Реактор автоволнового процесса Советский патент 1986 года по МПК B01J19/08 

1 .12191

Изобретение относится к физическим и химическим процессам и аппаратуре к ним и может быть использовано для усиления и генерации когерентных концентрационных волн, для локализации ин-. 5 тенсивности реакции в химическом реак- торе.

Целью изобретения является интенсификация процессов за счет усиления- концентрационных волн и генерации Ю огерентных ,волн.

На фиг.1 показана эквивалентная схема усилителя на отрицательном сопротивлении 1-( R) , где U( -входное, напряжение на схеме; U - выходное t5 Напряжение на схеме; 2-гальвано- метр, 3- (R) - добавочное сопротивение.

На фиг. 2 а и & показан элемент размерной подложки- проволоки с дли- 20 ной волны Л : а) подложка получена при задержке импульса ультразвука иаТ Т/2, где Т - период колебания, равный обратной величине частоты колебания j :Т I/.f; б) подлож- 25 ка получена .

На фиг.З показана зависимость коэффициента усиления от координаты размерной подложки из провоЛоки: кривая 1 - подложка получена при зо кривая 2 - подложка получена при :кривая 3 - равномерная

подложка.

На фиг.4 показана вольт-амперная

арактеристика (БАХ) системы: кри- . 35 ая 1 - зависимость получена на обаботанных участках подложки; криая 2 - ВАК получена на необработайных участках подложки.

На фиг.З показана принципиальная 40 схема усилителя на размерной подложке в реакторе, включающая реактор 1, подложку 2, химические потен.циомет- рические датчики- зонды 3, осциллограф 4, генератор ЗГ, переключатель 5 атчиков, переменное сопротивление 6 ( Ом), эталонное сопротивление 7 (,5 Ом), гальванометр 8.

На фи.г.6 показана экспериментальная зависимость К от координаты под- 50 ложки: кривая 1 - размерная подложка получена при кривад 2 - размерная подложка получена при кривая 3 - равномерная по длине

подложка.- 55

На фиг.7 показана зависимость от частоты внешнего сигнала:, кривая 1 - резонансная кривая получена при R

31 2 .

5,5 Ом; кривая 2 - резонансная кривая получена при ,5 Ом и дополнительной на удвоенной резонансной частоте.

На фиг.8 показана зависимость обратной амплитуды случайных колебаний 1/4 от значения R: кривая 1 получена на равномерной по длине, подложке; кривая 2 - на размерной подложке.

Пример. Предлагаемое устройство выполнено в реакторе, заполненном 50% -ным раствором ортофосфорной кислоты. В качестве подложки используется медная проволока длиной более 8 см, исходная ее толщина 400 мкм. Для проведения опыта изготовлена размерная подложка-проволока. Для этого ее помещают в стеклянный капилляр и погружают в реактор. Между подложкой и катодом из никеля подают электрическое смещение в интервале напряжений 2,3-2,6 В, в котором (БАХ) системы имеет падающий участок N типа. Тангенс угла наклона в этой области БАХ имеет отрицательный знак и разменость сопротивления R( --- )6 Ом.

6 I

Б системе возбуждения-концентра- ционные колебания. Для этого подбирают величину эквивалентного сопротивления R5 R. Частота колебаний составляет 8-10 Гц. Для получения размерной подложки систему в реакторе дополнительно стробоскопически облучают короткими импульсами ультразвука. Стробоскопический режим активации реакции травления на подложке устанавливают с помощью химических потенциометрических датчиков-зондов, установленных на расстоянии 4 см дру от друга в стеклянные капилляры вблизи, подложки. Сигналы от датчиков визируются на экране 2-лучевого осциллографа типа С1-18. Сдвиг сигналов датчиков от двух разнесенных датчиков составляет 0,08-0,12 с, что ;дает ориентировочную скорость рас- / пространения.волны травления 4 см/0,08 с - 4 см/0,12 с 50-33 см/с

. Стробоскопическую импульсную активацию реакции ультразвуком ведут до получения постоянного значения разницы интенсивности реакции, измеренных в области активации и в области без активации, что характеризует получение размерной подложки нужного качества. При этом период подложки и длины волны травления составляет

3,3 - 6,25 CM.

. того, чтобы систему с отрицательным сопротивлением N типа привести к режиму усиления, необходимо подобрать величину эквивалентного нагрузочного сопротивления (,. Коэффициент усиления по напряжению К схемы, составленной из обычного сопротивления R и R (фиг.1), расчи тывается по формуле

Уа /l|o/ |о

и.

i:-R(1)

где U| - величина входного переменного напряжения на схеме; 2 выходное напряжение на схеме.

; Из формулы (1) видно, что с ростом R до RP уменьшается (iR) (-R. +R) и, следовательно, растет К, т.е. имеет место усиление.

Однако закономерности усиления изменяются, если используется размерная подложка. На последней, созданной из проволоки, интенсивность реакции зависит от глубины обработки. Так как рельеф подложки изменяется вдоль длины с периодом длины волны реакции (фиг.2 ои ff), то соответственно изменяется ВАХ и R.

На участках подложки с малым диаметром уменьшается боковая поверхность, что эквивалентно появлению дополнительного сопротивления (на данном участке), последовательному R.:(R,)

1.2-R, / /R,/.

Поскольку диаметр размерной подложки изменяется периодически по длине, то соответственно изменяется начение отрицательного сопротивления

R(1+M cos 21 )

ОЛ

(2а)

х

или (I+M sin 2 v ) (26)

где fA - коэффициент модуляции отрицательного сопротивления, связанный с модуляцией дополнительного сопротивления, которое зависит от площади поверхности электрода в данном месте. . . Различия в записи связаны с режимами импульсной обработки подложки в .процессе ее создания. Подставляя полученные выражения (2 а и 5) в формулу расчета коэффициента усиления (1)

R

и принимая во внимание, что К -- К

)ДЛя упрощения выражения, имеем

R,

/2.

R (1+м cos 27 )-R о ,

RO

(За);

(36)

R(1+M sin -)-R

О/I

Из полученной формулы (3 аи S ) видно., что роль периодического слагаемого в знаменателе резко возрастает при . На фиг.З показано качественное изменение К , К, К в зависимости от координаты подложки. Таким образом, при применении размерной подложки в схеме усиления на отрицательном сопротивлении возникает зависимость коэффициента усиления от координаты подложки, что указывает на ее фазоизбирательные свойства.

Экспериментальная проверка расчетов выполнена по схеме на фиг.З. Выходной сигнал и контролируется при помощи датчиков и осциллографа типа С-18 согласно .схеме включения на фиг.З. Рабочую точку системы на падающем участке ВАК контролируют вольтметром постоянного напряжения U{, типа ВК-7 и гальванометром Г типа М 93. Переменней сигнал подается от генератора напряжения ЗГ-10 и его величина контролируется лри помощи вольтметра переменного сигнала U типа ВЗ-3.

На размерной подложке измеряют ВАХ с исключением области, подвергнутой активации, или области, где активация -не проводится. Для этого определенную часть подложки покрывают химически стойким лаком. Из сравнения полученных двух ВАХ видно (фиг.4), что области подложки с малым диамет- . ром показывают большую крутизну падающего участка ВАХ, чем ,участок подпож- ки с большим диаметром, т.е. R падает по величине на обработанных участках подложки. Это можно объяснить тем, что в механизме проводимости подлож- ки.- раствор возрастает последовательное сопротивление, связанное с площадью боковой поверхности проволоки.

50

При измерениях коэффициента усиления частота внешнего генератора устанавливается равной частоте концентрационных колебаний. Оптимальное для измерений значение Y подбирается пе- 55 ременным сопротивлением R. При этом напряжение U можно измерять вдоль размерной подложки при помощи датчиков, установленных в капиллярах.

На фиг.6 показана зависимость от местоположения датчиков относительно конфигурации подложки. Коэффициент усиления зависит от координаты подложки и имеет максимум в обасти, где осуществлена активация травления при изготовлении размерной подложки (кривые 1 и 2 на фиг.6), В то же время наблюдается изменение X от местоположения контроля, если подложка равномерна по длине (кривая 3 на фиг.6). При измерениях коэффициента усиления на подложках, полученных при разном времени заержки импульсов ультразвука от- . носительно концентрационного колебания, соответственно изменяется местоположение максимума (кривые 1 н 2 на фиг.6). Описанные свойства размерной подложки указывают на ее фазоизбирательные свойства.

Далее проводят измерение коэффициента усиления в зависимости от частоты внешних сигналов. Выходной сигнал имеет частотно-избирательную характеристику типа резонансной с максимумом на частоте концентрационных автоколебаний (фиг;).

К резонансной электрохимической системе дополнительно подключают генератор, дающий накачку системы на удвоенной резонансной частоте 6 Гц. При этом коэффициент усиления на основной частоте резко возрастает, что указывает на параметрический механизм усиления сигналов на размерной подложке. Причина возникновения резонансных свойств на размерной подложке связана с ее фа- зосдвигающими свойствами, тогда как

на частоте автоколебаний f ,

- где.V.- скорость движения реакции

на подложке, фазовый сдвиг с внешним сигналом равен нулю. Параметрические свойства размерной подложки объяс- :

няются нелинейной зависимостью реак- ции от глубины обработки.

Центральным моментом самовозбуждения любых автоколебаний является переход от флюктационных гауссовских процессов к когерентному негауссовс- кому излучению. Для изучения этого переходного процесса внешний генератор отключают и измеряют зависимость амплитуды случайных колебаний при разных значениях как в случае размерной подложки, так и при равномерной по длине подложки. При приближении значений R-R амплитуда шумов возрастает и в пределе равна амплитуде автоколебаний (фиг.8, кривые 1 и 2).

Однако на размерной подложке (фиг.8, кривая 2) амплитуда шумов значит ель- но ниже, что объясняется фазоизбира- т.ельными свойствами, тормозящими раз- витие автоколебаний с произвольной фазой.

Таким образом, размерная подложка снижает интенсивность случайных концентрационных колебаний, фазы которых отличаются от характерной для данной размерной подложки. Тем самым размерная подложка автоматически регулирует образование когерентных концентрационных волн еде на этапе образования затухающих колебаний.

Основной результат эксперимента состоит в том, что размерная подложка облегчает образование когерентных колебаний при. прежних нагрузках, что .видно по продолжению линейного участка зависимости величины обратной амплитуды шума от R на ось R графика на фиг.8. Экстраполяция кривой 2 пересекает ось R при меньшем значении R, что указывает.на уменьшение R

при размерной подложке, ав токолебания врзникают раньше при одной и той же нагрузке.

Способность размерной подложки ло- кализовать в реакторе интенсивность отдельных реакций процесса позволит применять ее-для разделения продуктов реакции в пространстве, что одновременно увеличит производительность предлагаемого реактора.

Фиг.2

I- ;--../... .: . I - / ::- j.-.у. ;:. - :.:::V ;/

.5

,

ВНИИПИ Заказ 1184/10

Филиал ШШ Патент, г, Ужгород, ул. Проектная, А

Тираж 527 Подписное