Способ получения синглетного кислорода для химического кислород-иодного лазера

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к способам получения синглетного кислорода для химического кислородно-йодного лазера. Способ заключается в противоточном струйном взаимодействии газообразного хлора и щелочного раствора перекиси водорода с заданными режимными параметрами. Длина взаимодействия струй с хлором L определяется из соотношения где m - число участков на длине взаимодействия хлора с раствором, на которых происходит полное обновление поверхности струй ионами HO₂ ^-; объемный расход раствора; d - диаметр сопел инжектора; N - число сопел инжектора; τ_об- время обновления поверхности струй ионами HO₂ ^-, а удельная поверхность контакта фаз σ определяется σ = πxNxd/[S-(πxNxd²)/4], где S - площадь поперечного сечения реакционной зоны. 5 ил.

Изобретение относится к лазерной технике.

Известны способы получения синглетного кислорода (СК) в газожидкостных аппаратах различных типов (см. журнал "Успехи химии", 50, 406, 1981г., авторы: Шинкаренко Н. В. и Алесковский В.Б.; журнал "Квантовая электроника", 18, 7, 1991г., авторы: Загидуллин М.В. и др.; журнал "Квантовая электроника", 24, 3, 1997г. , авторы: Загидуллин М.В. и др.). Сущность известных способов заключается в организации реакции газообразного хлора с концентрированным щелочным раствором перекиси водорода (ЩРПВ). Обычно используется щелочь КОН и перекись водорода Н₂O₂. Газообразный хлор контактирует с поверхностью ЩРПВ, молекулы хлора проникают через поверхность раствора и реагируют с гидропероксид ионами НO₂ ^-, образуется синглетный кислород. Химическая эффективность реакции зависит от оптимальности режимных и геометрических параметров газожидкостной реакции.

Задачей изобретения является повышение эффективности способа получения СК для химического кислородно-йодного лазера путем оптимизации геометрических параметров газожидкостной реакции.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения синглетного кислорода для химического кислородно-йодного лазера, заключающемся в противоточном струйном взаимодействии газообразного хлора и щелочного раствора перекиси водорода с заданными режимными параметрами: давление и скорость газа, скорость струй, концентрация фаз, время их взаимодействия и геометрическими параметрами: длина взаимодействия струй с хлором и удельная поверхность контакта фаз, предлагается длину взаимодействия струй с хлором L определять из соотношения: где m - число участков на длине взаимодействия хлора с раствором, на которых происходит полное обновление поверхности струй ионами НO₂ ^-; объемный расход раствора; d - диаметр сопел инжектора; N - число сопел инжектора; τ_об- время обновления поверхностей струй ионами НO₂ ^-, а удельную поверхность контакта фаз σ определять из соотношения
σ = π×N×d/[S-(π×N×d²)/4],
где S - площадь поперечного сечения реакционной зоны.

На фиг. 1 представлена схема реакционной зоны противоточного струйного взаимодействия газообразного хлора и струй щелочного раствора перекиси водорода.

На фиг.2 - зависимость скорости газа и исходного давления хлора (расхода хлора) на выход синглетного кислорода η_Δ и выход хлора η_C.
На фиг.3 - зависимость η_Δ и η_C от давления при разных концентрациях КОН.

На фиг.4 - зависимость η_Δ и η_C от изменения скорости струй в реакционной зоне генератора синглетного кислорода.

На фиг. 5 - выход синглетного кислорода O₂(¹Δ) и Cl₂ в зависимости от длины взаимодействия хлора со струями раствора щелочи.

Способ получения синглетного кислорода для химического кислородно-йодного лазера может быть осуществлен в известных струйных генераторах синглетного кислорода (см. фиг.1), содержащих следующие основные конструктивные элементы: реактор с реакционной зоной 1 и инжектор 2 струй щелочного раствора перекиси водорода (H₂O₂-КОН-Н₂O), выполненный в виде пластины с отверстиями. Ввод хлора в реакционную зону 1 осуществляется через трубки (не показаны), вмонтированные в стенки реактора. Для установки требуемых скоростей газа и давления в реакционной зоне используется щелевой кран (не показан).

Влияние режимных и геометрических параметров (см. фиг.2-5) на эффективность получения синглетного кислорода исследовалось в струйном генераторе синглетного кислорода со следующими их значениями:
режимные параметры: давление хлора Р=30 мм. рт. ст.;
средняя скорость газа Ug=10÷10,5 м/с.;
среднемассовая скорость струй Uj=6÷7 м/с (КОН)=2М;
концентрация (КОН) от 1М÷3М;
геометрические параметры: длина взаимодействия хлора со струями раствора L=3 см, 6 см, 10 см;
диаметр сопел инжектора d=0,3 мм;
длина сопла h=6 мм, число сопел N=140 или N=280.

После попадания молекул Сl₂ в щелочной раствор перекиси водорода (Н₂O₂-КОН-Н₂O) происходит полная стехиометрическая реакция образования синглетного кислорода 2КОН+Н₂O₂+Сl₂-->2KCl+2Н₂O+O₂(¹Δ).
Режимные и геометрические параметры реакционной зоны определялись расчетным путем с помощью математической модели решением известных уравнений при следующих предположениях.

Предположим, что реакция хлорирования щелочи происходит в тонком приповерхностном слое раствора толщиной ≈1 нм. Контакт поверхности раствора с хлором приводит к уменьшению концентрации ионов НO₂ ^- на поверхности, что частично компенсируется диффузионным потоком НO₂ ^- из глубины раствора или гидродинамическими процессами, приводящими к обновлению поверхности раствора. Обеднение поверхности раствора гидропероксид ионами ведет к уменьшению скорости поглощения хлора раствором, увеличению глубины проникновения хлора в раствор и, следовательно, уменьшению выхода синглетного кислорода O₂(¹Δ).
Тогда обновление концентрации ионов НO₂ ^- до начального значения происходит по длине L_об = U_J×τ_об,
где τ_об- время обновления поверхностей струй ионами НO₂ ^-;
τ_об≈10^-4С;
Число участков на длине взаимодействия хлора с раствором, на которых происходит полное обновление поверхности струй ионами НO₂ ^-, равно m=L/L_oб, где
L - длина взаимодействия струй с хлором.

Отсюда L=mхL_oб=mхU_Jхτ_об
скорость струй U_j определяется по формуле

где объемный расход раствора.

Следовательно, L = m×4V_p/πd²N×τ_об.
Выход синглетного кислорода зависит также от удельной поверхности контакта фаз σ, равной площади поверхности раствора, приходящейся на единицу объема газа
σ = π×N×d/[S-(π×N×d²)/4],
где
S - площадь поперечного сечения реакционной зоны.

При наиболее распространенном квадратно-гнездовом способе размещения сопел σ ≈ πd/a², где а - шаг сопел.

Из результатов экспериментальных исследований с ранее указанными режимными и геометрическими параметрами следует, что (фиг.2) с увеличением скорости газа увеличиваются как выход синглетного кислорода, так и доля непрореагировавшего хлора. С одной стороны, за счет уменьшения времени взаимодействия хлора со струями раствора хлор вырабатывается не так эффективно. С другой стороны, при высокой скорости газа уменьшаются потери синглетного кислорода в реакциях тушения. Из фиг.3 следует, что чем больше концентрация щелочи, тем больше концентрация ионов HO₂ ^- в растворе, тем менее интенсивно поверхность струй истощается ионами HO₂ ^- и больше длина, на которой эффективно перерабатывается хлор. Это позволяет поднять выходное давление генератора при сохранении выхода СК и утилизации хлора. Из рис.4 следует, что увеличение скорости струй при фиксированном расходе хлора приводит к уменьшению доли синглетного кислорода и не прореагировавшего хлора на выходе СГСК. Это связано с ростом гидравлического сопротивления для газа, что приводит к увеличению его давления и уменьшению скорости газа. Результатом является большее время взаимодействия хлора и струй раствора, сказывающееся на увеличении утилизации хлора и уменьшении выхода СК в следствие тушения. Кроме того, при высоких скоростях струй часть газа может увлекаться струями в приемный бак для отработанного раствора.

Из фиг.5 следует, что с увеличением длины взаимодействия хлора со струями раствора утилизация хлора и выхода синглетного кислорода увеличиваются. Фактически зависимость эта связана не просто с длиной взаимодействия, а с отношением этой длины к скорости газа, т.е. со временем взаимодействия хлора и струй. Чем больше это время, тем эффективнее перерабатывается хлор.

Пользуясь результатами приведенных теоретических и экспериментальных исследований можно выбрать оптимальные режимные и геометрические параметры для наиболее эффективного получения выхода синглетного кислорода для химического кислородно-йодного лазера.

Формула изобретения

Способ получения синглетного кислорода для химического кислородно-йодного лазера, заключающийся в противоточном струйном взаимодействии газообразного хлора и щелочного раствора перекиси водорода с заданными режимными параметрами: давление и скорость газа, скорость струй, концентрация фаз, время их взаимодействия и геометрическими параметрами: длина взаимодействия струй с хлором и удельная поверхность контакта фаз, отличающийся тем, что длина взаимодействия струй с хлором L определяется из соотношения

где m - число участков на длине взаимодействия хлора с раствором, на которых происходит полное обновление поверхности струй ионами НО₂ ^-;
объемный расход раствора;
d - диаметр сопел инжектора;
N - число сопел инжектора;
τ_об - время обновления поверхностей струй ионами НО₂ ^-,
а удельная поверхность контакта фаз σ определяется из соотношения
σ = πxNxd/[S-(πxNxd²)/4],
где S - площадь поперечного сечения реакционной зоны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5