ПЛАЗМОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

Заявляемая полезная модель относится к устройствам плазмокаталитической очистки воздуха от вредных веществ газообразной формы и может быть использована для защиты окружающей среды в химической, металлургической, деревообрабатывающей, угольной и других отраслях промышленности.
Известны устройства для обработки отходящих потоков газа с целью снижения в них посторонних веществ, в которых осуществляют последовательную двухэтапную очистку таких потоков от вредных веществ (патент Японии №3478270, МПК B01J 19/08, патент США №6689252, МПК B01J 19/08, патент США №6508991, МПК B01J 19/08), причем на первом этапе в одной камере осуществляют плазменную обработку газа путем генерирования разряда неравновесной плазмы в обрабатываемом газе, а затем в другой камере осуществляют каталитическую очистку газа, поступающего после плазменной обработки.
Известно техническое решение по патенту США №6524538, МПК B01J 19/08, публикация 2003 года, в котором поток обрабатываемого газа проходит через полый катод, снабженный противоэлектродом, где с помощью генератора возбуждается барьерный разряд. Проходящий поток обрабатываемого газа взаимодействует с осциллирующими электронами плазмы разряда в полом катоде. Внутренние стенки полого катода оказывают каталитическое влияние при взаимодействии плазмы со стенками.
2
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является плазмокаталитический реактор, описанный в патенте США №6475350, МПК B01J 19/08, публикация 2002 г., в котором для выделения посторонних веществ из газового потока используют корпус с входом и выходом, газоразрядные элементы для создания плазмы и слой катализатора. При подаче напряжения на газоразрядные элементы и возникновении плазменного разряда на поверхности катализатора происходит восстановление NОх до газообразного азота и окисление посторонних частиц и углеводородов до СO.
Описанное выше устройство обладает ограниченными функциональными возможностями, так как обеспечивает очистку небольших объемов воздуха и требует больших удельных затрат энергии для достижения требуемых степеней очистки воздуха.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является создание плазмокаталитического реактора для очистки больших объемов воздуха от вредных примесей, обеспечивающего высокую степень очистки воздуха с одновременным снижением энергоемкости процесса очистки.
Поставленная задача решается тем, что, в плазмокаталитическом реакторе, содержащем корпус с входом и выходом, газоразрядные элементы для создания плазмы и слой катализатора, корпус плазмокаталитического реактора выполнен в виде коаксиально установленных относительно друг друга внешнего и внутреннего цилиндров с образованием между стенками, выполненными из перфорированного листового металла, свободного пространства, заполненного слоем катализатора, а также содержит диэлектрическое основание дискообразной формы с отверстием, выполненным в центральной части диска, и диэлектрическую крышку, при этом реактор содержит газоразрядный узел, выполненный из "n" газоразрядных элементов, расположенных, по крайней мере, по одной окружности вдоль стенки внутреннего цилиндра корпуса, каждый из "n" газоразрядных элементов содержит электроды и трубчатые изоляторы, причем один из электродов выполнен в виде металлического стержня с резьбой по всей его длине и размещен во внутреннем изоляторе, а другой электрод выполнен в виде проволочной спирали и размещен на наружной стенке внутреннего изолятора, при этом внутренний изолятор с первым и вторым электродами размещен внутри наружного изолятора, причем реактор содержит два перфорированных диэлектрических диска, один из которых установлен в нижней части корпуса и является держателем газоразрядных элементов, а другой диск установлен в верхней части корпуса и является держателем наружных изоляторов, а также содержит нижний перфорированный металлический диск-электрод с отверстием, выполненным в центральной части диска, промежуточные стержневые электроды, изоляторы для электрического соединения газоразрядных элементов, а также элементы подключения реактора в высоковольтному источнику переменного тока. Сущность полезной модели поясняется чертежами:
фиг.1. - общий вид плазмокаталитического реактора
фиг.2 - чертеж газоразрядного элемента 6
фиг.3 - вид сверху на диэлектрический диск 12 (фиг.1)
фиг.4 - чертеж металлического диска-электрода 13 (фиг.1)
фиг.5 - пример подключения плазмохимического реактора к высоковольтному источнику переменного тока.
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
Плазмокаталитический реактор в соответствии с чертежом (фиг.1) содержит корпус, выполненный в виде коаксиально установленных относительно друг друга внешнего 1 и внутреннего 2 цилиндров с образованием между стенками, выполненными из перфорированного листового металла, свободного пространства, заполненного слоем катализатора 3, а также содержит диэлектрическое основание 4 дискообразной формы с отверстием, выполненным в его центральной части, и диэлектрическую крышку 5. Реактор содержит газоразрядный узел, выполненный из "n" газоразрядных элементов, расположенных, по крайней мере, по одной окружности вдоль стенки внутреннего цилиндра 2 корпуса. Каждый из 6…6 газоразрядных элементов содержит электроды 7…7, 8…8 и трубчатые изоляторы 9…9,, 10…10, причем один из электродов 7…7 выполнен в виде металлического стержня с резьбой по всей его длине и размещен во внутреннем изоляторе 9…9, а другой электрод 8…8 выполнен в виде проволочной спирали и размещен на наружной стенке внутреннего изолятора 9…9, при этом внутренний изолятор 9…9 с первым 7…7 и вторым 8…8 электродами размещают внутри наружного изолятора 10…10. Газоразрядный узел плазмокаталитического реактора также содержит два перфорированных диэлектрических диска, один из которых 11, выполненный с отверстием в центральной части диска, установлен в нижней части корпуса и является держателем газоразрядных элементов 6…6, а другой диск 12 (фиг.3) установлен в верхней части корпуса, является держателем наружных трубчатых изоляторов 10…10 и одновременно ограничивает механические колебания газоразрядного узла внутри корпуса. Кроме того, реактор содержит нижний перфорированный металлический диск-электрод 13 с отверстием, выполненным в центральной части диска (фиг.1, 4), промежуточные стержневые электроды 14 и изоляторы 15 (фиг.1) для электрического соединения газоразрядных элементов, а также элементы 16, 17, 18 подключения реактора к высоковольтному источнику переменного тока.
1
1
1
1
1
На фигуре 2 представлена конструкция одного газоразрядного элемента 6, который содержит электроды 7 и 8 и трубчатые изоляторы 9 и 10.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Электрод 7 выполнен в виде металлического стержня диаметром от 2 до 4 мм с метрической резьбой по всей его длине и размещен во внутреннем изоляторе 9. Внутренний изолятор 9 выполняют с внутренним диаметром 15-20 мм, например, из боросиликатного или кварцевого стекла, толщина стенки составляет 0,7-1,2 мм, длина трубки изолятора составляет 310-900 мм. Другой электрод 8 выполнен в виде проволочной спирали и размещен на наружной стенке внутреннего изолятора 9. Намотку производят с шагом, равным 5-10 мм, диаметр проволоки спирального электрода 8 составляет 0,5-1 мм. Длина намотки электрода 8 на 100 мм меньше, чем длина трубчатого изолятора 9, причем намотку производят таким образом, чтобы крайние витки спирали электрода 8 находились на равном расстоянии от краев трубки изолятора 9. Внутренний изолятор 9 ч с первым 7 и вторым 8 электродами размещают внутри наружного трубчатого изолятора 10. Этот изолятор выполняют с внутренним диаметром 20-25 мм из боросиликатного или кварцевого стекла, толщина стенки составляет 0,7-1,2 мм, длина трубки изолятора 10 составляет 250-840 мм.
1
1
1
Конструкция газоразрядного элемента содержит спиральный электрод 8, выполненный с определенным шагом навивки, что позволяет синтезировать плазму как внутри газоразрядного элемента, так и снаружи, то есть в окружающем пространстве. Кроме того за счет наличия расстояния между витками спирального электрода 8 происходит естественное охлаждение внутреннего изолятора 9 потоком протекающего воздуха. Кроме того, наличие резьбы на одном из электродов обеспечивает необходимую неоднородность электромагнитного поля, а также позволяет значительно увеличить расстояние до диэлектрического барьера от 1-2 мм до 7-8 мм при сохранении интенсивности барьерного разряда.
1
n
Все газоразрядные элементы 6…6 устанавливают, по крайней мере, по одной окружности вдоль стенки внутреннего цилиндра 2 корпуса. Количество газоразрядных элементов и соответственно окружностей варьируется в зависимости от объема очищаемого воздуха и требуемой мощности реактора.
1
n
На фигуре 3 представлен вид сверху на диэлектрический диск 12 (фиг.1) газоразрядного узла, установленный в верхней части газоразрядного узла. Этот диск является держателем наружных трубчатых изоляторов 10…10 и одновременно ограничивает механические колебания газоразрядного узла, выполненного из "n" газоразрядных элементов, внутри корпуса. На фигуре 3, в частности, газоразрядные элементы 6 собраны в виде четырех окружностей ("а"-"d") причем в окружностях "а" и "с" расположены газоразрядные элементы одного диаметра, а в окружностях "b" и "d" расположены газоразрядные элементы другого диаметра, что обеспечивает равномерную плотность разряда по сечению реактора.
Газоразрядный узел содержит также диэлектрический диск 11 с диаметром отверстия 40-80 мм, а также нижний металлический перфорированный диск - электрод 13 (фиг.4), выполненный из нержавеющей стали, диаметр диска-электрода 100-200 мм, толщина 1,5-2 мм, в центральной части диска выполнено отверстие диаметром 40-80 мм.
Промежуточные стержневые электроды 14 (фиг.1) выполнены с метрической резьбой из стальных прутьев диаметром 4-5 мм.
1
n
Кроме того, реактор содержит диэлектрическое основание 4 дискообразной формы с отверстием диаметром 40-80 мм для прохождения воздуха, выполненным в его центральной части и кольцевыми канавками, имеющими ширину 5-10 мм и глубину 5-7 мм. Основание 4 является электрическим изолятором и предназначено для разделения внешнего цилиндра 1 корпуса, находящегося под нулевым потенциалом, и внутреннего цилиндра 2 корпуса, синфазного со стержневыми электродами газоразрядных элементов 6…6 и может быть выполнено, например, из фторопласта, винипласта или другого полимера.
Внешний цилиндр 1 корпуса может быть выполнен из перфорированного стального листа, диаметр цилиндра составляет 200-500 мм, длина цилиндра 400-1000 мм, размеры перфорации 2-3,5 мм при шаге 2-3 мм
Внутренний цилиндр 2 корпуса может быть выполнен из перфорированного стального листа, диаметр цилиндра составляет 100-200 мм, длина цилиндра 400-980 мм, размеры перфорации 2-3,5 мм при шаге 2-3 мм.
Диэлектрическая крышка 5 выполнена в форме диска толщиной 10-15 мм с кольцевыми канавками, выполненными в форме концентрических окружностей, ширина канавок 5-10 мм, глубина - 3-5 мм. Диэлектрическая крышка 5 является изолятором и может быть выполнена из любого полимерного материала, устойчивого к воздействию окисляющих газов, например, из фторопласта или винипласта.
Катализатор 3, заполняющий свободное пространство, образованное стенками внешнего и внутреннего цилиндров корпуса реактора, выбирают в соответствии с характеристиками очищаемого газа.
На фигуре 5 представлен пример подключения плазмокаталитического реактора к высоковольтному источнику переменного тока. В соответствии с чертежом (фиг.5) подключение плазмокаталитического реактора к источнику переменного тока осуществляют через последовательно соединенные преобразователь частоты 19, синус-фильтр 20 и повышающий трехфазный трансформатор 21. При этом входное напряжение составляет 380 вольт, а выходное - 12-15 кВ.
В качестве преобразователя частоты 19 могут быть использованы стандартные преобразователи, имеющие частоту 50-250 гц, фирм Siemens, ABB, Shnyder или аналогичные преобразователи других фирм. Подключение электродов реактора производят таким образом, чтобы каждая из двух фаз трансформатора подключалась к одному из электродных колец (17, 18), а третья фаза к стенке внутреннего цилиндра 2 корпуса (16, фиг.1). Возможно перераспределение подключения электродов так, что третью фазу подключают к одному из электродных колец. В этом случае стенка внутреннего цилиндра 2 корпуса остается свободной, а стенку внешнего цилиндра 1 подключают к земле. Такое подключение позволяет создать электромагнитное поле и разряд как в корпусе реактора так и в газоразрядном узле, что позволяет усилить электроионизационный эффект.
Плазмокаталитический реактор работает следующим образом.
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
-
-
С помощью вентилятора или воздушного насоса (на чертеже не показаны) осуществляют принудительную подачу газовоздушного потока, содержащего вредные, ядовитые, дурно пахнущие или токсичные химические соединения, через входное отверстие в диэлектрическом основании 4. Поток загрязненного воздуха поступает в нижнюю часть реактора, где расширяется и с требуемой скоростью проходит одновременно через газоразрядный узел, содержащий газоразрядные элементы 6…6 (фиг.1, 2) по оси вдоль стержневых электродов 7…7 и перпендикулярно через наружные изоляторы 10…10 и спиральные электроды 8…8 (фиг.2). Одновременно с этим на электроды газоразрядных элементов 6…6 подается высокое напряжение 12-15 кВ переменного тока частотой от 50 Гц до 10 кГц. При подаче на электроды 7…7, 8…8 высокого напряжения с амплитудным значением 12-25 кВ переменного тока на между ними образуется электрическое поле нелинейной формы. При этом на поверхности наружных изоляторов 10…10 возникает скользящий электрический барьерный разряд, который растекается между витками спиральных электродов 8…8, и за счет упорядоченного их расположения, равномерно распределяется по поверхности и имеет очень узкую область затухания (от - 2,8кВ до +2,8 кВ). Свободные электроны, возникающие в плазме разряда, вызывают интенсивную ионизацию газового или воздушного потока, проходящего через сечение газоразрядных элементов 6…6. Все молекулы подвергаются интенсивной бомбардировке электронами, происходит ионизация и деструкция молекул, возникают радикалы ОН, О и другие возбужденные молекулы, которые вступают в химические реакции окисления - восстановления и также разрушают вредные вещества. За счет перекрестного движения потоков воздуха в средней части реактора возникает интенсивное перемешивание и эффект ионизации усиливается. Воздух вытягивается через перфорированные стенки внутреннего 2 и внешнего 1 цилиндров корпуса, между которыми находится катализатор 3, с начальной скоростью 0,3-0,4 м/сек и, по мере прохождения через слой катализатора 3, скорость воздуха замедляется до 0,2-0,3 м/сек. Такое замедленное движение воздуха также способствует увеличению эффективности окисления.
Техническое преимущество предлагаемой конструкции заключается в том, что в ней нет потерь тепла, так как все выделяемое при плазменном разряде тепло непосредственно через стенки корпуса переходит в катализатор, который обладает высокой теплоемкостью, что способствует улучшению каталитической реакции.
Кроме того, в заявляемом техническом решении стенка внутреннего цилиндра 2, образующего корпус, одновременно является электродом, находящимся под потенциалом 12-15 кВ относительно стенки внешнего цилиндра 1 корпуса, что дополнительно усиливает электромагнитные поля между гранулами катализатора и способствует более глубокому разрушению радикалов вредных газов и ионов, образовавшихся в процессе электрохимических реакций, протекающих в газоразрядном узле и тем самым обеспечивает более высокую очистку загрязненного воздуха.
Преимущество заявляемой конструкции полезной модели заключается также в том, что она позволяет осуществлять очистку любых объемов загрязненного воздуха только за счет мультипликации, без каких-либо дополнительных изменений конструкции.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство может быть изготовлено в условиях серийного производства освоенными технологическими методами с использованием существующих материалов и оборудования.
3
3
3
На основе плазмокаталитического реактора была создана и испытана установка очистки газа на объем очищаемого воздуха до 1000 м/час. Испытания проводились на модельной газо-воздушной смеси, содержащей ксилол до 400 мг/м и толуол до 700 мг/м. В качестве катализатора применялся катализатор типа ИКТ Новосибирского завода "Катализатор" для очистки воздуха от органических загрязнителей. В результате испытаний была получена эффективность удаления вредных веществ от 85% до 93%.