PL238468B1 - Reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w plazmie wyładowania ślizgowego - Google Patents

Abstract

Reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w plazmie wyładowania ślizgowego, w którym centralna, pionowa elektroda stożkowa (2) jest umieszczona wewnątrz rury ceramicznej (4) i jest połączona od dołu z ceramiczną podstawą (1), przy czym otwór wlotowy (3) gazu znajduje się w dolnej części ceramicznej rury (4) i jest usytuowany tak, aby gaz był podawany stycznie do ściany zewnętrznej reaktora, zaś elektrody wysokonapięciowe (5), w liczbie od 2 do 24, są umieszczone w szczelinach wewnętrznej ściany rury ceramicznej (4), przy czym tworząca centralnej elektrody stożkowej (2) i tworząca rury ceramicznej (4) tworzą kąt od 2,5 do 5°.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest reaktor do generowania plazmy nierównowagowej wyładowania ślizgowego, w której prowadzone są procesy chemiczne.

Plazma nierównowagowa stosowana jest obecnie w technice oświetleniowej, w procesach odpylania gazów, do generowania ozonu w procesach uzdatniania wody, w przemyśle opakowań, w elektronice, w analizie chemicznej i w obróbce powierzchni tworzyw organicznych. Plazma nierównowagowa może być wytwarzana w różnego typu wyładowaniach m.in. w wyładowaniu koronowym, jarzeniowym, ślizgowym i barierowym. Obecność w plazmie nierównowagowej elektronów o dużej energii powoduje, że występują korzystne warunki, w których następuje aktywacja reagentów i reakcje mogą zachodzić z większą szybkością oraz może następować zmiana właściwości fizykochemicznych poddawanych obróbce materiałów.

Do procesów zachodzących w plazmie nierównowagowej wyładowania ślizgowego stosowane są obecnie głównie reaktory, których konstrukcje znane są z opisów patentów Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5711859, 5993761 oraz 6007742, a także z opisu zgłoszenia patentowego Republiki Francuskiej nr 2773500. Mają one kształt rury albo komory, w której umieszcza się symetrycznie w stosunku do jej osi dwie lub większą liczbę elektrod zasilanych prądem przemiennym jedno- lub trójfazowym. Strumień gazowych reagentów, o dużej prędkości liniowej, za pomocą dyszy wprowadzany jest pomiędzy elektrody i przepływa wzdłuż osi reaktora. Powoduje to przemieszczanie się kanału wyładowania, inicjowanego między elektrodami, zgodnie z kierunkiem przepływu gazu. Powstałe wyładowanie przechodzi przez wszystkie etapy od przebicia elektrycznego, pomiędzy krawędziami elektrod, w miejscu gdzie odległość między nimi jest najmniejsza, rozwój kanału wyładowania, aż do jego zerwania wskutek deficytu napięcia. Jednocześnie formuje się nowe przebicie elektryczne i powstaje kolejny kanał wyładowania. Typowy reaktor wyładowania ślizgowego posiada 2 elektrody usytuowane krawędziami naprzeciw siebie tak, że tworzą one ze sobą kąt rozwarty.

Inny sposób generowania wyładowania znany jest z opisu patentowego PL 196319. Reaktor posiada komorę ustawioną pionowo i rozszerzającą się ku górze, a wewnątrz niej znajdują się dwie lub większa liczba elektrod, pomiędzy którymi powstają kanały wyładowania ślizgowego. W dolnej części komory znajduje się wlot strumienia gazu, w którym dodatkowo umieszczono cylindryczną kształtkę kierującą, mającą na obwodzie wyżłobienia, które powodują, że strumień gazowych reagentów dopływający do przestrzeni wyładowania, niezależnie od ruchu postępowego wzdłuż kanału, porusza się także ruchem wirowym względem osi reaktora. Należy podkreślić, że mimo rozszerzającej się strefy wyładowania układ dwuelektrodowy nie pozwala uzyskiwać wyładowania w całej objętości reaktora, przez który przepływa strumień gazu, co jest niekorzystne dla prowadzenia przemian chemicznych. Uzyskanie wyładowania ślizgowego w całej przestrzeni między elektrodami możliwe jest dopiero przy większej liczbie elektrod.

Układem zbliżonym do wyładowania ślizgowego jest również tzw. tornado plazmowe oraz układ z elektrodą spiralną o stałej średnicy. W układzie tornada stosuje się wirowy przepływ strumienia gazu skierowany przeciwnie do kierunku wypływu plazmy. Przepływający strumień gazu porywa zjonizowane przy katodzie cząstki i tworzy się kanał wyładowania. W rozwiązaniu z elektrodą spiralną kanał wyładowania powstaje pomiędzy tą elektrodą, a umieszczoną w jej osi elektrodą. Kanał wyładowania rozwijany jest przez gaz wewnątrz spirali.

Wyładowanie ślizgowe generowane może być również w reaktorze według polskiego zgłoszenia patentowego P.403073, składającym się z pionowej stożkowej komory z kanałem, w którym znajdują się co najmniej dwie elektrody zasilane z układu elektrycznego i otworu wlotowego doprowadzającego strumień gazu. Pod wlotem gazu znajduje się wstępna komora cyklonowa z umieszczonym wewnątrz wlotem gazu, przy czym wlot gazu umieszczony jest stycznie do wewnętrznej ściany wstępnej komory cyklonowej. Średnica wewnętrzna wstępnej komory cyklonowej, do której kierowany jest strumień gazu jest wielokrotnie większa od średnicy kanału, w którym znajdują się elektrody i gdzie następuje inicjacja wyładowania. Efekt rozwinięcia kolumny wyładowania powstałej w miejscu, w którym odległość między elektrodami jest najmniejsza można uzyskać za pomocą wprowadzanego do obszaru, w którym inicjowane jest wyładowanie, wirującego gazu o dużej prędkości kątowej.

Znany jest również sposób wytwarzania plazmy wyładowania ślizgowego według patentu polskiego nr 207074 w reaktorze z co najmniej dwiema spiralnymi elektrodami o zmiennej średnicy rosnącej wzdłuż ściany reaktora w ten sposób, że ich zwoje w przekroju wzdłuż pionowej osi reaktora opisuje

PL 238 468 B1 kształt lejkowaty, a w rzucie prostopadłym wyglądają jak zbiór spiral Archimedesa. Zaletą tego rozwiązania jest to, że przez ukształtowanie elektrod można modyfikować kształt i wielkość przestrzeni, w której zachodzi wyładowanie.

Istnieją również rozwiązania, w których centralna elektroda ma kształt stożka i umieszczona jest w metalowej rurze stanowiącej drugą elektrodę (X. D. Li i inni, IEEE Transactions on Plasma Science, 41, 1,2013). W dolnej części obie elektrody tworzą wąską szczelinę, w której następuje inicjacja wyładowania. Przepływ gazu powoduje przesuwanie kanału wyładowania ślizgowego wzdłuż rozszerzającej się szczeliny pomiędzy centralną elektrodą i wewnętrzną ścianą reaktora. Kanał wyładowania przemieszcza się zgodnie z kierunkiem przepływu gazu kierowanego prostopadle do osi reaktora, co powoduje ruch wirowy gazu w reaktorze. Problemem występującym w tym rozwiązaniu jest to, że inicjacja plazmy nie następuje na całym obwodzie szczeliny pomiędzy elektrodami, co powoduje omijanie strefy plazmy przez przepływający gaz. Problem ten jest szczególnie widoczny, gdy zwiększa się rozmiary reaktora. Wyładowanie ślizgowe inicjowane jest tylko w niewielkiej części szczeliny międzyelektrodowej.

Istnieją również rozwiązania (S. Gangoli i inni, Rotating non-equilibrium gliding arc plasma disc for enhancement in ignitron and combustion of hydrocarbon fuels, 17 Int. Symp. on Plasma Chemistry, Canada 2005), w których stosowana jest centralna, stożkowa elektroda, a plazma wprowadzana jest w ruch wirowy pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.

Znane są również rozwiązania, w których stosowana jest obracająca się centralna elektroda, co powoduje wirowanie kolumny łukowej w przestrzeni między elektrodami (E. Hnatiuc i inni, Cold plasma electrochemical reactor with rotary discharge, Mat.VIII Int. Symp. on High Pressure Low Temp. Plasma Chemistry, Estonia 2002).

W opisanych powyżej reaktorach nie można stosować dużych natężeń strumieni gazu, ponieważ może zachodzić zerwanie kolumny wyładowania i układ pracuje niestabilnie. Zwiększony przepływ gazu powoduje również omijanie przez reagenty strefy, w której zachodzi wyładowanie. Zwiększenie przepływu gazu wymaga również stosowania wyższych mocy wyładowania, co w przypadku opisanych reaktorów prowadzi do przebicia elektrycznego. Z tych powodów dotychczasowe układy z wyładowaniem ślizgowym nie były stosowane w skali półtechnicznej i technicznej

Celem wynalazku było opracowanie reaktora pozbawionego wyżej zdefiniowanych problemów. Reaktor według wynalazku, w którym generowane jest wyładowanie ślizgowe, pozwala uzyskiwać wysokie wydajności reakcji chemicznych przy wysokich natężeniach przepływu gazu. Opracowana konstrukcja reaktora umożliwia stosowanie dużych mocy wyładowania oraz pozwala na powiększanie w prosty sposób skali prowadzenia procesów chemicznych. Cel ten osiągnięto przez zaprojektowanie reaktora tak, by możliwe było uzyskanie wirowego ruchu wprowadzanego strumienia gazu reakcyjnego do dolnej jego części, w której odległość centralnej elektrody i elektrod wysokonapięciowych jest najmniejsza i umieszczenie elektrod wysokonapięciowych wewnątrz rury ceramicznej, która stanowi izolację elektryczną. Elektrody nie zakłócają przepływu gazu, a powiększenie skali rektora polega na zwiększeniu liczby elektrod umieszczonych w ceramicznej rurze o zwiększonej średnicy.

Reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w plazmie wyładowania ślizgowego według wynalazku charakteryzuje się tym, że centralna, pionowa elektroda stożkowa, jest umieszczona wewnątrz rury ceramicznej i jest połączona od dołu z ceramiczną podstawą. Otwór wlotowy gazu znajduje się w dolnej części ceramicznej rury i jest usytuowany tak, aby gaz był podawany stycznie do ściany zewnętrznej reaktora. Elektrody wysokonapięciowe, w liczbie od 2 do 24, są umieszczone w szczelinach wewnętrznej ściany rury ceramicznej. Tworząca centralnej elektrody stożkowej i tworząca rury ceramicznej tworzy kąt od 2,5 do 5°, najkorzystniej 3°.

Korzystnie elektrody wysokonapięciowe mają kwadratowy przekrój poprzeczny.

Korzystnie pionowa elektroda stożkowa jest wykonana z duraluminium.

Korzystnie rura ceramiczna jest wykonana z tlenku glinu, najkorzystniej o wysokiej czystości.

Korzystnie elektrody wysokonapięciowe są wykonane ze stali kwasoodpornej.

Strumień gazu wprowadza się stycznie do ściany zewnętrznej reaktora, tak aby gaz nie był kierowany bezpośrednio na elektrodę centralną, a omywał wewnętrzną ścianę ceramicznej rury z umieszczonymi wewnątrz elektrodami, co w zdecydowany sposób poprawia hydrodynamikę przepływu gazu przez reaktor. Gaz wprowadzany jest z dużą prędkością kątową do strefy, którą jest przestrzeń pomiędzy stożkową elektrodą centralną i wewnętrzną ścianą reaktora, w której znajdują się elektrody wysokonapięciowe, umieszczone tak, że ich krawędzie nie wystają poza wewnętrzną ścianę elementu ceramicznego, a w konsekwencji nie wpływają na szybkość kątową wprowadzonego gazu i nie zakłócają

PL 238 468 B1 przepływu gazu przez reaktor. Dzięki takiej konstrukcji warunki przepływu gazu przez strefę wyładowania są korzystne. Ruch wirowy strumienia gazu ułatwia dostęp reagentów do kolejnych kanałów wyładowania, inicjowanych w przestrzeni między elektrodami, przez co zwiększa się wydajność reakcji chemicznych zachodzących pod wpływem wyładowania ślizgowego.

Ceramiczna podstawa, do której jest przymocowana elektroda stożkowa zapobiega niekontrolowanemu przebiciu prądu pomiędzy elektrodą centralną i obudową reaktora. W opisanym reaktorze można prowadzić procesy rozkładu substancji szkodliwych dla środowiska i procesy, które nie mogą być realizowane metodami klasycznymi np. przetwarzanie metanu w wyższe węglowodory, utlenianie podtlenku azotu do tlenku azotu.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój pionowy reaktora z sześcioma elektrodami roboczymi, a fig. 2 przedstawia przekrój poprzeczny reaktora, zasilanymi z elektrycznego układu.

Reaktor do generowania plazmy nierównowagowej wyładowania ślizgowego przedstawiony na rysunku posiada centralną, pionową, stożkową elektrodę 2 wykonaną z duraluminium, połączoną z ceramiczną podstawą 1. Elektroda stożkowa jest umieszczona centralnie w rurze ceramicznej 4, wykonanej z tlenku glinu wysokiej czystości. W szczelinach wewnętrznej strony ceramicznej rury 4 są rozmieszczone stalowe elektrody wysokonapięciowe 5 o kwadratowym przekroju poprzecznym. Wlot 3 gazu do reaktora znajduje się w dolnej części ceramicznej rury 4. Krawędź centralnej elektrody stożkowej 2 i krawędź wewnętrznej ściany reaktora tworzy kąt 3°.

Układ wieloelektrodowy z rotującą plazmą jest zasilany przez co najmniej 6 transformatorów wysokiego napięcia, którymi podwyższa się napięcie trójfazowe do poziomu ok. 3000 V, którymi to napięciami, poprzez układy ferrorezonansowe utworzone z kondensatorów rezonansowych i indukcyjności, zasila się elektrody reaktora plazmowego napięciem zmiennym.

Działanie reaktora według wynalazku oraz wyniki przeprowadzonych doświadczeń przedstawiają następujące przykłady, które nie ograniczają istoty wynalazku. Konstrukcja reaktora umożliwiała wyeliminowanie elementów ruchomych (np. obracającego się dysku wytwarzającego wyładowanie ślizgowe) bardziej narażonych na awarię niż stacjonarne elektrody. Ruch wirowy gazów jest dodatkowo czynnikiem chłodzącym wnętrze reaktora, co pozwala utrzymać stosunkowo niską temperaturę procesu, przy zachowanej dużej energii plazmy.

P r z y k ł a d 1

Reaktor składa się z pionowej centralnej elektrody i sześciu elektrod umieszczonych w ceramicznej rurze o średnicy wewnętrznej 50 mm. Elektrody zasilane są z układu elektrycznego.

Do reaktora wprowadzano mieszaninę metanu z argonem o stężeniu metanu 40% i o natężeniu przepływu 5 Nm³/h. Głównym produktem procesu był acetylen, a stopień przemiany metanu w acetylen wynosił 38%.

P r z y k ł a d 2

Reaktor jak w przykładzie 1, ale przez reaktor przepuszczano gaz zawierający równomolową mieszaninę metanu i wodoru o natężeniu przepływu 5 Nm³/h. W wyniku reakcji uzyskano 45% stopień przemiany metanu do acetylenu.

P r z y k ł a d 3

Reaktor jak w przykładzie I, w którym prowadzono rozkład odpadowego czterochlorku węgla. Przez reaktor przepuszczano mieszaninę czterochlorku węgla z azotem o natężeniu przepływu 5 Nm³/h. Dla mocy 4,9 kW. Uzyskano rozkład czterochlorku węgla z wydajnością 80%.

P r z y k ł a d 4

Reaktor składa się z pionowej centralnej elektrody i dwunastu elektrod umieszczonych w ceramicznej rurze o średnicy wewnętrznej 80 mm. Elektrody zasilane są z układu elektrycznego.

Przez reaktor przepuszczano mieszaninę podtlenku azotu z powietrzem o natężeniu przepływu 12 Nm³/h. Uzyskano stopień przemiany podtlenku azotu w tlenek azotu 45% dla mocy 8 kW. Stężenie tlenku azotu w produktach reakcji wynosiło 6%, co umożliwia jego przetwarzanie w kwas azotowy powszechnie stosowaną metodą.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w plazmie wyładowania ślizgowego, z pionową komorą w kształcie rury, elektrodami wysokonapięciowymi i centralną elektrodą stożkową, znamienny tym, że centralna, pionowa elektroda stożkowa (2) jest umieszczona wewnątrz rury ceramicznej (4) i jest połączona od dołu z ceramiczną podstawą (1), przy czym otwór wlotowy (3) gazu znajduje się w dolnej części ceramicznej rury (4) i jest usytuowany tak, aby gaz był podawany stycznie do ściany zewnętrznej reaktora, zaś elektrody wysokonapięciowe (5), w liczbie od 2 do 24, są umieszczone w szczelinach wewnętrznej ściany rury ceramicznej (4), przy czym tworząca centralnej elektrody stożkowej (2) i tworząca rury ceramicznej (4) tworzą kąt od 2,5 do 5°.
2. 2. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrody wysokonapięciowe (5) mają kwadratowy przekrój poprzeczny.
3. 3. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że pionowa elektroda stożkowa (2) jest wykonana z duraluminium.
4. 4. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że rura ceramiczna (4) jest wykonana z tlenku glinu.
5. 5. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrody wysokonapięciowe (5) są wykonane ze stali kwasoodpornej.