CZ301755B6 - Zpusob generace kyslíku v singletovém delta stavu a generátor pro provádení tohoto zpusobu - Google Patents

Abstract

Zpusob generace singletového kyslíku reakcí plynného reagentu s kapalným reagentem ve spreji spocívající v tom, že kapalina se od plynné složky oddelí dopadem letících kapek na vnitrní steny rotujícího separátoru (3) a náhlou zmenou smeru proudení ve vnitrních kanálech (7) separátoru (3) a na kapky spreje se navíc pusobí odstredivými silami v zakrivených kanálech (7) separátoru (3). Atomizace kapalného reagentu a smíchání kapalného a plynného reagentu se s výhodou provádí soucasne v dvoufázové atomizacní trysce. Zpravidla je plynným reagentem chlór a kapalným reagentem je alkalický roztok peroxidu vodíku. Pomer mezi vnitrním objemem separátoru (3) a objemovou rychlostí proudení plynu je s výhodou takový, že doba mezi smíšením chloru s kapalinou a výstupem plynu ze separátoru (3) je kratší než 10 ms. Generátor (1) singletového delta kyslíku sestává z reakcní komory (2) pro reakci plynného reagentu s kapalným reagentem ve spreji a z rotujícího separátoru (3) pro oddelení kapaliny a plynu ve spreji, pricemž reakcní komora (2) je ohranicena vnitrními stenami rotujícího separátoru (3) a separátor (3) je opatren nejméne jedním zakriveným separacním kanálem (7) pro oddelení kapaliny od plynu spolupusobením setrvacné a odstredivé síly. Pro separacní kanály (7) v separátoru (3) je zvlášte vhodný tvar evolvent.

Description

Způsob generace kyslíku v singletovém delta stavu a generátor pro provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká zejména generace molekulárního kyslíku v elektronově excitovaném delta stavu (dále jen singletového kyslíku) pro chemický kyslík jodový laser a generátoru pro provádění tohoto procesu.

Dosavadní stav techniky

Vynález se týká chemického kyslík-jodového laseru (dále jen COIL, z anglického Chemical

Oxygen-lodine Laser), a to zejména generace singletového kyslíku O₂('A_g), který je zdrojem energie pro uvedený laser. Dosud jediným dostatečným zdrojem singletového kyslíku pro COIL je chemická reakce plynného reagentu s kapalným reagentem, přičemž jako plynný reagent se využívá chlor (většinou zředěný inertním plynem, heliem nebo dusíkem) a kapalným reagentem je obvykle alkalický roztok peroxidu vodíku (dále jen BHP, z anglického Basic Hydrogen Peroxi20 de):

Cl₂ + H2O2 + 2 KOH = O2(^lÁg) + 2 KC1 + 2 H₂O flj

Dosud byly pro tento proces navrženy a využívány různé typy generátorů, jako probublávací (Richardson R. I, US 4318895.), tryskový (Zagidullin Μ. V., Kurov A. Ju., Kuprianov N. L., Nikolaev V. D., Svistun M. L, Erasov N. V., Sov. J. Quantum. Electron. B21B, 747; 1991, s rotujícími disky (G. M. Harpole, W. D. English, J. G. Berg, D. J. Miller, AIAA Paper 92-3005 at 23^rd Plasmadynamics and Lasers Conference, Nashville, TN, USA, 1992) a sprejový (Rockenfeller J. D., US 4461756).

Tyto generátory produkují singletový kyslík s výtěžkem (poměrem koncentrace singletového kyslíku k celkové koncentraci kyslíku) od 20 % do 70 %. Velmi významnou vlastností je velikost mezifázového povrchu, která může být extrémně vysoká ve sprej ových generátorech, ve kterých reaguje plynný reagent s kapalným reagentem ve spreji. Hlavním problémem sprej ových generá35 torů je však nutnost rychlé a účinné separace obou fází po proběhnutí reakce [1]. Doba transportu singletového kyslíku z místa jeho vzniku do aktivní zóny laseru musí být velmi krátká (od jednotek do stovek milisekund), neboť koncentrace singletového kyslíku a tím i účinnost COILu s touto dobou rychle klesá, což velmi omezuje použití většiny separačních metod. Rychlou separaci kapalného reagentu z plynu navrhuje Dickerson (US 5516502) řešit tak, že se kapalný alkalický peroxid vodíku a chlor vstřikují odděleně nadzvukovou rychlostí tangenciálně do stacionárního reaktoru kruhového průřezu. Vstřikování peroxidu vodíku a chloru v tangenciálním směru vyvolají v reaktoru velmi rychlé proudění cyklonového charakteru, způsobující oddělní kapalné složky od složky plynné působením odstředivé síly a dopadem letících kapek na vnější stěny tohoto separátoru. Vznikající singletový kyslík je odváděn výstupem v ose válcové reakční komory.

Ke generování kyslíku v singletovém delta stavu tedy dochází v podmínkách nadzvukového proudění cyklonového charakteru a k oddělení obou fází (plynného produktu a zreagované kapaliny) dochází v reaktoru působením odstředivé síly rotace, způsobené tangenciálním nástřikem nadzvukovou rychlostí obou reaktantů, které se vstřikují do stacionárního reaktoru odděleně, a vznikající singletový kyslík je podle tohoto US patentu odváděn ze středu reakční komory. Patent US 5516502 tak řeší oddělení obou fází nadzvukovým prouděním cyklonového charakteru ve stacionárním reaktoru, přičemž oddělení kapalné či pevné fáze z plynu v cyklonech je dlouho známou a běžnou technologií používanou v chemickém průmyslu.

-1 CZ 301755 B6

Nevýhodou používaných generátorů je částečný únik kapek BHP do aktivní oblasti COILu, kde působí zvýšení ztrát rozptylem laserového záření. Navrhovaný vynález účinně řeší tyto uvedené nedostatky stávajících generátoru.

Podstata vynálezu

Řešení podle vynálezu se týká způsobu generace singletového kyslíku pro COIL a zařízení (generátoru) pro tuto generaci. Při tomto způsobu přípravy singletového kyslíku se kapalný reagent io uvádí do reakční komory atomizaČní (rozprašovací) tryskou (nebo tryskami). Plynný reagent je do reakční komory uváděn buď nezávislým vstupem, nebo společně s kapalným reagentem dvoufázovou tryskou. V reakční komoře je generován plynný singletový kyslík. Reakční komora je vytvořena dutinou rotujícího separátoru, do kterého z reakční komory proudí reakční směs a ve kterém je dvoufázová směs plynného produktu a zreagované kapaliny rychle separována. Separá15 tor obsahuje zakřivené separační kanály, ve kterých dochází k oddělení kapaliny spolupůsobením odstředivým sil, působících na kapky unášené s plynem. Odstředivé síly vznikají jako setrvačné účinky dostředivého zrychlení rotačního pohybu tělesa separátoru, dostředivého zrychlení relativního pohybu spreje v zakřiveném kanálu vůči rotoru a Corriolisova zrychlení, vznikajícího složením obou pohybů. Separovaná kapalina proudí separačními kanály ve formě filmu. Odstředivé síly způsobují přilnutí filmu ke straně separačního kanálu vzdálenější od osy rotace a zároveň vyvozují pohyb filmu. Větší kapky mohou být odděleny nárazy na vnitřní stěny separátoru a takovým uspořádáním vstupu spreje do separátoru, že proudění směsi prudce změní směr a větší kapky narazí na stěnu kanálu separátoru.

Vysoká účinnost této metody i při vyšších tlacích je dána velmi krátkou dobou zdržení plynu v reakční komoře a v separátoru, což omezuje ztráty singletového kyslíku dimolámími reakcemi

OjfAg) +Ο2('Δ^ = Ο₂(’Σ) + Ο2(³Σ) f2] a

ChCůg) +0,(¹^ = 2 Ο₂(³Σ) f3],

V námi předkládané přihlášce vynálezu dochází tedy ke generování kyslíku v singletovém delta stavu uváděním plynného reaktantu (chloru) s kapalným reaktantem (alkalickým peroxidem vodíku) tryskou (nebo tryskami) do reakční komory, a to při podzvukovém proudění, přitom sprej (aerosol) H2O2/CI2 se vstřikuje do reakční komory ve směru jiném než tangenciálním, takže nedochází k žádnému nadzvukovému proudění cyklónového charakteru, a následným oddělením kapaliny ze spreje dopadem letících kapek na vnitřní stěny rotujícího separátoru a náhlou změnou směru proudění ve vnitřních kanálech separátoru, tedy působením setrvačné síly. Zbývající kapky se odstraní v zakřivených kanálech rotujícího separátoru spolupůsobením setrvačnosti a odstředivé síly a singletový kyslík zbavený kapaliny se odvede z kanálů v separátoru.

Generátor umožňující provádět tento způsob se sestává zjednofázové nebo dvoufázové atomizaČní trysky, reakční komory a rotujícího separátoru. Reakční komora má alespoň jednu nepohyblivou stěnu, ve které je umístěna tryska. Zbývající stěny reakční komory jsou tvořeny dutinou rotujícího separátoru. Rotující separátor má alespoň jeden separační kanál. V pohledu kolmém na osu rotace má separační kanál tvar spirály. Zejména příznivý je tvar evolventy, který umožňuje kompaktní uspořádání kanálů o konstantní výšce a zaručuje rovnoměrnou tloušťku filmu separované kapaliny. Generátory pro vysoké průtoky mají větší počet trysek a větší počet separačních kanálů.

-2Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 znázorňuje příčný řez generátorem s reakční komorou, rotujícím separátorem a 24 sepa5 račními kanály.

Obr. 2 znázorňuje příčný řez generátorem s reakční komorou, rotujícím separátorem a dvěma separačními kanály ve tvaru evoívent.

io

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Na obr. 1 je znázorněn příčný řez generátorem I s reakční komorou 2, rotujícím separátorem 3, a 24 separačními kanály 7:2- reakční komora se sprejem BHP v atmosféře chloru a vznikajícího singletového kyslíku; 3 - rotující separátor se separačními kanály 7; 4 - plyn obsahující singletový kyslík; 5 - supersonická tryska s optickým resonátorem laseru; I - vstřikování par jodu. Sepa20 race kapek z plynu obsahujícího singletový kyslík probíhá jednak nárazy kapek na vnitřní stěny rotujícího separátoru 3, tedy působením setrvačné síly, a dále spolupůsobením setrvačné a odstředivé síly v kanálech 7 uvnitř stěn rotujícího separátoru 3.

Příklad 2

Na obr, 2 je znázorněno další možné provedení generátoru 1 singletového kyslíku. Rotující separátor 3 obsahuje v tomto případě dva separační kanály 7 ve tvaru evoívent: 2 - reakční komora se sprejem BHP v atmosféře chloru a vznikajícího singletového kyslíku; 3 - rotující separátor se separačními kanály 7 ve tvaru evoívent a příčnými kanály: 6 - kanály na přívod spreje, 8 a 9 kanály na odvod kapaliny a JO - kanály na odvod plynu; 4 - odcházející plyn obsahující singletový kyslík; 5 - supersonická tryska laseru; I - vstřikování par jodu.

Průmyslová využitelnost

Řešení podle vynálezu lze využít pro chemický kyslík-jodový laser, jehož použití je vhodné zejména pro aplikace, kdy je třeba velmi vysokých výstupních kontinuálních výkonů laseru (více než 5 kW). Další výhodou tohoto laseru je záření o vlnové délce 1,315 pm, které je vedeno s minimálními ztrátami skleněnými optickými vlákny, je velmi dobře absorbováno povrchem technických materiálů a velmi dobře proniká zemskou atmosférou. Prvé tři vlastnosti předurčují tento laser pro obrábění a sváření materiálů zejména v nebezpečných nebo nepřístupných místech (jako při likvidaci starých jaderných zařízení - např. jaderných elektráren nebo výroben jaderných zbraní), třetí a čtvrtá vlastnosti předurčuje použití COILu ve vojenství pro ničení raket protivníka na vzdálenosti i několika stovek kilometrů.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že atomizace kapalného reagentu a smíchání kapalného a plynného reagentu se provádí současně v dvoufázové atomizační trysce.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že plynným reagentem je chlór

   15 a kapalným reagentem je alkalický roztok peroxidu vodíku.
4. 4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že poměr mezi vnitřním objemem separátoru a objemovou rychlostí proudění plynu je takový, že doba mezi smíšením chloru s kapalinou a výstupem plynu ze separátoru je kratší než 10 ms.
5. 5. Generátor (1) singletového delta kyslíku, vyznačující se tím, že sestává z reakční komory (2) pro reakci plynného reagentu s kapalným reagentem ve spreji a z rotujícího separátoru (3) pro oddělení kapaliny a plynu ve spreji, přičemž reakční komora (2) je ohraničena vnitřními stěnami rotujícího separátoru (3) a separátor (3) je opatřen nejméně jedním zakřiveným

   25 separačním kanálem (7) pro oddělení kapaliny od plynu působením odstředivé síly.

   5 1. Způsob generace singletového kyslíku reakcí plynného reagentu s kapalným reagentem ve spreji, vyznačující se tím, že kapalina se od plynné složky oddělí dopadem letících kapek na vnitřní stěny rotujícího separátoru a náhlou změnou směru proudění ve vnitřních kanálech separátoru a na kapky spreje se navíc působí odstředivými silami v zakřivených kanálech separátoru.
6. 6. Generátor podle nároku 5, vyznačující se tím, že separační kanály (7) v separátoru (3) mají tvar evolvent.