Стационарный плазмохимический реактор Советский патент 1981 года по МПК H05H1/00 

1

Изобретение откосится к плазменной химической технологии и может быть использовано для проведения диссоциации и синтеза химических элементов, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Известны устройства, представляющие собой специализированные установки для осуществления химических реакций в плазме с использованием разных видов электрических разрядов fl.

Недостатки известных плазмохимических реакторов связаны с трудностями выбора оптимального теплового режима электродов и стенок реакционной камеры в условиях изотермической плазмы. Под действием тепловых потоков стенки камеры и электроды горят и подвергаются эрозии, что не позволяет существенно повысить температуру реагирующей среды и сильно снижае ресурс реактора.

Ближайшим техническим устройством к предложенному является стационарный плазмохимический реактор, содержащий металлическую реакционную камеру, электронную пушку и коллектор, расположенные соосно в торцевых частях камеры, магнитные катушки, создающие магнитное поле вдоль оси .

электронной пушки, а также аэродинамическое сопло для ввода рабочего вещества поперек оси электронной пушки 2 .

В зоне пересечения электронного пучка и струи рабочего вещества возникает неизотермическая плазма: температура электронов намного больше температуры ионов и нейтралов. Элек0тронный пучок в результате плазменнопучковой неустойчивости генерирует в плазме мелкомасштабные турбулентные колебания, приводящие к диссоциации энергии пучка в плазме и к тур5булентному нагреву электронов. Частицы газовой струи диссоциируют, сталкиваясь с электронами. Диссоциированные продукты охлаждаются и откачиваются вакуумной системой.

0

Известно устройство не позволяет повысить производительность реактора за счет увеличения давления нейтрального газа, так как в нем плазменно5реакционная зона мала и мощность электронного пучка нельзя полностью .реализовать.

Целью изобретения является повышение газовой экономичности и произво0 .дительности реактора.

Эта цель достигается тем, что в реакционной камере вдоль оси электронной пушки по обе стороны оси сопа для ввода рабочего вещества устаовлены диафрагмы дифференциальной ткачки.

Лучшие результаты могут быть дотигнуты, когда использована элекронная пушка, формирующая магнитный

электронный пучок, реакционная камеа выполнена с сечением прямоугольной формы и охватывает указанную пушку, аэродинамическое сопло выполнено плоским.

Ширина сопла устанавливается с расчетом из условия равенства ширины струи рабочего вещества, истекающей из сопла, ширине ленточного пучка, а высота - из условия возникновения пучково-плазменного разряда в струе рабочего вещества.

Изобретение поясняется чертежом. Ленточная электронная пушка 1 установлена внутри металлической реакционной камеры 2, снаружи которой намотаны магнитные катушки 3. Аэродинамическое сопло 4 для ввода газа установлено перпендикулярно ленточному электронному пучку. В месте пересечения газовой струи и электронного пучка образуется плазма. Электронный пучс принимается водоохлажденным коллектором 5. Области электронной пушки 1 и коллектора 5 отделены от пространства реакционной зоны диафрагмами 6 дифференциальной откачки. Вакуумная откачка производится из вакуумных камер 7,8 катода к коллектора вакуумными насосами через трубопровод 9.. Прием продуктов реакции, осуществляется закалочным устройством IP. Ввод рабочего газа производится по трубопроводу 11.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В реакционную камеру 2, помещенную в продольное магнитное поле пробочной конфигурации (Н„ 7 КЗ, ,4) , через

о

плоские диафрагмы 6 инжектируют ленточный пучок электронов шириной LX10-100 см, равной ширине плоской газовой струи, толщиной j, 0,2 см и мощностью Ng (10-100}-1СГ Вт При помощи аэродинамического плоского сопла 4 поперек пучка электро-нов плотностью Пц 3 10° см продувают плоскую сверхзвуковую струю газа шириной 6 10-100 см, толщиной d 30±0,3 см с концентрацией h (10 - ) см и со скоростью V 3-104 см- сек .

В установившемся режиме в зоне пересечения ленточного пучка и плоской струи возникает пучково-плазменный разряд. В результате развития пучковой неустойчивости энергия пучка передается электронами плазмы, . которые нагреваются до тепловой энергии 3-10 эВ. Частицы газовой струи, сталкиваясь с высокотемпературными электронами, диссоциируют. Полученные продукты реакции улавливают в закалочном устройстве.

Положительный эффект достигается за счет того, что диафрагму дифференциальной откачки позволяют поднять давление газа в зоне реакции и одновременно провести пучок электронов по всей длине реакционной камерп.

Однако повышение производительности реактора ограничено размерами зоны реакции, соответствующими глубине эффективной передачи энергии пучка электронов при повышенных плотностях газа.

Задача повышения производительности решается в данном реакторе за счет увеличения ширины зоны реакции при сохранении ее оптимальной глубины. Последняя может быть определена расчетным путем по известным в литературе зависимостям. Так, при давлении газа 1-100 мм рт.ст. толщина струи газа должна составлять 30+0,3 см.

Ширина струи должна при этом равняться ширине электронного пучка. Так как производительность рабочей сие- определяется плотностью перекачиваемого газа, то для реализации заданной мощности электронного пучка надо иметь необходимый расход газа. Этот расход в данной системе обеспечивают развитием ширины струи газа g и при проведении реакции диссоциации оценивают из равенства

,-и„.е.

где N - мощность электронного пучка ; Vp-r - скорость струи ;

- плотность нейтрального газа

И

в струе;

А - энергия диссоциации молекул При указанной мощности пучка и давлении прокачиваемого газа ширина струи составляет 1 ( 10-100) см, что позволяет прокачивать через зону 2г . .г4 моле к.

реакции Q ( Ю

сек.

Данная конструкция реактора позволяет создать в месте пересечения плотной газовой струи и ленточного электронного пучка плазменно-реакционную зону с большим сечением за счет развития ее поперечного размера,что дает возможность существенно увеличить производительность рабочей системы.

Формула изобретения

1. Стационарный .плазмохимический реактор, содержащий металлическую реакционную камеру, электронную пушку и коллектор электронов, расположенные соосно в торцовых частях камеры, магнитные катушки, создающие вдоль оси электронной пушки магнитное поле, а также аэродинамическое сопло для ввода рабочего вещества поперек оси электронной пушки, отличающийся тем, что, с целью повышения газовой экономичности и производительности реактора, в реакционной камере вдоль оси элекг тронной пушки по обе стороны оси сопла установлены диафрагмы дифференциальной откачки.

2. Реактор поп,1, отличающ и -и с я тем, что использована электронная пушка,формирующая ленточный электронный пучок, а реакционная камера выполнена с сечением прямоугольной формы и охватывает указанную пушку, аэродинамическое сопло выполнено плоским.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Франции 2232905, кл. Н 05 Н 1/00, опублик. 1975.

2.Авторское свидетельство СССР № 490000, кл. Н 05 Н 1/00, 1974.

2 //