Устройство для получения химических соединений

 

Изобретение относится к химии и может быть применено для высокоскоростного получения химических соединений в газовой фазе, когда синтез этих соединений в обычных условиях затруднен. Сущность изобретения: устройство для получения химических соединений содержит прямоугольный реактор с двумя соосно размещенными оптически прозрачными окошками на его противоположных концах, штуцер ввода исходной смеси, штуцер вывода целевого продукта, два источника когерентного светового излучения с лампами накачки и активными щелями, оптически непрозрачные диафрагмы, выдвижные инжекторы. 2 ил.

Изобретение относится к химии, позволяет повысить скорость протекания химических реакций при получении химических соединений и может быть применено в химической промышленности, приборостроении и радиоэлектронике для высокоскоростного получения химических соединений в газовой и твердых фазах, синтез которых в обычных условиях затруднен.

Известен аппарат (устройство), реализованный в способе получения химических соединений в виде растворов и представляющий из себя электролизер, содержащий окошки из оптически прозрачного материала, источник когерентного светового излучения, примыкающий активным торцом к одному из соосных окошек [1] Недостатком этого аппарата (устройства) является малая скорость получения химических соединений в расчете на выход у целевого продукта на единицу площади поперечного сечения электролизера в единицу времени, что обусловлено протеканием процесса разделения (получения целевого продукта) в жидкой фазе.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для получения химических соединений, содержащее горизонтальный цилиндрический корпус со сферическими днищами, имеющими отверстия, источники излучения, закрепленные перед отверстиями в днищах напротив друг друга, установленные внутри корпуса напротив отверстий перегородки и штуцеры ввода исходной смеси компонентов и вывода целевого продукта [2] Цель изобретения повышение скорости протекания химических реакций в газовой фазе за счет высокотемпературного и резонансно-возбуждающего воздействия когерентного излучения на исходные компоненты.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для получения химических соединений, общий вид; на фиг.2 приведен экспериментальный график зависимости выходов по веществу у целевого продукта-тетрафторэтилена, выраженных в процентах (значения процентов указаны на оси ординат, т.е. на оси Y), от отношения в заявляемом устройстве диаметра оптически непрозрачных диафрагм к диаметру круглой щели источников когерентного светового излучения. График построен на основании данных опытов, приведенных в примерах 1-3.

Устройство для получения химических соединений содержит прямоугольный реактор 1 с двумя соосно размещенными оптически прозрачными окошками 2,3 на его противоположных концах, штуцер 4 ввода исходной смеси газообразных компонентов, подаваемых в реактор 1 через трубки 5,6 с кранами, штуцер 7 вывода целевого продукта с краном на нем, по меньшей мере два источника 8,9 когерентного светового излучения с лампами 10,11 накачки, активными торцами с круглыми щелями 12, 13, которые размещены соосно и встречно направлены относительно друг друга под углом 180^о, соосно размещенные относительно друг друга и относительно щелей 12, 13 круглые оптически непрозрачные диафрагмы 14, 15, находящиеся между щелью 12 и окошком 2 и между щелью 13 и окошком 3, причем диаметры диафрагм 14, 15 одинаковы и меньше диаметра щелей 12, 13, составляя от 0,5 до 0,9 части диаметра щели, ограниченный когерентным излучением объем 16 (на фиг.1 границы объема 16 обозначены сплошной ромбовидной линией), сформированный в работающем устройстве по меньшей мере одной парой встречно направленных взаимоперекрывающих друг друга самофокусированных пучков 17, 18 когерентного светового излучения, имеющих фокусы 19, 20, выдвижные инжекторы 21, 22 полусферической формы, направленные вогнутой полусферой соосно фокусам 19, 20 соответственно, причем впускаемая через них в объем 16 смесь исходных компонентов-газов истекает из шин их отверстий кольцеобразной формы в околофокусную высокотемпературную плазму, образованную пучками когерентного светового излучения, замкнуто ограничивающими со всех сторон объем 16, причем инжектора, выполненные с возможностью их выдвижения, позволяют направлять исходную смесь компонентов на тот или иной нужный участок плазмы с заранее известной температурой, необходимой для проведения с повышенной скоростью химической газовой реакции между газообразными компонентами с образованием нового целевого продукта. С этой целью ромбовидные участки плазмы объема 16 предварительно температурно калибруются путем помещения спая термопары в плазму в ее равноудаленные друг от друга точки и впуск исходной смеси газов осуществляют в те участки плазмы, которые обладают необходимой для проведения газовой реакции оптимальной температурой. На задней внутренней стенке реактора 1 на фоне объема 16 помещена линейная шкала с указанием температур, соответствующих делениям шкалы участков когерентного излучения объема 16.

На лицевой стороне реактора 1 имеется герметичное смотровое окно из кварцевого стекла, размещенное напротив объема 16 (на фиг.1 для ее разгрузки смотровое окно, линейная шкала и герметичная верхняя крышка реактора не показаны). На верхней стороне реактора 1 размещена герметично закрываемая крышка, закрывающая отверстие, через которое вводят термопару при предварительной калибровке участка плазмы объема 16.

Известно, что если мощность лазера превысит критическую Р_кр, то его пучок станет уже не параллельным, а начнет сжиматься к оси, сечение уменьшится, плотность потока мощности подскочит вверх, коэффициент преломления среды еще более увеличится, что, в свою очередь, еще сильнее сожмет пучок и произойдет самофокусировка пучка когерентного светового излучения, причем размеры образовавшегося фокуса сравнимы с длиной волны и при этом плотность потока мощности возрастает в сотни миллионов раз.

В заявляемом устройстве в качестве среды, в которой осуществляют проведение газовых реакций, используется воздух. Однако, в отличие от многих других сред, луч лазера не может увеличить коэффициент преломления, а наоборот, лишь уменьшает. Поскольку бороться с явлением невозможно, остается одно обратить его себе на пользу: вместо того, чтобы пытаться увеличить преломление вблизи оси луча, надо просто уменьшить его на периферии, то есть, сделать луч трубчатым, для чего достаточно поставить на его оси непрозрачную диафрагму (см. статью "Лазерную самофокусировку.откроем сами". "Техника молодежи", N 2, 1989, с.15-19, рис.4). Тогда изменение коэффициента преломления от периферии к оси окажется положительным, а только это и нужно для самофокусировки. Этот принцип самофокусировки путем применения оптически непрозрачной диафрагмы на оси луча когерентного светового излучения использован в предлагаемом устройстве для получения химических соединений для самофокусировки пучка когерентного светового излучения.

Устройство работает следующим образом.

Продувают реактор азотом. При закрытых кранах трубок 5,6 и герметично закрытой верхней крышке емкости-реактора 1 и открытом штуцере 7 включением ламп 10, 11 накачки вводят в рабочий режим источники 8,9 когерентного светового излучения, имеющие резонансную частоту излучения в отношении молекул компонентов исходной газовой смеси. Затем подают в объем 16 реактора 1 через трубки 5, 6 путем открытия их кранов исходные газовые компоненты, впускаемые в объем 16 в стехиометрическом соотношении по отношению друг к другу. Вследствие самофокусировки пучков когерентного светового излучения и их взаимного перекрывания с образованием объема 16, ограниченного со всех сторон когерентным световым излучением, оптические плотности когерентного излучения у вершин конусов имеют особенно высокие значения и температуры, что в сочетании с резонансным воздействием этого излучения на компоненты X,Y обеспечивает проведение химических реакций в газовой фазе с повышенной скоростью: газовые компоненты, пройдя через высокотемпературную плазму объема 16, вступают в интенсивно протекающую с большой скоростью химическую реакцию и из плазмы объема 16 наружу ее выходит уже целевой продукт результат взаимодействия исходных компонентов в устройстве. Таким образом, скорость химической реакции газовой смеси резко возрастает относительно прототипа благодаря одновременному высокотемпературному и резонансному воздействию когерентного светового излучения с высокой оптической плотностью, что обеспечивается благодаря применению отличительных признаков формулы изобретения предлагаемого устройства.

Прореагировавшая смесь газов в виде целевого продукта, выйдя из реактора 1 через штуцер 7, попадает в емкость-приемник (на фиг.1 не показана) для дальнейшего прямого использования целевого продукта или для его последующего временного хранения.

Щели источников когерентного светового излучения направлены навстречу друг другу под углом 180^о потому, что только при таком угле достигают наиболее полного взаимного перекрывания концов пучков когерентного излучения, что создает наиболее благоприятные условия для ускоренного протекания реакции в плазме объема 16. При угле 180^о вся масса исходных компонентов проходит сквозь плазму объема 16 при обеспечении одинаковых технических условий протекания химической реакции.

Выключение заявляемого устройства производят в следующей последовательности: перекрывают краны трубок 5, 6 и кран емкости-приемника, прекращая впуск исходных компонентов Х,Y в реактор 1 и изолируя емкость-приемник. Затем включают лампы 10,11 накачки с источниками 8,9 когерентного светового излучения.

Оптимальные параметры заявляемого устройства следующие.

Размеры торцовых стенок реактора 10х10 см, длина реактора 250-300 см; диаметр активной части торца источника когерентного светового излучения 5,0 см; два одинаковых газовых углекислотных источника непрерывного когерентного светового излучения с лампами накачки (на фиг.1 показаны зигзагообразной линией), примененных в устройстве, имеют плотность мощности светового пучка на выходе из активного торца этого источника 10-15 Вт/см² при длине резонансной волны 9-11 мкм; мощность светового пучка на входе в реактор составляет 0,2-0,3 кВт; скорость пропускания смеси исходных компонентов газовой смеси через реактор составляет 6-7 см³/с; размещенные на круглых щелях соосно им оптически непрозрачные круглые диафрагмы имеют диаметр от 0,5 до 0,9 части диаметра щели; активные торцы источников когерентного светового излучения направлены навстречу друг другу под углом 180^о. Габариты и другие параметры устройства для промышленного применения могут значительно превышать указанные оптимальные параметры. Устройство поддается полной автоматизации.

Анализ данных, приведенных на фиг. 2, показывает, что оптимальными диаметрами оптически непрозрачных диафрагм на щелях являются диаметры от 0,5 до 0,9 части диаметра щели, так как при этих отношениях достигают наиболее высоких выходов целевых продуктов по веществу, то есть оптимальным является интервал отношений, заявленный в формуле изобретения настоящей заявки.

Выше значений 0,95 (в формуле изобретения заявляемый предел округлен до отношения 0,9) технически трудно точно соосно сцентрировать диафрагмы, соосные окошки и круглые щели источников когерентного светового излучения, поэтому верхний предел отношения в формуле изобретения указан равным 0,9. В то же время диаметр непрозрачных диафрагм не может равняться диаметру щели, то есть быть равным 1,0, так как в этом случае когерентное излучение полностью блокируется, а ниже значения 0,5 происходит резкое уменьшение активной площади плазмы вследствие уменьшения размеров околофокусного конуса излучения, что вызывает резкий спад выхода целевого продукта по веществу.

Необходимость наличия взаимоперекрывающих друг друга пучков когерентного светового излучения обусловлена тем, что это необходимо для создания объема 16, замкнуто ограниченного высокотемпературной плазмой, благодаря чему реализуется заявляемое устройство. В случае наличия только одного конуса возможна утечка исходной смеси компонентов через низкотемпературные участки пучка излучения, вследствие чего протекание реакции практически затормаживается при прохождении смеси через такие участки.

П р и м е р 1. Габариты реактора: размер торцевых стенок 10х10 см, длина реактора 275 см. Отношение диаметра оптически непрозрачных круглых диафрагм к диаметру щели составило 0,9. Остальные параметры заявляемого устройства аналогичны вышеприведенным параметрам, то есть мощность потока на входе в реактор составила 0,2-0,3 кВт, длина резонансной волны источников непрерывного когерентного светового излучения 9-11 мкм. Скорость пропускания смеси исходных компонентов газовой смеси 7 см³/с. Состав исходной газовой смеси, вводимой изнутри активного объема на удалении 0,25 части межфокусного расстояния от каждого из двух фокусов излучения: этилен и газообразный фтор, взятые в стехиометрическом соотношении в расчете на целевой продукт тетрафторэтилен. При однократном пропускании газовой смеси через реактор получен целевой продукт тетрафторэтилен с 95%-ным выходом по веществу, а при повторном пропускании через реактор со 100%-ным выходом по веществу.

При сопоставимых с заявляемым условиях проведения опытов в прототипе скорость получения целевого продукта тетрафторэтилена, выраженная в получении целевого продукта в см³/мин, была в 86 раз ниже скорости получения целевого продукта в заявляемом устройстве и составила: в прототипе 4,6 см³/мин, а в заявляемом 400 см³/мин (в прототипе получение тетрафторэтилена производилось путем его выделения из газовой смеси, состоящей аналогично опытам в заявляемом, из этилена, фтора, и добавкой в исходную смесь соответствующего количества целевого продукта тетрафторэтилена, взятых в тех же количествах и стехиометрическом соотношении, как и в опытах в заявляемом устройстве).

П р и м е р 2. Условия проведения опытов были аналогичны условиям примера 1, но отношение в заявляемом устройстве диаметра оптически непрозрачных круглых диафрагм к диаметру щели составило 0,7 в одном случае и 0,5 в другом случае.

При однократном пропускании исходной смеси газов, аналогичной исходной смеси примера 1, через реактор получен целевой продукт тетрафторэтилен: в первом случае с 92%-ным выходом по веществу, а во втором случае с 88%-ным выходом по веществу. При повторном пропускании через реактор в обоих случаях со 100%-ным выходом по веществу.

При сопоставимых условиях проведения опытов в прототипе скорость получения целевого продукта была в первом случае в 84 раза ниже скорости получения целевого продукта в заявляемом устройстве, а во втором случае в 82 раза и составила 4,5 см³/мин в прототипе и 380 см³/мин в заявляемом в первом случае и 370 см³/мин во втором случае (в прототипе производилось получение химических соединений путем разделения смеси газов, аналогичной по составу смеси примера 1 для заявляемого устройства с добавкой в эту смесь соответствующего количества целевого продукта).

П р и м е р 3. Условия проведения опытов аналогичны примеру 1, но отношение в заявляемом устройстве диаметра оптически непрозрачных круглых диафрагм к диаметру щели составило 0,4 в одном случае и 0,95 в другом.

При однократном пропускании исходной смеси газов через реактор получен целевой продукт тетрафторэтилен: в первом случае с 76%-ным выходом по веществу, а во втором случае с 96%-ным выходом по веществу. При сопоставимых условиях проведения опытов в прототипе скорость получения целевого продукта была в 78 раз ниже скорости получения целевого продукта в заявляемом устройстве в первом случае и в 98 раз во втором случае и составила: 4,1 см³/мин в прототипе, 319 см³/мин в заявляемом устройстве в первом случае, 403 см³/мин во втором случае.

Применение нерезонансного когерентного светового излучения в примерах 1 3 вместо резонансного снизило в заявляемом выход целевого продукта по веществу на 15-20% Как видно из примеров 1 3, при оптимальных условиях проведения опытов скорость получения химических соединений в заявляемом устройстве по сравнению с прототипом увеличилась в 82-86 раз.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, содержащее горизонтальный цилиндрический корпус со сферическими днищами, имеющими отверстия, напротив которых снаружи закреплены камеры с щелями и источниками излучения, установленными напротив щелей, а изнутри круглые диафрагмы и штуцеры для ввода компонентов и вывода готового продукта, отличающееся тем, что, с целью повышения скорости протекания химических реакций в газовой фазе за счет высокотемпературного и резонансно-возбуждающего воздействия излучения, диафрагмы выполнены оптически непрозрачными с диаметром 0,5 0,9 диаметра щели, а штуцеры ввода компонентов в виде подвижно установленных инжекторов, размещенных между фокусами двух излучаемых пучков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2