PL 70 846 Y1 2 Opis wzoru Przedmiotem wynalazku jest reaktor do prowadzenia procesów chemicznych w plazmie nierów- nowagowej wyladowania slizgowego. Plazma nierównowagowa stosowana jest obecnie w technice oswietleniowej, w procesach od- pylania gazów, do generowania ozonu w procesach uzdatniania wody, w przemysle opakowan, w elek- tronice, w analizie chemicznej i w obróbce powierzchni tworzyw sztucznych. W plazmie wyladowania nierównowagowego, wskutek obecnosci elektronów o duzej energii, nastepuje aktywacja reagentów, powodujaca zachodzenie reakcji chemicznych i zmiane wlasciwosci fizykochemicznych poddawanych obróbce materialów. Jednym z rodzajów plazmy nierównowagowej jest plazma generowana w wyla- dowaniu slizgowym. Stosowane w procesach chemicznych wyladowania slizgowe wytwarza sie w sposób znany z opisu patentowego PL 196319, polegajacy na przepuszczeniu strumienia gazu o duzej predkosci liniowej przez przestrzen pomiedzy elektrodami wzdluz krawedzi dwóch lub wiekszej liczby elektrod, zasilanych pradem. Powoduje to przemieszczanie sie kanalu wyladowania, inicjowanego miedzy elek- trodami, zgodnie z kierunkiem ruchu gazu. W takim zródle plazmy wyladowanie rozpiete pomiedzy elektrodami przechodzi przez wszystkie stany od przebicia elektrycznego poprzez stan rozwoju kanalu wyladowania az do jego zerwania wskutek deficytu napiecia z jednoczesnym formowaniem sie nowego przebicia elektrycznego. Zjawisko to powtarza sie wielokrotnie, gdy do elektrod doprowadza sie prad elektryczny. Plazma, która wystepuje w kanale wyladowania, ma w takich warunkach charakter nie- równowagowy. Typowy uklad wyladowania slizgowego posiada 2 elektrody usytuowane krawedziami naprzeciw siebie. Elektrody w poblizu wlotu strumienia gazu tworza miedzy soba wzglednie waska szczeline gwarantujac powstawanie kolejnych przebic elektrycznych, które daja poczatek kolejnym ka- nalom wyladowania poruszajacym sie w kierunku rozwartych konców elektrod, gdzie ulegaja zerwaniu. Wyladowanie wytwarzane w sposób opisany wyzej, wykorzystuje sie do prowadzenia reakcji chemicz- nych, w których konieczne jest dostarczenie czasteczkom substratów odpowiedniej energii w celu wprowadzenia ich w stan aktywny, w którym moga ulegac przemianom chemicznym. Reaktor znany z opisu patentowego PL 196319 posiada komore ustawiona pionowo i rozsze- rzajaca sie ku górze, a wewnatrz niej znajduja sie dwie lub wieksza liczba elektrod, pomiedzy którymi powstaja kanaly wyladowania slizgowego. W dolnej czesci komory znajduje sie wlot strumienia gazu, w którym dodatkowo umieszczono cylindryczna ksztaltke kierujaca, majaca na obwodzie wyzlobienia, przez które strumien reagentów doplywa do przestrzeni wyladowania. Wspomniane wyzlobienia sa polozone skosnie w stosunku do osi kanalu, a wskutek tego strumien gazowych reagentów doplywa- jacy do przestrzeni wyladowania, niezaleznie od ruchu postepowego wzdluz kanalu, porusza sie takze ruchem wirowym wzgledem osi reaktora. Nalezy podkreslic, ze mimo rozszerzajacej sie strefy wylado- wania uklad dwuelektrodowy nie umozliwia uzyskania wyladowania w calej objetosci reaktora, przez który przeplywa strumien gazu, co jest niekorzystne dla prowadzenia przemian chemicznych. Uzyska- nie wyladowania slizgowego w calej przestrzeni miedzy elektrodami mozliwe jest dopiero przy wiekszej liczbie elektrod. Innymi ukladami zblizonymi do wyladowania slizgowego sa konstrukcje tzw. tornada plazmowego (TGA) oraz uklad z elektroda spiralna o stalej srednicy. W ukladzie tornada stosuje sie wirowy przeplyw strumienia gazu skierowany przeciwnie do kierunku wyplywu plazmy. Wprowadzany strumien gazu po- rywa zjonizowane przy katodzie czastki tworzac kanal wyladowania. W rozwiazaniu z elektroda spiralna kanal wyladowania powstaje pomiedzy ta elektroda a umieszczona w jej osi elektroda i jest rozwijany przez gaz wewnatrz spirali. Reaktory, w których stosuje sie wyladowanie slizgowe, znane z opisów patentów Stanów Zjed- noczonych Ameryki nr 5711859, 5993761 oraz 6007742, a takze z opisu zgloszenia patentowego Re- publiki Francuskiej nr 2773500 maja ksztalt rury albo komory, w której umieszcza sie symetrycznie w stosunku do jej osi dwie lub wieksza liczbe elektrod zasilanych pradem przemiennym jedno- lub trój- fazowym. Pomiedzy krawedziami elektrod w miejscu, gdzie odleglosc miedzy nimi jest najmniejsza, powstaje kanal wyladowania. Strumien gazowych reagentów, o duzej predkosci, wprowadzany za po- moca dyszy pomiedzy elektrody przeplywa wzdluz osi reaktora i powoduje przemieszczanie sie kanalu wyladowania w sposób opisany powyzej. W przestrzeni objetej wyladowaniem reagenty ulegaja akty- wacji w wyniku zderzen z elektronami oraz innymi czastkami o duzej energii. W dotychczas opracowanych reaktorach, w których zastosowano wyladowanie slizgowe, szybki ruch strumienia gazu, wprowadzanego pomiedzy elektrody, powoduje, ze czas przebywania reagentów PL 70 846 Y1 3 w strefie plazmy wyladowania slizgowego moze byc za krótki do zajscia pozadanej reakcji. Wedlug ame- rykanskiego opisu patentowego nr 5 711 859 czas przebywania reagentów w strefie reakcji mozna wie- lokrotnie zwiekszyc stosujac cyrkulacje reagentów przez stosowanie wymuszonego obiegu gazu za po- moca pompy umieszczonej na zewnatrz reaktora. W stosowanym w powyzszym wynalazku reaktorze reagenty przeplywaja wielokrotnie przez obszar wyladowania, co uwaza sie za korzystne, ze wzgledu na mozliwosc uzyskania wiekszego stopnia przemiany niz przy jednokrotnym przeplywie przez ten obszar. Znane jest z publikacji Xu Guofeng, Ding Xinwei, Optimization geometries of vortex gliding-arc reactor for partial oxidation of methane, Energy, 47 (2012), str. 333–339 oraz zgloszenia opisu paten- towego CN101844744 stosowanie ruchu wirowego przeplywajacych gazów w reaktorze do prowadze- nia reakcji w plazmie wyladowania slizgowego. Rozwiazania te nie rozwiazuja problemu optymalnego doboru proporcji poszczególnych elementów reaktora. Reaktor wedlug wzoru sklada sie z pionowej stozkowej komory z kanalem, w którym znajduja sie co najmniej dwie elektrody zasilane z ukladu elektrycznego, otworu wlotowego doprowadzajacego stru- mien gazu oraz otworu wylotowego produktów reakcji. Pod wlotem gazu znajduje sie wstepna komora cyklonowa z umieszczonym wewnatrz wlotem surowca gazowego, przy czym wlot gazu umieszczony jest stycznie do wewnetrznej sciany wstepnej komory cyklonowej. Srednica wewnetrzna wstepnej ko- mory cyklonowej, do której kierowany jest strumien gazu jest od 5 do 20, korzystnie 10 razy wieksza od srednicy kanalu, w którym znajduja sie elektrody i gdzie nastepuje inicjacja wyladowania, dzieki czemu uzyskano wysoka predkosc katowa gazów. Stwierdzono, ze efekt rozwiniecia kolumny wyladowania powstalej w miejscu, w którym odleglosc miedzy elektrodami jest najmniejsza mozna uzyskac za pomoca wprowadzanego do obszaru, w którym inicjowane jest wyladowanie, wirujacego gazu o duzej predkosci katowej. Przeprowadzone badania wy- kazaly, ze poprowadzenie reakcji w takim reaktorze pozwala znacznie poprawic wydajnosc energe- tyczna, a równoczesnie nie zaobserwowano równiez niekorzystnego (zmniejszajacego wydajnosc) co- fania sie produktów do przestrzeni, w której zachodzi wyladowanie. Celem wynalazku bylo opracowanie reaktora, w którym generowane jest wyladowanie slizgowe, umozliwiajace uzyskanie duzej wydajnosci reakcji chemicznych. Cel ten osiagnieto przez zaprojekto- wanie reaktora tak, by mozliwe bylo wprowadzanie strumienia gazu reakcyjnego do dolnej jego czesci, wykonanej z materialu odpornego na wysoka temperature, z duza predkoscia katowa. Strumien gazu wprowadzany jest do wstepnej komory cyklonowej stycznie do wewnetrznej jej sciany, w wyniku czego uzyskuje ruch wirowy. Po wyjsciu z komory cyklonowej strumien gazu ma znaczna predkosc katowa umozliwiajaca rozwijanie sie kanalów wyladowania miedzy elektrodami. Duza predkosc katowa strumienia gazu ulatwia reagentom dostep do kolejnych kanalów wyladowania, zapa- lajacych sie w przestrzeni miedzy elektrodami, przez co zwieksza sie wydajnosc reakcji chemicznych. Stwierdzono, ze w reaktorze wg wynalazku uzyskano w obszarze wyladowania przeplyw zblizony do laminarnego, co korzystnie zwieksza szybkosc zachodzacych reakcji. Gaz wprowadzany jest z duza predkoscia katowa do strefy, w której generowane jest wyladowa- nie slizgowe. Wskutek tego strumien gazowych reagentów doplywajacy do przestrzeni wyladowania, niezaleznie od ruchu postepowego wzdluz kanalu, porusza sie takze ruchem wirowym wzgledem osi reaktora. Przedmiot wynalazku zostal przedstawiony na rysunku, gdzie Fig. 1 przedstawia w przekroju pio- nowym reaktor o szesciu elektrodach roboczych zasilanych z elektrycznego ukladu, Fig. 2 – przekrój tego reaktora wzdluz linii AA, Fig. 3 – przekrój tego reaktora wzdluz linii BB. Dzialanie reaktora wedlug wynalazku oraz wyniki przeprowadzonych doswiadczen przedstawiaja nastepujace przyklady, które nie ograniczaja istoty wynalazku. P r z y k l a d I Reaktor sklada sie z pionowej stozkowej komory 3, w której znajduje sie szesc elektrod 6, zasi- lanych z ukladu elektrycznego przez przewody 4, oraz otworu wlotowego 5 doprowadzajacego strumien gazu o duzej predkosci katowej ze znajdujacej sie pod otworem 5 wstepnej komory cyklonowej 1. Wstepna komora cyklonowa 1 posiada wewnatrz wlot 1a surowca gazowego, przy czym wlot 1a umiesz- czony jest stycznie do wewnetrznej sciany wstepnej komory cyklonowej 1. Srednica wewnetrzna wstep- nej komory cyklonowej 1, do której kierowany jest strumien gazu, jest 15 razy wieksza od srednicy kanalu, w którym znajduja sie elektrody 6 i gdzie nastepuje inicjacja wyladowania. Do wstepnej komory cyklonowej 1 wprowadzano przez wlot la mieszanine metanu z argonem o stezeniu metanu 30% i o natezeniu przeplywu 4,5 Nm 3 /h. Szybkosc liniowa gazu na wlocie do komory cyklonowej wynosi ok. 100 m/s, a w otworze wlotowym 5 do reaktora 660 m/s. Przy mocy wyladowania PL 70 846 Y1 4 wynoszacej 1 kW glównym produktem procesu byl acetylen, a stopien przemiany metanu w acetylen wynosil 42%. W oddzielnym doswiadczeniu stwierdzono, ze przy takich samych parametrach procesu, lecz bez wprowadzonego gazu o duzej predkosci katowej stopien przemiany metanu w acetylen wynosil jedynie 34%. P r z y k l a d II Reaktor jak w przykladzie I, ale przez reaktor przepuszczano gaz zawierajacy równomolowa mieszanine metanu i wodoru o natezeniu przeplywu 1,2 Nm 3 /h. Szybkosc liniowa gazu na wlocie do komory cyklonowej wynosi ok. 30 m/s, a w otworze wlotowym 5 do reaktora 300 i 210 m/s. W wyniku reakcji uzyskano 64% i 55% stopien przemiany metanu do acetylenu w reaktorze, w którym stosunek srednicy wstepnej komory cyklonowej do srednicy kanalu, w którym znajduja sie elektrody wynosil odpowiednio 10 i 7. P r z y k l a d III Reaktor jak w przykladzie I, w którym prowadzono rozklad odpadowego czterochlorku wegla. Przez reaktor przepuszczano mieszanine czterochlorku wegla z azotem o natezeniu przeplywu 2,5 Nm 3 /h. Szybkosc liniowa gazu na wlocie do komory cyklonowej wynosi ok. 55 m/s, a w otworze wlotowym 5 do reaktora 370 m/s. Dla mocy 0,9 kW uzyskano rozklad czterochlorku wegla z wydajnoscia 80%. Stwierdzono, ze zastosowanie ruchu wirowego gazu w przestrzeni wyladowania zwieksza wydaj- nosc procesu o okolo 25% w stosunku do wydajnosci w reaktorze, w którym strumien reagentów prze- plywa wylacznie ruchem postepowym. P r z y k l a d IV Reaktor jak w przykladzie I, w którym prowadzono utlenianie podtlenku azotu do tlenku azotu. Przez reaktor przepuszczano mieszanine podtlenku azotu z powietrzem o natezeniu przeplywu 4 Nm 3 /h. Szybkosc liniowa gazu na wlocie do komory cyklonowej wynosi ok. 90 m/s, a w otworze wlotowym 5 do reaktora 600 m/s. Uzyskano stopien przemiany podtlenku azotu w tlenek azotu 0,45 dla mocy 1,2 kW. Stezenie tlenku azotu w produktach reakcji wynosilo 6%, co umozliwia jego przetwarzanie w kwas azo- towy powszechnie stosowana metoda. PL PL