УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНВЕРСИИ ГАЗОВ В ПЛАЗМЕ СВЧ-РАЗРЯДА

Полезная модель относится к нефтехимической, газовой и химической отраслям промышленности, в частности к установкам для плазмохимических процессов получения продуктов, и может быть использована для переработки газов, углеводородного сырья, в том числе с высоким содержанием соединений серы, получения водородсодержащих газов и высокодисперсных порошков.
Плазменная техника используется в различных областях промышленности - получении высокодисперсных порошков и наноматериалов, поверхностной обработки материалов, конверсии газов.
Известно устройство для получения водорода разложением аммиака или других газов, содержащих атомы водорода [патент US №7037484 В1, МПК С01В 3/02, 2006], состоящее из резонатора, разделенного диэлектрическим диафрагмой во избежание контакта газа с антенной, антенны, генератора микроволновых колебаний, инжектора и выпускного клапана. Аммиак или другой газ, содержащий атомы водорода, вводят через инжектор в резонатор, где под действием электромагнитного поля, созданного антенной, зажигается СВЧ-разряд и происходит термическое разложение газа на водород и побочные продукты. Полученную газовую смесь выводят через выпускной клапан и разделяют.
Недостатками известного устройства являются: сложность инициирования безэлектродного разряда, необходимость высокоточного исполнения резонаторной камеры, сложность масштабирования конструкции, ограниченность использования известного устройства процессами разложения аммиака и метана с образованием побочных продуктов.
Известно устройство для преобразования ископаемых топлив в водородсодержащий газ [заявка WO №0109031, МПК С01В 3/34, 2001], содержащее нагреватель для воздуха, испарители для воды и топлива, теплообменник, смеситель, реакционную камеру, генератор микроволновых колебаний, резонатор, инициатор разряда и циклонный теплообменник. Устройство работает следующим образом. Предварительно нагревают воздух с
помощью дугового плазматрона, испаряют воду и топливо в испарителях, дополнительно нагревают воздух и водяной пар с помощью теплообменника за счет рециркулируемого тепла, смешивают воздух с парами воды и топлива, затем инициируют СВЧ-разряд в реакционной камере, обрабатывают получившуюся смесь микроволновым излучением в реакционной камере, разделяют и охлаждают продукты реакции в циклонном теплообменнике, отводя при этом рециркулируемое тепло.
Недостатками данного устройства являются: сложность конструкции, необходимость предварительного нагрева ископаемого топлива, что снижает энергоэффективность процесса, необходимость высокоточного исполнения резонаторной камеры.
Известно устройство для получения водорода из углеводородных топлив [заявка WO №2007116225, МПК С01В 3/34. 2007], состоящее из смесителя, теплообменников, реакционной камеры, генератора микроволновых колебаний, двух электродов, расположенных друг напротив друга в реакционной камере, причем один из электродов выполнен полым и служит для выведения продукта из реакционной камеры, а газовая смесь подается в реакционную камеру под углом таким образом, что движение газов в реакционной камере является вихревым. Исходная газовая смесь подвергается действию плазмы СВЧ-разряда при прохождении через зазор между электродами и преобразуется в водородсодержащий газ, который удаляется через полый электрод.
Недостатками данного устройства являются: необходимость высокоточного исполнения реакционной камеры для нахождения электродов вблизи максимума микроволнового поля, наличие малых зазоров в конструкции, в том числе между электродами (около 0,2 мм), что повышает газодинамическое сопротивление конструкции и ограничивает расход газа, вызывает интенсивную эмиссию одного из электродов и ограничивает время непрерывной работы устройства.
Известно устройство для получения порошков распылением в плазме при атмосферном давлении, с безэлектродным зажиганием плазменного факела [заявка DE №102005015757, МПК Н05Н 1/46, 2006], включающее генератор микроволновых колебаний, волновод, трубку, играющую роль реакционной камеры, приспособление для ввода порошка, сборник целевого продукта. Устройство работает следующим образом. Порошок вводят в трубку, играющую
роль реакционной камеры, которая пронизывает волновод таким образом, чтобы максимум электромагнитного поля, создаваемого генератором микроволновых колебаний. В трубке инициируют безэлектродный СВЧ-разряд, через которую пропускают газ-носитель с порошком.
Недостатками данного устройства являются ограниченность ассортимента получаемых порошков, наличие элементов конструкции, на которых может происходить отложение и спекание порошков, что приводит к выходу установки из строя.
Известна установка для получения нанодисперсных порошков в плазме СВЧ разряда [патент РФ №2252817, МПК B01J 19/08, 2005], которая включает технологически связанные между собой микроволновой генератор, СВЧ плазмотрон, формирователь газового потока, разрядную камеру, поглотитель микроволнового излучения, реакционную камеру, теплообменник, фильтр-сборник целевого продукта, дополнительное устройство для ввода в реакционную камеру исходных реагентов в парообразном и жидкокапельном состояниях. Исходные реагенты вводят в поток плазмообразующего газа реакционной камеры, производят плазмохимический синтез реагентов, охлаждение целевого продукта и его выделение из реакционной зоны через фильтр-сборник, при этом исходные реагенты вводят в поток плазмообразующего газа в любом агрегатном состоянии: парообразном, порошкообразном, жидкокапельном или в любой их комбинации.
Недостатками известной установки являются: сложность конструкции и изготовления обуславливает высокую стоимость известной установки. Наличие движущихся частей и сравнительно малых зазоров требует высокой точности изготовления деталей. Требуются специальная подготовка реагентов и дополнительные приспособления для введения реагентов в реакционную камеру. Использование коррозионно-активных реагентов требует нанесения дополнительного химически стойкого покрытия на внутренние поверхности известной установки: поверхности реакционной камеры, теплообменника, узлов ввода исходных реагентов, корпуса фильтра. Конструктивные особенности установки не позволяют осуществить инициирование пробоя плазмообразующего газа без вспомогательного оборудования (т.е. пробой должен осуществляться с помощью внешнего инициатора). Требуется применение закалочного газа для охлаждения частиц и получения на их поверхности защитного оксидного покрытия.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является установка для конверсии газов с целью получения водорода в плазме СВЧ-разряда [заявка ЕР №1881944, МПК С01В 3/02, 2008].
Установка включает реакционную камеру, блок подачи газа, генератор микроволновых колебаний, волновод, блок откачки газа и сепаратор. Установка работает следующим образом: из реакционной камеры откачивают газ для поддержания в ней пониженного давления, пропускают углеводородный газ через реакционную камеру, обрабатывают газ микроволновым излучением, разлагают газ на углерод и водород, выделяют водород из образовавшейся смеси.
Недостатками известного устройства являются: необходимость поддержания пониженного давления в реакционной камере, что снижает энергоэффективность устройства и ограничивает его производительность, образование побочного продукта - углерода, что вызывает необходимость его удаления из реакционной камеры и вызывает опасность выведения устройства из строя при отложении углерода на деталях. Также недостатком является то, что в качестве исходного сырья в известном устройстве используется только метан.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства простого в изготовлении и не включающего дорогостоящих механических и электронных устройств, позволяющего использовать в качестве сырья газов, углеводородного сырья, в том числе с высоким содержанием соединений серы.
Для решения поставленной задачи устройство для конверсии газов в плазме СВЧ-разряда содержит реакционную камеру, генератор микроволновых колебаний и волновод, снабжено буферной емкостью для последовательной подачи в реакционную камеру, выполненную в виде кварцевой цилиндрической трубки, аргона и углеводородных газов, смешанных с, по крайней мере, одним газом, выбранным из ряда: углекислый газ, кислород и воздух, и блоком питания переменной мощности, соединенным с генератором микроволновых колебаний, причем волновод выполнен в виде цилиндрических коаксиально расположенных внешнего и внутреннего электродов, размещенных снаружи и внутри реакционной камеры соответственно, реакционная камера и волновод размещены на генераторе микроволновых колебаний, внутренний электрод изготовлен заостренным на конце, в торце реакционной камеры выполнено отверстие для вывода целевого продукта.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется следующими фигурами.
На фиг.1 представлено устройство для конверсии газов с получением водородсодержащих газов.
На фиг.2 представлено устройство для конверсии газов с получением высокодисперсных порошков.
Устройство включает технологически связанные: буферную емкость смешения 1, реакционную камеру 2, источник питания 3, генератор микроволновых колебаний (магнетрон) 4, внешний электрод 5, внутренний электрод 6, фильтр-сборник 7.
Плазмообразующий газ-аргон - через буферную емкость 1, предназначенную для сглаживания пульсаций давления в рабочей камере, подают в реакционную камеру 2, выполненную из кварцевой трубки.
После включения источника питания 3 магнетрон 4 генерирует СВЧ-поле. Генератор микроволновых колебаний 4 соединен с коаксиальным волноводом, состоящим из внешнего электрода 5 и внутреннего электрода 6. При этом внешний электрод выполнен длиннее внутреннего. В качестве внешнего электрода используют металлическую сетку, в качестве внутреннего электрода - металлический стержень, заостренный на конце для облегчения пробоя плазмообразующего газа. В случае получения вородсодержащих газов внутренний электрод изготовлен из тантала. В случае получения высокодисперсных порошков внутренний электрод может быть изготовлен, например, из молибдена, вольфрама, титана, ковара. Длина внутреннего электрода подобрана таким образом, что на его конце достигается максимум электрического поля. Применение аргона в качестве плазмообразующего газа и заостренного на конце внутреннего электрода определенной длины обеспечивает пробой газа при атмосферном давлении без внешних инициаторов и получение стабильного плазменного факела в реакционной камере 2. При использовании в качестве плазмообразующего газа-аргона не наблюдается эмиссия вещества с поверхности внутреннего электрода.
После стабилизации плазменного факела аргон замещают на рабочий газ (азот, углекислый газ, углеводородные газы), вводимый через буферную емкость 1. При этом вблизи заостренного конца внутреннего электрода возникает максимум поля и температуры, область плазмы захватывает конец внутреннего электрода. На выходе из факела происходит образование частиц целевого
продукта. В случае получения высокодисперсных порошков происходит эмиссия материала внутреннего электрода в плазму. При получении высокодисперсных порошков образовавшуюся в результате конверсии пылегазовую смесь подают в фильтр-сборник 7 для осаждения высокодисперсного порошка. Состав получаемого продукта зависит от состава исходных газов и материала внутреннего электрода.
Конструкция устройства позволяет надежно генерировать плазменную струю вблизи внутреннего электрода с помощью обычного (используемого в микроволновых печах) магнетрона, имеющего мощность менее 1 кВт и частоту излучения 2,45 ГГц.
Предлагаемое устройство иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Плазмообразующий газ аргон через буферную емкость подают в реакционную камеру, выполненную из кварцевой трубки. Внутренний электрод выполнен из тантала. После включения источника питания магнетрон генерирует СВЧ-поле. Применение аргона в качестве плазмообразующего газа и заостренного на конце внутреннего электрода определенной длины обеспечивает пробой газа при атмосферном давлении без внешних инициаторов и получение стабильного плазменного факела в реакционной камере. После стабилизации плазменного факела аргон замещают на рабочую газовую смесь, состоящую из углекислого газа и метана в соотношении 60:40, которую подают через буферную емкость смешения, при этом подачу аргона прекращают.
2
3
Расход газовой смеси варьируют от 200 л/ч до 500 л/ч. Ввод СВЧ энергии осуществляют источником питания с регулируемой мощностью от 200 до 1000 Вт. Энергозатраты на получение водородсодержащего газа при отношении Н:СО=1:1 составляют 1-1,1 кВт·ч/м.
Пример 2.
2
2
3
Для получения водородсодержащего газа (смесь H и СО в соотношении 2:1) после подачи аргона в буферную емкость смешения подают смесь воздуха и метана в соотношении 5:1. Расход газовой смеси составляет от 200 л/ч до 500 л/ч. Ввод СВЧ энергии осуществляют источником питания с регулируемой мощностью от 200 до 1000 Вт. Внутренний электрод выполнен из тантала. Энергозатраты на получение водородсодержащего газа при отношении Н:СО=2:1 составляют 1,1-1,2 кВт·ч/м.
Пример 3.
Плазмообразующий газ аргон через буферную емкость подают в реакционную камеру, выполненную из кварцевой трубки. В качестве материала внутреннего электрода используют вольфрам. После стабилизации плазменного факела аргон замещают на углекислый газ. После установления стационарного состояния газовой смеси в рабочей камере происходит наработка ультрадисперсного порошка оксида вольфрама, который собирают в фильтр-сборник. Расход газа варьируют от 300 л/ч до 900 л/ч. Ввод СВЧ энергии осуществляют источником питания регулируемой мощности 250-800 Вт. Средний размер получаемых частиц оксида вольфрама составляет 30 нм.
Пример 4.
Для получения высокодисперсного порошка оксида молибдена в качестве материала внутреннего электрода используют молибден. В качестве рабочего газа используют воздух. Расход газа варьируют от 300 л/ч до 900 л/ч. Ввод СВЧ энергии осуществляют источником питания регулируемой мощности 250-800 Вт. Полученный продукт - оксид молибдена - собирают в фильтр-сборник продукта. Средний размер получаемых частиц оксида молибдена составляет 20 нм.
Пример 5.
Для получения высокодисперсного порошка нитрида титана в качестве материала внутреннего электрода используют титан. В качестве рабочего газа используют азот. Расход газа варьируют от 300 л/ч до 900 л/ч. Ввод СВЧ энергии осуществляют источником питания регулируемой мощности 250-800 Вт. Получают высокодисперсный порошок нитрида титана со средним размером частиц 80 нм.
Пример 6.
Для получения высокодисперсного порошка смеси оксидов металлов в качестве материала внутреннего электрода используют ковар (сплав на основе железа, содержащий 18% Со и 29% Ni). В качестве рабочего газа используют углекислый газ. Расход газа варьируют от 300 л/ч до 900 л/ч. Ввод СВЧ энергии осуществляют источником питания регулируемой мощности 250-800 Вт. Полученный продукт - смесь оксидов металлов собирают в фильтр-сборнике. Средний размер получаемых частиц оксидов металлов составляет 80-100 нм.
Предлагаемое устройство для конверсии газов в плазме СВЧ-разряда позволяет получать широкий спектр высокодисперсных порошков оксидов,
нитридов и сульфидов металлов, а также водородсодержащий газ из газов, углеводородного сырья, в том числе с высоким содержанием соединений серы.
Устройство просто в изготовлении, не включает дорогостоящего механического и электронного оборудования, обладает низкой энергоемкостью.
Конструкция устройства позволяет надежно генерировать плазменный факел вблизи внутреннего электрода с помощью обычного, используемого в микроволновых печах, магнетрона, имеющего мощность менее 1 кВт и частоту излучения 2,45 ГГц.