RU2157060C2 - Plasma chemical reactor - Google Patents
Plasma chemical reactor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2157060C2 RU2157060C2 RU98122593A RU98122593A RU2157060C2 RU 2157060 C2 RU2157060 C2 RU 2157060C2 RU 98122593 A RU98122593 A RU 98122593A RU 98122593 A RU98122593 A RU 98122593A RU 2157060 C2 RU2157060 C2 RU 2157060C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- electrodes
- reaction chamber
- chemical reactor
- chamber
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к химическим реакторам, в которых источником высокой температуры является электроразрядная плазма. Этот реактор может применяться в химической, металлургической и других отраслях промышленности для производства химических продуктов, например синтез-газа, углеводородов, а также в решении вопросов защиты окружающей среды, охраны здоровья людей и сохранения биосферы как эффективный аппарат для разложения отработанных высокостабильных токсичных веществ и очистки от них промышленных выбросов и отходов. The invention relates to chemical reactors in which the source of high temperature is an electric discharge plasma. This reactor can be used in the chemical, metallurgical and other industries for the production of chemical products, such as synthesis gas, hydrocarbons, as well as in solving environmental issues, protecting human health and preserving the biosphere as an effective apparatus for decomposing spent highly stable toxic substances and purification from them industrial emissions and waste.
Плазмохимические реакторы различных конструкций хорошо известны. Обязательным их элементом является разрядная камера, в которой установлена пара электродов и имеется вход и выход для плазмообразующего газа. Так, известны плазмохимические реакторы, в которых плазмообразующим газом является какой-либо инертный газ, например азот, аргон, или водород. Плазмообразующий газ превращается в плазму под действием электрического разряда в специально оборудованной разрядной камере, а затем соединяется с реакционной смесью в отдельной реакционной камере, где под термическим воздействием плазмы протекают химические реакции с получением целевого продукта. Plasma-chemical reactors of various designs are well known. Their mandatory element is a discharge chamber, in which a pair of electrodes is installed and there is an inlet and outlet for a plasma-forming gas. Thus, plasmochemical reactors are known in which the plasma-forming gas is any inert gas, for example nitrogen, argon, or hydrogen. Plasma-forming gas is converted into plasma by an electric discharge in a specially equipped discharge chamber, and then combined with the reaction mixture in a separate reaction chamber, where chemical reactions proceed under the influence of plasma to produce the desired product.
К таким реакторам относится, например, аппарат для проведения высокотемпературных химических реакций с получением порошков высокочистых элементарных металлов IVb, Vb, Vlb групп Периодической таблицы: титана, вольфрама, молибдена и др., или их сплавов, а также галогенирования оксидов металлов, синтеза углеводородов: ацетилена, бензина и др. Аппарат включает плазменный генератор, генерирующий плазму посредством электрического разряда между катодом и анодом при протекании плазмообразующего газа - аргона или азота. Также в аппарате имеется расположенная ниже анода реакционная зона, куда поступает из генератора плазма, а также исходная газообразная реакционная смесь. В названной реакционной зоне протекает химическая реакция с образованием целевого продукта. Далее поток прореагировавшей реакционной смеси, содержащий целевой продукт, закаливается в зоне закалки и разделяется на несколько отдельных потоков, которые затем объединяются в коллекторной зоне, из которой происходит извлечение чистого целевого продукта [Патент США N 3840750]. Such reactors include, for example, an apparatus for carrying out high-temperature chemical reactions to obtain powders of high-purity elemental metals of the IVb, Vb, Vlb groups of the Periodic table: titanium, tungsten, molybdenum, etc., or their alloys, as well as halogenation of metal oxides, hydrocarbon synthesis: acetylene, gasoline, etc. The apparatus includes a plasma generator that generates plasma by means of an electric discharge between the cathode and the anode during the flow of a plasma-forming gas - argon or nitrogen. Also in the apparatus there is a reaction zone located below the anode, which receives plasma from the generator, as well as the initial gaseous reaction mixture. In the above reaction zone, a chemical reaction proceeds with the formation of the target product. Next, the stream of the reacted reaction mixture containing the target product is quenched in the quenching zone and divided into several separate streams, which are then combined in the collector zone from which the pure target product is extracted [US Patent No. 3840750].
Известен также плазмохимический реактор для термического крекинга веществ, преимущественно углеводородов. Плазма генерируется в специально оборудованной разрядной камере, с аксиально установленными анодом и катодом, между которыми образуется электрическая дуга и через которую протекает поток плазмообразующего газа - водорода или азота. С разрядной камерой сообщается камера смешения, в которую поступают все необходимые реагенты, образуя исходную углеводородную реакционную смесь заданного состава. Далее исходная реакционная смесь, нагретая до нескольких тысяч градусов, поступает непосредственно в реакционную камеру, где происходит образование целевого продукта. Выделение целевого продукта происходит посредством быстрого охлаждения прореагировавшей реакционной смеси холодным закалочным газом в свободном пространстве над реакционной камерой. Далее целевой продукт поступает в скрубер для отмывки газа [Патент США N 3622493). Описанные выше плазмохимические реакторы громоздки, имеют сложную конструкцию и высокую стоимость. Кроме того, электроды разрядной камеры подвержены быстрой эрозии, вызванной высоким напряжением, токами большой силы, бомбардировкой поверхности частицами плазмы, поэтому требуются частые остановки работы реакторов для их замены. Also known plasma chemical reactor for thermal cracking of substances, mainly hydrocarbons. Plasma is generated in a specially equipped discharge chamber, with an anode and a cathode axially mounted, between which an electric arc is formed and through which a plasma-forming gas stream flows - hydrogen or nitrogen. A mixing chamber communicates with the discharge chamber, into which all the necessary reagents enter, forming the initial hydrocarbon reaction mixture of a given composition. Next, the initial reaction mixture, heated to several thousand degrees, enters directly into the reaction chamber, where the formation of the target product takes place. The selection of the target product occurs by rapid cooling of the reacted reaction mixture with cold quenching gas in the free space above the reaction chamber. Next, the target product enters the scrubber for gas washing [US Patent No. 3622493). The plasma-chemical reactors described above are bulky, have a complex structure and high cost. In addition, the electrodes of the discharge chamber are subject to rapid erosion caused by high voltage, high currents, surface bombardment by plasma particles, therefore, frequent shutdowns of reactors are required to replace them.
Известны плазмохимические реакторы, в которых плазмообразующим газом является непосредственно реакционный газ. Их конструкция значительно проще по сравнению с вышеописанными, так как они состоят из одной реакционной камеры, в которой размещена пара электродов, а реакционный газ пропускается между ними при подаче на них высокого напряжения, приводящего к возникновению дугового электрического разряда. К плазмохимическим реакторам такой конструкции относится, например, реактор, включающий реакционную камеру, оснащенную анодом и катодом, на которые подается высокое напряжение, средства для ввода реагентов и средства для вывода целевого продукта [Патент США N 3658673]. Реакционная смесь пропускается между электродами, при этом ей сообщается поступательно-вращательное движение, с образованием вихря, стабилизирующего плазменную дугу, которая возникает между электродами. В этом реакторе электроды подвергаются, помимо вышеназванных факторов, воздействию агрессивной химической среды, и на их поверхности возникает эрозия, поэтому электроды быстро приходят в негодность и требуется их частая, с периодом в несколько часов, замена. Эрозия электродов нарастает с увеличением тока электрического разряда, поэтому на максимальную величину тока в описанном способе налагаются ограничения, что в свою очередь ограничивает максимальную производительность плазмохимического реактора. Plasma chemical reactors are known in which the plasma gas is directly the reaction gas. Their design is much simpler compared to the above, since they consist of a single reaction chamber in which a pair of electrodes is placed, and the reaction gas is passed between them when a high voltage is applied to them, leading to the appearance of an electric arc discharge. Plasma-chemical reactors of this design include, for example, a reactor including a reaction chamber equipped with an anode and a cathode, to which a high voltage is supplied, means for introducing reagents and means for removing the target product [US Patent No. 3658673]. The reaction mixture is passed between the electrodes, and the translational-rotational movement is communicated to it, with the formation of a vortex stabilizing the plasma arc that occurs between the electrodes. In this reactor, the electrodes are, in addition to the above factors, exposed to an aggressive chemical environment, and erosion occurs on their surface, so the electrodes quickly become unusable and require frequent replacement, with a period of several hours. The erosion of the electrodes increases with increasing current of the electric discharge, therefore, restrictions are imposed on the maximum current in the described method, which in turn limits the maximum productivity of the plasma chemical reactor.
Известен также плазмохимический реактор для разложения химических промышленных отходов термическим путем. Реактор содержит реакционную камеру с двумя электродами, между которыми протекает очищаемый газ в смеси с кислородом, при напряжении на них 100-3000 В, вызывающем ток величиной 50-1000 А [Патент США N 5206879] . По наибольшему количеству сходных с предлагаемым признаков, этот реактор принят за прототип изобретения. Прототип, так же как и вышеописанный реактор, требует частой, с периодичностью в несколько часов, замены электродов, так как под воздействием кислорода, который является сильным окислителем, высокого напряжения и тока большой силы, эрозия электродов протекает с большой скоростью. Также, в силу вышеназванных причин, он имеет ограничения по производительности. Also known plasma chemical reactor for the decomposition of chemical industrial waste by thermal means. The reactor contains a reaction chamber with two electrodes, between which the gas to be purified flows in a mixture with oxygen, with a voltage of 100-3000 V on them, causing a current of 50-1000 A [US Patent No. 5206879]. For the largest number of similar features to the proposed features, this reactor is taken as a prototype of the invention. The prototype, like the reactor described above, requires frequent, with a frequency of several hours, replacement of the electrodes, since under the influence of oxygen, which is a strong oxidizing agent, high voltage and high current, erosion of the electrodes proceeds at a high speed. Also, for the above reasons, it has performance limitations.
Предлагаемое изобретение решает задачу увеличения срока службы электродов плазмохомического реактора и, соответственно, снижения эксплуатационных затрат при его работе. Также предлагаемая конструкция снимает ограничения по производительности реактора. The present invention solves the problem of increasing the service life of the electrodes of a plasma-chemical reactor and, accordingly, reducing operating costs during its operation. Also, the proposed design removes restrictions on the performance of the reactor.
Поставленная задача решается тем, что предлагается плазмохимический реактор, состоящий из реакционной камеры, средства для снабжения ее плазмообразующим газом, средства для вывода из нее целевого продукта (продуктов), по крайней мере пары электродов в реакционной камере, размещенных таким образом, что при подаче на них электрического напряжения в межэлектродном пространстве возникает дуговой электрический разряд. Каждый электрод выполнен в форме открытого, наполненного металлом контейнера, а средство для снабжения реакционной камеры плазмообразующим газом выполнено таким образом, что формирует вихревое течение плазмообразующего газа в пространстве между электродами. The problem is solved in that a plasma-chemical reactor is proposed, consisting of a reaction chamber, means for supplying it with a plasma-forming gas, means for withdrawing from it the target product (s), at least a pair of electrodes in the reaction chamber, arranged in such a way that electric voltage in the interelectrode space arises an electric arc discharge. Each electrode is made in the form of an open container filled with metal, and the means for supplying the reaction chamber with a plasma-forming gas is made in such a way that it forms a vortex flow of the plasma-forming gas in the space between the electrodes.
Целесообразно в реакционной камере располагать электроды горизонтально, т.к. электрическая дуга, которая возникает вначале между твердыми электродами, в процессе работы реактора постепенно их расплавляет, и при продолжительной работе электрод переходит в жидкое состояние. Каждый контейнер при этом может быть выполнен как ванна в днище камеры, с обмуровкой из огнеупорного материала с диэлектрическими свойствами, например, это может быть футеровка из огнеупорного кирпича. Контейнер заполняется металлом в виде кусков, мелких частиц или обычного металлического лома. Для того чтобы при подаче напряжения на электроды поддерживался электрический дуговой разряд, важно соотношение таких технологических параметров, как величина этого напряжения, расстояние между ними, расход поступающего в камеру плазмообразующего газа, его состава и др., которые выбираются для каждой конкретной установки отдельно. It is advisable to place the electrodes horizontally in the reaction chamber, since the electric arc, which occurs initially between the solid electrodes, gradually melts them during the operation of the reactor, and during continuous operation the electrode goes into a liquid state. In this case, each container can be made like a bath in the bottom of the chamber, with a wiring of refractory material with dielectric properties, for example, it can be a lining of refractory bricks. The container is filled with metal in the form of pieces, small particles or ordinary scrap metal. In order to maintain an electric arc discharge when voltage is applied to the electrodes, the ratio of technological parameters such as the magnitude of this voltage, the distance between them, the flow rate of the plasma-forming gas entering the chamber, its composition, etc., which are selected separately for each particular installation, is important.
Плавление металла в контейнерах под действием электрической дуги приводит к тому, что рабочие поверхности электродов (поверхности, между которыми горит электрическая дуга) в процессе работы реактора становятся жидкими, поэтому электрод не подвергается эрозии, в общепринятом смысле, но имеет место медленное испарение металла и уменьшение его массы. В связи с тем что масса электрода велика, реактор может безостановочно работать длительное время - в зависимости от объема контейнера электрода и скорости испарения металла. The melting of metal in containers under the influence of an electric arc leads to the fact that the working surfaces of the electrodes (the surfaces between which the electric arc burns) become liquid during the operation of the reactor, therefore, the electrode does not undergo erosion, in the generally accepted sense, but there is a slow evaporation of the metal and a decrease its mass. Due to the fact that the mass of the electrode is large, the reactor can work non-stop for a long time - depending on the volume of the electrode container and the rate of evaporation of the metal.
Для того чтобы еще больше удлинить период непрерывной работы реактора, необходимо каждый контейнер оснастить средством для его пополнения металлом. Например, это средство может иметь форму специальных подходящих к контейнерам желобов, по которым металл поступает в них в виде кусков. In order to further lengthen the period of continuous operation of the reactor, it is necessary to equip each container with a means for replenishing it with metal. For example, this tool may take the form of special gutters suitable for containers, through which metal enters into them in the form of pieces.
Подача напряжения на электроды производится путем подачи напряжения непосредственно на металл, заполняющий контейнеры. С этой целью каждый контейнер электрода снабжается специальным средством для подачи напряжения на заполняющий его металл, которое может быть выполнено в форме канала, с расположенным в нем металлическим проводником, один конец которого, соединенный с контейнером, плавится вместе с заполняющим контейнер металлом, а второй конец, к которому присоединяются контакты для подачи электрического напряжения, остается в твердом состоянии. The voltage is applied to the electrodes by applying voltage directly to the metal filling the containers. To this end, each electrode container is provided with special means for supplying voltage to the metal filling it, which can be made in the form of a channel with a metal conductor located in it, one end of which, connected to the container, melts together with the metal filling the container, and the second end , to which the contacts are connected to supply voltage, remains in the solid state.
Средство для подачи в камеру между электродами плазмообразующего газа может быть различной конструкции. Важно, чтобы это средство формировало вихревое течение газа, стабилизирующее электрическую дугу, и исключало контакт между электрической дугой и деталями камеры. Одним из приемлемых и простых вариантов выполнения этого средства является следующий. Между электродами устанавливается стенка из огнеупорного диэлектрического материала. Ее размеры могут быть различными, но не меньше таких, чтобы дуговой электрический разряд при подаче напряжения на электроды не мог сформироваться по нежелательному пути - огибая эту стенку. Она может быть выполнена в виде перегородки от днища до потолка камеры и поделить ее объем на две части, если это технологически обосновано. В стенке предусмотрен разрядный канал, направляющий дуговой разряд по желательному пути и на заданном уровне от поверхностей электродов, который представляет собой центральное сквозное отверстие, предпочтительно цилиндрическое. В названный разрядный канал выведены газовые каналы, соединенные с источником плазмообразующего газа, через которые плазмообразующий газ подается непосредственно в межэлектродное пространство. Электрическая дуга формируется в разрядном канале и выходит в объем камеры между электродами по обе стороны стенки, в которой он выполнен. Чтоб обеспечить стабилизацию дугового разряда, плазмообразующему газу придается вращение с образованием вихря. Вихрь должен быть таким, чтобы между электрической дугой и стенкой разрядного канала образовывался слой плазмообразующего газа с более низкой температурой и соответственно, более плотный, который изолирует стенки канала и другие детали камеры. Для этого газовые каналы располагаются под углом к поверхности разрядного канала, в который они выходят. Плазмообразующий газ поступает в разрядный канал под углом к его стенке и далее образует в нем вихрь. The means for supplying a plasma-forming gas between the electrodes may be of various designs. It is important that this tool forms a vortex gas flow, stabilizing the electric arc, and excludes contact between the electric arc and the parts of the chamber. One of the acceptable and simple options for performing this tool is the following. A wall of refractory dielectric material is installed between the electrodes. Its dimensions can be different, but not less than those so that the arc electric discharge when voltage is applied to the electrodes could not form along an undesirable path - enveloping this wall. It can be made in the form of a partition from the bottom to the ceiling of the chamber and divide its volume into two parts, if this is technologically justified. A discharge channel is provided in the wall directing the arc discharge along the desired path and at a predetermined level from the surfaces of the electrodes, which is a central through hole, preferably a cylindrical one. Gas channels connected to the source of the plasma-forming gas through which the plasma-forming gas is supplied directly to the interelectrode space are brought into the said discharge channel. An electric arc is formed in the discharge channel and enters the chamber volume between the electrodes on both sides of the wall in which it is made. To ensure stabilization of the arc discharge, a plasma-forming gas is given rotation with the formation of a vortex. The vortex should be such that between the electric arc and the wall of the discharge channel a layer of plasma-forming gas is formed with a lower temperature and, accordingly, more dense, which insulates the walls of the channel and other parts of the chamber. For this, the gas channels are located at an angle to the surface of the discharge channel into which they exit. Plasma-forming gas enters the discharge channel at an angle to its wall and then forms a vortex in it.
Если для формирования вихря недостаточно только одного разрядного канала, описываемое средство для снабжения реакционной камеры плазмообразующим газом может быть оснащено дополнительно специальной вихревой камерой. Наиболее просто вихревая камера выполняется в форме цилиндрической выемки внутри стенки средства, которая соединяется с разрядным каналом и имеет больший диаметр относительно его диаметра, а газовые каналы выводятся в ее стенки под углом. Возможно последовательное расположение нескольких вихревых камер в канале, через каждую из которых поступает плазмообразующий газ, причем названный плазмообразующий газ может быть одного состава и подаваться через все каналы. Плазмообразующий газ также может быть нескольких разных составов, и в этом случае каналы присоединяются к нескольким источникам плазмообразующего газа. If only one discharge channel is not sufficient for the formation of a vortex, the described means for supplying a reaction chamber with a plasma-forming gas can be additionally equipped with a special vortex chamber. The simplest vortex chamber is in the form of a cylindrical recess inside the wall of the tool, which is connected to the discharge channel and has a larger diameter relative to its diameter, and gas channels are discharged into its walls at an angle. A sequential arrangement of several vortex chambers in the channel is possible, through each of which a plasma-forming gas enters, and the named plasma-forming gas can be of the same composition and supplied through all channels. The plasma-forming gas can also be of several different compositions, in which case the channels are connected to several sources of the plasma-forming gas.
Стенки разрядного канала могут охлаждаться водой, чтобы предотвратить их разрушение от высоких температур. The walls of the discharge channel can be cooled by water to prevent their destruction from high temperatures.
Объем реакционной камеры реактора может быть несоизмеримо большим относительно описанного выше узла - источника плазмы для проведения плазмохимических реакций. Плазмообразующий газ нагревается до высокой температуры в разрядном канале и поступает в объем реакционной камеры, где смешивается с другими реагентами или реакционной смесью и инициирует дальнейшее протекание химической реакции. The volume of the reaction chamber of the reactor can be disproportionately large relative to the node described above — the plasma source for carrying out plasma-chemical reactions. The plasma-forming gas is heated to a high temperature in the discharge channel and enters the volume of the reaction chamber, where it is mixed with other reagents or the reaction mixture and initiates a further chemical reaction.
Проведение химических реакций в реакторе может быть организовано различными способами. Так, плазмообразующий газ, поступающий в камеру через предусмотренное для этого средство, может быть инертным: аргон, азот и др., реакционной смесью, приготовленной вне камеры, или отдельными реагентами, участвующими в целевой реакции. Если плазмообразующим газом является инертный газ или отдельные реагенты, то в камере обязательно должны быть предусмотрены средства для подачи в ее полость реакционной смеси, приготовленной вне камеры, или всех необходимых реагентов (жидких, твердых, газообразных) в предусмотренных количествах. В случае, если плазмообразующим газом является реакционная смесь, в конструкции камеры также могут быть предусмотрены дополнительные средства для подачи названного газа, или отдельных реагентов, если это необходимо. The chemical reactions in the reactor can be organized in various ways. So, the plasma-forming gas entering the chamber through the means provided for this can be inert: argon, nitrogen, etc., by a reaction mixture prepared outside the chamber, or by separate reagents participating in the target reaction. If the plasma-forming gas is an inert gas or individual reagents, then means must be provided in the chamber for feeding into its cavity the reaction mixture prepared outside the chamber, or all necessary reagents (liquid, solid, gaseous) in the prescribed amounts. If the plasma-forming gas is a reaction mixture, additional means can also be provided in the chamber design for supplying the named gas, or separate reagents, if necessary.
Для выхода целевого продукта из реакционной камеры она оснащается средством для его удаления. To exit the target product from the reaction chamber, it is equipped with a means for its removal.
Для зажигания электрической дуги и начала работы реактора используются разные известные методы. Various well-known methods are used to ignite the electric arc and start the operation of the reactor.
1. Электроды соединяются через разрядный канал перемычкой из металлической проволоки. Через газовые каналы в камеру подается плазмообразующий газ, а на электроды - электрическое напряжение. Перемычка под действием тока большой мощности мгновенно раскаляется и взрывается, образуется плазменный канал, инициирующий формирование дугового электрического разряда. 1. The electrodes are connected through the discharge channel by a jumper made of metal wire. Plasma-forming gas is supplied to the chamber through gas channels, and electric voltage is supplied to the electrodes. The jumper under the influence of a high-power current instantly heats up and explodes, a plasma channel is formed, initiating the formation of an electric arc discharge.
2. Через газовые каналы подается плазмообразующий газ, одновременно на электроды подается напряжение. Далее на электроды подается высоковольтный импульс, вызывающий пробой плазмообразующего газа, что в свою очередь инициирует возникновение дугового электрического разряда. 2. Plasma-forming gas is supplied through gas channels, voltage is simultaneously applied to the electrodes. Next, a high-voltage pulse is applied to the electrodes, causing a breakdown of the plasma-forming gas, which in turn initiates the appearance of an arc electric discharge.
3. В разрядном канале в стенки вмонтированы металлические пластины - электродные вставки. Через газовые каналы подается плазмообразующий газ и одновременно на электроды подается напряжение. Далее на электродные вставки подается высоковольтный импульс, вызывающий пробой плазмообразующего газа, что в свою очередь инициирует возникновение дугового электрического разряда. 3. In the discharge channel, metal plates — electrode inserts — are mounted in the walls. Plasma-forming gas is supplied through gas channels and voltage is simultaneously applied to the electrodes. Next, a high voltage pulse is applied to the electrode inserts, causing a breakdown of the plasma-forming gas, which in turn initiates the appearance of an electric arc discharge.
Под воздействием высоких температур дугового электрического разряда в реакционной камере протекают желаемые реакции, а металл электродов, заполняющий контейнеры, под действием электрической дуги начинает плавиться, и в конце концов контейнер заполняется расплавленным металлом. Under the influence of high temperatures of the electric arc discharge, the desired reactions occur in the reaction chamber, and the metal of the electrodes filling the containers begins to melt under the influence of the electric arc, and finally the container is filled with molten metal.
На фиг. 1 изображена схема реакционной камеры плазмохимического реактора, где: (1) - реакционная камера, (2) - контейнер электрода, (3) - футеровка контейнера, (4) -металл, наполняющий контейнер электрода, (5) - желоб для снабжения контейнера электрода металлом, (6) - стенка в межэлектродном пространстве, (7) - разрядный канал, (8) - газовые каналы для плазмообразующего газа, (9) - вихревая камера. In FIG. 1 shows a diagram of a reaction chamber of a plasma chemical reactor, where: (1) a reaction chamber, (2) an electrode container, (3) a container lining, (4) metal filling an electrode container, (5) a groove for supplying an electrode container metal, (6) - wall in the interelectrode space, (7) - discharge channel, (8) - gas channels for plasma-forming gas, (9) - vortex chamber.
Работа плазмохимического реактора может быть рассмотрена на примере получения синтез-газа. Реактор включает реакционную камеру большого объема. В ее днище выполнены две ванны, футерованные огнеупорным кирпичом и наполненные ломом железа. Каждая ванна снабжена специальным каналом, в котором проложен проводник для подачи электрического напряжения непосредственно на лом металла в ванне. Между ваннами установлена вертикальная стенка из огнеупорного кирпича, укрепленная на днище камеры (с потолком камеры стенка не соединяется). Она выполняется таких размеров, чтобы дуговой разряд при подаче напряжения на электроды не мог ее обогнуть. Стенка снабжена разрядным каналом в форме цилиндрического сквозного отверстия в ней. Вихревая камера выполнена как дополнительная цилиндрическая выемка в разрядном канале большего относительно его диаметра. В стенке также имеются каналы для плазмообразующего газа, соединенные одним концом с источником этого газа, а другим концом - выходящие в вихревую камеру под углом к ее стенке. Толщина стенки средства для снабжения камеры плазмообразующим газом выбирается из условия, чтобы поступающий по газовым каналам плазмообразующий газ образовывал вихрь, способный стабилизировать электрическую дугу. Запуск реактора осуществляется одним из перечисленных выше способов, например, с помощью металлической перемычка. Далее в объем камеры подаются реагенты - водяной пар - через инжекторы, уголь в виде порошка или небольших, размером не более 25 мм кусков - через специальные отверстия в потолке камеры. Плазма является источником высокой температуры и служит для поджига реакционной пароугольной смеси в камере. Далее требуемая температура 2100-2500К поддерживается горением этой смеси, поэтому объем камеры может быть достаточно большим. Пары железа, поступающие в небольших количествах с расплавленной поверхности электродов, являются катализатором реакции для образования синтез-газа, что повышает скорость ее протекания. Целевой продукт - синтез-газ выводится из реакционной камеры через два выхода, выполненных в ее стенках. Вместо угля в реакционную камеру может подаваться природный газ, или другие углеводороды, вместо пара, или совместно с ним - кислород, или воздух. В качестве плазмообразующего газа может использоваться инертный газ, водяной пар, природный газ, любые другие подходящие вещества. Чтобы еще повысить производительность плазмохимического реактора, может быть увеличен объем его реакционной камеры, которая в этом случае снабжается не одним, а несколькими узлами, продуцирующими плазму, выполненными аналогично описанному. The operation of a plasma chemical reactor can be considered by the example of synthesis gas production. The reactor includes a large reaction chamber. At its bottom there are two bathtubs lined with refractory bricks and filled with scrap iron. Each bath is equipped with a special channel in which a conductor is laid to supply electrical voltage directly to the scrap metal in the bath. A vertical wall of refractory bricks is installed between the bathtubs, mounted on the bottom of the chamber (the wall does not connect to the ceiling of the chamber). It is of such a size that the arc discharge when applying voltage to the electrodes could not go around it. The wall is equipped with a discharge channel in the form of a cylindrical through hole in it. The vortex chamber is made as an additional cylindrical recess in the discharge channel larger relative to its diameter. The wall also has channels for a plasma-forming gas, connected at one end to a source of this gas, and at the other end coming into the vortex chamber at an angle to its wall. The wall thickness of the means for supplying the chamber with a plasma-forming gas is selected so that the plasma-forming gas entering through the gas channels forms a vortex capable of stabilizing the electric arc. The reactor is launched by one of the above methods, for example, using a metal jumper. Then reagents - water vapor - are fed into the chamber volume through injectors, coal in the form of powder or small pieces of no more than 25 mm in size - through special openings in the chamber ceiling. Plasma is a source of high temperature and serves to ignite a reaction coal-vapor mixture in the chamber. Further, the required temperature of 2100-2500K is maintained by the combustion of this mixture, so the chamber volume can be quite large. Iron vapors coming in small quantities from the molten surface of the electrodes are a reaction catalyst for the formation of synthesis gas, which increases its rate. The target product is the synthesis gas is removed from the reaction chamber through two exits made in its walls. Instead of coal, natural gas or other hydrocarbons can be supplied to the reaction chamber, instead of steam, or together with it, oxygen or air. An inert gas, water vapor, natural gas, or any other suitable material may be used as the plasma-forming gas. In order to further increase the productivity of the plasma-chemical reactor, the volume of its reaction chamber can be increased, which in this case is supplied not with one, but with several plasma-producing units made in the same way as described.
При использовании реактора для других химических процессов он модернизируется в соответствии с технологическими требованиями. When using the reactor for other chemical processes, it is modernized in accordance with technological requirements.
При работе предлагаемого плазмохимического реактора электроды служат долгое время, так как они имеют большую массу, а их поверхность в процессе работы постепенно плавится. Жидкая поверхность электродов не подвержена эрозии, поэтому она не приходят в негодность и не требуется прерывания работы для замены электродов. Контейнеры электродов могут наполняться металлом, являющимся катализатором для протекающих в реакторе химических реакций, или содержать включения других веществ, обладающих каталитическими свойствами, что совместно с возможностью использования электрического разряда большей мощности по сравнению с ранее известными плазмохимическими реакторами повышает производительность реактора. When the proposed plasma chemical reactor operates, the electrodes serve for a long time, since they have a large mass, and their surface gradually melts during operation. The liquid surface of the electrodes is not subject to erosion, so it does not deteriorate and no interruption is required to replace the electrodes. The electrode containers can be filled with metal, which is a catalyst for chemical reactions occurring in the reactor, or contain inclusions of other substances with catalytic properties, which, together with the possibility of using an electric discharge of higher power compared to previously known plasma-chemical reactors, increases the productivity of the reactor.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98122593A RU2157060C2 (en) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | Plasma chemical reactor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98122593A RU2157060C2 (en) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | Plasma chemical reactor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2157060C2 true RU2157060C2 (en) | 2000-09-27 |
Family
ID=20213410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98122593A RU2157060C2 (en) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | Plasma chemical reactor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2157060C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014204340A1 (en) * | 2013-06-19 | 2014-12-24 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Плазма-Ск" | Method for producing a colloidal solution of nanoscale carbon |
-
1998
- 1998-12-15 RU RU98122593A patent/RU2157060C2/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014204340A1 (en) * | 2013-06-19 | 2014-12-24 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Плазма-Ск" | Method for producing a colloidal solution of nanoscale carbon |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA1173784A (en) | Transferred-arc plasma reactor for chemical and metallurgical applications | |
| RU2154624C2 (en) | Method and apparatus for production of fluorocarbon compounds (versions) | |
| US3009783A (en) | Production of carbon black | |
| US8199790B2 (en) | Reactor vessel for plasma gasification | |
| JPS60500625A (en) | Electric arc conversion method and device | |
| WO1993012634A1 (en) | A torch device for chemical processes | |
| SU1142006A3 (en) | Steel making set | |
| GB1559878A (en) | Polyphase arc heater system | |
| US3649189A (en) | Preparation of finely particulate silicon oxides | |
| US6846467B1 (en) | Plasma-chemical reactor | |
| US5399829A (en) | Material treatment method and apparatus | |
| RU2157060C2 (en) | Plasma chemical reactor | |
| US3380904A (en) | Confining the reaction zone in a plasma arc by solidifying a confining shell around the zone | |
| WO2004044492A1 (en) | Method and device for integrated plasma-melt treatment of wastes | |
| CN105940765B (en) | For operating the method and electric arc furnaces of electric arc furnaces | |
| CA2398476A1 (en) | Treatment of fluorocarbon feedstocks | |
| GB2606994A (en) | Plasma torch assembly and operation | |
| Czernichowski et al. | Further development of plasma sources: the GlidArc-III | |
| JP4166469B2 (en) | Plasma processing method and apparatus | |
| RU85158U1 (en) | Microwave Plasma Chemical Reactor | |
| RU2410853C1 (en) | Plasma chemical reactor for ore processing with phase separation | |
| RU2413011C1 (en) | Plasma-chemical reactor for processing mineral ore | |
| SU877802A1 (en) | Method of protecting plasmotron electrode from oxidation | |
| RU130769U1 (en) | PLASMA REACTOR WITH LIQUID METAL ELECTRODES | |
| JP2001106508A (en) | Hydrogen enriched fuel producing device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20110221 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20140711 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20171218 |