Плазмоструйный реактор

 

Изобретение относится к плазмохимической технике и предназначено для химико-термического разложения жидких реагентов. Плазмоструйный реактор содержит плазменный генератор, реакционную камеру с форсунками, для каждой из которых в корпусе реактора выполнены каналы однонаправленного тангенциального обдува с выходом под срез форсунок и каналы спутно-поперечного тангенциального обдува распыленных реагентов. Каждая форсунка снабжена дополнительным щелевым соплом обдува, расположенным коаксиально форсунке, при этом внутренний диаметр кольцевой щели дополнительного сопла выполнен превышающим в 8-10 раз диаметр выходного отверстия форсунки. Изобретение позволяет в 3-4 раза увеличить ресурс непрерывной работы и тем самым повысить производительность на 30-40%. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к плазмохимической технике, в частности к устройствам химико-термического разложения жидких реагентов для получения порошков оксидов, нитридов и карбидов.

Известен плазмоструйный реактор, содержащий плазменный генератор, реакционную камеру с форсунками для подачи в поток плазменной струи распыленного жидкого раствора реагента, с приемником твердого продукта и патрубком вывода пылепарогазовой смеси в торцевой части реакционной камеры. Частицы твердого остатка, образующиеся в реакторе после испарения капель растворителя, могут некоторое время находиться в жидком, полужидком или в пластичном состоянии, когда их адгезия к стенкам реакционной камеры велика. Вследствие этого на стенках образуется налет, который растет иногда до полного перекрытия рабочего пространства камеры. Кроме того, струи распыляемых в реактор жидких реагентов создают, за счет эффекта эжекции, разрежение в прикорневой области факелов распыления, что усиливает рециркуляцию потоков в реакционном пространстве, способствует образованию наростов конденсированных продуктов по периметру выходных сечений сопел форсунок и приводит к нарушению режима распыления. В результате, из-за вынужденных остановок, необходимых для зачистки поверхностей от наростов, сокращается производительность реактора (Туманов Ю. Н. Низкотемпературная плазма и высокочастотные электромагнитные поля в процессах получения материалов для ядерной энергетики. -М:, Энергоатомиздат, 1989, с.135-136, рис. 4.4).

Известен плазмоструйный прямоточный реактор, взятый за прототип, включающий плазменный генератор, реакционную камеру с форсунками (симметрично расположенными относительно ее оси) для спутно-поперечного распыления реагентов, оснащенную системой каналов внутреннего вихревого обдува реакционной камеры и патрубком выхода продукта, при этом каналы выполнены по касательной к внутренней поверхности реакционной камеры. Вихревой обдув введен с целью защиты стенок реакционной камеры от отложений твердой фазы на ее стенках, при этом газ на вихревой обдув вводится по касательным к стенкам реакционной камеры. Как и в предыдущем устройстве, в данном реакторе также имеется тенденция к зарастанию сопел форсунок, поэтому также требуются остановки для их очистки. Кроме того, из-за неравномерного распределения температур в сечении реакционного канала, в нем создаются зоны рециркуляции, что приводит к неоднородности гранулометрических характеристик получаемого целевого продукта. Для защиты поверхности реакционного канала по всей длине требуется большой расход газа, что усложняет эксплуатацию реактора. Так, для снижения тепловых потерь приходится использовать рекуперацию тепла для нагрева газа, подаваемого на обдув, а для поддержания постоянных газодинамических условий в реакторе - повышать мощность насосов на выходной части технологической магистрали установки (см. Сурис А.Л. Плазмохимические процессы и аппараты. -М:, Химия, 1989, с. 49).

Задачей изобретения является увеличение производительности плазмоструйного реактора за счет сокращения количества его остановок, необходимых для зачистки поверхностей реакционной зоны от отложений. Задача решается тем, что в плазмоструйном реакторе, включающем реакционную камеру с форсунками для распыления реагентов, оснащенную системой каналов вихревого обдува, каждая форсунка снабжена дополнительным щелевым соплом обдува, расположенным коаксиально форсунке, при этом внутренний диаметр кольцевой щели дополнительного сопла в 8-10 раз превышает диаметр выходного отверстия форсунки, наружный диаметр щели сопла выбирается из условия равенства скоростей газового и газокапельного потоков на выходе из дополнительных сопел и форсунок; кроме того, для каждой форсунки в корпусе реактора выполнены каналы однонаправленного тангенциального обдува с выходом под срез форсунок и каналы спутно-поперечного тангенциального обдува потока распыленных реагентов, при этом осевые линии форсунок и проекции осевых линий каналов спутно-поперечного обдува на плоскость осевой симметрии реакционной камеры пересекаются в одной точке.

На фиг.1 показан общий вид реакционной камеры; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - узел Б на фиг.1 (форсунка и дополнительное сопло).

Плазмоструйный реактор (фиг.1) состоит из плазменного генератора 1, цилиндрической реакционной камеры 2 с пневматическими форсунками внутреннего смешения 3, системой тангенциальных каналов 4, 5, приемником твердого продукта 6 и выходным патрубком 7. Форсунки 3 снабжены дополнительными соплами обдува 8 (фиг.3), выполненными в виде кольцевых щелей, коаксиальных форсункам, при этом внутренний диаметр кольцевых щелей дополнительных сопел 8 в 8-10 раз превышает диаметр выходных сечений форсунок.

Каналы 9 форсунок 3 и дополнительные сопла обдува 8 служат для подачи газа от общего газового коллектора 10, а ширина щелей сопел 8 выбрана из условия равенства скоростей потоков на выходе из сопел 8 и форсунок 3. Оси каналов 4 и 5 расположены в вертикальных плоскостях, параллельных оси реакционной камеры. Образующие поверхности каналов 4 вихревого обдува являются касательными к кольцевым линиям, ограничивающим выходные сечения кольцевых щелей дополнительного обдува 8 соответствующих форсунок 3. Каналы спутно-поперечного обдува 5 выполнены так, что осевые линии форсунок и проекции осевых линий каналов спутно-поперечного обдува на плоскость осевой симметрии реакционной камеры пересекаются в одной точке.

Реактор работает следующим образом.

После включения плазмогенератора 1 и прогрева реакционной камеры 2 подается газ в систему тангенциальных каналов 4 и 5, в форсунку и в сопла дополнительного обдува 8, затем подается раствор реагентов на распыление через форсунки 3. Газ, подаваемый в сопла дополнительного обдува 8, компенсирует падение давления в прикорневой области факелов распыления, в результате чего уменьшается заброс капель и частиц продукта на поверхности реакционной камеры, примыкающие к этой области. Кроме того, наличие дополнительного обдува из сопел 8, в большинстве случаев, предотвращает образование наростов вокруг выходных отверстий форсунок, прочно сцепляющихся с прилегающей поверхностью, так как в результате срыва защитного потока на срезе сопла дополнительного обдува 8, кольцевая поверхность оказывается под его защитой. Но и в возможных случаях начала образования наростов (например, при получении сравнительно легкоплавких порошков), они, не достигая размеров, нарушающих распыление, обрушиваются под воздействием защитного потока из сопла 8 и попадают в приемник твердого продукта 6. Это обеспечивается значением меньшего диаметра кольцевой щели 8, в 8-10 раз превышающим диаметр выходного сечения сопла 3. Практические испытания показали, что при меньших значениях диаметра кольцевой щели защитный и газокапельный потоки интенсивно смешиваются непосредственно в корневой области факела распыления, и рост отложений происходит в наружной области сопел дополнительного обдува. При значениях внутреннего диаметра кольцевой щели, более чем в 10 раз превышающих диаметр выходного сечения форсунок, эффективность защитного потока из сопел 8 снижается, и вокруг устьев форсунок начинают образовываться наросты, нарушающие режим распыления реагентов. Выбор ширины щели 8, обеспечивающей равенство значений скоростей защитного и газокапельного потоков, снижает их взаимное проникновение и уменьшает выход частиц в наружную область результирующего потока в верхней части камеры.

Однако ниже, по ходу потоков в реакционной камере, вследствие турбулентного взаимодействия факела распыления и коаксиального ему дополнительного защитного потока, недоиспарившиеся капли и частицы продукта начинают проникать в наружную область результирующего потока (возникающего в результате взаимодействия защитного потока из сопла 8 и потока газокапельной смеси из форсунок 3). Газовые потоки, формируемые каналами 4, компенсируют эжекционное понижение давления вокруг кольцевых щелей сопел 8 дополнительного обдува, предотвращая возврат частиц, проникших в наружную область результирующего потока, и осаждение их на поверхностях реакционной камеры, непосредственно примыкающих к форсункам. Эти частицы увлекаются тангенциальными потоками, формируемыми каналами 4. Возрастает время их пребывания в зоне основного термического воздействия плазменной струи, но, в то же время, частицы, достигшие боковых стенок реакционной камеры за счет турбулентных пульсаций вихревого потока, успевают охладиться до твердого состояния. В начальный период работы твердые частицы осаждаются на поверхности реакционной камеры, образуя, в основном за счет сцепления друг с другом, плотный, относительно тонкий слой, футерующий стенки реакционной камеры 2. В результате уменьшаются потери тепла через ее стенки, температура поверхности, образованной футерующим слоем, возрастает и процесс осаждения частиц замедляется. Это происходит не только за счет уменьшения эффекта термофореза, но и в результате повышения средней температуры и выравнивания ее по сечению реактора. Кроме того, плотная структура футерующего гарнисажного слоя автоматически обеспечивает соотношение шероховатости поверхности реакционного канала и размеров частиц, при котором адгезия частиц к поверхности минимальна (см. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков, М, Химия, 1976, с. 431), что также увеличивает продолжительность непрерывного ведения процесса. Разрежение, создаваемое в приосевой области реакционной камеры в верхней ее части за счет вихревого потока, формируемого каналами 4, создает тенденцию к движению по направлению к стенкам частиц, образующихся на участке 11 встречного взаимодействия плазменной струи и газокапельных потоков, распыляемых различными форсунками. Вихревой газовый поток, формируемый каналами 5, увеличивает время движения к стенкам частиц, образующихся на начальном участке взаимодействия газокапельных потоков с теплоносителем, где значительная доля частиц находится в жидком, полужидком или в пластичном состоянии, когда их адгезий к стенкам реакционной камеры еще велика. Ниже начального участка вихревой поток, формируемый каналами 5, так же, как вихревой поток, формируемый каналами 4 в верхней части реакционной камеры, обеспечивает отложение на ее поверхности лишь плотного, относительно тонкого футерующего слоя, состоящего из твердых частиц. Выполнение каналов спутно-поперечного обдува 5 таким образом, что осевые линии форсунок и проекции осевых линий каналов на плоскость осевой симметрии реакционной камеры пересекаются в одной точке, обеспечивает начало взаимодействия формируемого каналами 5 защитного потока с распыленным реагентом на участке 11 встречного взаимодействия факелов распыления и теплоносителя (плазменной струи).

Практическая оценка показала, что предложенная конструкция плазмоструйного реактора позволяет в 3-4 раза увеличить ресурс непрерывной работы плазмоструйного реактора, в результате чего общая производительность реактора повышается на 30-40%.

Формула изобретения

1. Плазмоструйный реактор, включающий плазменный генератор, реакционную камеру с форсунками для спутно-поперечного распыления реагентов, оснащенную системой каналов вихревого обдува реакционной камеры, приемником твердого продукта и патрубком выхода продукта, отличающийся тем, что каждая форсунка снабжена дополнительным щелевым соплом обдува, расположенным коаксиально форсунке, при этом внутренний диаметр кольцевой щели дополнительного сопла в 8 - 10 раз превышает диаметр выходного отверстия форсунки, наружный диаметр щели сопла выбирается из условия равенства скоростей газового и газокапельного потоков на выходе из дополнительных сопл и форсунок и для каждой форсунки в корпусе реактора выполнены каналы однонаправленного тангенциального обдува с выходом под срез форсунок и каналы спутно-поперечного тангенциального обдува потока распыленных реагентов.

2. Плазмоструйный реактор по п.1, отличающийся тем, что осевые линии форсунок и проекции осевых линий каналов спутно-поперечного обдува на плоскость осевой симметрии реакционной камеры пересекаются в одной точке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3