ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к электродуговым установкам. Наиболее успешно настоящая полезная модель может быть использовано для синтеза новых химических соединений.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является электродуговая установка для получения фуллеренов, описанная в патенте США No 5227038 от 21 июля 1991 года.
Установка для получения фуллеренов содержит герметичный металлический корпус реактора, в котором размещена испарительная рабочая камера с горизонтально расположенными соосными подвижными электродами из графита. Электроды электрически связаны с источником электрического питания для создания электрической дуги. Установка содержит так же средство для подачи инертного газа в рабочую камеру в виде трубы с раструбом, располагающимся под зоной межэлектродного зазора. Над зоной межэлетродного зазора размещено средство для отвода продуктов из рабочей камеры в виде массивной трубы, охваченной по периметру спиральным водоохлаждающим змеевиком. К верхней части корпуса герметично прикреплен отводящий трубопровод, связанный с трубой для отвода продуктов из рабочей камеры. Отводящий трубопровод вне пределов корпуса реактора связан с устройством, обеспечивающим циркуляцию газа. Это устройство содержит резервуар для сбора газа, снабженный фильтрующим мешком для отделения и сбора выводимых из рабочей камеры реактора микрочастиц фуллерена. За резервуаром расположена турбина, которая обеспечивает подачу очищенного от фуллеренов инертного газа в трубопровод для подвода инертного газа в рабочую камеру реактора.
При работе установки в рабочей камере происходит испарение угольных электродов в среде инертного газа. Образующиеся продукты испарения отводятся из рабочей камеры водоохлаждаемым средством для отвода продуктов. Образующиеся при этом фуллерены выводятся с потоком газа из корпуса реактора и улавливаются рассмотренным выше устройством, а очищенный газ возвращается назад в рабочую камеру установки. Сгорание угольных электродов компенсируется приводами их перемещения.
Таким образом данная установка обеспечивает только лишь получение фуллеренов одной конкретной формулы и не может обеспечивать получение каких-либо других соединений, т.е. она обладает, как и все другие известные электродуговые установки, очень узкими функциональными возможностями.
В основу настоящей полезной модели была положена задача разработать электродуговую установку, которая была бы выполнена таким образом, чтобы обеспечивалось расширение ее функциональных возможностей, благодаря чему достигается возможность получения новых соединений.
Поставленная задача решается тем, что в электродуговой установке, содержащей герметичный металлический корпус реактора, в котором размещена рабочая камера, горизонтально расположенные соосные подвижные электроды, электрически связанные с источником питания для создания дуги, средство для подачи газа в рабочую камеру, а так же водоохлаждаемое средство отвода продуктов из рабочей камеры, герметично соединенный с корпусом реактора отводящий трубопровод, связанный со средствами для отделения и сбора полученного продукта, а так же средством очистки газа, новым является то, что в корпусе реактора за средством для отвода продуктов из рабочей камеры дополнительно выполнены последовательно соединенные между собой, камера для введения дополнительных веществ,
взаимодействующих с продуктами из рабочей камеры, смесительная камера, а так же камера сбора получаемого продукта, которая связана с отводящим трубопроводом.
Благодаря такому решению продукты из рабочей камеры могут взаимодействовать с различными веществами, подаваемыми в камеру для введения дополнительных веществ, вследствие чего и обеспечивается возможность получения новых соединений.
Далее сущность настоящей полезной модели более подробно разъясняется конкретными примерами ее осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 представлена блок-схема заявляемой электродуговой установки;
на фиг.2 схематично изображен реактор установки, продольное сечение;
на фиг.3 представлена схема расположения камер реактора;
Установка состоит из реактора 1 (фиг.1), источника переменного тока 2, привода электродов 3, приемной емкости 4 для полученного продукта, газоотделителя 5, циркуляционного насоса 6, очистителей 7 и 8 рабочего газа и газа обдува, соответственно, емкости 9 для рабочей жидкости и средства 10 вывода готового продукта, связанных между собой трубопроводами.
Реактор 1 содержит горизонтально расположенный толстостенный цилиндрический разъемный корпус 11 из феррамагнитного материала (фиг.2). Корпус 11 состоит из двух, зеркально выполненных цилиндрических пустотелых половин 12 и 13 с фланцами 14, между которыми установлена кольцевая прокладка 15 из электроизоляционного материала. Корпус 11 подключен к источнику 2 переменного тока. Внутри половин 12 и 13 корпуса размещены фигурные кольцевые камерообразующие экраны 16 из немагнитного материала. В центре корпуса 11 реактора расположена кольцевая рабочая камера
17, образованная наклонными частями экранов 16 и внутренними торцевыми поверхностями корпуса. С внутренней стороны торцевых стенок половин 12 и 13 корпуса 11 размещены катушки 18 и 19 электромагнита для создания магнитного поля, стабилизирующего электрическую дугу при работе реактора. При этом половины 12 и 13 корпуса из феррамагнитного материала являются магнитопроводами.
В корпусе 11 реактора 1 размещены горизонтально расположенные соосные расходуемые подвижные электроды 20. Электроды 20 размещены в средстве для подачи газа в рабочую камеру 17. Средство выполнено в виде двух трубчатых газоподводящих элементов 21 и 22, расположенных вдоль продольной оси Х-Х цилиндрического корпуса 11 реактора. Трубчатые газоподводящие элементы 21 и 22 размещены в торцевых стенках корпуса и расположены с кольцевыми зазорами 23 относительно них. На наружных концах каждого из газоподводящих элементов 21 и 22 расположено по два дискообразных газовых коллектора 24 и 25. Дискообразные газовые коллекторы 24 закреплены на торцевых стенках корпуса 11 и связаны с кольцевыми зазорами 23. Дискообразные коллекторы 25 закреплены на дискообразных коллекторах 24 и связаны с внутренним пространством 26 трубчатых газоподводящих элементов 21 и 22. Таким образом подвод газа в рабочую камеру 17 обеспечивается через коаксиально расположенные каналы, которые образованы внутренними пространствами 26 газоподводящих элементов 21 и 22, а так же кольцевыми зазорами 23 между этими элементами и стенками корпуса 11. На внутренних концах газоподводящих элементов 21 и 22, расположенных в рабочей камере 17, закреплены полые конусные насадки 27 с отверстиями в их вершинах. Насадки 27 выполняют функцию направляющих экранов для газа, поступающего через кольцевые каналы 23, который условно называется газом обдува стенок рабочей камеры 17. На
вершинах насадок 27 установлены с зазором относительно них конусные насадки 28 с отверстиями в их вершинах. Насадки 28 выполняют функцию направляющих экранов для газа, поступающего через внутренние пространства 26 газоподводящих элементов, который условно называется рабочим газом.
Электроды 20 расположены по оси Х-Х внутри газоподводящих элементов 21 и 22 и установлены с возможностью их перемещения навстречу друг другу в осевом направлении. Внешние концы электродов 20 размещены в направляющих втулках 29 с кольцевыми уплотняющими элементами 30 и связаны с приводами 3 их перемещения. Внутренние концы электродов 20 размещены в кольцевых электроподводящих электрододержателях 31 и, проходя через отверстия конусных насадок 27 и 28 навстречу друг другу, они располагаются в центре рабочей камеры 17 с зазором между их торцами. Электрододержатели 31 электрически связаны со своими половинами 12 и 13 корпуса (электрические связи на чертежах не показаны).
По периферии рабочей камеры 17 расположена охлаждаемая кольцевая камера 32 для отвода продуктов из рабочей камеры. Отводящая камера 32 образована вертикальными частями камерообразующих экранов 16. На ее стенках расположены кольцевые водяные охлаждающие коллекторы 33.
По периферии кольцевой отводящей камеры 32 расположена кольцевая камера 34 с форсунками или инжекторами 35 для введения дополнительных веществ, взаимодействующих с продуктами из рабочей камеры 17. Камера 34 образована концами вертикальных частей камерообразующих экранов 16 и кольцевыми проточками в начальных частях фланцев 14 половин 12 и 13 корпуса 11 реактора. Вещество, взаимодействующее с продуктами из рабочей камеры, подается из кольцевых коллекторов 36. Это вещество может быть в жидком или газообразном состоянии и условно называется рабочей жидкостью.
По периферии кольцевой камеры 34 для введения дополнительных веществ расположена кольцевая смесительная камера 37. Смесительная камера 37 образована кольцевыми прямоугольными в сечении проточками в средних частях фланцев 14 половин 12 и 13 корпуса 11 реактора.
По периферии кольцевой смесительной камеры 37 расположена кольцевая камера 38 сбора полученного продукта. Камера сбора 38 образована кольцевыми прямоугольными в сечении проточками в периферических частях фланцев 14 половин 12 и 13 корпуса 11 реактора. Камера 38 связана отводящим трубопроводом с приемной емкостью 4 для готового продукта.
Установка работает следующим образом.
Расходуемые электроды 20 испаряются в электрической дуге, горящей между концами электродов. Пары веществ, из которых состоят электроды, перемешиваются с рабочим газом в рабочей камере 17, вследствие чего происходит формирование микрочастиц с заданными свойствами и химическим составом. Химический состав микрочастиц определяется как составом расходуемых электродов 20, так и составом рабочего газа. Для того, чтобы пары не конденсировались на стенках рабочей камеры 17, используется газ обдува, который отличается (в общем случае) от рабочего газа.
Далее смесь, состоящая из микрочастиц, рабочего газа и газа обдува поступает с периферии внутреннего тороидального объема рабочей камеры 17 в охлаждаемую кольцевую камеру 22. Перемещаясь радиально по камере 22 от ее начала к периферии, смесь продуктов из рабочей камеры 17 охлаждается до требуемой температуры.
Далее охлажденная смесь поступает в кольцевую камеру 34, куда через форсунки или инжекторы 35 вводится рабочая жидкость или ее пары, где и осуществляется их контакт с продуктами из рабочей камеры.
Из кольцевой камеры 34 смесь продуктов из рабочей камеры и дополнительно введенное вещество поступают в кольцевую смесительную камеру 37. В камере 37 происходит их интенсивное перемешивание и взаимодействие друг с другом. Получаемый в результате этого продукт собирается в кольцевой камере 38, откуда он выводится из корпуса 11 реактора отводящим трубопроводом в приемную емкость 4.
Расширение функциональных возможностей заявляемой установки можно продемонстрировать на нескольких конкретных примерах получения различных веществ, осуществляемых по рассмотренному выше обобщенному способу работы установки.
Пример 1. Получение фуллеренов.
Фуллерены получаются при использовании в качестве материала расходуемых электродов либо чистого углерода, либо углерода с добавками. При этом в качестве рабочего газа используется гелий. В качестве рабочей жидкости, используется жидкость, в которой растворяются фуллерены, но которая не подвержена химическим изменениям под действием микрочастиц, либо жидкость, обладающая инертностью и антикоагулирующими свойствами, например вода или ртуть.
В частности, при использовании чистого углерода в качестве материала электродов и воды в качестве рабочей жидкости, в установке получается фуллерены формулы С36 с полезным выходом 87%.
Пример 2. Получение микропорошков с заданными свойствами.
Получаемые микропорошки имеют состав, определяемый материалом электродов и составом реагирующего рабочего газа. Размер микрочастиц определяется скоростью движения газового потока и расстоянием от дуги до точки впрыска рабочей жидкости, в которой прекращаются процессы роста микрочастиц. В качестве рабочей жидкости применяется жидкость, обладающая инертностью и антикоагупирующими
свойствами. При этом под инертностью подразумевается свойство рабочей жидкости не подвергаться каким-либо химическим изменениям под воздействием микрочастиц и не вступать с ними в химическую реакцию. Рабочая жидкость так же должна препятствовать коагуляции микрочастиц порошков с образованием трудноразрушаемых конгломератов. В качестве рабочей жидкости можно использовать следующие вещества:
- легкоплавкие металлы и сплавы, например, ртуть, галлий, олово, кадмий или их сплав;
- насыщенные углеводороды или галогеноводороды, например, октан, декан, четыреххлористый углерод;
- металлоорганические соединения. На заявляемой установке было осуществлено получение микропорошков вольфрама при следующих условиях:
- материал электродов - вольфрам;
-газ - гелий;
- рабочая жидкость - октан;
- расстояние от дуги до точки впрыска - 120 мм;
3
- расход рабочего газа - 1000 м/мин;
- рабочий ток - 150а.
При этих условиях был получен порошок вольфрама со средним размером частиц 56 мкм.
Пример 3. Получение новых химических соединений путем каталитического воздействия микрочастиц на рабочую жидкость.
Опытом установлено, что микрочастицы, получаемые в рабочей камере установки обладают высокой каталитической активностью.
При использовании установки для каталитического синтеза новых химических соединений в качестве катализатора используется материал расходуемых электродов, а в качестве исходного вещества, подвергающегося каталитическому преобразованию, используется
химическое вещество в виде жидкости или ее паров, вводимое в камеру впрыска.
Материал расходуемых электродов испаряется в электрической дуге в среде инертного или реакционного газа. Продукты испарения конденсируются в рабочей камере с образованием активных микрочастиц. Газовый поток, содержащий микрочастицы охлаждается в отводящей камере до температуры, исключающей термическое разложение преобразуемого вещества. В камеру впрыска вводится вещество, подлежащее каталитическому преобразованию в жидком или газообразном виде. В камере смешения микрочастицы и вещество перемешиваются и происходит преобразование исходного вещества в новое. Полученный продукт, представляющий собой смесь из газа, микрочастиц из рабочей камеры, исходного вещества и синтезированных соединений поступает в камеру для сбора полученного продукта, откуда он отводится в приемную емкость.
Выделение новых соединений из полученной смеси производится известными способами.
В заявляемой установке было осуществлено получение новых соединений при следующих условиях:
- материал электродов - углерод;
- газ - гелий;
исходное вещество, подлежащее преобразованию - ксилол 1.
При воздействии углеродных частиц на ксилол от 10 до 30% ксилола преобразовалось в новые соединения. В полученной смеси хроматографическим анализом было выявлено около 30 новых соединений, конкретное определение которых требует дополнительных исследований.
Из приведенных конкретных примеров осуществления заявляемой полезной модели для любого специалиста в данной области совершенно
очевидна возможность ее реализации с одновременным решением поставленной задачи. При этом так же очевидно, что при реализации полезной модели могут быть сделаны незначительные изменения, которые однако не будут выходить за ее пределы, определяемые приводимой ниже формулой полезной модели.
Заявляемая установка проста по конструкции и надежна в эксплуатации. С ее помощью обеспечивается получение широкого класса как известных, так и новых химических соединений.