вокруг сопла (3), и форсунки (5) для подачи реакционного газа в реактор (2), расположенные по внешнему контору блока (1), вокруг кольцевого сопла (4) для подачи защитного газа, предпочтительно имеющие вид сопел Лаваля.

Согласно заявленному техническому решению, форсунки (5) для подачи реакционного газа в реактор (2) расположены так, что угол γ между осью каждой форсунки (5) и стенкой форсунки (5) равен 10-17 градусов, угол α между внешней стенкой кольцевого сопла (4) и осью сопла (3) для подачи потока ионизированного газа составляет 10-28 градусов. Угол β между стенкой сопла (3) для подачи потока ионизированного газа и его осью составляет 9-13 градусов.

В качестве защитных газов могут быть использованы гелий, азот, кислород, воздух, аргон и другие газы, которые не содержат химических элементов, способных под воздействием электронов перейти в твердое состояние и осесть на поверхности электронной пушки. В качестве реакционных газов могут быть использованы любые газы или же их смеси.

В предпочтительном варианте, количество форсунок (5) для подачи реакционного газа в реактор (2) составляет от 2 до 32 единиц.

Предпочтительно угол наклона стенки форсунки (5), обращенной к оси кольцевого сопла (4), совпадает с углом наклона внешней стенки кольцевого сопла (4).

Предпочтительно выходная часть сопла (3) для подачи потока ионизированного газа выполнена в виде цилиндрической поверхности.

На выходе реактор (2) может быть соединен с блоком катализаторов.

В предпочтительном варианте, устройство для проведения химических реакций в холодной плазме включает устройства наложения внешнего электромагнитного поля в реакторе (2).

Устройство для проведения химических реакций в холодной плазме работает следующим образом.

Защитный газ тангенсально подается в кольцевое сопло (4), и за счет его формы и ориентации относительно других элементов соплового блока (1), образуется сверхзвуковой вихрь, позволяющий ввести ионизированный газ в реактор через сопло (3). Через форсунки (5) подается реакционный газ, который, за счет заявленных формы и расположения форсунок (5), закручивается вокруг потока электронно-пучковой плазмы по спирали относительно оси реактора (2), образующегося в результате взаимодействия электронного пучка с реакционным газом.

Расходы потоков газа, подаваемые через внутреннее кольцевое сопло (4) и внешние форсунки (5), G1 и G2, соответственно, поддерживают такими, чтобы соотношение G2/G1 находилось в диапазоне от 2 до 18.

Далее обработанный в плазме, в объеме реактора (2), газ проходит через блок катализаторов. Сконденсированные продукты выводятся из реактора.

Результаты эксперимента проведения реакций в заявленном устройстве представлены на фиг. 4.

Заявленное устройство для проведения химических реакций в холодной плазме может быть использовано в различных целях, в частности, для получения метанола, ацетилена, водорода, углерода, бензина, дизельного топлива и т.д. из природного и попутного нефтяного газа, а также из «синтез-газа»; для пиролиза метана, моносилана при комнатной температуре и осаждения слоев аморфного углерода и пленок кремния высокой чистоты; для рафинирования металлов и материалов, восстановления металлов из соединений, воздействия плазмой на различные твердые тела или жидкости и т.д.

Представленные фигуры, описание конструкции и использования устройства для проведения химических реакций в холодной плазме не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения.

Изобретение относится к области плазмохимии. Раскрыто устройство для проведения химических реакций в холодной плазме, которое включает генератор холодной плазмы, соединенный с реактором через сопловой блок, включающий сопло для подачи потока ионизированного газа в реактор, расширяющееся в направлении к входу в реактор, кольцевое сопло для подачи защитного газа в реактор, расположенное по внутреннему контору блока, вокруг сопла, соосно с ним, и форсунки для подачи реакционного газа в реактор, расположенные по внешнему контору блока, вокруг кольцевого сопла для подачи защитного газа. Форсунки для подачи реакционного газа в реактор расположены так, что угол между осью каждой форсунки и стенкой форсунки равен 10-17 градусов, угол между внешней стенкой кольцевого сопла и осью сопла для подачи потока ионизированного газа составляет 10-28 градусов, угол между стенкой сопла для подачи потока ионизированного газа и его осью составляет 9-13 градусов. Техническим результатом является обеспечение повышения эффективности устройства для проведения химических реакций в холодной плазме. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для проведения химических реакций в холодной плазме, включающее генератор холодной плазмы, соединенный через сопловой блок с реактором, сопловой блок включает сопло для подачи потока ионизированного газа в реактор, расширяющееся в направлении к входу в реактор, кольцевое сопло для подачи защитного газа в реактор, расположенное по внутреннему контору блока, вокруг сопла, соосно с ним, и форсунки для подачи реакционного газа в реактор, расположенные по внешнему контору блока, вокруг кольцевого сопла для подачи защитного газа, форсунки для подачи реакционного газа в реактор расположены так, что угол между осью каждой форсунки и стенкой форсунки равен 10-17 градусов, угол между внешней стенкой кольцевого сопла и осью сопла для подачи потока ионизированного газа составляет 10-28 градусов, угол между стенкой сопла для подачи потока ионизированного газа и его осью составляет 9-13 градусов.

2. Устройство для проведения химических реакций в холодной плазме по п. 1, отличающееся тем, что угол наклона стенки форсунки, обращенной к оси кольцевого сопла, совпадает с углом наклона внешней стенки кольцевого сопла.

3. Устройство для проведения химических реакций в холодной плазме по п. 1, отличающееся тем, что количество форсунок для подачи реакционного газа в реактор составляет от 2 до 32 единиц.

4. Устройство для проведения химических реакций в холодной плазме по п. 1, отличающееся тем, что форсунка для подачи реакционного газа в реактор имеет вид сопла Лаваля.

5. Устройство для проведения химических реакций в холодной плазме по п. 1, отличающееся тем, что выходная часть сопла для подачи потока ионизированного газа выполнена в виде цилиндрической поверхности.

6. Устройство для проведения химических реакций в холодной плазме по п. 1, отличающееся тем, что реактор соединен с блоком катализаторов.

7. Устройство для проведения химических реакций в холодной плазме по п. 1, отличающееся тем, что включает устройства наложения внешнего электромагнитного поля в реакторе.