RU2080171C1

RU2080171C1 - Gear to initiate physico-chemical reactors

Info

Publication number: RU2080171C1
Application number: RU93033742A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иосифович Кукулин
Original assignee: Владимир Иосифович Кукулин
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1997-05-27

Abstract

FIELD: metallurgy, chemical, fuel and power engineering industries. SUBSTANCE: gear is designed for initiation of physico-chemical reactions in wide range of industrial objects including cleaning of used gases of power and heating plants, electric power stations and for use as ozonizer, for instance, for sterilization of products and drugs. Reaction chamber of proposed gear has internal and external spaces. Electron accelerator is positioned inside reaction chamber - in its external space. Internal space of reaction chamber is located inside cathode. Electrode grid- anode embraces cathode. Electrode grid can be manufactured in the form of spiral. Additional space communicates with internal and external spaces of reaction chamber. Wall of additional space has holes to feed additive reagents. EFFECT: expanded application field, enhanced functional efficiency. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение может быть использовано для инициирования физико-химических процессов для широкого круга промышленных объектов, в том числе для экологической очистки отработанных газов сжигаемого топлива ТЭЦ, электростанций, в металлургической промышленности, химической и топливной индустрии, а также в качестве озонатора или например, для стерилизации продуктов и медикаментов. The invention can be used to initiate physicochemical processes for a wide range of industrial facilities, including for the ecological purification of exhaust gases from combusted fuel of thermal power plants, power plants, in the metallurgical industry, chemical and fuel industry, and also as an ozonizer or, for example, for sterilization of products and medicines.

За прототип выбран аппарат для генерации озона (патент США N 4.095115), где описано устройство, содержащее ускоритель электронов и реакционную камеру. Ускоритель электронов и реакционная камера выполнена в виде двух имеющих разные оси и соприкасающихся цилиндров. Цилиндры сообщаются между собой через сквозное окно, которое выполнено в поверхности их соприкосновения. Ускоритель выполнен в виде цилиндрического катода с электродной нитью, проходящей вдоль оси цилиндрического катода, и электродной сетки. Электродная сетка установлена в сквозном окне, сообщающем камеры цилиндрического ускорителя электронов и цилиндрической реакционной камеры. Через это окно проходят пучки заряженных электронов. Воздух пропускается с большой скоростью (30-35 м/с) через реакционную камеру, где облучается сильным пучком ускоренных (до энергии ≈ 100 150 кВ) электронов, что создает поток воздуха с повышенным содержанием озона. For the prototype, an ozone generation apparatus was selected (US Pat. No. 4,095,115), which describes a device containing an electron accelerator and a reaction chamber. The electron accelerator and the reaction chamber are made in the form of two cylinders having different axes and in contact. The cylinders communicate with each other through a through window, which is made in the surface of their contact. The accelerator is made in the form of a cylindrical cathode with electrode filament extending along the axis of the cylindrical cathode and an electrode grid. The electrode grid is installed in a through window communicating the chambers of the cylindrical electron accelerator and the cylindrical reaction chamber. Beams of charged electrons pass through this window. Air is passed at high speed (30-35 m / s) through the reaction chamber, where it is irradiated with a strong beam of accelerated (up to energy ≈ 100 150 kV) electrons, which creates an air stream with a high ozone content.

В устройстве прохождение пучков заряженных электронов, идущих от ускорителя в реакционную камеру, ограничено размерами сквозного окна и приводит к значительным потерям и рассеиванию энергии заряженных электронов, к недостаточной мощности электронного потока, а также к повышенному выходу рентгеновского излучения во внешнюю среду, т.е. устройство не имеет самозащиты от возникающей радиации. In the device, the passage of beams of charged electrons coming from the accelerator into the reaction chamber is limited by the size of the through window and leads to significant losses and dissipation of the energy of charged electrons, to insufficient power of the electron beam, and also to increased output of X-ray radiation into the external medium, i.e. the device does not have self-protection from the resulting radiation.

Для равномерной подачи электронов в реакционную камеру предусмотрены дополнительные средства, усложняющие устройство. Однако эти средства не дают возможность в достаточной степени регулировать равномерность прохождения физико-химических процессов. For a uniform supply of electrons to the reaction chamber, additional means are provided that complicate the device. However, these funds do not provide an opportunity to sufficiently regulate the uniformity of the passage of physico-chemical processes.

Несоосное расположение ускорителя электронов и реакционной камеры приводит к тому, что устройство имеет значительные габариты. The misaligned arrangement of the electron accelerator and the reaction chamber leads to the fact that the device has significant dimensions.

Кроме того, в устройстве не предусмотрены средства для использования тепловой энергии отходящих горячих газов для подогрева катода ускорителя, например, при использовании устройства на ТЭЦ, электростанциях и др. In addition, the device does not provide means for using the thermal energy of the exhaust hot gases to heat the accelerator cathode, for example, when using the device at thermal power plants, power plants, etc.

Технический результат предложенного устройства состоит в универсальности за счет возможности его использования как для экологической очистки, получения озона, так и для инициирования физико-химических процессов. The technical result of the proposed device is versatility due to the possibility of its use both for environmental cleaning, obtaining ozone, and for initiating physicochemical processes.

Технический результат предложенного устройства состоит также в повышении мощности электронного потока, в сохранении энергии заряженных частиц и в равномерном их распределении в реакционной камере по всей ее поверхности, в возможности равномерной обработки газа, что дает возможность получить повышенное значение мощности электронного потока даже при малом значении плотности тока. The technical result of the proposed device also consists in increasing the power of the electron beam, in preserving the energy of the charged particles and in their uniform distribution in the reaction chamber over its entire surface, in the possibility of uniform gas treatment, which makes it possible to obtain an increased value of the power of the electron beam even at a low density current.

Кроме того, благодаря специальной компоновке устройство обладает радиационной самозащищенностью, в нем имеется возможность исключить радиационный фон без введения специальных мер при значительном сокращении габаритов устройства. In addition, thanks to the special layout, the device has radiation self-protection, it is possible to exclude the radiation background without introducing special measures with a significant reduction in the dimensions of the device.

Указанные преимущества достигаются тем, что реакционная камера образована двумя сообщающимися полостями, одна из которых внешняя охватывает вакуумную камеру ускорителя, а другая внутренняя размещена внутри катода ускорителя и сообщена с магистралью обрабатываемого газа, при этом электродная сетка ускорителя охватывает катод. These advantages are achieved by the fact that the reaction chamber is formed by two communicating cavities, one of which the outer one covers the vacuum chamber of the accelerator, and the other inner one is placed inside the accelerator cathode and communicated with the gas line being processed, while the accelerator electrode grid covers the cathode.

Кроме того, тем, что электродная сетка выполнена в виде спирали. In addition, the fact that the electrode grid is made in the form of a spiral.

Кроме того, тем, что катод выполнен в виде трубчатого катода и образован группой встроенных в него цилиндров, внутри каждого из которых установлена электродная нить. In addition, the cathode is made in the form of a tubular cathode and is formed by a group of cylinders built into it, inside each of which an electrode thread is installed.

Кроме того, тем, что реакционная камера выполнена замкнутой со стороны, противоположной подводу обрабатываемого газа, и образует кольцевую полость сообщения внутренней и внешней полости реакционной камеры, при этом кольцевая полость выполнена с отверстиями для подачи присадочных реагентов. In addition, the fact that the reaction chamber is closed from the opposite side to the supply of the treated gas, and forms an annular cavity of communication of the inner and outer cavities of the reaction chamber, while the annular cavity is made with holes for supplying the additive reagents.

На фиг. 1 представлен общий вид предложенного устройства, которое для наглядности показано в виде прозрачной модели; на фиг.2 сечение фиг.1, поясняющее работу ускорителя; на фиг. 3 вариант выполнения трубчатого катода ускорителя в виде встроенной в него группы цилиндров; на фиг. 4 общий вид устройства с электродной сеткой; на фиг. 5 схема, поясняющая направление движения обрабатываемого газа. In FIG. 1 shows a General view of the proposed device, which for clarity is shown in the form of a transparent model; figure 2 section of figure 1, explaining the operation of the accelerator; in FIG. 3 embodiment of the tubular cathode of the accelerator in the form of a group of cylinders built into it; in FIG. 4 general view of the device with an electrode grid; in FIG. 5 is a diagram explaining the direction of movement of the treated gas.

Устройство содержит сблокированные в один узел реакционную камеру 1 и ускоритель 2 электронов, которые предназначены для инициирования физико-химических процессов в газовой фазе путем возбуждения молекул газа, проходящего через реакционную камеру 1, диффузным потоком электронов от ускорителя 2. The device contains a reaction chamber 1 blocked in one assembly and an electron accelerator 2, which are designed to initiate physicochemical processes in the gas phase by exciting the gas molecules passing through the reaction chamber 1 with a diffuse electron stream from the accelerator 2.

Ускоритель 2 электронов содержит вакуумную камеру 3, соосно которой установлен катод 4 с электродной нитью 5, и охватывающую катод 4 электродную сетку 6 анод. The electron accelerator 2 comprises a vacuum chamber 3, coaxially mounted with a cathode 4 with an electrode filament 5, and an anode grid 6 surrounding the cathode 4.

Реакционная камера 1 образована двумя сообщающимися между собой полостями внутренней полостью 7, предназначенной для предварительной обработки, которая размещена внутри катода 4, и внешней полостью 8 основной частью реакционной камеры 1, которая охватывает вакуумную камеру ускорителя 2 электронов. Корпусом внешней полости 8 реакционной камеры 1 служит толстостенная оболочка (≈100 нм), что необходимо для экранирования потока рентгеновских лучей, исходящих из вакуумной камеры 3 и внешней полости реакционной камеры 1. The reaction chamber 1 is formed by two interconnected cavities, an internal cavity 7 for pre-treatment, which is located inside the cathode 4, and an external cavity 8, the main part of the reaction chamber 1, which covers the vacuum chamber of the electron accelerator 2. The body of the outer cavity 8 of the reaction chamber 1 is a thick-walled shell (≈100 nm), which is necessary for shielding the flow of x-rays coming from the vacuum chamber 3 and the outer cavity of the reaction chamber 1.

Корпус вакуумной камеры 3 выполнен из фольги на каркасе из титана или сплава алюминия и бериллия. The housing of the vacuum chamber 3 is made of foil on a frame made of titanium or an alloy of aluminum and beryllium.

Корпус катода 4 служит направляющим внутренней полости 7 реакционной камеры 1 и необходим для прохождения внутри него газов, подлежащих обработке, и для проведения радиационных процессов в горячем газе. The cathode body 4 serves as a guide for the inner cavity 7 of the reaction chamber 1 and is necessary for the passage of the gases to be processed inside it and for conducting radiation processes in the hot gas.

Электродная сетка 6 может быть выполнена в виде спирали, что необходимо для регулирования равномерности распределения потока ускоренных электродов. The electrode grid 6 can be made in the form of a spiral, which is necessary to regulate the uniform distribution of the flow of accelerated electrodes.

Реакционная камера 1 открыта с одного из торцев со стороны подвода обрабатываемого газа и замкнута с противоположного торца, образуя кольцевую полость 9 с отверстиями 10 для подачи присадочных реагентов (аммиачной воды, водяного аэрозоля, азота и др.). The reaction chamber 1 is open from one of the ends from the supply gas side and closed from the opposite end, forming an annular cavity 9 with openings 10 for supplying additive reagents (ammonia water, water aerosol, nitrogen, etc.).

Катод 4 может быть выполнен в виде группы встроенных в катод 4 образующих трубчатый катод 12 цилиндров 11, внутри каждого из которых установлена электродная нить 5, что дает возможность подачи на катодные цилиндры различных потенциалов, благодаря этому появляется возможность регулировки потоков ускоренных электронов. В том случае, если цилиндры 11 включены электрически параллельно, они имеют равные потенциалы. The cathode 4 can be made in the form of a group of cylinders 11 forming a tubular cathode 12 built into the cathode 4, inside each of which an electrode thread 5 is installed, which makes it possible to supply various potentials to the cathode cylinders, which makes it possible to adjust the fluxes of accelerated electrons. In the event that the cylinders 11 are electrically connected in parallel, they have equal potentials.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Газ, подлежащий обработке, проходит через полый катод 4 (или через полые катодные цилиндры 11, как на фиг.3) внутренней полости 7 реакционной камеры 1, где происходят радиационные процессы в горячем газе. Далее газ проходит по кольцевой полости 9, сообщающей внутреннюю полость 7 и внешнюю полость 8 реакционной камеры 1, обрабатывается охлажденными присадочными реагентами, при этом охлаждается и поступает во внешнюю полость 8 реакционной камеры 1, где проходит окончательную обработку под действием потока быстрых электронов (фиг. 2), исходящих из ускорителя 2. The gas to be processed passes through the hollow cathode 4 (or through the hollow cathode cylinders 11, as in FIG. 3) of the internal cavity 7 of the reaction chamber 1, where radiation processes occur in the hot gas. Next, the gas passes through the annular cavity 9, which communicates the inner cavity 7 and the outer cavity 8 of the reaction chamber 1, is treated with cooled additive reagents, it is cooled and enters the outer cavity 8 of the reaction chamber 1, where it undergoes final processing under the action of a stream of fast electrons (Fig. 2) coming from the accelerator 2.

В ускорителе 2 газ, проходящий внутри катода 4 по внутренней полости 7 реакционной камеры 1, нагревает катод до температуры (≈1000^oC), при которой происходит усиленная термоэлектронная эмиссия. В этом случае, если обрабатывается холодный газ, катод 4 подключают к источнику тепла (не показан).In accelerator 2, the gas passing inside the cathode 4 through the inner cavity 7 of the reaction chamber 1 heats the cathode to a temperature (≈1000 ^o C) at which enhanced thermionic emission occurs. In this case, if cold gas is being processed, the cathode 4 is connected to a heat source (not shown).

Для ускорения электронов, вылетающих из катода 4, на электронную сетку 6 накладывается ускоряющее напряжение либо постоянное напряжение (

150-1000 кВ) при условии поддержания высокого вакуума в вакуумной камере 3 в форме коротких импульсов, продолжительность которых от десятков наносекунд до 1 μс (при недостаточно высоком вакууме в вакуумной камере 3). Ускоритель 2 электронов может запитываться от высоковольтного трансформатора с выпрямителем на выходе.To accelerate the electrons emitted from the cathode 4, an accelerating voltage or a constant voltage is superimposed on the electronic grid 6 (

150-1000 kV), provided that a high vacuum is maintained in the vacuum chamber 3 in the form of short pulses, the duration of which is from tens of nanoseconds to 1 μs (when the vacuum in the vacuum chamber 3 is not high enough). The electron accelerator 2 can be powered from a high-voltage transformer with a rectifier at the output.

Выходящий из катода 4 (или из катодных цилиндров 11 как на фиг.3) поток электронов ускоряется в вакуумной камере 3 за счет разности потенциалов между катодом 4 и электродами электродной нитью 5 и электродной сеткой 6. Величина этой разности потенциалов приближена к значению 100-1000 кВ, причем разность потенциалов цилиндров катода и электродных нитей не должна превышать 100 кВ. The electron flow exiting from the cathode 4 (or from the cathode cylinders 11 as in FIG. 3) is accelerated in the vacuum chamber 3 due to the potential difference between the cathode 4 and the electrodes by the electrode filament 5 and the electrode grid 6. The value of this potential difference is close to 100-1000 kV, and the potential difference between the cathode cylinders and the electrode filaments should not exceed 100 kV.

Поток электронов проходит через фольгу металлического корпуса вакуумной камеры 3. При этом внутри катода 4 под действием быстрых электронов происходит частичный распад окислов азота на элементарный (свободный) азот и кислород). The electron flow passes through the foil of the metal housing of the vacuum chamber 3. In this case, inside the cathode 4, under the action of fast electrons, partial decomposition of nitrogen oxides into elementary (free) nitrogen and oxygen occurs.

В кольцевой полости 9 реакционной камеры 1 при сниженной температуре (Т= 100^o) происходит окисление оставшейся после предварительной обработки окиси азота до двуокиси азота, одновременно осуществляется взаимодействие с присадочными реагентами, которые поступают в кольцевую полость 9 через отверстия 10.In the annular cavity 9 of the reaction chamber 1, at a reduced temperature (T = 100 ^° C), the nitrogen oxide remaining after pretreatment to nitrogen dioxide is oxidized, and at the same time, interaction with the additive reagents that enter the annular cavity 9 through the openings 10 is carried out.

В качестве присадочных реагентов используются охлажденная аммиачная вода, газообразный азот, водяной аэрозоль и т.д. Chilled ammonia water, nitrogen gas, water spray, etc. are used as additive reagents.

Во внешней полости 8 реакционной камеры 1 происходят воздействие потоком быстрых электронов на обрабатываемый газ, возбуждение и частичная ионизация молекул газа электронным ударом через всю поверхность фольги вакуумной камеры 3. При этом равномерно по окружности разных радиусов или с заданной плотностью инициируются физико-химические процессы, в том числе образования озона. In the external cavity 8 of the reaction chamber 1, a stream of fast electrons acts on the gas to be treated, excitation and partial ionization of gas molecules by electron impact through the entire surface of the foil of the vacuum chamber 3. In this case, physicochemical processes are initiated uniformly around a circle of different radii or with a given density, including ozone formation.

Возможность регулировать степень равномерности, а также плотность электронов и тем самым распределение дозных полей в обрабатываемом газе во внешней полости 8 реакционной камеры 1 достигается регулированием длины витка спирали электрода-анода, а степень равномерности и плотность потоков электронов внутри катода регулируются с помощью разных напряжений, поданных на цилиндры 11 трубчатого катода 12. The ability to control the degree of uniformity, as well as the electron density and thereby the distribution of dose fields in the gas to be treated in the outer cavity 8 of the reaction chamber 1, is achieved by adjusting the length of the spiral of the electrode-anode, and the degree of uniformity and density of electron fluxes inside the cathode are regulated using different voltages applied on the cylinders 11 of the tubular cathode 12.

В случае использования устройства на ТЭЦ, электростанциях и других объектах, работающих на нефти, мазуте и природном газе, требуется удаление токсичных оксидов (NO_x, CO и SO₂) из отходящих газов. Эти окислы обрабатываются сначала, как было описано выше, во внутренней полости 7 (камере предварительной обработки), а затем поступают в кольцевую полость 9, где по описанному выше принципу к обрабатываемому газу добавляются присадочные реагенты, и окончательная обработка происходит во внешней полости. В результате окислы азота и серы превращаются в твердые микрочастицы, которые удаляются, а окись углерода окисляется до двухокиси углерода. В итоге из трубы выходит чистый воздух.In the case of using the device at thermal power plants, power plants and other facilities operating on oil, fuel oil and natural gas, the removal of toxic oxides (NO _x , CO and SO ₂ ) from the exhaust gases is required. These oxides are processed first, as described above, in the inner cavity 7 (pre-treatment chamber), and then enter the annular cavity 9, where, according to the principle described above, additive reagents are added to the treated gas and the final treatment takes place in the outer cavity. As a result, nitrogen and sulfur oxides are converted into solid microparticles, which are removed, and carbon monoxide is oxidized to carbon dioxide. As a result, clean air comes out of the pipe.

Положительный эффект предложенного устройства заключается в значительном увеличении мощности ускорителя электронов при одновременном сокращении габаритов за счет двойного прохождения газа внутри одного и того же объема в разных направлениях и за счет равномерного прохождения электронов по всей поверхности фольги вакуумной камеры 3 с равномерной или заданной степенью обработки газа во всем объеме реакционной камеры 1. The positive effect of the proposed device is a significant increase in the power of the electron accelerator while reducing dimensions due to the double passage of gas inside the same volume in different directions and due to the uniform passage of electrons over the entire surface of the foil of the vacuum chamber 3 with a uniform or predetermined degree of gas treatment in the entire volume of the reaction chamber 1.

Кроме этого, положительный эффект устройства состоит в ликвидации радиационного фона за счет компоновки ускорителя внутри реакционной камеры (радиационная самозащищенность устройства). In addition, the positive effect of the device is to eliminate the radiation background due to the arrangement of the accelerator inside the reaction chamber (radiation self-protection of the device).

Возможность использования тепла отходящих обрабатываемых газов для нагрева катода увеличивает КПД устройства по сравнению с известными до 85-90%
Дополнительное преимущество состоит в универсальности устройства.The ability to use the heat of the exhaust gas to be heated to heat the cathode increases the efficiency of the device compared to the known ones up to 85-90%
An additional advantage is the versatility of the device.

Claims

1. A device for initiating physico-chemical reactions containing an electron accelerator and a reaction chamber with a supply of the gas to be treated, wherein the electron accelerator includes an anode, a vacuum chamber and a cylindrical cathode with an internal electrode filament, characterized in that the vacuum chamber together with a cylindrical cathode, placed inside, installed in the reaction chamber with the formation of the external reaction cavity around the vacuum chamber and the internal cavity inside the cathode, communicating with each other and with the supply brabatyvaemogo gas, wherein the accelerator anode disposed coaxially with the outer side of the cathode.

2. The device according to p. 1, characterized in that the anode is made in the form of a spiral.

3. The device according to claim 1, characterized in that the cathode is formed by a group of cylinders of smaller radius embedded in a common cylinder of a larger radius, inside of each of which an electrode thread is installed.

4. The device according to claim 1, characterized in that in the wall of the reaction chamber from the side opposite to the supply of the gas to be treated, openings are made for supplying additive reagents, while an additional cavity communicating with them is formed between this wall and the external and internal cavities.