Плазмохимический реактор для получения наноуглеродных материалов

(51) 05 1/24 (2006.01) 05 7/18 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Плазмохимический реактор коаксиального типа содержит внешний и центральный цилиндрические электроды, в кольцевом зазоре которых горит электрическая дуга постоянного тока. Вращение дуги и е магнитная фиксация осуществляется с помощью магнитных полей двух соленоидов, один из которых охватывает внешний электрод, а другой расположен внутри центрального электрода. В зону горения дуги подаются плазмообразующий газ и газообразные углеводороды метанового ряда, при высокотемпературном пиролизе которых образуются наноуглеродные материалы. Отличие заявляемого устройства заключается в том, что на выходе из реактора между внутренней поверхностью внешнего электрода и обоймой сопла сформирован кольцевой карман, который может быть соединн с соплом радиальными каналами. Благодаря кольцевому карману осуществляется дополнительная турбулизация плазменных потоков,газообразных реагентов и продуктов их термических реакций. Так же благодаря кольцевому карману увеличивается время пребывания реагентов в горячей зоне, а это вместе с дополнительной турбулизацией газовых потоков ведт к более полному проведению термических превращений реагентов. В варианте плазмохимического реактора выходное сопло со стороны реакционной камеры перекрыто стенкой обоймы сопла и соединено с объемом реактора через кольцевой карман только через радиальные каналы.(72) Голыш Валерий Иванович Лукьященко Валерий Григорьевич Мессерле Владимир Ефремович Умбеткалиев Куаныш Аскарович Устименко Александр Бориславович Шевченко Виктор Николаевич(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Научноисследовательский институт экспериментальной и теоретической физики Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Казахский национальный университет им. аль-Фараби Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ(57) Предполагаемое изобретение относится к устройству преобразования электрической энергии в тепловую с помощью электродугового разряда в реакционной камере реактора и может быть использовано для проведения плазмохимических реакций газообразных реагентов, главным образом,для получения наноуглеродных материалов в форме наноуглеродных кластеров и других наноуглеродных частиц,из газообразных углеводородов. 23664 Изобретение относится к устройству преобразования электрической энергии в тепловую с помощью электродугового разряда в реакционной камере реактора и может быть использовано для проведения плазмохимических реакций газообразных реагентов, главным образом, для получения наноуглеродных материалов в форме наноуглеродных кластеров и других наноуглеродных частиц,из газообразных углеводородов. Известен плазменный реактор постоянного тока(Мессерле В.Е., Устименко А.Б., Осадчий С.Ф.,Умбеткалиев К.А., Жумабаев М.Р. Газификация угля в паровой и воздушной плазме // Горение и плазмохимия, Том 2,2, 2004, с. 147-160.),основное назначение которого - нагрев и газификация углей, содержащий стержневой центральный и кольцевой графитовые электроды,крышку реактора, с размещенными на ней устройствами подачи центрального электрода и реагентов,электромагнитную катушку,охватывающую корпус реактора в области горения дуги и диафрагму вывода продуктов реакции. Плазменный реактор работает следующим образом. На электроды реактора и на электромагнитную катушку подают напряжение. В реакционную камеру со стороны его крышки податся небольшое количество плазмообразующего газа, например воздуха, затем с помощью устройства поджига дуги, установленного со стороны корпуса реактора осуществляется механическое кратковременное замыкание между электродами. Возбуждается электрическая дуга, которая начинает вращаться под действием силы взаимодействия тока дуги с магнитным полем, создаваемым электромагнитной катушкой. Через устройства ввода реагентов на крышке в реактор вводится угольная пыль с необходимым количеством газа-окислителя,например воздуха,являющегося и плазмообразующим газом. Пылеугольный поток(угольокислитель) нагревается до высокой температуры, взаимодействуя с вращающейся в магнитном поле электрической дугой, образуя двухфазный плазменный поток, в котором в основном и происходит процесс газификации угля. Продукты газификации выводятся из реактора через диафрагму, расположенную в дне реактора. В данном реакторе была достигнута высокая степень газификации угля, достигающая при плазмообразующем газе (воздухе) 95 . К недостаткам реактора можно отнести наличие износа графитовых электродов и потерю устойчивости горения дуги при вводе газообразных углеводородов в количествах, соответствующих удельным энергозатратам на их термический пиролиз и вводимой мощности в реактор с учтом его термического КПД. При термическом пиролизе газообразных углеводородов выделяется водород,который является высокоэнтальпийным газом, что и отражается на характере горения дуги, снижая ее устойчивость. Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому устройству по 2 совокупности признаков является плазмотрон с усиленной радиальной составляющей магнитного поля, описанной в книге Ясько О.И. Электрическая дуга в плазмотроне // Минск, изд. Наука и техника. 1977. - с. 62-65., который принят за прототип. Плазмотрон с усиленной радиальной составляющей магнитного поля является плазмотроном коаксиального типа и содержит наружный и внутренний электроды, газоподвод, сопло и два соленоида, один из которых охватывает наружный электрод, а второй, расположенный во внутреннем электроде, служит одновременно токоподводом и соединн последовательно с дугой. Полярность электродов и направление намотки соленоидов выбрано таким образом, чтобы направления радиальных составляющих магнитного поля обеих магнитных катушек совпадали. Усиление радиальной составляющей магнитного поля за счт размещения второго соленоида во внутреннем электроде позволяет повысить устойчивость горения дуги в кольцевом зазоре плазмотрона. Изменение полярности электродов, то есть внутренний электрод - положительный и является анодом, а наружный электрод - отрицательный и является катодом, так же обеспечивает устойчивое горение дуги в широком диапазоне изменения магнитной индукции, тока и расхода газа Ясько О.И. Электрическая дуга в плазмотроне // Минск,изд. Наука и техника. 1977. -с. 62-65. К недостаткам указанного плазмотрона можно отнести наличие небольшого реакционного объма,а ограниченное время пребывания реагентов в высокотемпературной зоне может привести к неполноте осуществления термохимических реакций,например пиролиза газообразных углеводородов. В основу предполагаемого изобретения положена задача интенсификации, нагрева и перемешивания реагентов за счт дополнительной их турбулизации в горячей зоне плазмотрона плазмохимического реактора, что в основном может быть использовано для получения наноуглеродных материалов в форме наноуглеродных кластеров и других наноуглеродных частиц путм пиролиза газообразных углеводородов. Для достижения технического результата предлагается плазмохимический реактор коаксиального типа, содержащий внутренний и внешний цилиндрические электроды, устройство поджига дуги,устройства подачи плазмообразующего газа и газообразных реагентов,сопло и два соленоида (электромагнитные катушки), один из которых расположен снаружи внешнего электрода, а второй внутри внутреннего электрода, в котором согласно изобретению, между обоймой сопла и внутренней поверхностью внешнего электрода формируется кольцевой карман. Наличие кольцевого кармана способствует турбулизации плазменных струй и более эффективному процессу нагрева и пиролиза газообразных углеводородов. В процессе работы плазмохимического реактора часть наноструктурированного технического углерода 23664 выносится через сопло, а меньшая часть оседает в кольцевом кармане и постепенно забивает его, что требует периодической очистки кольцевого кармана с остановкой реактора. Для предотвращения забивания кольцевого канала техническим углеродом (сажей), в предпочтительном варианте в обойме сопла расположены радиальные каналы, соединяющие это сопло с кольцевым каналом. Большей турбулизации потоков плазмы и увеличения времени пребывания реагентов в горячей зоне можно добиться перекрытием выходного центрального сопла со стороны реакционной камеры. При этом нагретые газообразные продукты вместе с техническим углеродом выносятся наружу из реакционного объма реактора только через радиальные каналы,соединяющие кольцевой карман с соплом. В предпочтительном варианте торец внутреннего электрода изготовлен из магнитной стали и выполняет роль концентратора магнитного поля, что несколько увеличивает величину радиальной составляющей этого поля, а это положительно влияет на устойчивость горения дуги. Стоит отметить, что пары металла, например,с медных поверхностей электродов и с магнитной стальной поверхности концентратора магнитного поля так же участвуют в термохимических процессах,происходящих в реакторе. В экспериментах на плазмохимическом реакторе с медными электродами и стальным магнитным концентратором были получены наноструктуры углерода, содержащие ферромагнитную медь, что дат предпосылки для получения новых уникальных композиционных материалов. Повысить устойчивость горения дуги возможно в плазмохимическом реакторе с обратной полярностью, то есть внутренний электрод является положительным -анодом, а внешний - катод подключн к отрицательному полюсу источника электропитания. Для уменьшения напряжения пробоя осциллятором при поджиге дуги во воемя запуска плазмотрона между электродами в верхней части предпочтительно устанавливается кольцевой пусковой электрод, который через осциллятор и ограничивающее ток балластное сопротивление подключн к одному из полюсов источника электропитания. При получении наноструктурированного технического углерода из газообразных углеводородов при их термическом пиролизе в плазмохимическом реакторе,например с плазмообразующим газомазотом, в реакционной камере реактора создатся восстановительная среда,что позволяет изготовлять обойму сопла с радиальными каналами из графита. Графитовый материал в восстановительной среде выдерживает температуру без разрушения не менее 4000 К. На фиг. 1 изображена схема плазмохимического реактора с дополнительным третьим пусковым электродом, со стальным магнитным торцевым концентратором магнитного поля и соплом, в обойме которого выполнены радиальные каналы. На фиг. 2 изображена обойма сопла, которое перекрыто со стороны реакционной камеры стенкой и соединено с объмом этой камеры через кольцевой карман только радиальными каналами. Плазмохимический реактор коаксиального типа содержит внешний 1 и внутренний 2 электроды. В верхней части между элекпродами 1 и 2 может быть расположен дополнительный кольцевой пусковой электрод 3. Внутри центрального внутреннего электрода 2 находится электромагнитная катушка соленоид 4, включнный последовательно в цепь тока дуги 6. Второй соленоид 5 охватывает внешний электрод 1 и может быть подключн как последовательно в цепь тока дуги 6, так и к отдельному источнику электропитания. На выходе плазмохимического реактора расположена обойма 7 сопла 8, которая с внутренней поверхностью электрода 1 образует кольцевой карман 9. Кольцевой карман 9 может быть соединн с выходным соплом 8 через радиальные каналы 10. Сопло 8 может быть перекрыто со стороны реакционной камеры стенкой 11 обоймы 7 сопла 8(фиг. 2). При этом реакционный объм плазмохимического реактора соединн с выходным соплом 8 только через кольцевой карман 9 и радиальные каналы 10. Внешний электрод 1 и внутренний электрод 2 могут быть выполнены медными, при этом торец внутреннего электрода 2 может быть закрыт магнитным концентратором 11, изготовленным из магнитной стали. Все теплонапряжнные узлы реактора выполнены водоохлаждаемыми. Новым элементом устройства являются кольцевой карман 9 на выходе реакционной камеры плазмохимического реактора,образованный обоймой 7 сопла 8 и внутренней поверхностью внешнего электрода 1. В обойме 7 могут быть выполнены радиальные каналы 10, причм сопло 8 может быть перекрыто стенкой 11 обоймы 7. Также новым элементом является магнитный стальной концентратор магнитного поля 11, закрывающий торец внутреннего электрода 2. В плазмохимическом реакторе электрическая дуга 6 горит б реакционной камере, ограниченной стенками внешнего электрода 1, внутреннего электрода 2 и обоймой сопла 7. На электроды реактора податся напряжение от трхфазного управляемого выпрямителя (схема электропитания реактора на фиг. 1, 2 не показана). Поджиг дуги осуществляется электрическим пробоем зазора между электродами на входе реактора с помощью осциллятора. Причм дуга может инициироваться искровым разрядом как между электродами 1 и 2,так и между внешним электродом 2 и дополнительным пусковым электродом 3. Зазор между электродами 1 и 2 больше, чем между пусковым электродом 3 и электродом 2,поэтому высокое напряжение искрового пробоя промежутка во втором случае меньше, что упрощает схему электропитания. На входе реактора 3 23664 организована подача плазмообразующего газа,предпочтительно азота,и углеводородов метанового ряда. Осевым потоком этих газов дуга 6 сносится в рабочую зону реакционной камеры реактора, где и горит в кольцевом зазоре между наружным 1 и внутренним 2 электродами. Взаимодействие тока дуги с осевой составляющей магнитного поля приводит к возникновению силы, действующей на ток дуги,под действием которой электрическая дуга 6 вращается в кольцевом зазоре между электродами 1 и 2. Поскольку форма дуги 6 близка к эвольвенте круга вектор плотности тока направлен под некоторым углом к радиусу. Следовательно,плотность тока имеет как радиальную, так и азимутальную составляющие. Азимутальная составляющая тока при взаимодействии с радиальной составляющей магнитного поля дат силу, направленную вдоль оси электродов, а эта сила стремится втянуть дугу под центр соленоида 5. Для улучшения электромагнитной фиксации участка дуги 6, примыкающего к внутреннему электроду 2, внутри него располагается второй соленоид 4. Для дополнительного увеличения радиальной составляющей магнитного поля служит магнитный концентратор 11, изготовленный из магнитной стали. Основной нагрев газообразных реагентов происходит в кольцевом зазоре рабочей зоны, вращающейся электрической дуги, а полноту термохимических реакций пиролиза газообразных углеводородов с образованием наноструктурированного технического углерода обеспечивает дополнительная турбулизация горячих газов в реакционной камере реактора за счт кольцевого кармана 9, образованного между электродом 1 и обоймой сопла 7. Для предотвращения забивания кольцевого кармана 9 продуктами пиролиза - мелкодисперсной сажей, в обойме 7 сопла 8 выполнены радиальные каналы 10. Для дополнительной турбулизации горячих потоков и увеличения времени пребывания реагентов в горячей зоне реактора сопло 8 на выходе из реактора перекрывается стенкой 11. Радиальные каналы 10 располагаются симметрично по окружности обоймы 7. Потоки газов из сопла 8 вместе с частичками наноструктурированного технического углерода направляются в закалочное устройство, которое на фиг. 1, 2 не показано. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Плазмохимический реактор коаксиального типа для получения наноуглеродных материалов, содержащий внешний и внутренний цилиндрические электроды, два соленоида, один из которых расположен снаружи внешнего электрода,а второй располагается вдоль внутренней поверхности внутреннего электрода, устройство поджига электрической дуги, устройства подачи плазмообразующего газа и газообразных реагентов и сопло истечения плазмы, отличающийся тем, что между обоймой сопла и внутренней поверхностью внешнего электрода имеется кольцевой карман. 2. Плазмохимический реактор по п. 1,отличающийся тем, что кольцевой карман соединн с выходным соплом радиальными каналами. 3. Плазмохимический реактор по п.1, 2,отличающийся тем, что выходное сопло со стороны реакционной камеры перекрыто стенкой обоймы сопла и соединено с объемом реактора через кольцевой карман только через радиальные каналы. 4. Плазмохимический реактор по пп.1, 2, 3,отличающийся тем, что торец внутреннего электрода выполнен из магнитной стали. 5. Плазмохимический реактор по пп.1, 2, 3,4, отличающийся тем, что между внутренним и внешним электродами расположен дополнительно третий пусковой кольцевой электрод. 6. Плазмохимический реактор по пп.1, 2, 3,4, 5, отличающийся тем, что реактор имеет обратную полярность, то есть внутренний электрод является положительным - анодом, а внешний отрицательный - катодом. 7. Плазмохимический реактор по пп.1, 2, 3, 4, 5,6, отличающийся тем, что обойма сопла с радиальными каналами, стенки которой со стенками внешнего электрода образуют кольцевой карман, изготовлена из графита.