CN108966475A - 一种微型旋转弧等离子体流动反应器 - Google Patents

一种微型旋转弧等离子体流动反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型旋转弧等离子体流动反应器，其技术方案要点是包括阳极支撑管、引出阳极、微型旋流器、放电阳极、石英管隔离段、阴极收敛管和引出阴极。本发明一是采用滑动弧放电形式提高等离子体中粒子能量，使其和燃料分子或挥发性有机物反应更剧烈；二是采用旋转滑动弧等离子体，克服现有滑动弧反应器中等离子体不均匀的缺陷，达到等离子体和反应物充分接触并发生反应的目的。最终提高等离子体裂解燃料的转化率或是等离子体降解有害物质（VOCs，挥发性有机物）的效率。

Description

一种微型旋转弧等离子体流动反应器
技术领域
本发明涉及一种微型旋转弧等离子体流动反应器。
背景技术
传统的等离子体流动反应器多采用介质阻挡放电形式，形式上分为两种：一种是平行板介质阻挡放电，即在方形石英管外侧布置介质层，并在介质层外加电极；一种是同轴介质阻挡放电，即在圆形石英管外侧围绕金属网作为接地电极。尽管介质层的存在可以使得放电等离子体均匀分布，但是介质阻挡放电形式所产生的等离子体中粒子所含能量较低，不利于被处理对象的裂解，进而不利于提高转化效率。
另外目前还存在滑动弧反应器，其一般结构是存在一个高压电极一个接地电极，其中一个为棒状一个为环形结构，放电空间不存在介质层，放电形式为棒环形放电，其缺陷有有个：一是大体积滑动弧反应器其重量较大，所要求燃料的流量也较大，不利于进行小流量的基础研究，二是目前的不管是大尺寸还是小尺寸滑动弧反应器，其放电通道是沿轴向方向滑动。由于滑动弧放电在每一瞬间只有一个放电丝状通道，所以这种轴向方向的滑动弧反应器限制于加工精度，如某处的高压电极和接地电极间的间隙较小，其更容易在此处放电，加上来流速度的存在，滑动弧只会在该处沿轴向滑动，导致周向方向上放电不均匀，使得被处理对象不能均匀的和等离子体充分接触发生反应。
发明内容
一是采用滑动弧放电形式提高等离子体中粒子能量，使其和燃料分子或挥发性有机物反应更剧烈；二是采用旋转滑动弧等离子体，克服现有滑动弧反应器中等离子体不均匀的缺陷，达到等离子体和反应物充分接触并发生反应的目的。最终提高等离子体裂解燃料的转化率或是等离子体降解有害物质（VOCs，挥发性有机物）的效率。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种微型旋转弧等离子体流动反应器，包括：
一个导电的阴极收敛管，限定一条中心轴线，包括一周管壁和一个由所述管壁内表面限定的轴向通道以及两个相对的轴向端部，所述轴向通道包括至少一个锥形台面；
一个石英管隔离段，沿所述中心轴线方向密封接续于所述阴极收敛管的锥形台面的轴向端部，所述石英管隔离段因此具有一个背离所述阴极收敛管的轴向远端部；
一个沿所述中心轴线向更远处延伸并导电的阳极支撑管，包括一个导电外管和一个同轴的导电管芯以及一种将所述导电外管与所述导电管芯之间径向导电连接的连接结构，在所述导电外管与所述导电管芯之间构成至少一条轴向贯穿所述阳极支撑管的轴向旁路通道，所述导电管芯具有一个环绕所述中心轴线并向石英管隔离段开口的插座孔；
和一个环绕所述中心轴线设置并轴向联通所述石英管隔离段和所述阳极支撑管的微型旋流器，用于使从中轴向穿过的气体产生环绕所述中心轴线的旋流；
以及一个沿所述中心轴线延伸的棒状放电阳极，具有一个插进所述阳极支撑管的插座孔中的插入端部和一个相反延伸的自由端部，所述自由端部轴向延伸到所述阴极收敛管的轴向通道的收敛端。
更好，所述棒状放电阳极的自由端部包括一个大体锥型的外伸端，所述外伸端与所述阴极收敛管的轴向通道之间的偏心度不大于100微米。
更好，所述阴极收敛管的轴向通道包括两个对顶的锥形台面，其中之一的锥度为十分之一到五分之一。
更好，所述阴极收敛管包括一种金属管。
更好，所述阳极支撑管包括一种金属管。
更好，所述石英管隔离段轴向长度为30-45毫米。
更好，所述阴极收敛管的轴向长度为15-25毫米，所述阴极收敛管的轴向通道中最小截面直径为5mm。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、结构紧凑，集成了放电阳极、阴极收敛管和旋流器，并有效隔离放电阳极和阴极收敛管；
2、体积小型化，可进行微小流量下旋转滑动弧等离子体处理燃料或旋转滑动弧等离子体降解挥发性有机物的基础研究；
3、可以和管式炉结合研究高温环境下的实验；
4、包含旋流装置，使得放电通道可以周向旋转，达到被处理对象可以充分和等离子体发生反应的目的。
附图说明
图1是微型旋转弧等离子体流动反应器的立体图；
图2是微型旋转弧等离子体流动反应器的剖视图；
图3是微型旋转弧等离子体流动反应器的爆炸图；
图4是图3中A部的放大图；
图5是微型旋流器的立体图。
图中，1、石英管出气端；2、阳极支撑管；20、外管；21、内螺纹管；22、支板；3、引出阳极；4、微型旋流器；40、外筒；41、内筒；42、旋流片；5、放电阳极；6、石英管隔离段；7、阴极收敛管；8、引出阴极；9、石英管进气端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：一种微型旋转弧等离子体流动反应器，参照图1、2、3，包括石英管进气端9、阳极支撑管2、引出阳极3、微型旋流器4、放电阳极5、石英管隔离段6、阴极收敛管7、引出阴极8和石英管出气端1。
石英管进气端9包括水平石英管和垂直石英管两部分，水平石英管较长为流动反应器通道，结合实验需求，长约100-150mm，垂直石英管较短作为进气口，高约20-30mm，垂直石英管中轴线距离水平石英管一端端面距离20-30mm，水平石英管和垂直石英管内径约5-8mm，壁厚约1-2mm，水平石英管和垂直石英管焊接联结；
结合图2、3，阳极支撑管2为金属管，总长10-30mm，包括一个导电外管20和一个同轴的导电管芯以及一种将所述导电外管与所述导电管芯之间径向导电连接的连接结构。这里导电外管20为外管20，同轴的导电管芯为内螺纹管21，连接结构为支板22。其外管20的外径和壁厚与石英管进气端9的水平石英管外径和壁厚一致，螺纹管21位于阳极支撑管2中心轴线处，螺纹管21外径小于外管20内径，约4-6mm，内螺纹尺寸为M2-M4，螺纹管21和外管20通过2-5个支板22焊接联结，支板22厚度0.5-1.5mm，长度与外管20相同，支板22高度为外管20内径与螺纹管21外径之差的一半，阳极支撑管2和石英管进气端9远离垂直石英管一侧焊接联结；
参照图1、2、3，引出阳极3为棒状，总长为150-200mm，一端存在M2-M4外螺纹，与阳极支撑管2螺纹连接，外螺纹长度小于阳极支撑管2长度一半，约5-15mm，引出阳极3其余部分为实心棒，外径小于石英管进气端9的水平石英管内径，约4-6mm；
结合图2、3、4，微型旋流器4作用是使经过气流离开微型旋流器4后气流速度在周向方向存在分量，使得下游放电丝状通道实现周向旋转，包括外筒40、内筒41和旋流片42，总长5-10mm，外筒40外径尺寸和阳极支撑管2的外管20尺寸相同，内筒41的外径和阳极支撑管2的内螺纹管21外径相同，内筒41的内径较阳极支撑管2的内螺纹管21的内螺纹公称直径大，约2.1-5.1mm，旋流片42为片状，数目3-5个，旋流片42厚度0.2-0.8mm，使得旋流片42横向截面沿径向方向的一端的宽度和阳极支撑管2的支板22厚度相同，旋流片42倾角为旋流片42所在平面和过旋流片42横向截面上沿径向方向的中线的中轴面之间的夹角，约15-45度，微型旋流器4的旋流片42横向截面沿径向方向的一端和阳极支撑管2端面焊接联结；
放电阳极5总长20-60mm，一端外螺纹尺寸M2-M4，外螺纹长度大于微型旋流器4长度，小于微型旋流器4长度与阳极支撑管2长度一半之和，约10-25mm，放电阳极5另一端由等直径金属棒过渡为金属尖端，等直径金属棒长5-15mm，锥形部分长5-20mm，放电阳极5螺纹端穿过微型旋流器4的内筒41和阳极支撑管2的内螺纹管21螺纹连接；
参照图1、2、3，石英管隔离段6总长10-30mm，作用是隔离微型旋流器4和阴极收敛管7，以避免微型旋转弧等离子体流动反应器外部放电，确保放电阳极5金属尖端和阴极收敛管7的内壁面最小截面的环形棱边放电，石英管隔离段6和微型旋流器4另一端面焊接联结。
阴极收敛管7为金属管，有两种不同外径尺寸的等直径部分，两端部分外径和石英管隔离段6的外径相同，两端部分长度相同，约5-10mm，中间部分的外径较大15-25mm，长3-7mm，径向方向存在M3-M5螺纹孔，用于和引出阴极8连接，阴极收敛管7两端端面处内径和石英管隔离段6的内径相同，阴极收敛管7中部最小截面处内径3-6mm，阴极收敛管7内表面由两端内径尺寸线性收敛过渡至中部内径尺寸，阴极收敛管7和石英管隔离段6端面焊接联结，使得放电阳极5金属尖端和阴极收敛金属管中部轴向距离在0-10mm范围内；
引出阴极8为金属螺杆，总长120-170mm，螺纹尺寸M3-M5，与阴极收敛管7的螺纹孔螺纹连接；
石英管出气端1结构与石英管进气端9结构相似，总长150-200mm，包括水平石英管和垂直石英管两部分，水平石英管较长为流动反应器通道，垂直石英管较短作为出气口，高约20-30mm，垂直石英管中轴线距离水平石英管一端端面距离20-30mm，水平石英管和垂直石英管内径约5-8mm，壁厚约1-2mm，水平石英管和垂直石英管焊接联结，石英管出气端1远离出气口一端的端面和阴极收敛管7的端面焊接联结。
本发明中:一是采用滑动弧放电形式提高等离子体中粒子能量，使其和燃料分子或挥发性有机物反应更剧烈；二是采用旋转滑动弧等离子体，克服现有滑动弧反应器中等离子体不均匀的缺陷，达到等离子体和反应物充分接触并发生反应的目的。最终提高等离子体裂解燃料的转化率或是等离子体降解有害物质（VOCs，挥发性有机物）的效率。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种微型旋转弧等离子体流动反应器，其特征在于，包括：
一个导电的阴极收敛管(7)，限定一条中心轴线，包括一周管壁和一个由所述管壁内表面限定的轴向通道以及两个相对的轴向端部，所述轴向通道包括至少一个锥形台面；
一个石英管隔离段(6)，沿所述中心轴线方向密封接续于所述阴极收敛管(7)的锥形台面的轴向端部，所述石英管隔离段(6)因此具有一个背离所述阴极收敛管(7)的轴向远端部；
一个沿所述中心轴线向更远处延伸并导电的阳极支撑管(2)，包括一个导电外管和一个同轴的导电管芯以及一种将所述导电外管与所述导电管芯之间径向导电连接的连接结构，在所述导电外管与所述导电管芯之间构成至少一条轴向贯穿所述阳极支撑管(2)的轴向旁路通道，所述导电管芯具有一个环绕所述中心轴线并向石英管隔离段(6)开口的插座孔；
和一个环绕所述中心轴线设置并轴向联通所述石英管隔离段(6)和所述阳极支撑管(2)的微型旋流器(4)，用于使从中轴向穿过的气体产生环绕所述中心轴线的旋流；
以及一个沿所述中心轴线延伸的棒状放电阳极(5)，具有一个插进所述阳极支撑管(2)的插座孔中的插入端部和一个相反延伸的自由端部，所述自由端部轴向延伸到所述阴极收敛管(7)的轴向通道的收敛端。
2.如权利要求1所述的微型旋转弧等离子体流动反应器，其特征在于，所述棒状放电阳极(5)的自由端部包括一个大体锥型的外伸端，所述外伸端与所述阴极收敛管(7)的轴向通道之间的偏心度不大于100微米。
3.如权利要求2所述的微型旋转弧等离子体流动反应器，其特征在于，所述阴极收敛管(7)的轴向通道包括两个对顶的锥形台面，其中之一的锥度为十分之一到五分之一。
4.如权利要求1所述的微型旋转弧等离子体流动反应器，其特征在于，所述阴极收敛管(7)包括一种金属管。
5.如权利要求1所述的微型旋转弧等离子体流动反应器，其特征在于，所述阳极支撑管(2)包括一种金属管。
6.如权利要求1-5任意一项所述的微型旋转弧等离子体流动反应器，其特征在于，所述石英管隔离段(6)轴向长度为30-45毫米。
7.如权利要求1所述的微型旋转弧等离子体流动反应器，其特征在于，所述阴极收敛管(7)的轴向长度为15-25毫米，所述阴极收敛管(7)的轴向通道中最小截面直径为5mm。
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