ПЛАЗМЕННО-ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Советский патент 0 года по МПК B01J19/00 

Изобретение относится к плазменным аппаратам, предназначенным для проведения химических и физических превращений веществ в условиях низкотемпературной плазмы.

Известен плазменный аппарат с электрической дугой, вращающейся между коаксиальными охлаждаемыми электродами в магнитном поле соленоида. Через вращающуюся дугу подают обрабатываемые вещества.

В существующем аппарате высокотемпературная греющая зона, образованная вращающейся дугой, имеет небольшую протяженность и резко выраженную неоднородность температурного поля в перпендикулярном к дуге направлении. Поэтому время пребывания обрабатываемых веществ в высокотемпературном объеме и связанная с ним глубина превращения исходных материалов, особенно в порошкообразном виде, оказывается недостаточной. Кроме того, в условиях коррозионной среды электроды должны интенсивно охлаждаться во избежание их коррозии. Это приводит к необходимости осуществлять электродуговой разряд при повышенном напряжении или использовать расходуемые электроды. В условиях высоковольтного разряда подача на обработку материалов, создающих большую проводимость, невозможна, так как это приводит к чрезмерному повышению тока, опасному как для электродов, так и для источника электрического тока. Использование расходуемых электродов создает возможность осуществления низковольтного разряда в парах материала электродов, однако носит очень частный характер применения.

Для создания объемной плазмы в предлагаемом плазменном аппарате катодом служит плазматрон, а анод имеет форму сопла Лаваля.

На чертеже представлен описываемый плазменный аппарат, разрез.

Он состоит из катода 1, анода 2, соленоидного магнита 3, закалочной камеры 4, вводов 5 исходных продуктов, корпуса 6 и вывода 7 целевых продуктов.

При работе аппарата плазма низковольтного разряда заполняет значительный объем и имеет геометрические размеры, определяемые соотношением H>0.5D, D>d, где H и D соответственно высота и диаметр (эквивалентный диаметр), занимаемый плазмой, d - диаметр сопла плазматрона.

Плазменный объем может иметь цилиндрическую, коническую или любую другую конфигурацию поверхности, ограниченнуювращением вокруг оси аппарата прямой или кривой (например, кривой, отвечающей профилю сопла Лаваля).

Размеры H, D и d определяются из условий, зависящих в основном от производительности плазменного аппарата, рода плазмообразующего газа и свойств обрабатываемых материалов.

Низковольтный объемный разряд в плазменном аппарате возникает вследствие того, что пространство между холодными электродами 1 и 2 заполняется проводящим газом от плазматрона.

Когда напряженности электрического поля в столбе дуги плазматрона и в положительном пространстве объемного разряда между катодом и анодом станут одинаковыми, ток на анодную секцию плазматрона перестанет течь и электроны выходят в пространство между электродами.

В объеме под действием скрещенных электрического и магнитного полей электроны начинают двигаться в азимутальном и радиальном направлениях, а так как время релаксации электронов в объеме значительно меньше времени ухода на анод, то электроны ионизируют газ, создавая условия проводимости между электродами.

При наличии в объеме обрабатываемых материалов поток электронов частично отдает свою энергию непосредственно на протекание процесса.

Когда напряженность электрического поля в положительном пространстве объемного разряда значительно больше напряженности в столбе дуги плазматрона, то холодный катод начинает имитировать электроны, которые стекают с анодной секции плазматрона. Такой разряд можно ассоциировать с разрядом между холодными электродами с той только разницей, что в указанных условиях разряд является низковольтным.

Особенностью движения частиц под действием скрещенных магнитного и электрического полей с осевой симметрией является зависимость скорости движения частиц плазмы от радиуса орбиты вращения. Такая зависимость способствует хаотизации вращательного движения за счет турбулентного перемешивания слоев плазмы, движущихся с различной скоростью.

Обрабатываемые вещества, подаваемые в плазму через вводы 5, увлекаются плазмой в движение, атомизируются и ионизируются, участвуя в механизме образования плазмы, изменяя ее электропроводность. При этом для физико-химических превращений используется не только тепловая энергия плазменного газа, но и энергия элементарных частиц (электронов, ионов). В результате возрастает эффективность обработки веществ, снижаются тепловые потери в электродах, улучшается энергетический КПД аппарата.

1. Плазменно-химический реактор для проведения химических реакций, включающий корпус, плазматрон, катод, анод, соленоид, закалочную камеру, ввод и вывод продуктов, отличающийся тем, что, с целью создания объемной плазмы, катодом служит плазматрон.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что анод имеет форму сопла Лаваля.