RU2357922C1

RU2357922C1 - Plasmachemical chamber for making nitrogen oxide by direct oxidation

Info

Publication number: RU2357922C1
Application number: RU2007145563/15A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Кузнецов (RU); Сергей Николаевич Кузнецов; Сергей Витальевич Ардамаков (RU); Сергей Витальевич Ардамаков
Original assignee: Открытое акционерное общество "КуйбышевАзот"
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-10

Abstract

FIELD: processing procedures.

SUBSTANCE: invention refers to nitrogen oxide systems. A plasmachemical chamber for direct nitrogen oxidation in cold nonequilibrium plasma comprises a cylindrical body with a feed gas inlet sleeve, face bottoms, a reaction gas outlet sleeve and an insulated rod radiator connected through the bottom of the body axis. The plasmachemical chamber is characterised that the reaction gas inlet sleeve is tangential, and its axis is inclined to the body cross section plane at the angle β by formula: β = arcsin 0.5(a/D), where a is the longitudinal length of sleeve inside dimension in the longitudinal body sectional plane, D is the internal diametre of the body. The transverse length of the sleeve internal section b is half internal diametre of the case D. The insulator length overlaps apertures of the feed gas inlet sleeve. The bottoms can be supplied with inclined guide surfaces, and the insulator comprises spiral edge guides.

EFFECT: more homogeneous composition of reaction products and higher portion of nitrogen oxide.

7 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к разделу неорганической химии, где используются электрофизические методы активации химических реакций, а именно к устройствам для прямого получения (синтеза) оксида азота (NO) при воздействии электрических разрядов на газовую смесь азота (N₂) с кислородом (O₂).The invention relates to the field of inorganic chemistry, where electrophysical methods for activating chemical reactions are used, and in particular, to devices for the direct production (synthesis) of nitric oxide (NO) when exposed to electric discharges on a gas mixture of nitrogen (N ₂ ) with oxygen (O ₂ ).

Известна цилиндрическая камера, внутреннее пространство которой предназначено для осуществления реакции прямого окисления - синтеза оксида азота в смеси газов (азота с кислородом) под действием электродуговых разрядов, создающих высокую температуру (2000÷3000K), см. работу Жукова М.Ф., Смолякова В.Я., Урюкова Г.А. «Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны)». - М.: Наука, 1973 г., стр.25-26, рис.1.12 (плазмотрон Зиберта). Ввод смеси исходных газов (азота с кислородом) в электроразрядную камеру (горения дуг) - плазмотрона Зиберта выполнен по трем штуцерам, соединенным с верхней частью цилиндрической камеры. Штуцеры присоединены тангенциально (по касательным) к окружности цилиндра. Также в камеру введены три водоохлаждаемых электрода (через 120° по окружности), соединенных с внешним трехфазным источником питания дуги. Внизу камера снабжена штуцером вывода готового продукта (реакционных газов).A cylindrical chamber is known, the inner space of which is designed to carry out the direct oxidation reaction - synthesis of nitric oxide in a mixture of gases (nitrogen with oxygen) under the influence of electric arc discharges creating high temperature (2000 ÷ 3000K), see the work of Zhukov MF, Smolyakova V .I., Uryukova G.A. "Electric arc gas heaters (plasmatrons)." - M .: Nauka, 1973, pp. 25-26, Fig. 1.12 (Siebert plasma torch). Entering a mixture of source gases (nitrogen with oxygen) in an electric discharge chamber (arc burning) - Siebert plasma torch is made in three fittings connected to the upper part of the cylindrical chamber. The fittings are connected tangentially (tangentially) to the circumference of the cylinder. Also, three water-cooled electrodes (through 120 ° around the circumference) connected to an external three-phase arc power source were introduced into the chamber. At the bottom of the chamber is equipped with a fitting for the output of the finished product (reaction gases).

Работа конструкции плазмотрона Зиберта заключается в том, что внутрь цилиндрической камеры по штуцерам вводится смесь исходных газов. С подачей питания «зажигаются» электродуговые разряды между электродами, создающие зону высоких температур с газовой фазой в виде шара высокотемпературной химически активной плазмы. В части смеси исходных газов, попадающей в эту зону (шара с равновесной химически активной плазмой), протекает реакция окисления азота (N₂) с образованием оксида азота (NO)The design work of Siebert's plasma torch consists in introducing a mixture of feed gases into the cylindrical chamber through the fittings. With the power supply, electric arc discharges between the electrodes are ignited, creating a high-temperature zone with a gas phase in the form of a sphere of a high-temperature chemically active plasma. In part of the mixture of source gases falling into this zone (a sphere with equilibrium chemically active plasma), the reaction of oxidation of nitrogen (N ₂ ) proceeds with the formation of nitric oxide (NO)

0,5N₂+0,5O₂↔NO-90,43 Дж/моль.0.5N ₂ + 0.5O ₂ ↔ NO-90.43 J / mol.

Проследовавшие плазмохимическую зону: прореагировавшая часть газов (готовый и побочные продукты), а также часть газов, не вступившая в реакцию, выводятся в нижний штуцер цилиндрической камеры, расположенный на центральной оси плазмотрона. Принятое касательное - тангенциальное введение исходной газовой смеси в камеру создает вихревое закручивание потока, обеспечивая кольцеобразный вход (и выход потока) в шаровое - дуговое пространство. Такая закрученная - кольцеобразная подача смеси газовым вихрем, по существу, реализует вихревую стабилизацию дуговых разрядов. Прямая - осевая (вдоль центральной оси плазмотрона) подача газовой смеси сверху - перпендикулярно плоскости диска отклоняла бы - растягивала и сбивала устойчивость его равновесного плазменного состояния.The following plasmochemical zone: the reacted part of the gases (finished and by-products), as well as the part of the gases that did not react, are discharged into the lower fitting of the cylindrical chamber located on the central axis of the plasma torch. The adopted tangent — the tangential introduction of the initial gas mixture into the chamber creates a vortex swirling of the flow, providing an annular inlet (and outlet of the flow) into the ball-arc space. Such a swirling - annular flow of the mixture with a gas vortex, essentially implements vortex stabilization of the arc discharges. A direct — axial (along the central axis of the plasma torch) gas supply from above — perpendicular to the plane of the disk — would deflect — stretch and slow down the stability of its equilibrium plasma state.

Недостатком известной плазмохимической камеры (плазмотрона Зиберта) является отсутствие осевого наклона тангенциально соединенных с цилиндрическим корпусом штуцеров ввода исходной газовой смеси, что исключает фиксацию постоянной осевой составляющей газового потока (вдоль центральной оси плазмотрона). При этом осевое перемещение газового потока в цилиндре камеры не является процессом равномерного «захода» в плазменный шар винтовой газовой спирали. Спирали газа не существует. Осевое перемещение газового потока реализуется неравномерными импульсами - скачками вдавливания сложносмешивающегося кольцевого вихря в шар равновесной разделительной плазмы (разделяющей цилиндр камеры на входную и выходную - сырьевую и продуктовую зоны).A disadvantage of the known plasma-chemical chamber (Siebert plasma torch) is the lack of axial inclination of the inlet portions of the initial gas mixture tangentially connected to the cylindrical body, which eliminates the fixation of the constant axial component of the gas flow (along the central axis of the plasma torch). Moreover, the axial movement of the gas flow in the cylinder of the chamber is not a process of uniform “entry” of a helical gas spiral into the plasma ball. A gas spiral does not exist. The axial movement of the gas flow is realized by non-uniform impulses - jumps of indentation of a complexly mixed ring vortex into a ball of equilibrium separation plasma (dividing the chamber cylinder into the input and output - raw and product zones).

Отсутствие осевого наклона штуцеров ввода сырьевой газовой смеси - исключение фиксации осевого перемещения газового потока в плазмотроне Зиберта причинно-обусловлено слабой осевой (по оси цилиндра) устойчивостью трехфазного дугового разряда, реализующего в межэлектродном пространстве необходимое высокотемпературное равновесное плазменное состояние.The absence of axial tilt of the raw gas mixture inlet fittings - the exception to the fixation of the axial movement of the gas flow in the Siebert plasmatron is caused by the weak axial (along the cylinder axis) stability of the three-phase arc discharge, which implements the necessary high-temperature equilibrium plasma state in the interelectrode space.

Следует также отметить и общий недостаток процесса, использующего камеру Зиберта - процесса синтеза оксида азота в равновесной низкотемпературной плазме, реализующего необходимое для реакции окисления азота химически активное плазменное состояние только с созданием высокой температуры в 2000÷3000K. Общий недостаток процесса заключается в сложности реализации при данной температуре обратного теплообмена между «хвостовыми» продуктами реакции окисления и входящей сырьевой смесью газов, т.е. сложности возврата в процесс тепловой энергии выводимых: готового и побочных продуктов реакции. Без этого процесс получения оксида азота в низкотемпературной равновесной плазме (2000÷3000K - высокие температуры, но низкотемпературная плазма) с устройствами для реализации такого типа плазмохимического процесса не могут иметь промышленного применения (расход энергии 23÷38 квт·ч/кг NO).It should also be noted the general drawback of the process using the Siebert chamber - the process of synthesis of nitric oxide in an equilibrium low-temperature plasma, which implements the chemically active plasma state necessary for the oxidation of nitrogen only with the creation of a high temperature of 2000 ÷ 3000K. A common disadvantage of the process lies in the difficulty of implementing at a given temperature reverse heat transfer between the “tail” products of the oxidation reaction and the incoming raw gas mixture, i.e. the difficulty of returning to the process the thermal energy of the output: finished and by-products of the reaction. Without this, the process of producing nitric oxide in a low-temperature equilibrium plasma (2000–3000 K - high temperatures, but low-temperature plasma) with devices for implementing this type of plasma-chemical process cannot have industrial applications (energy consumption 23–38 kWh / kg NO).

Наиболее близким по технической сущности решением, принятым за прототип, является камера для проведения плазмохимической реакции синтеза оксида азота в плазмообразующих электроразрядах, описанная в патенте США US 6296827 В1, приоритет от 2001-10-02 (вариант по Фиг.3 условно рассматривается как несовмещенный с теплообменником).The closest in technical essence the solution adopted for the prototype is a chamber for carrying out a plasma-chemical reaction for the synthesis of nitric oxide in plasma-forming electric discharges, described in US patent US 6296827 B1, priority from 2001-10-02 (the variant of Figure 3 is conditionally considered as not combined with heat exchanger).

Принятая за прототип камера для проведения плазмохимической реакции синтеза оксида азота в плазмообразующих электроразрядах включает цилиндрический корпус с размещенным в его центральной части (центрально расположенным) стержневым излучателем (электродом). Другим электродом является сам корпус. В торцевые днища камеры введены электроизоляторы, исключающие контакт стержневого и корпусного электродов. Штуцер ввода в камеру исходной сырьевой смеси газов (N₂+О₂) соединен с внутренним каналом в стержневом электроде (через изолятор в торцевом днище). Отверстия вывода смеси из канала в камеру размещены у торцевого днища, противоположного днищу, скрепленному со штуцером ввода. Вывод из камеры готового продукта, а также непрореагировавших и побочных продуктов реакционного плазмохимического взаимодействия, осуществлен также через торцевое днище, которое скреплено со штуцером ввода смеси (далее через внутренний объем теплообменника). Таким образом, поток сырьевой смеси газов в плазмохимической камере прототипа (Фиг.3) меняет направление движения на прямо противоположное. Центрально расположенный электрод - излучатель соединен с источником питания - генератором высокого напряжения.The camera adopted for the prototype for carrying out a plasma-chemical reaction for the synthesis of nitric oxide in plasma-forming electric discharges includes a cylindrical body with a rod emitter (electrode) located in its central part (centrally located). The other electrode is the case itself. Electrical insulators are introduced into the end faces of the chamber, eliminating the contact of the rod and case electrodes. The input fitting into the chamber of the initial raw gas mixture (N ₂ + O ₂ ) is connected to the internal channel in the rod electrode (through an insulator in the end face). The holes for discharging the mixture from the channel into the chamber are placed at the end bottom opposite to the bottom fastened to the inlet fitting. The output from the chamber of the finished product, as well as unreacted and by-products of the reaction of the plasma-chemical interaction, is also carried out through the end bottom, which is bonded to the inlet of the mixture (hereinafter through the internal volume of the heat exchanger). Thus, the flow of the raw gas mixture in the plasma-chemical chamber of the prototype (Figure 3) changes the direction of motion to the exact opposite. A centrally located electrode - emitter is connected to a power source - a high voltage generator.

Работа конструкции, принятой за прототип, заключается в следующем. По штуцеру ввода смеси сырьевых газов во внутренний канал стержневого электрода, а затем - через отверстия - на другом конце электрода в цилиндрический корпус камеры (для плазмохимических реакций) начинают подавать исходную смесь газов азота с кислородом (N₂+О₂). Включают генератор высокого напряжения. Между центрально расположенным излучателем и металлической поверхностью цилиндрического корпуса образуются высоковольтные электрические разряды, сливающиеся в общее электроразрядное пространство, сквозь которое продавливается сырьевая смесь. Причем смесь, поступившая в электроразрядное пространство, переходит в активное плазмохимическое состояние, инициирующее реакцию образования NO. Готовый продукт - оксид азота - NO совместно с непрореагировавшей частью смеси газов, а также продуктами побочных реакций выводится в каналы, выполненные в другом торцевом днище, и затем (через внутренний объем теплообменника) в штуцер вывода реакционных продуктов. В отличие от конструкции - аналога (плазмотрона Зиберта), где электродуговое пространство (образованное тремя электродами) имеет форму шара, в прототипе электроразрядное плазменное пространство представляет плазменный цилиндр, заполняющий собой весь объем по длине плазмохимической камеры. (Показанный на Фиг.3 прототипа вариант совмещения камеры с теплообменником условно не рассматривается.) Поэтому равновесное плазменное - электроразрядное состояние в конструкции прототипа более устойчиво, чем в конструкции аналога, допуская более высокие осевые (вдоль корпуса) скорости газовых потоков.The design adopted for the prototype is as follows. An initial mixture of nitrogen gases with oxygen (N ₂ + O ₂ ) begins to be supplied via the fitting for introducing the feed gas mixture into the inner channel of the rod electrode, and then through the holes at the other end of the electrode into the cylindrical chamber body (for plasma-chemical reactions). Turn on the high voltage generator. Between the centrally located emitter and the metal surface of the cylindrical body, high-voltage electric discharges are formed, merging into a common electric discharge space through which the raw material mixture is forced. Moreover, the mixture entering the electric discharge space passes into the active plasma-chemical state, initiating the reaction of NO formation. The finished product — nitric oxide — NO, together with the unreacted part of the gas mixture, as well as the products of side reactions, is discharged into the channels made in the other end face, and then (through the internal volume of the heat exchanger) into the outlet for the reaction products. In contrast to the design - an analogue (Siebert plasma torch), where the electric arc space (formed by three electrodes) has the shape of a ball, in the prototype the electric discharge plasma space is a plasma cylinder filling the entire volume along the length of the plasma chemical chamber. (The variant of combining the chamber with the heat exchanger shown in Figure 3 of the prototype is not conditionally considered.) Therefore, the equilibrium plasma - electric-discharge state in the prototype design is more stable than in the analog design, allowing higher axial (along the body) gas flow velocities.

Несмотря на большую осевую устойчивость электроразрядной плазмы в конструкции прототипа, этой конструкции присущи те же недостатки, что и конструкции аналога (плазмотрона Зиберта). Также отсутствует наклонно закрученный ввод сырьевой смеси внутрь камеры (в плазморазрядный цилиндр). При этом кольцевой вихрь смеси исходных сырьевых газов (из отверстий) вталкивается в плазму (как вдавливаемая пробка), а не вводится в нее плавным перемещением винтовой газовой спирали. Из-за этого ухудшена равномерность газового транспорта - ввода сырьевого газового потока в плазму и вывода реакционных газов из нее. Ввод и вывод производятся скачками, снижающими устойчивость плазменного состояния газа. Последствием отмеченных выше: неравномерности транспорта, неустойчивости и нестабильности плазменного состояния, является пониженная однородность состава смеси выходящих реакционных газов и пониженная доля готового - целевого продукта (NO) в их общем объеме.Despite the great axial stability of the electric discharge plasma in the prototype design, the same disadvantages are inherent to this design as the analog design (Siebert plasma torch). Also, there is no obliquely swirling input of the raw material mixture into the chamber (into the plasma-discharge cylinder). In this case, the annular vortex of the mixture of the feedstock gases (from the openings) is pushed into the plasma (as an indented plug), and is not introduced into it by the smooth movement of the helical gas spiral. Because of this, the uniformity of gas transport — the introduction of a feed gas stream into the plasma and the removal of reaction gases from it — has deteriorated. Input and output are made in steps that reduce the stability of the plasma state of the gas. A consequence of the above: transport irregularities, instability and instability of the plasma state, is a reduced uniformity of the composition of the mixture of the effluent reaction gases and a reduced proportion of the finished - target product (NO) in their total volume.

Целью предлагаемого технического решения является повышение однородности выходящих реакционных продуктов с увеличением доли целевого продукта (NO) в их общем объеме.The aim of the proposed technical solution is to increase the homogeneity of the resulting reaction products with an increase in the proportion of the target product (NO) in their total volume.

Указанная цель достигается тем, что в известной камере для проведения плазмохимической реакции прямого окисления азота в холодной неравновесной плазме, включающей цилиндрический корпус со штуцером ввода сырьевых газов, торцевыми днищами, штуцером вывода реакционных газов и введенным через днище по оси стержневым излучателем с изолятором, штуцер ввода сырьевых газов выполнен тангенциальным и его ось наклонена к плоскости поперечного сечения корпуса под углом L, определяемым по формулеThis goal is achieved by the fact that in a known chamber for carrying out a plasma-chemical reaction of direct nitrogen oxidation in a cold nonequilibrium plasma, comprising a cylindrical body with a raw gas inlet fitting, end bottoms, a reaction gas outlet fitting and a rod emitter with an insulator introduced through the bottom along the axis, an inlet fitting the feed gas is made tangential and its axis is inclined to the plane of the cross section of the housing at an angle L, determined by the formula

где а - длина продольной стороны внутреннего сечения штуцера в продольной плоскости сечения корпуса;where a is the length of the longitudinal side of the inner section of the fitting in the longitudinal plane of the cross section of the housing;

D - внутренний диаметр корпуса,D is the inner diameter of the housing,

при этом длина поперечной стороны внутреннего сечения штуцера b равна половине внутреннего диаметра корпуса D, т.е. b=0,5D. Штуцер ввода сырьевых газов выполнен цилиндрическим, с внутренним диаметром d, равным половине внутреннего диаметра корпуса D, и наклонен под углом 14,5° к плоскости поперечного сечения корпуса, при этом в штуцере ввода установлен завихритель.the length of the transverse side of the internal section of the fitting b is equal to half the inner diameter of the housing D, i.e. b = 0.5D. The raw gas inlet fitting is cylindrical, with an inner diameter d equal to half the inner diameter of the casing D, and is inclined at an angle of 14.5 ° to the plane of the cross section of the casing, while a swirler is installed in the inlet fitting.

Сечение штуцера вывода реакционных газов совпадает с сечением штуцера ввода сырьевых газов, и его ось наклонена к плоскости поперечного сечения корпуса под углом L. Размещенная в корпусе и выступающая за днище часть электроизолятора имеет длину, обеспечивающую перекрывание отверстия штуцера ввода сырьевых газов. Торцевые днища цилиндрического корпуса камеры снабжены направляющими поверхностями, выполненными с тем же углом наклона L, что и штуцеры ввода и вывода газов. Электроизолятор снабжен спиральными реберными направляющими для сообщения газу завихрения. Второе - глухое днище выполнено с размещенным внутри корпуса выступом со спиральными реберными направляющими, изготовленным из материала электроизолятора.The cross section of the outlet pipe for the reaction gases coincides with the cross section for the raw gas pipe, and its axis is inclined to the plane of the cross section of the body at an angle L. The part of the electrical insulator located in the body and protruding beyond the bottom has a length that overlaps the opening of the raw pipe inlet. The end bottoms of the cylindrical body of the chamber are provided with guide surfaces made with the same angle of inclination L as the gas inlet and outlet fittings. The insulator is equipped with spiral rib guides for communicating gas to the turbulence. The second is a blind bottom made with a protrusion placed inside the housing with spiral rib guides made of insulator material.

Предложенное техническое решение поясняется Фиг.1, 2, 3, 4.The proposed technical solution is illustrated in figures 1, 2, 3, 4.

На Фиг.1 приведено продольное сечение плазмохимической камеры с цилиндрическим корпусом и двумя штуцерами: ввода сырьевой смеси и вывода реакционных газов. Оба штуцера имеют одинаковое прямоугольное сечение.Figure 1 shows a longitudinal section of a plasma-chemical chamber with a cylindrical body and two fittings: input of the raw material mixture and output of reaction gases. Both fittings have the same rectangular section.

а - длина внутренней стороны прямоугольного сечения штуцеров в продольной плоскости камеры;a is the length of the inner side of the rectangular cross-section of the fittings in the longitudinal plane of the chamber;

b - длина внутренней стороны прямоугольного сечения штуцеров в поперечном сечении камеры.b is the length of the inner side of the rectangular section of the fittings in the cross section of the camera.

D - внутренний диаметр цилиндрического корпуса камеры.D is the inner diameter of the cylindrical body of the camera.

L - угол наклона осей штуцеров ввода и вывода к плоскости поперечного сечения корпуса.L is the angle of inclination of the axes of the inlet and outlet fittings to the plane of the cross section of the housing.

На Фиг.2 изображено поперечное сечение цилиндрического корпуса плазмохимической камеры по Фиг.1.Figure 2 shows a cross section of a cylindrical body of the plasma chemical chamber of Figure 1.

На Фиг.3 приведено продольное сечение варианта плазмохимической камеры с цилиндрическим штуцером ввода сырьевых и вывода реакционных газов с внутренним диаметром d при угле наклона L=14,5°. На глухом днище размещен выступ со спиральными реберными направляющими поверхностями. Штуцер ввода сырьевых газов снабжен завихрителем. «Толстыми» штриховыми линиями показаны контуры отверстий в корпусе - места присоединения штуцеров.Figure 3 shows a longitudinal section of a variant of a plasma chemical chamber with a cylindrical fitting for inputting raw materials and outputting reaction gases with an inner diameter d at an angle of inclination L = 14.5 °. A protrusion with spiral rib guiding surfaces is placed on the blank bottom. The raw gas inlet is equipped with a swirl. "Thick" dashed lines show the contours of the holes in the housing - the connection points of the fittings.

На Фиг.4 приведено поперечное сечение плазмохимической камеры, изображенной на Фиг.3 (с цилиндрическим штуцером, снабженным завихрителем).Figure 4 shows the cross-section of the plasma-chemical chamber shown in Figure 3 (with a cylindrical fitting equipped with a swirl).

Спиральные поверхности на Фиг.1, 2, 3, 4, показаны условно.The spiral surfaces in Figs. 1, 2, 3, 4 are shown conditionally.

Предложенная плазмохимическая камера для получения оксида азота прямым окислением состоит из цилиндрического корпуса 1, с одним - съемным торцевым днищем 2, в котором установлен стержневой излучатель 3 через электроизолятор 4, и другим несъемным днищем 5. К стержневому излучателю 3 подсоединен генератор высоковольтных импульсов (для упрощения не показан). Цилиндрический корпус 1 плазмохимической камеры заземлен. К корпусу 1, вблизи торцевых днищ 2 и 5, подсоединены штуцеры: ввода сырьевой смеси газов 6 и вывода реакционных продуктов 7. Штуцер ввода смеси сырьевых газов 6 в цилиндрический корпус 1 может быть выполнен в прямоугольном варианте поперечного сечения - Фиг.1, 2 или в трубном цилиндрическом исполнении - Фиг.3 и 4. Внутри штуцера 6 в цилиндрическом исполнении установлен завихритель потока 8. Оба днища цилиндрического корпуса 1 - съемное 2 и несъемное 5, снабжены направляющими поверхностями 9. Электроизолятор 4 имеет внутреннюю (размещенную внутри цилиндрического корпуса 1) часть 10, изготовленную со спиральными реберными направляющими 11. Несъемное - глухое днище 5 может быть снабжено дополнительным спирально-реберным выступом 12, выполненным из материала электроизолятора.The proposed plasma-chemical chamber for the production of nitric oxide by direct oxidation consists of a cylindrical body 1, with one removable end bottom 2, in which a rod emitter 3 is installed through an electric insulator 4, and another non-removable bottom 5. A high-voltage pulse generator is connected to the rod emitter 3 (to simplify not shown). The cylindrical housing 1 of the plasma-chemical chamber is grounded. The fittings are connected to the housing 1, near the end bottoms 2 and 5: the input of the raw gas mixture of gases 6 and the output of reaction products 7. The fitting of the input of the raw gas mixture 6 into the cylindrical housing 1 can be made in a rectangular cross-sectional embodiment - Fig.1, 2 or in a tubular cylindrical design - Figs. 3 and 4. Inside the nozzle 6 in a cylindrical design a flow swirl is installed 8. Both bottoms of the cylindrical body 1 are removable 2 and non-removable 5, provided with guide surfaces 9. The electrical insulator 4 has an internal (located inside the cylinder 1-cylindrical housing) part 10, made with the spiral rib guide 11. Non-removable - a blind bottom 5 may be provided with an additional spiral rib protrusion 12 made of electrical insulator material.

Работа предложенной конструкции плазмохимической камеры для получения оксида азота прямым окислением состоит в следующем. По штуцеру тангенциального ввода сырьевой смеси газов 6 в цилиндрический корпус 1 плазмохимической камеры начинает подаваться смесь газов О₂ и N₂. Включают генератор высоковольтных импульсов, подаваемых на стержневой излучатель 3. Между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и излучателем 3 образуются зоны высоковольтных стримерных разрядов наносекундной длительности. В указанных зонах возникают потоки свободных электронов и сопутствующих им излучений (ультрафиолетового, рентгеновского). Квазистационарно распределенные в общем внутреннем объеме корпуса 1 движущиеся микрообъемы обоих газов (имеющих электронейтральный молекулярный состав), попадая в зоны возникающих электроразрядов, активируются. Молекулы газов в этих микрообъемах возбуждаются, ионизируются, часть их диссоциирует на свободные радикалы или атомы. В микропространствах электроразрядов, между активированными газами, возникает реакция прямого синтеза (окисления) азота:The work of the proposed design of the plasma-chemical chamber for the production of nitric oxide by direct oxidation is as follows. According to the fitting of the tangential input of the raw gas mixture 6 into the cylindrical body 1 of the plasma-chemical chamber, a mixture of O ₂ and N ₂ gases begins to be supplied. Include a generator of high voltage pulses supplied to the rod emitter 3. Between the inner surface of the cylindrical body 1 and the emitter 3 are formed zones of high voltage streamer discharges of nanosecond duration. In these zones, flows of free electrons and associated radiation (ultraviolet, x-ray) arise. Moving microvolumes of both gases (having an electrically neutral molecular composition) that are quasi-stationary distributed in the total internal volume of the housing 1 are activated when they enter the zones of electric discharges. Gas molecules in these microvolumes are excited, ionized, part of them dissociate into free radicals or atoms. In the microspaces of electric discharges, between activated gases, a reaction of direct synthesis (oxidation) of nitrogen occurs:

0,5N₂+0,5О₂↔NO-90,43 Дж/моль.0.5N ₂ + 0.5O ₂ ↔ NO-90.43 J / mol.

Поток сырьевых газов (N₂+О₂), введенный в корпус 1 по штуцеру 6, проходит цилиндрический корпус 1, в условном представлении, в виде плотно навитой (виток к витку) спирали, занимающей весь внутренний объем корпуса. В варианте Фиг.1, 2 поперечное сечение витка спирали - прямоугольник, в варианте на Фиг.3, 4 сечение витка - окружность. (Условная газовая спираль более плотно по объему «упакована» в прямоугольном варианте - Фиг.1, 2 и принимается при плазмохимических реакциях, проводимых с низким давлением в корпусе 1, близким атмосферному. Вариант, приведенный на Фиг.3 и 4 с сечением условного газового витка в виде окружности - менее «плотно упакован» по объему корпуса 1, имеет условно незаполненные промежутки, однако применение его необходимо при повышенных давлениях газов в корпусе 1 и штуцерах 6 и 7).The feed gas stream (N ₂ + O ₂ ), introduced into the housing 1 through the nozzle 6, passes through the cylindrical housing 1, in a conventional representation, in the form of a tightly wound (coil to coil) spiral, occupying the entire internal volume of the housing. In the embodiment of FIGS. 1, 2, the cross-section of the spiral coil is a rectangle; in the embodiment of FIGS. 3 and 4, the coil section is a circle. (The conditional gas spiral is more densely “packed” in volume in the rectangular version - Figs. 1, 2 and is adopted for plasma-chemical reactions carried out with low pressure in the housing 1 close to atmospheric. The embodiment shown in Figs. 3 and 4 with a section of the conditional gas a coil in the form of a circle - less “densely packed” in the volume of the housing 1, has conditionally empty gaps, however, its use is necessary at elevated gas pressures in the housing 1 and fittings 6 and 7).

При перемещении газового потока в виде «плотнонавитой» условной спирали, по мере прохождения спиралью цилиндрического корпуса 1 (от витка к витку) изменяется состав - содержание различных компонентов газовых составляющих в образованной сложной смеси. В общем смешанном потоке увеличивается доля реакционных продуктов. Увеличение доли реакционных продуктов причинно-обусловлено накоплением в продвигающихся порциях потока (в условно дискретном представлении), по мере их перемещения к выводному штуцеру, количества воспринятых-полученных электроразрядных импульсов. Другими словами, возрастает интегральная масса газа, приведенного в состояние химически активной холодной неравновесной плазмы, что, естественно, ведет к увеличению содержания окиси азота.When moving the gas stream in the form of a “tightly wound” conditional spiral, as the spiral passes through the cylindrical body 1 (from coil to coil), the composition — the content of the various components of the gas components in the complex mixture formed — changes. In the total mixed stream, the proportion of reaction products increases. The increase in the proportion of reaction products is caused by the accumulation in advancing portions of the flow (in a conditionally discrete representation), as they move to the outlet fitting, the number of perceived-received electric discharge pulses. In other words, the integral mass of the gas is brought into a state of chemically active cold nonequilibrium plasma, which naturally leads to an increase in the content of nitric oxide.

Прошедший корпус 1 готовый (целевой) продукт реакции, остатки непрореагировавшей смеси газов, и продукты побочных реакций выводятся в штуцер вывода реакционных газов 7. Условное плотно-компактное размещение газового потока в цилиндрическом корпусе 1 плазмохимической камеры в виде равномерно вьющейся спирали реализовано специальным соотношением размеров конструктивных элементов камеры. Компактная газовая спираль образована введенными соотношениями между углом наклона штуцеров (спирали) L, внутренним диаметром цилиндрического корпуса 1 D и размерами внутреннего сечения a, b или d штуцеров 6 и 7 ввода смеси сырьевых и вывода реакционных газов. То есть соответствием значений угла L зависимости

и выполнением соотношения b=0,5D или d=0,5D. В варианте проведения плазмохимической реакции при повышенном давлении в цилиндрическом корпусе - в варианте на Фиг.3, 4 размер d - диаметр, можно считать условно равным d=а=b=0,5D, при этом угол L=arcsin0,25=14,5°. Вставленный в штуцер 6 (вариант Фиг.3, 4) завихритель увеличивает протяженность пути газовых струй, образующих сечение каждого витка газовой спирали. То есть увеличивает суммарное перемещение газовой массы в корпусе.The past casing 1 is the finished (target) reaction product, the remains of the unreacted gas mixture, and the products of side reactions are discharged into the outlet of the reaction gases 7. Conditional tight-compact placement of the gas flow in the cylindrical casing 1 of the plasma-chemical chamber in the form of a uniformly curling spiral is realized by a special ratio of the sizes of camera elements. A compact gas spiral is formed by the introduced relations between the angle of inclination of the fittings (spiral) L, the inner diameter of the cylindrical body 1 D and the dimensions of the internal section a, b or d of the

fittings

6 and 7 of the inlet of the mixture of raw materials and the outlet of reaction gases. That is, the correspondence of the values of the angle L of the dependence

and performing the ratio b = 0.5D or d = 0.5D. In the embodiment of the plasma-chemical reaction at elevated pressure in the cylindrical body — in the embodiment of FIGS. 3 and 4, the dimension d is the diameter, can be considered conditionally equal to d = a = b = 0.5D, while the angle L = arcsin0.25 = 14, 5 °. A swirler inserted into the nozzle 6 (variant of FIGS. 3, 4) increases the path length of the gas jets forming a section of each coil of the gas spiral. That is, it increases the total movement of the gas mass in the housing.

Представление газового потока в форме идеализированной компактно навитой спирали достаточно условно. В реальности, края потоков, безусловно, будут «размыты» и смешаны (условно не принят «в учет» диаметр стержневого излучателя, уменьшающий размер сечения), но основные представления спиральной механики на цилиндрических корпусах камер с длиной, сравнимой с несколькими диаметрами корпуса, соблюдаются.Representation of the gas stream in the form of an idealized compactly wound spiral is rather arbitrary. In reality, the edges of the flows will certainly be “blurred” and mixed (the diameter of the rod emitter, which reduces the cross-sectional size, is not conditionally taken into account), but the basic ideas of spiral mechanics on cylindrical camera bodies with a length comparable to several case diameters are observed .

Конструктивными элементами дополнительно усиливающими - организующими спиралеформирование газового потока, являются введенные спирально реберные направляющие поверхности на электроизоляторе, направляющие поверхности на днищах цилиндрической камеры, и такого же профиля выступ на глухом днище, выполненный из материала электроизолятора. Эти элементы введены в местах, приближенных к штуцерам ввода и вывода газовых потоков, т.е. местах наибольших возмущений.Structural elements additionally reinforcing - organizing the spiral formation of the gas stream, are helically introduced rib-guiding surfaces on the insulator, guiding surfaces on the bottoms of the cylindrical chamber, and a protrusion on the deaf bottom made of insulator material of the same profile. These elements are introduced in places close to the gas inlet and outlet fittings, i.e. places of greatest disturbance.

Для исключения возникновения реакции в штуцере и трубопроводе подачи сырьевой смеси газов, внутренняя часть (размещенная в цилиндрическом корпусе) электроизолятора удлинена так, чтобы перекрывать отверстие ввода сырьевой смеси газов. Таким образом, излучатель, закрытый электроизолятором по всей длине напротив штуцера ввода, не может образовывать в штуцере и трубопроводе зон высоковольтных разрядов. Это повышает безопасность процесса и снижает долю выхода продуктов побочных реакций.To eliminate the occurrence of a reaction in the nozzle and the pipeline for supplying the raw gas mixture, the inner part (located in the cylindrical body) of the electric insulator is elongated so as to block the inlet of the raw gas mixture. Thus, the emitter, covered by an electric insulator along the entire length opposite the input fitting, cannot form zones of high voltage discharges in the fitting and the pipeline. This increases the safety of the process and reduces the yield of side reaction products.

Предложенная конструкция камеры организует равномерное плотноспиральное прохождение цилиндрического корпуса газовым потоком. Спиральность потока гарантирует одинаково длинный (на всю длину развертки спирали) путь каждой порции (в условно дискретном представлении) газа в цилиндрическом корпусе камеры. Равномерность спирального движения, его квазистационарное постоянство, в сравнении с прототипом, обеспечивают повышение однородности - постоянства состава выходящих реакционных газов, повышают долю целевого продукта в объеме реакционных газов. В сравнении с прототипом, - со схемой прямого - осевого перемещения газового потока (вдоль оси стержневого излучателя), предложенная конструкция реализует большую протяженность спирального пути газа, в три раза превышающую осевой размер цилиндрического корпуса, и в четыре раза большую достигнутую плотность спирального потока в корпусе (при равном часовом расходе газа в м³/час), что увеличивает долю выхода готового продукта в общем объеме реакционных газов. Более длинный путь более плотного потока реализует замыкание в каждом микро- и микрообъеме газового потока большего количества стримерных разрядов. Более плотный газовый поток вводит во взаимодействие в зоны стримерных разрядов (или в зоны доведения газовой смеси до состояния холодной неравновесной химически активной плазмы) большую массу газового вещества, что повышает долю целевого (готового) продукта в общем объеме выходных реакционных газов.The proposed design of the chamber organizes a uniform tight-spiral passage of the cylindrical body by gas flow. The spirality of the flow guarantees an equally long (over the entire length of the sweep of the spiral) path of each portion (in a conditionally discrete representation) of gas in the cylindrical body of the chamber. The uniformity of the spiral motion, its quasi-stationary constancy, in comparison with the prototype, provides increased homogeneity - the constancy of the composition of the effluent reaction gases, increases the proportion of the target product in the volume of reaction gases. Compared with the prototype, with the scheme of direct - axial movement of the gas stream (along the axis of the rod emitter), the proposed design realizes a large length of the spiral path of gas, three times the axial size of the cylindrical body, and four times the achieved density of the spiral flow in the body (with an equal hourly gas flow rate in m ³ / h), which increases the share of the finished product in the total volume of reaction gases. A longer path of a denser flow implements the closure of more streamer discharges in each micro- and microvolume of the gas flow. A denser gas stream introduces into the interaction in the zones of streamer discharges (or in the zones of bringing the gas mixture to the state of cold nonequilibrium chemically active plasma) a large mass of gas substance, which increases the proportion of the target (finished) product in the total volume of the output reaction gases.

В ОАО «КуйбышевАзот» проводятся экспериментальные работы по прямому окислению азота в высоковольтных электрических разрядах.OJSC KuibyshevAzot conducts experimental work on direct oxidation of nitrogen in high voltage electric discharges.

Claims

1. A chamber for carrying out a plasma-chemical reaction of direct nitrogen oxidation in a cold nonequilibrium plasma, including a cylindrical body with a feed gas inlet fitting, end bottoms, a reaction gas outlet fitting and a rod emitter with an electrical insulator introduced through the bottom along the axis of the housing, characterized in that the reaction inlet fitting of gases is made tangential, and its axis is inclined to the plane of the cross section of the housing at an angle β, determined by the formula:
β = arcsin0.5 (a / D),
where a is the length of the longitudinal side of the inner section of the fitting in the longitudinal plane of the cross section of the housing;
D is the inner diameter of the housing, while the length of the transverse side of the internal section of the nozzle b is equal to half the inner diameter of the housing D.

2. The chamber according to claim 1, characterized in that the inlet of the reaction gas is cylindrical with an inner diameter d equal to half the inner diameter of the housing D, and is inclined at an angle of 14.5 ° to the plane of the cross section of the housing, while in the inlet swirler.

3. The chamber according to claim 1, characterized in that the cross section of the fitting of the outlet of the reaction gases coincides with the cross section of the nozzle of the input of raw gases, and its axis is inclined to the plane of the cross section of the housing at an angle β.

4. The chamber according to claim 1, characterized in that the part of the insulator located in the housing and protruding beyond its end bottom has a length that overlaps the opening of the raw gas inlet fitting.

5. The chamber according to claim 1, characterized in that the end bottoms of the cylindrical body of the chamber are provided with guide surfaces made with the same angle of inclination β as the gas inlet and outlet fittings.

6. The chamber according to claim 1, characterized in that the electrical insulator is equipped with spiral rib guides for communicating the swirl gas.

7. The chamber according to claim 1, characterized in that it is equipped with a second blank bottom made with a protrusion located inside the housing with spiral rib guides made of insulator material.