PL207074B1 - Chemical reactor for carrying processes in the volumetric surface discharge - Google Patents

Chemical reactor for carrying processes in the volumetric surface discharge

Info

Publication number
PL207074B1
PL207074B1 PL372038A PL37203804A PL207074B1 PL 207074 B1 PL207074 B1 PL 207074B1 PL 372038 A PL372038 A PL 372038A PL 37203804 A PL37203804 A PL 37203804A PL 207074 B1 PL207074 B1 PL 207074B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
reactor
electrodes
plasma
spiral
discharge
Prior art date
Application number
PL372038A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL372038A1 (en
Inventor
Krzysztof Krawczyk
Krzysztof Schmidt-Szałowski
Edward Reszke
Jan Sentek
Original Assignee
Politechnika Warszawska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Warszawska filed Critical Politechnika Warszawska
Priority to PL372038A priority Critical patent/PL207074B1/en
Publication of PL372038A1 publication Critical patent/PL372038A1/en
Publication of PL207074B1 publication Critical patent/PL207074B1/en

Links

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w objętościowym wyładowaniu ślizgowym, służący do realizacji syntez lub rozkładu substancji chemicznych za pomocą plazmy nierównowagowej.The subject of the invention is a reactor for carrying out chemical processes in a volumetric sliding discharge, used to carry out the synthesis or decomposition of chemical substances by means of non-equilibrium plasma.

Znane i stosowane urządzenia plazmowe zawierają źródła-generatory plazmy nierównowagowej tzn. takiej, w której sumaryczna energia cząstek ciężkich jest znacząco niższa od średniej energii elektronów. Taką plazmę otrzymuje się za pomocą elektrycznych wyładowań wysokonapięciowych lub wyładowań uzyskiwanych za pomocą prądów wysokiej częstotliwości i mikrofal, najlepiej pod obniżonym ciśnieniem.The known and used plasma devices contain source-generators of non-equilibrium plasma, i.e. one in which the total energy of heavy particles is significantly lower than the average energy of electrons. Such a plasma is obtained by means of high-voltage electrical discharges or discharges obtained by means of high-frequency currents and microwaves, preferably under reduced pressure.

Chcąc uzyskać plazmę nierównowagową przy ciśnieniu atmosferycznym lub podwyższonym, konieczne jest stosowanie specjalnych zabiegów konstrukcyjnych umożliwiających utrzymywanie plazmy w stanie o niskiej gęstości elektronów (Ne<1013cm-3) co zapobiega powstawania łuku elektrycznego (Ne>1015cm-3).In order to obtain a non-equilibrium plasma at atmospheric or elevated pressure, it is necessary to use special design measures to keep the plasma in a state with a low electron density (Ne <10 13 cm -3 ), which prevents the formation of an electric arc (Ne> 10 15 cm -3 ).

Znanymi sposobami otrzymywania plazmy nierównowagowej są wyładowanie jarzeniowe przy ciśnieniu atmosferycznym tzw. APGD (ang. Atmospheric Pressure Glow Discharge) lub wyładowania barierowe, w których istnieje naturalne ograniczenie prądu takie jak np. bariera w postaci warstwy materiału dielektrycznego lub bariera w postaci warstwy materiału o zwiększonej rezystywności ułożonej pomiędzy elektrodami doprowadzającymi energię elektryczną do plazmy.The known methods of obtaining non-equilibrium plasma are glow discharge at atmospheric pressure, the so-called APGD (Atmospheric Pressure Glow Discharge) or barrier discharges in which there is a natural current limitation, such as a barrier in the form of a layer of dielectric material or a barrier in the form of a layer of material with increased resistivity between the electrodes supplying electricity to the plasma.

Innym sposobem jest generacja plazmy niestacjonarnej typu ślizgowego (glid arc) gdzie plazma porusza się pomiędzy minimum dwoma elektrodami o kształcie noży (ustawionych tak, że w kierunku przepływu gazu dystans pomię dzy ich ostrzami roś nie. W takim źródle plazmy wyładowanie rozpięte pomiędzy ostrzami przechodzi przez wszystkie stany od przebicia elektrycznego poprzez stan dynamicznego rozwoju wyładowania aż do jego zerwania wskutek deficytu napięcia (w miejscu, w którym dystans pomiędzy ostrzami jest największy) z jednoczesnym formowaniem się nowego przebicia elektrycznego (tam gdzie dystans pomiędzy ostrzami jest minimalny). Znane i stosowane ukł ady generowania plazmy typu ś lizgowego posiadają co najmniej tyle elektrod, ile jest przewodów doprowadzających napięcie do zasilania plazmy. I tak, w układach jednofazowych i dwufazowych minimalna liczba elektrod wynosi 2, zaś przy zasilaniu trójfazowym 3 lub 6. Czasem stosowana jest także dodatkowa elektroda zapłonowa, służąca do podtrzymywania wyładowania, usytuowana tam, gdzie dystans pomiędzy elektrodami jest minimalny, do której doprowadzane jest wysokie napięcie o częstotliwości równej częstotliwości źródła prądu razy ilość głównych przewodów zasilania. Typowy układ wyładowania ślizgowego posiada dwie elektrody w kształcie noży usytuowanych ostrzami naprzeciw siebie tak, że krawędzie ostrzy tworzą ze sobą kąt rozwarty. Początki ostrzy usytuowane w pobliżu wlotu gazu plazmotwórczego tworzą między sobą względnie wąską szczelinę gwarantując powstawanie kolejnych przebić elektrycznych, które dają początek kolejnym wyładowaniom poruszającym się w kierunku rozwartych końców elektrod gdzie ulegają zerwaniu. Należy podkreślić, że mimo rozszerzającej się strefy wyładowania układ dwuelektrodowy nie umożliwia uzyskania wyładowania o charakterze objętościowym, szczególnie pożądanym dla prowadzenia przemian chemicznych. Uzyskanie wyładowania objętościowego możliwe jest dopiero przy większej liczbie elektrod. Innymi układami zbliżonymi do układu typu glid arc są konstrukcje tzw. tornada plazmowego (TGA) oraz układ z elektrodą spiralną o stałej średnicy. W układzie tornada stosuje się wirowy przepływ gazu skierowany przeciwnie do kierunku wypływu plazmy. Wprowadzany gaz porywa zjonizowane przy katodzie cząstki tworząc kolumnę plazmy. W rozwiązaniu z elektrodą spiralną łuk powstaje pomiędzy tą elektrodą, a umieszczonym w jej osi przewodnikiem i jest rozwijany przez gaz wewnątrz spirali. Obydwa wyżej opisane sposoby otrzymania wyładowania objętościowego wymagają stosowania bardzo wysokich napięć oraz znacznych przepływów gazu, co znacząco utrudnia konstruowanie reaktorów o większych gabarytach. Powyższych wad pozbawiony jest reaktor według wynalazku.Another way is the generation of non-stationary plasma of the sliding type (glid arc), where the plasma moves between at least two knife-shaped electrodes (positioned so that in the direction of gas flow, the distance between their blades grows. In such a plasma source, the discharge spread between the blades passes through all states, from electric breakdown through the state of dynamic discharge development, to its breaking due to voltage deficit (in the place where the distance between the blades is the greatest) with the simultaneous formation of a new electric breakdown (where the distance between the blades is minimal). Slip-type plasma generation devices have at least as many electrodes as there are cables supplying voltage to the plasma power supply. And so, in single-phase and two-phase systems the minimum number of electrodes is 2, and in three-phase power supply it is 3 or 6. Sometimes an additional ignition electrode is also used , used for air transport This is where the distance between the electrodes is minimal, where a high voltage is applied at a frequency equal to the frequency of the current source times the number of main power cables. A typical skid discharging system has two knife-shaped electrodes facing each other so that the edges of the blades form an obtuse angle with each other. The beginnings of the blades located near the plasma gas inlet create a relatively narrow gap between them, guaranteeing the formation of further electric breakdowns, which give rise to successive discharges moving towards the open ends of the electrodes where they break. It should be emphasized that despite the expanding discharge zone, the two-electrode system does not allow for the discharge of a volumetric nature, which is particularly desirable for conducting chemical transformations. Achieving a volumetric discharge is only possible with a larger number of electrodes. Other systems similar to the glid arc type are the so-called Plasma tornadoes (TGA) and constant diameter spiral electrode system. The tornado system uses a swirling gas flow directed opposite to the direction of the plasma outflow. The introduced gas entrains the particles ionized at the cathode to form a plasma column. In the solution with a spiral electrode, the arc is formed between this electrode and a conductor placed in its axis and is developed by the gas inside the spiral. Both of the above-described methods of obtaining volumetric discharge require the use of very high voltages and significant gas flows, which significantly hinders the construction of larger reactors. The reactor according to the invention does not have the above drawbacks.

Istotą wynalazku jest zastosowanie w reaktorze co najmniej dwóch spiralnych elektrod o zmiennej średnicy rosnącej wzdłuż ściany reaktora tak, że ich zwoje w przekroju wzdłuż pionowej osi reaktora opasują kształt lejkowaty, zaś w rzucie prostopadłym wyglądają jak drogi mleczne symetrycznej galaktyki lub zbiór spiral Archimedesa. Kształt lejkowaty (powierzchni, która tutaj służy wyłącznie do zobrazowania geometrii) może być porównany do jednej połówki hiperboloidy jednopowłokowej albo do kształtu powierzchni wiru, jaki tworzy ciecz wokół ścieku lub też do kształtu, jaki tworzy pył unoszony tornadem. Zwoje elektrod ułożonych wg tej zasady tworzą zbiór identycznych spiral o średnicyThe essence of the invention is the use in the reactor of at least two spiral electrodes of variable diameter increasing along the reactor wall so that their coils in the cross section along the vertical axis of the reactor encircle a funnel-like shape, and in a perpendicular projection they look like the milky way of a symmetrical galaxy or a collection of Archimedean spirals. The funnel shape (the surface here only serves to depict the geometry) can be compared to one half of a single-shell hyperboloid, or to the shape of a vortex surface that the liquid around the gutter creates, or to the shape of tornado dust. The coils of electrodes arranged according to this principle form a set of identical spirals with a diameter

PL 207 074 B1 i skoku rosną cych w miarę oddalania się od miejsca, w którym przewody tych elektrod są najbardziej do siebie zbliżone. Przy takiej konfiguracji elektrod wyładowanie rozpoczyna się w wąskiej części leja, tam gdzie odległość pomiędzy elektrodami jest niewielka i dzięki przepływającemu gazowi rozwija się przemieszczając ku górze z jednoczesnym wykonaniem obrotu, wynikającym z ukształ towania spiral. Zaletą rozwiązania jest to, że przez ukształtowanie spiralnych elektrod według wynalazku można modyfikować kształt i wielkość przestrzeni, w której biegnie wyładowanie. Jednocześnie, co jest korzystne, wyładowanie zachodzi przy stosunkowo niskich napięciach i dobrze się rozwija przy stosunkowo niskich natężeniach przepływu gazu. Inicjowanie wyładowania plazmowego może być ułatwione dzięki zastosowaniu jeszcze jednej elektrody umieszczonej współosiowo względem spirali. Dodatkowo wirowanie plazmy można modyfikować i wzmacniać poprzez zastosowanie układu generującego pole magnetyczne umieszczonego na zewnętrznej ścianie reaktora w obszarze elektrod spiralnych.And the pitch increasing the farther away from where the leads of these electrodes are closest to each other. With this configuration of the electrodes, the discharge starts in the narrow part of the funnel, where the distance between the electrodes is small and, thanks to the flowing gas, it develops moving upwards with simultaneous rotation resulting from the shape of the spirals. An advantage of this solution is that by designing the spiral electrodes according to the invention, it is possible to modify the shape and size of the space in which the discharge takes place. At the same time, which is advantageous, the discharge occurs at relatively low voltages and develops well at relatively low gas flow rates. The initiation of the plasma discharge can be facilitated by the use of another electrode coaxial to the helix. Additionally, the plasma centrifugation can be modified and enhanced by the use of a magnetic field generating system placed on the outer wall of the reactor in the area of the spiral electrodes.

Reaktor według wynalazku został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia reaktor w przekroju podłużnym AA, fig. 2 - reaktor w przekroju poprzecznym BB, fig. 3 - reaktor z dodatkową elektrodą w przekroju AA a fig. 4 reaktor z dodatkową elektrodą w przekroju BB. Reaktor oraz sposób jego działania opisują poniższe przykłady:The reactor according to the invention is shown in the drawing, in which fig. 1 shows the reactor in longitudinal section AA, fig. 2 - reactor in cross-section BB, fig. 3 - reactor with an additional electrode in AA, and fig. 4 - reactor with an additional electrode in section BB. The reactor and its operation are described in the following examples:

P r z y k ł a d I. Reaktor, który został przedstawiony na fig. 1 w przekroju podłużnym AA oraz na fig. 2 w przekroju poprzecznym BB, ma kształt pionowej, cylindrycznej komory 1 o średnicy przestrzeni reakcyjnej 40 mm. W reaktorze znajdują się dwie spiralne elektrody 2 o rosnącej średnicy od 10 do 38 mm i skoku zwoju rosnącym od 5 do 10 mm. Gazy doprowadza się do reaktora przez dyszę 3. Elektrody 2 zasilane są przez przewody 4 prądem jednofazowym, o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 300 W. Produkty reakcji odprowadza się przez króciec 5. Do reaktora wprowadzano mieszaninę podtlenku azotu z powietrzem o natężeniu przepływu 1,0 Nm3/h. W wyniku reakcji uzyskano 50% stopień przemiany podtlenku azotu, przy czym stężenie NO w gazie wynosiło ok. 5,5-6,1%, co umożliwia dalsze jego wykorzystanie w procesie produkcji kwasu azotowego.Example 1 The reactor shown in longitudinal section AA in FIG. 1 and in cross-section BB in FIG. 2 has the shape of a vertical, cylindrical chamber 1 with a reaction space diameter of 40 mm. There are two spiral electrodes 2 in the reactor with an increasing diameter from 10 to 38 mm and a coil pitch increasing from 5 to 10 mm. Gases are supplied to the reactor through nozzle 3. Electrodes 2 are supplied through lines 4 with single-phase current, with a frequency of 50 Hz from a 300 W source. The reaction products are discharged through a nozzle 5. A mixture of nitrous oxide and air with a flow rate of 1 is introduced into the reactor. .0 Nm 3 / h. As a result of the reaction, a 50% degree of nitrous oxide conversion was obtained, and the NO concentration in the gas was approx. 5.5-6.1%, which enables its further use in the production of nitric acid.

P r z y k ł a d II. Stosowano reaktor jak w przykładzie I do otrzymywania acetylenu i sadzy technicznej z metanu. Reaktor zasilano prądem przemiennym o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 600 W. Przez reaktor przepuszczano gaz zawierający równomolową mieszaninę metanu i argonu o natężeniu przepływu 1,5 Nm3/h. W wyniku reakcji uzyskano 55% stopień przemiany metanu. Stopień przemiany metanu do acetylenu wynosił 25%, a do sadzy 17%.Example II. The reactor was used as in Example 1 for the preparation of acetylene and carbon black from methane. The reactor was supplied with 50 Hz alternating current from a 600 W source. A gas containing an equimolar mixture of methane and argon was passed through the reactor at a flow rate of 1.5 Nm 3 / h. The reaction resulted in a conversion of 55% of methane. The conversion of methane to acetylene was 25%, and to carbon black was 17%.

P r z y k ł a d III. Reaktor, który został przedstawiony na fig. 3 w przekroju podłużnym AA oraz na fig. 4 w przekroju poprzecznym BB, ma kształt pionowej, cylindrycznej komory 1 o średnicy przestrzeni reakcyjnej 40 mm. W reaktorze znajdują się dwie spiralne elektrody 2 o rosnącej średnicy od 10 do 38 mm i skoku zwoju rosnącym od 5 do 10 mm. Gazy doprowadza się do reaktora przez dyszę 3. Elektrody 2 są zasilane przez przewody 4 prądem z trójfazowego układu elektrycznego (trzy fazy oznaczono jako R, S, T) o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 900 W. Produkty reakcji odprowadza się przez króciec 5. Reaktor posiadał dodatkową elektrodę prętową 6 połączoną ze źródłem prądu. Reaktor stosowano do otrzymywania acetylenu z metanu. Przez reaktor przepuszczano gaz zawierający równomolową mieszaninę metanu i wodoru o natężeniu przepływu 1,2 Nm3/h. W wyniku reakcji uzyskano 64% stopień przemiany metanu do acetylenu.Example III. The reactor shown in longitudinal section AA in FIG. 3 and cross-section BB in FIG. 4 has the shape of a vertical, cylindrical chamber 1 with a reaction space diameter of 40 mm. There are two spiral electrodes 2 in the reactor with an increasing diameter from 10 to 38 mm and a coil pitch increasing from 5 to 10 mm. The gases are fed to the reactor through the nozzle 3. The electrodes 2 are fed through the conductors 4 with a current from a three-phase electrical system (three phases are denoted as R, S, T) with a frequency of 50 Hz from a 900 W source. The reaction products are discharged through a stub pipe 5 The reactor had an additional rod electrode 6 connected to the current source. The reactor was used to obtain acetylene from methane. Gas containing an equimolar mixture of methane and hydrogen was passed through the reactor at a flow rate of 1.2 Nm 3 / h. The reaction resulted in a conversion of methane to acetylene of 64%.

P r z y k ł a d IV. Stosowano reaktor jak w przykładzie III z dodatkowym układem generującym pole magnetyczne 7 do otrzymywania acetylenu z metanu. Reaktor zasilano prądem przemiennym o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 600 W. Przez reaktor przepuszczano Gaz zawierający równomolową mieszaninę metanu i wodoru o natężeniu przepływu 1,2 Nm3/h. W wyniku reakcji uzyskano 55% stopień przemiany metanu do acetylenu.Example IV. The reactor was used as in Example 3 with an additional magnetic field generator 7 for the production of acetylene from methane. The reactor was supplied with 50 Hz alternating current from a 600 W source. Gas containing an equimolar mixture of methane and hydrogen at a flow rate of 1.2 Nm 3 / h was passed through the reactor. The reaction resulted in a conversion of 55% of methane to acetylene.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w objętościowym wyładowaniu ślizgowym, posiadający cylindryczną komorę zaopatrzoną w doprowadzenie gazu oraz zawierający elektrodę spiralną, połączoną ze źródłem prądu elektrycznego, znamienny tym, że posiada co najmniej dwie elektrody spiralne (2) o rosnącej średnicy i skoku, przy czym wzrost średnicy i skoku przebiega zgodnie z kierunkiem przepływu gazu.A reactor for carrying out chemical processes in a volumetric sliding discharge having a cylindrical chamber provided with a gas supply and containing a spiral electrode connected to an electric current source, characterized in that it has at least two spiral electrodes (2) with increasing diameter and pitch for the increase in diameter and pitch is in the direction of gas flow. PL 207 074 B1PL 207 074 B1 2. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada dodatkową elektrodę prętową (6) usytuowaną osiowo centralnie w stosunku do elektrod spiralnych (2).2. The reactor according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that it has an additional rod electrode (6) positioned axially and centrally with respect to the spiral electrodes (2). 3. Reaktor według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że jest wyposażony w zewnętrzne źródło pola magnetycznego (7) generującego swoje pole w obszarze elektrod spiralnych (2).3. The reactor according to claim Device according to claim 1 or 2, characterized in that it is provided with an external source of a magnetic field (7) generating its field in the area of the spiral electrodes (2).
PL372038A 2004-12-31 2004-12-31 Chemical reactor for carrying processes in the volumetric surface discharge PL207074B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL372038A PL207074B1 (en) 2004-12-31 2004-12-31 Chemical reactor for carrying processes in the volumetric surface discharge

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL372038A PL207074B1 (en) 2004-12-31 2004-12-31 Chemical reactor for carrying processes in the volumetric surface discharge

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL372038A1 PL372038A1 (en) 2006-07-10
PL207074B1 true PL207074B1 (en) 2010-10-29

Family

ID=38739739

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL372038A PL207074B1 (en) 2004-12-31 2004-12-31 Chemical reactor for carrying processes in the volumetric surface discharge

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL207074B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
PL372038A1 (en) 2006-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7411353B1 (en) Alternating current multi-phase plasma gas generator with annular electrodes
CA2646677C (en) Modular hybrid plasma reactor and related systems and methods
US9997322B2 (en) Electrode assemblies, plasma generating apparatuses, and methods for generating plasma
KR101595686B1 (en) Toroidal plasma chamber for high gas flow rate process
CN103229601B (en) Method and apparatus for forming a non-isothermal plasma jet
EP0605010B1 (en) Vortex arc generator and method of controlling the length of the arc
TWI323770B (en) Plasma reformer and internal combustion engine system having the same
US10676679B2 (en) Multispark reactor
Dudnik et al. Plasma injector for a three-phase plasma torch with rail electrodes and some results of its investigation
PL207074B1 (en) Chemical reactor for carrying processes in the volumetric surface discharge
WO2010110694A1 (en) Plasma furnace
Kalra et al. Electrical discharges in the reverse vortex flow–tornado discharges
JPH0357199A (en) Microwave hot plasma torch
Pacheco-Sotelo et al. A universal resonant converter for equilibrium and nonequilibrium plasma discharges
CN116170931A (en) Device and method for enhancing discharge power based on DBD
EP0605011B1 (en) DC plasma arc generator with erosion control and method of operation
Harry et al. Production of a large volume discharge using a multiple arc system
Czernichowski et al. Further development of plasma sources: the GlidArc-III
CN110392478B (en) Anti-phase double-high-pressure three-ring structure safety jet device
Vinogradov et al. Balanced inductive plasma sources
PL238468B1 (en) Reactor for conducting chemical processes in the gliding discharge plasma
Samaranayake et al. Ozone production using cylindrical reactors with and without solid dielectric layers in dry air
Rutberg et al. High-voltage plasma generators of alternating current with rod electrodes stationary operating on oxidizing media
Garamoon et al. Optimizations of ozone generator at low resonance frequency
Jodzis et al. Ozone synthesis under pulse discharge conditions

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Decisions on the lapse of the protection rights

Effective date: 20101231