плазмохимический реактор

Формула изобретения

1. ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР, содержащий генератор плазмы и расположенные последовательно вдоль общей оси смеситель с форсунками для ввода исходных реагентов в плазменный поток и реактор, при этом форсунки, предназначенные для ввода в плазменный поток одного и того же исходного реагента, находящегося в газообразном состоянии, установлены равномерно по окружности боковой стенки смесителя и на одинаковом расстоянии от выходного отверстия реактора, отличающийся тем, что форсунки, предназначенные для ввода в плазменный поток исходных реагентов, находящихся в конденсированном состоянии, выполнены водоохлаждаемыми и размещены в полости смесителя равномерно в пределах центральной зоны от поперечного сечения, причем сопла водоохлаждаемых форсунок ориентированы в направлении выходного отверстия реактора так, что их оси параллельны оси смесителя, а срезы сопл водоохлаждаемых форсунок, предназначенных для ввода в плазменный поток одного и того же исходного реагента, лежат в одной плоскости, перпендикулярной к оси смесителя и расположенной на меньшем расстоянии от выходного отверстия реактора, чем форсунки для ввода в плазменный поток исходных реагентов, находящихся в газообразном состоянии.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что генератор плазмы выполнен в виде по крайней мере двух плазмотронов, установленных равномерно по окружности боковой стенки смесителя, который дополнительно снабжен торцевой стенкой, на которой закреплены по крайней мере одна водоохлаждаемая форсунка и форсунки для подачи углеводородного исходного реагента.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что размер центральной зоны поперечного сечения смесителя, в пределах которой равномерно размещены водоохлаждаемые форсунки, составляет (0,6 - 0,9)D, где D - внутренний диаметр реактора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к плазмохимической технологии и может быть использовано, например, при синтезе композиционных и тугоплавких дисперсных (порошковых) материалов из конденсированных и газообразных исходных реагентов.

Известен плазмохимический реактор [1] содержащий генератор плазмы, смеситель, реактор и приемник продуктов реакции. Смеситель выполнен в виде водоохлаждаемой камеры, имеющей форму двух усеченных конусов, сопряженных между собой по контуру больших оснований. Генератор плазмы выполнен в виде трех плазмотронов, закрепленных под углом 120^о друг к другу на боковой поверхности верхнего конуса смесителя. Малое основание верхнего усеченного смесителя сопряжено с форсункой для подачи исходных реагентов, а малое основание нижнего усеченного конуса смесителя сопряжено с реактором, выполненным в виде цилиндрической камеры, снабженной двойной рубашкой охлаждения. Выход реактора соединен с приемником продуктов реакции.

В смеситель известного реактора вводятся три потока плазменного теплоносителя, с которым смешиваются исходные реагенты, которые подаются через форсунку, расположенную соосно смесителю. Образовавшаяся в смесителе смесь плазмообразующего газа-теплоносителя с остальными реагентами поступает в реактор, где продолжается химическая реакция синтеза целевого продукта.

Этот реактор обладает ограниченными возможностями, поскольку отсутствует возможность раздельного ввода нескольких исходных реагентов и его смеситель. Иными словами, известный реактор не может быть использован для синтеза композиционных материалов.

Известен также плазмохимический реактор [2] содержащий генератор плазмы и расположенные последовательно вдоль общей оси смеситель с форсунками для ввода исходных реагентов в плазменный поток и реактор, при этом форсунки, предназначенные для ввода в плазменный поток одного и того же исходного реагента, установлены равномерно по окружности боковой стенки смесителя и на одинаковом расстоянии от выходного отверстия реактора. Смеситель такого плазмохимического реактора выполнен в виде цилиндрической водоохлаждаемой камеры, на стенке которой на различных уровнях установлены кольцевые коллекторы. Полость каждого кольцевого коллектора связана с источником соответствующего исходного реагента и через систему форсунок с полостью смесителя. Форсунки установлены так, что исходные реагенты подаются тангенциально по отношению к плазменному потоку.

Наличие в известном плазмохимическом реакторе нескольких групп форсунок, размещенных на различных уровнях, позволяет осуществить раздельный ввод исходных реагентов в различные зоны его смесителя, т.е. осуществить синтез композиционных материалов с использованием нескольких исходных реагентов.

Недостаток известного плазмохимического реактора заключается в том, что при синтезе порошковых материалов с использованием исходных реагентов, находящихся как в газообразном, так и в конденсированном состоянии, образуются наросты на стенках смесителя. В результате ухудшаются технико-эксплуатационные параметры плазмохимического реактора, поскольку усложняется процесс его подготовки к работе, снижается выход целевого продукта и его качество за счет наличия частиц нароста в продукте.

В основу изобретения поставлена задача разработать плазмохимический реактор с такой системой ввода исходных реагентов в смеситель, конструктивное выполнение которой и взаимосвязь с другими элементами исключили бы при синтезе композиционных и тугоплавких материалов с использованием исходных реагентов, находящихся как в газообразном, так и в конденсированном состоянии, образование наростов на поверхности смесителя, что упростило бы процесс подготовки реактора к работе, а также повысило выход целевого продукта и его качество.

Поставленная задача решена тем, что в плазмохимическом реакторе, содержащем генератор и расположенные последовательно вдоль общей оси смеситель с форсунками для ввода исходных реагентов в плазменный поток и реактор, при этом форсунки, предназначенные для ввода в плазменный поток одного и того же исходного реагента, находящегося в газообразном состоянии, установлены равномерно по окружности боковой стенки смесителя и на одинаковом расстоянии от выходного отверстия реактора, согласно изобретению форсунки, предназначенные для ввода в плазменный поток исходных реагентов, находящихся в конденсированном состоянии, выполнены водоохлаждаемыми и размещены в полости смесителя равномерно в пределах центральной зоны его поперечного сечения, причем сопла водоохлаждаемых форсунок ориентированы в направлении выходного отверстия реактора так, что их оси параллельны оси смесителя, а срезы сопл водоохлаждаемых форсунок, предназначенных для ввода в плазменный поток одного и того же исходного реагента, лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси смесителя и расположенной на меньшем расстоянии от выходного отверстия реактора, чем форсунки для ввода в плазменный поток исходных реагентов, находящихся в газообразном состоянии.

Целесообразно, чтобы генератор плазмы был выполнен в виде по крайней мере двух плазмотронов, установленных равномерно по окружности боковой стенки смесителя, который дополнительно снабжен торцовой стенкой, на которой закреплены по крайней мере одна водоохлаждаемая форсунка для подачи углеводородного исходного реагента.

Предпочтительно, чтобы размер центральной зоны поперечного сечения смесителя, в пределах которой равномерно размещены водоохлаждаемые форсунки, составлял (0,6-0,9)D, где D внутренний диаметр реактора.

Такое выполнение плазмохимического реактора обеспечивает при синтезе сложных композиционных и тугоплавких дисперсных материалов раздельный ввод исходных реагентов в различные зоны смесителя, расположенные вдоль направления распространения плазменного потока. В результате ввод в плазменный поток каждого исходного реагента осуществляется только после образования однородной плазменной смеси предшествующих исходных реагентов. Кроме того, предложенное размещение водоохлаждаемых форсунок обеспечивает распыление исходных реагентов, находящихся в конденсированном состоянии, непосредственно в плазменную смесь, так что процесс взаимодействия конденсированных реагентов с плазменной смесью протекает внутри плазменного потока, который препятствует попаданию конденсированных реагентов на стенки камеры и форсунки. Вследствие вышеуказанного увеличивается количество прореагировавшего реагента в конденсированном состоянии с другими реагентами, что увеличивает выход целевого продукта, не содержащего примесь продуктов наростов.

На фиг.1 схематично изображен плазмохимический реактор, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 плазмохимический реактор с генератором плазмы средней мощности, продольный разрез.

Плазмохимический реактор содержит генератор плазмы, выполненный, например, в виде трех плазмотронов 1 с выходными сопла 2 расположенным под углом 120^о друг к другу, смеситель 3 и реактор 4, выполненные, например, в виде одного общего цилиндрического корпуса с водоохлаждаемыми боковой 5 и торцовой 6 стенками. На боковой стенке смесителя 3 установлены на одном и том же уровне форсунки 7, к которым подсоединены патрубки 8 для подачи исходного реагента, находящегося в газообразном состоянии. В полости смесителя 3 также на одном и том же уровне размещены водоохлаждаемые форсунки 9 с соплами 9, оси которых параллельны оси смесителя и ориентированы в сторону реактора 4. Водоохлаждаемые форсунки 9 закреплены на боковой стенке смесителя с помощью патрубков, по которым поступает охлаждающая вода, и соединены с патрубками 11 для подачи в форсунки 9 исходных реагентов, находящихся в конденсированном состоянии (жидкость или газовзвесь порошков). На торцовой стенке 6 смесителя 3 установлены водоохлаждаемая форсунка 12, соединенная с патрубком 13 для подачи исходного реагента, находящегося в конденсированном состоянии, и форсунки 14, соединенные с патрубками 15 для подачи исходного реагента в газообразном состоянии. Выходное отверстие 16 реактора 4 связано с приемником продуктов реакции либо с закачным устройством (не показаны).

Плазмохимический реактор работает следующим образом.

Из плазмотронов 1 через выходные сопла 2 в полость смесителя 3 вводятся три потока плазменного теплоносителя, в качестве которого может быть использован один из исходных реагентов. В смесителе 3 образуется однородная смесь плазмообразующего газа с остальными исходными реагентами, которые последовательно вводятся в осесимметричный плазменный поток, движущийся вдоль оси цилиндрической камеры с водоохлаждаемыми стенками 5. Исходные реагенты, находящиеся в газообразном состоянии, вводятся в плазменный поток через форсунки 7, установленные на боковой стенке смесителя 3, и/или через форсунки 14, установленные на торцовой стенке 6. Исходные реагенты, находящиеся в конденсированном состоянии жидкость или газовзвесь порошков), вводятся в плазменный поток через водоохлаждаемые форсунки 9 и 12, размещенные в полости смесителя 3. Быстрому образованию однородной смеси плазмообразующего газа с исходными реагентами способствует то обстоятельство, что исходные реагенты, находящиеся как в газообразном состоянии, так и в конденсированном, вводятся в плазменный поток преимущественно с помощью не одной, а группы форсунок, расположенных на одном и том же уровне. Так, форсунки 7, предназначенные для ввода в плазменный поток реагента, находящегося в газообразном состоянии, установлены равномерно по окружности боковой стенки смесителя 3 и на одинаковом расстоянии от выходного отверстия 16 реактора 4. Форсунки 14, предназначенные для ввода в плазменный поток реагента, находящегося в газообразном состоянии, установлены на торцовой стенке 6 смесителя 3 равномерно по окружности с центром, лежащим на оси симметрии смесителя 3. Водоохлаждаемые форсунки 9, предназначенные для ввода плазменный поток одного и того же исходного реагента, находящегося в конденсированном состоянии, расположены в полости смесителя 3, что срезы сопл 10 форсунок 9 расположены в одной полости, перпендикулярной оси смесителя 3.

Кроме того, благодаря тому, что сопла 10 водоохлаждаемых форсунок 9 ориентированы в направлении выходного отверстия 16 реактора 4 таким образом, что их оси параллельны оси смесителя (иными словами установлены спутно с плазменным потоком), а сами форсунки 9 расположены в полости смесителя равномерно в пределах центральной зоны его поперечного сечения, размер которой не превышает поперечного размера плазменного потока, равного 0,6-0,9 внутреннего диаметра реактора 4, обеспечивается, во-первых, изоляция плазменным потоком форсунок 9 от внутренней поверхности стенки смесителя 3, во-вторых, снос плазменным потоком вводимых через эти форсунки исходных реагентов, находящихся в конденсированном состоянии, в полость реактора 4. В результате исходный реагент, находящийся в конденсированном состоянии, не попадает ни на внутреннюю поверхность стенки 5 водоохлаждаемой камеры, ни на поверхность форсунок 9, а химико-физические процессы взаимодействия этого реагента с плазменным потоком протекают внутри этого потока, что исключает образование наростов на внутренней поверхности стенки 5.

Таким образом, вследствие предложенного размещения водоохлаждаемых форсунок 9 не происходит образования наростов на внутренней поверхности стенки 5, увеличивается выход целевого продукта (за счет возрастания доли прореагировавшего исходного реагента, находящегося в конденсированном состоянии) и его качество (за счет отсутствия в целевом продукте примесей в виде частиц, образующихся наросты).

Начавшиеся в смесителе 3 химические реакции продолжаются непосредственно в реакторе 4, а продукты химических реакций через выходное отверстие 16 поступают в приемник продуктов реакции либо непосредственно, либо через закалочное устройство (не показано).

Приведенная на фиг.1 и 2 схема плазмохимического реактора была положена в основу установки для производства порошка карбонитрида титана, покрытого слоем никеля. В качестве теплоносителя использовался аргон. Для нагрева аргона использовались три плазмотрона 1 мощностью 50-70 кВт каждый, что позволило получить суммарную мощность в диапазоне 150-200 кВт. В качестве исходных реагентов использовались азот, природный газ, порошки никеля и гидрида титана. Плазма аргона, генерируемая в плазмотронах 1, через выходные сопла 2 поступала в верхнюю часть смесителя 3. Азот вводится в смеситель через форсунки 7, природный газ через форсунки 14, а порошок никеля и порошок гидрида титана соответственно через форсунки 12 и 9.

В результате взаимодействия плазменного потока с природным газом и азотом образуется (в верхней зоне смесителя) однородная смесь плазмообразующего газа с азотом и продуктами термического разложения природного газа. С помощью форсунки 12 в полученную смесь распыляли порошок никеля, который при взаимодействии с плазменным потоком испаряется. Таким образом, распыление через форсунки 9 порошка гидрида титана осуществлялось в плазменную смесь, дополнительно содержащую пары никеля. Частицы порошка гидрида титана в результате взаимодействия с потоком плазменной смеси нагреватель, при этом водород из частиц выделялся в газовую фазу, а азот и углерод дифферендировали в частицы, где в результате реакции обрабатывался карбонитрид титана. Одновременно на поверхности частиц конденсировались пары никеля, покрывая частицы металлической оболочкой. На этом синтез порошка карбонитрида титана, покрытого слоем никеля, заканчивался.

Выбор торцовой стенки 6 для размещения форсунок 14 для ввода природного газа обусловлен тем обстоятельством, что верхняя зона смесителя является наиболее холодной зоной. В результате удалось избежать термической диссоциации природного газа непосредственно у торцовой стенки 6, а следовательно, и конденсации на ней атомарного углерода, попадание которого (в виде сажи) в получаемый продукт привело бы к ухудшению качества последнего.

Кроме того, ввод порошка никеля через водоохлаждаемую форсунку 12, установленную выше форсунок 9, позволил обеспечить полное испарение частиц порошка никеля до ввода в плазменную смесь порошка гидрида титана. В результате целевой продукт не содержал примеси в виде частиц никеля.

Синтез композиционных материалов, при котором нем необходимости осуществлять испарение металла, производился в плазмохимическом реакторе, схема которого приведена на фиг.3. В этом случае генератор плазмы содержал один плазмотрон 1, выходное сопло 2 которого сочленено со смесителем 3 через коническую насадку.

Синтез порошка нитрида титана осуществляется следующим образом. Генерируемая в плазмотроне 1 плазма аргона вводилась через конический насадок в смеситель 3. Через форсунки 7 в смеситель 3 вводился азот, а через водоохлаждаемые форсунки 9 -порошок гидрида титана. Частицы порошка гидрида титана при взаимодействии с плазменной смесью, содержащей азот, нагревались, из частиц выделялся водород, а азот из плазменного потока диффундировал в частицы порошка, где в результате химической реакции образовался нитрид титана.