CS245920B1

CS245920B1 - Plazmový reaktor

Info

Publication number: CS245920B1
Application number: CS470284A
Authority: CS
Inventors: Petr Kroupa; Josef Szabo; Zdenek Tluchor; Karel Zverina
Original assignee: Petr Kroupa; Josef Szabo; Zdenek Tluchor; Karel Zverina
Priority date: 1984-06-20
Filing date: 1984-06-20
Publication date: 1986-10-16

Abstract

Zařízení se týká oboru plazmové techniky a řeší problém fyzikálně-chemických procesů v plazmových reaktorech. Podstata řešení spočívá ve vytvoření plazmového reaktoru s reakční komorou umožňující axiální ohraničení proudu plazmatu prouděním plynného média nebo magnetickým polem, jeho radiální ohraničení prouděním plynného média a obvod výsledného zpracovaného materiálu vhodně vytvořenými výstupními otvory nenarušujícími homogenitu pracovního prostředí reakční komory. Řešeny jsou reaktory s horizontálními i vertikálními komorami, vhodné jak pro výrobu nebo zpracování práškových materiálů, tak pro provádění chemických reakcí. Zařízení je možno využit zejména v oblasti chemického a keramického průmyslu.

Description

Plazmový reaktor

Zařízení se týká oboru plazmové techniky a řeší problém fyzikálně-chemických procesů v plazmových reaktorech.

Podstata řešení spočívá ve vytvoření plazmového reaktoru s reakční komorou umožňující axiální ohraničení proudu plazmatu prouděním plynného média nebo magnetickým polem, jeho radiální ohraničení prouděním plynného média a obvod výsledného zpracovaného materiálu vhodně vytvořenými výstupními otvory nenarušujícími homogenitu pracovního prostředí reakční komory. Řešeny jsou reaktory s horizontálními i vertikálními komorami, vhodné jak pro výrobu nebo zpracování práškových materiálů, tak pro provádění chemických reakcí.

Zařízení je možno využit zejména v oblasti chemického a keramického průmyslu.

245 9-20 (51) Int CI.4

H 05 H .1/00

245 920

Vynález se týká plazmového reaktoru, zejména pro fyzikálně chemické zpracovávání práškového materiálu.

Výhodných vlastností plazmatu se v současné době široce využívá v nej různějších oblastech. Dednou ž velmi výhodných aplikací plazmové techniky jsou plazmové generátory pro ohřev plynů na vysoké teploty, provádění chemických reakci plynných, kapalných nebo pevných látek za vysokých teplot, získáváni superjemných materiálů, redukci práškových materiálů nebo výrobu materiálů definovaného tvaru či povrchu. Pro toto použití se používá různých druhů plazmových reaktorů, lišících se podle svého účelu způsobem tvorby plazmatu v použitém plazmovém generátoru, používaným stabilizačním médiem, vytvořením vlastní reakčni komory i vytvořením sběrného prostoru.

□sou známy například plazmové reaktory pro výrobu superjemných práškových materiálů reakcí plynných výchozích složek přiváděných do obloukového elektrického výboje mezi elektrodami uspořádanými v reakční komoře reaktoru. Obdobného zařízení se používá i pro ohřev plynů na vysoké teploty, popřípadě i v takové modifikaci, kdy se příslušný plyn přivádí do komory, do níž je usměrněn proud plazmatu plynem stabilizovaného plazmového agregátu a v níž navíc může hořet elektrický oblouk mezi vnitřní elektrodou a stěnou nádoby.

□sou známy i plazmové reaktory pro zpracovávání materiálů přiváděných do reakční komory ve formě prášku. Tak například redukce kovových oxidů se provádí ve vznosu proudem plazmatu plynem stabilizovaného plazmového generátoru konajícího precesni pohyb, za přívodu pomocného plynného média. Pro redukci práškových materiálů jsou určeny i reaktory s obloukovým výbojem hořícím mezi dvěma souose uspořádanými elektrodami a s přívodem práškového materiálu a plynného reaktivního media do oblasti mimo elektrody a s magnetickým škrcením proudu plaz—matu. úprava práškových materiálů, zejména jejich .sferoidizace, se

245 920 běžně provádí i v plazmových reaktorech s obloukovým nebo vysokofrekvenčním plazmovým generátorem přívodem materiálu do reakční komory, do níž je přiváděn nezávislý proud plazmatu, zejména z obloukového plazmového generátoru· U reaktorů určených pro výrobu nebo zpracování práškových materiálů se používají vhodné lapače částic na principu elektrostatických odlučovačů a cyklonových nebo mokrých filtrů·

Hlavní nevýhodou známých plazmových reaktorů jsou problémy s homogenitou pracovního prostředí vlastní reakční komory, nepříznivé se projevující zejména při výrobě a zpracování práěkových materiálů· Nerovnoměrnost rozdělení teplot v reakční komoře a značný graidient teplotního pole plazmatu má i při malých změnách rychlosti nebo směru podávání práěkového materiálu negativní vliv na kvalitu výsledného produktu· DalSí nevýhodou pak je jednoúčelovost koncepce známých plazmových reaktorů, jejichž konkrétní tělesné vytvoření přímo odvisí od použitého zdroje plazmatu a druhu zpracovávaného materiálu; u reaktorů a druhotným transferovaným obloukem vznikají i obtíže s životností elektrod ve stěnách reaktoru*

Uvedené nevýhody známých provedeni plazmových reaktorů podstatně zmenšuje plazmový reaktor s reakční komorou opatřenou vstupem nezávislého proudu plazmatu a vstupem zpracovávaného materiálu podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že jeho reakční komora, mající v podstatě rotační tvar,je opatřena osovým vstupem proudu plazmatu, osovým vstupem zpracovávaného materiálu a výstupem zpracovávaného materiálu uspořádaném alespoň z části v oblasti obvodového pláště reakční komory, •přičemž reakční komora je opatřena vstupy nebo vinutím pro radiální a axiální ohraničení proudu plazmatu· Vstupy pro radiální ohraničení proudu plazmatu mohou být tvořeny nejméně jedním tangenciálně orientovaným přívodem· Vinutí může být uspořádáno na vnějSím povrchu pláště reakční komory a zapojeno do napájeoiho okruhu plazmového generátoru· Vstupy pro ohraničení proudu plazmatu mohou být tvořeny nejméně jedním axiálně orientovaným přívodem plynného media, směřujícím proti proudu plazmatu·

- 3 245 920

Tangenciálně orientované vstupy plynného média mohou být vytvořeny v průběžném vedení, uspořádaném v horní části horizontálně uspořádané reakční komory, jejíž plaší ve své spodní části přechází do štěrbinového výstupu zpracovaného materiálu· Výstup zpracovaného materiálu může být tvořen prstencovým otvorem vytvořeným na rozhraní pláště a čela vertikálně orientované reakční komory· Osový vstup zpracovávaného materiálu může být orientován proti osovému vstupu proudu plazmatu nebo může být společný s osovým vstupem proudu plazmatu· Tangenciálně orientované vstupy plynného média mohou být vytvořeny v horním čele vertikálně orientované reakční komory· Reaktor může obsahovat nejméně jeden přídavný plazmový generátor s radiálním vstupem do reakční komory, přičemž jejich katody nebo anody jsou zapojeny na přídavný elektrický zdroj a v reakční komoře může být vytvořen nejméně jeden radiálně orientovaný vstup přídavného plynného media·

Hlavní výhodou plazmového reaktoru podle vynálezu je jeho jednoduchá koncepce, umožňující jednoduchými prostředky vytvořit v reakční komoře prostředí vhodné pro zpracování i výrobu různých druhů práškových materiálů a dávající homogenitou a stálostí parametrů proudu plazmatu a možností ovlivnění doby jeho působení na zpracovávaný materiál záruku kvality a stejnorodosti výsledného produktu· Další výhodou je možnost použití různých stabilizačních systémů proudu plazmatu, al jednotlivě nebo v kombinacích a možnost použití více navzájem spřažených generátorů přinášející podstatné zvýšení výkonů·

Koncepce navrhovaného plazmového reaktoru umožňuje podle potřeby zpracovávat jednotlivé reagující složky bud s jejich předmíšením a případným předehřátím před vstupem do vysoce energetické oblasti plazmatu, nebo za použití samostatných vstupů jednotlivých složek, z nichž jedna může být přivedena přímo do plazmového generátoru, kde vytvoří vysoce reaktivní proud plazmatu, a druhá se pak smísí s plazmatem po proudu* (a umožňuje i zavedení reagujíoí složky až do relativně chladnějších oblastí reaktoru· Umožňuje vytvoření relativně homogenního proudu plazmatu, jehož rozpínání v komoře reaktoru umožňuje prodloužit dobu,

- 4 245 920 po kterou probíhají vysokoteplotní reakce, což je důležité zejména v oblasti plazmové syntézy· Konstrukce umožňuje i realizaci potřebného rychlého ochlazování produktů jak jejioh adiabatickou expanzí, tak stykem s pevnými nebo kapalnými složkami, nebo i přívodem studeného plynného média* Je výhodná zejména při použití grafitové tvořící elektrody plazmového generátoru a jeho stabilizaci různými kapalinami, zejména kapalinami obsahujícími ohemicky vázaný uhlík·

Ha přiloženém výkresu je znázorněno několik příkladů provedení plazmového reaktoru podle vynálezu, kde představuje obr· 1 plazmový reaktor s horizontálně uspořádanou reakění komorou a protisměrně orientovanými vstupy plazmatu a zpracovávaného materiálu, obr* 2 reaktor s horizontálně uspořádanou reakění komorou, mající věak společný vstup plazmatu a zpracovávaného materiálu, obr· 3 příčný řez reakční komorou reaktoru podle obr· 1 nebo 2, obr· 4 reaktor s vertikálně uspořádanou reakční komorou s radiálními vstupy přídavného média, obr· 5 reaktor e radiálně uspořádanou reakční komorou a s obvodovými prstencovými výstupy zpracovávaného materiálu a obr· 6 reaktor s několika plazmovými generátory·

Jak je patrno z obr· 1, ja hlavni částí plazmového reaktoru podle vynálezu horizontálně uspořádaná reakční komora 1, mající v podstatě válcový tvar· Obvodový pláěť 2 i čela 3 reakční komory 1 jsou tepelně izolovány vrstvou 4 keramického materiálu·

V jednom z čel £ je vytvořen osový vstup 5 proudu plazmatu z plazmového generátoru 6* V druhém z čel 3 je vytvořen osový vstup 2 zpracovávaného materiálu, dodávaného podávacím zařízením 8· V blízkosti obvodů čel £ jsou v pláěti 2 uspořádány tangenciální vstupy 2 plynného média· Ve spodní části pláětě 2 reakční komory 1 je vytvořen ětěrbinový výstup 10 zpracovávaného materiálu, vyúsťující do chladícího prostoru 11, spojdného dále s mokrým odlučovacím zařízením 12 práěkového materiálu, odtahem 13 plynů a zásobníkem l4 odloučeného práěkového materiálu*

Z obr· 3 je patrné alternativní uspořádání vstupů plynného media do reakční komory· Tyto vstupy jsou zde tvořeny tangenciálně

245 920 vyústiljícími otvory v průběžném vedení 15 uspořádaném rovnoběžně s podélnou osou reakční komory 1, v její nejhořejší části. Je zde patrné I uspořádání štěrbinových výstupů 10 z reakční komory 1,

Základní uspořádání reakční komory JL v provedení podle obr. 2 je shodné s provedením podle obr. 1. Zpracovávané práškové médium se zde však přivádí do proudu plazmatu ještě před jeho vstupem do prostoru reakční komory 1 a v čele 3. protilehlém čelu 3. se vstupem 5. proudu plazmatu jsou uspořádány axiálně orientované vstupy 16 stabilizujícího plynného média.

Na obr. 4 znázorněný reaktor má na vnějším povrchu 17 reakční komory uspořádáno vinutí 18 stabilizující cívky, zapojené do napájecího okruhu 19 plazmového generátoru 6. V oblasti vstupu 5 proudu plazmatu do reakční komory 1. jsou zde uspořádány ještě radiálně orientované vstupy přídavného plynného média.

Na obr. 5 je patrné uspořádání prstencových otvorů 21, tvořících výstupy zpracovaného materiálu z reakční komory JL·, mezi nimiž jsou vytvořeny axiálně orientované vstupy 16 plynného média.

Z obr. 6 je patrné uspořádání plazmového generátoru 6 a přídavných plazmových generátorů 22 s radiálními vstupy 23 do reakční komory a vzájemné elektrické propojeni jejich anod 24 nebo katod 25. I v tomto případě je použití výstupních prstencových otvorů 21 a protisměrně proti proudu plazmatu proudícího plynného média z axiálně orientovaných vstupů 16.

Činnost plazmového reaktoru podle vynálezu je založena na zavedeni nezávislého proudu plazmatu do reakční komory + a jeho ohraničení a vhodné tvarování prostřednictvím proudu plynného média z tangenciálních vstupů 9, axiálních vstupů 16 nebo prostřednictvím plynného média použitého pro dopravu zpracovávaného práškového materiálu osovým¹ vstupem 7, popřípadě jeho ohraničení magnetickým polem vinutí 18, vnesení zpracovávaného, zejména práškového materiálu do proudu plazmatu, případně přivedeni dalších reaktivních složek a zachycení a popřípadě i odloučení ochlazených výsledných materiálů.

6245 920

Popisovaný plazmový reaktor umožní při jednoduché konstrukci vytvořeni optimálních podmínek pro uskutečnění příslušných reakcí, □e to zejména homogenizace a ohraničeni proudu plazmatu spirálnim obvodovým prouděním vhodného plynu nebo magnetickým polem, umožňující různým rozmístěním trysek nebo magnetů vytvořit požadovaný tvar roakčniho pole, především pokud jde o jeho rozšířeni v blízkosti plazmového generátoru.

Dalším význačným prvkem řešení je osové, zejména protiproudé vnášeni zpracovávaného materiálu do proudu plazmatu a třetím je konstrukce výstupních otvorů umožňující rychlý odvod a ochlazení výsledného produktu.

Uvedená konstrukce umožňuje spolehlivé docíleni požadovaného rychlého ohřevu vnášeného materiálu, většinou na teploty v rozmezi cca 3 OOO až Θ 000 K, udržení částic zpracovávaného* merieriálu požadovanou dobu, řádově 1 sec, ve vysoce reaktivním stavu i následujícího superchlazení výsledného produktu na teploty pod 370 K v době kratší než 1 sec, a splňuje tak všechny předpoklady kladené na plazmovou syntézu.

Vynálezu je možno použit zejména pro výrobu jemných a superjemných práškových materiálů, jejich sferoidizaci a provádění chemických reakci za vysokých teplot. Využití přichází v úvahu zejména v oblasti chemického a keramického průmyslu.

Claims

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

245 920

1« Plazmový reaktor, zejména pro fyzikálně-chemické zpracováváni práškového materiálu, s reakční komorou opatřenou vstupem nezávislého proudu plazmatu, vstupem zpracovávaného materiálu a prostředky pro zachycováni zpracovaného materiálu, vyznačený tím, že reakční komora (l) rotačního tvaru, je opatřena osovým vstupem (5) proudu plazmatu, osovým vstupem (?) zpracovávaného materiálu a výstupem (10, 2l) zpracovaného materiálu uspořádaném alespoň z části v oblasti obvodového pláště (2) reakční komory (l), přičemž reakční komora (l) je opatřena vstupy (9, 16) nebo vinutím (l8) pro radiální a axiální ohraničení proudu plazmatu·
2, Plazmový reaktor podle bodu 1^ vyznačený tím, že vstupy (9) jsou vytvořeny nejméně jedním tangenciálně orientovaným přívodem·
3, Plazmový reaktor podle bodu 1, vyznačený tím, že vinutí (18) je uspořádáno ná vnějším povrchu pláště (2) reakční komory (l) a je zapojeno do napájecího okruhu (19, 20 ) plazmového generátoru (6)·
4, Plazmový reaktor podle bodu 1* vyznačený tím, že vstupy (16) jsou tvořeny nejméně jedním axiálně orientovaným přívodem (l6) plynného média, směřujícím proti proudu plazmatu·
5· Plazmový reaktor podle bodu 2 nebo 4, vyznačený tím, že tangenciálně orientované vstupy (9) plynného média jsou vytvořeny v průběžném vedení (l5)> uspořádaném v horní části horizontálně uspořádané reakční komory (l), jejíž plášť (2) ve své spodní části přechází do štěrbinového výstupu (lO) zpracovaného materiálu·
6· Plazmový reaktor podle bodu 2, vyznačený tím, že výstup zpracovaného materiálu je tvořen prstencovým otvorem (2l)

245 920 vytvořeným na rozhraní pláště (2) a čela (3) vertikálně orientované reakční komory (l).
7· Plazmový reaktor podle bodu 1 až vyznačený tím, že osový vstup (7) zpracovávaného materiálu je orientován proti osovému vstupu (5) proudu plazmatu.
8. Plazmový reaktor podle bodu 2, 4 nebo 6, vyznačený tím, že osový vstup (5) proudu plazmatu tvoří současně i osový vstup (7) zpracovávaného materiálu, vnášeného do proudu plazmatu mimo prostor reakční komory (l).
9. Plazmový reaktor podle bodu 2 nebo 4_ř vyznačený tím, že tangenciálně orientované vstupy ¢9) plynného média jsou vytvořeny v horním čele (3) vertikálně orientované reakční komory (l).
10. Plazmový reaktor podle bodu 1; vyznačený tím, že obsahuje nejméně jeden přídavný plazmový generátor (22) s radiálním vstupem (23) do reakční komory (l), přičemž jejich katody (25) nebo anody (24) jsou zapojeny na přídavný elektrioký zdroj (26).
11« Plazmový reaktor podle bodu 1χ vyznačený tím, že v reakční komoře (l) je vytvořen nejméně jeden radiálně orientovaný vstup (20) přídavného plynného média.