Плазмохимотронный способ получения кислородосодержащей парогазовой смеси и аппарат для его осуществления

Изобретение относится к физико-химическим технологиям и технике обработки воды и водных растворов. Способ основан на применении устойчивой химотронной плазмы, сформированной в прикатодном пространстве межэлектродной камеры под сквозным отверстием, соединяющим межэлектродную камеру с камерой эрлифтного перекачивания парогазожидкостной смеси. Устойчивую химотронную плазму зажигают путем смешивания в межэлектродной камере потока воды, продавленного через полый катод в центр сквозного отверстия, с потоком кислородосодержащего газа, продавленного через дырчатый анод в направлении от дырчатого анода к полому катоду, расположенному в центре межэлектродной камеры под сквозным отверстием, и включением при потенциалах в электрохимической цепи между анодом и катодом от 170±5 до 140±5 В неоднородного электрического поля. Аппарат состоит из вертикально-цилиндрического корпуса, включающего соединенные сквозным отверстием герметичные межэлектродную камеру и камеру эрлифтного перекачивания парогазожидкостной смеси. Расположенная в корпусе межэлектродная камера образована дырчатым цилиндрическим анодом и имеет кольцевую полость между анодом и корпусом, соединенную с патрубком подачи кислородного газа. В центре межэлектродной камеры под сквозным отверстием расположен составной полый катод, подсоединенный к трубопроводу подачи жидкого реагента. Технический эффект - повышение эффективности плазмохимотронного способа получения парогазовой смеси Н₂О₂+O₂, увеличение ресурса работы катода и корпусных вставок плазмохимотронного аппарата. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 5 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к физико-химическим технологиям и технике обработки воды и водных растворов.

Изобретение может быть использовано во всех отраслях промышленности, энергетике, сельском хозяйстве, медицине, коммунальном и водном хозяйствах.

Конкретное внедрение изобретения планируется в производстве получения кислородонасыщенных питьевых вод и напитков для пищевой промышленности, природоохранных технологиях и технике для регенерации загрязненных вод.

Изобретение основывается на открытом в 1987-1989 годах «Плазмохимотронном эффекте» [1].

Условия, необходимые для существования в высоковольтном электролизере устойчивой химотронной плазмы, - проточная подщелоченная или подкисленная деионизованная вода в межэлектродном пространстве, неоднородное электрическое поле, позволяющее создать высокую плотность тока на катоде.

При достижении в межэлектродной камере потенциалов от 115±5 до 57±3 В (2М раствора H₂SO₄) спонтанно скачком в прикатодном пространстве появляется устойчивый межфазный плазменный слой (пленка плазмы), светящийся монохроматическим светом на границе раздела: водородосодержащий катодный газ - кислородонасыщенный водный раствор электролита (при потенциалах более 110 В - розово-красным монохроматическим светом, λ˜667 нм).

Появление в высоковольтном электролизере устойчивой химотронной плазмы, представляющей собой биполярный плазменный электрод (БПЭ), схематичное построение которого представлено фиг.1, изменяет традиционные представления электрохимического синтеза кислородосодержащих газовых и парогазовых смесей в водных растворах электролитов.

Проведенное заявителями дальнейшее развитие теории БПЭ [2, 3] показывает, что при потенциалах в плазмохимотроне от 220 до 140 В в пленочной химотронной плазме, окружающей катод (выполняющей функции БПЭ), возможно образование водно-кислородных кластеров, которые должны быть устойчивы как в кислородосодержащей парогазовой смеси, так и в жидкой воде при ее смешивании с парогазовой смесью, синтезированной в химотронной плазме.

Строение водно-кислородных кластеров определяют физико-химические реакции, происходящие в водном растворе электролита плазмохимотрона между БПЭ и молекулярным кислородом, выделяющимся с анода.

Анод:

БПЭ:

где при движении в электрохимической цепи плазмохимотрона четырех электронов (n=4, см. фиг.1) БПЭ состоит соответственно из (4H₃O⁺+4Н₂O)→(4Hг⁺+4Н₂O) и (4Н₂O+4OН^-)→(Н₄O₄+4ег^-), т.е. воды, пероксида водорода, гидратированных протонов Нг⁺→p⁺·Н₂O и гидратированных электронов ег^-→е^-·H₂O, определяющих кластерное построение химотронной плазмы на межфазной газожидкостной границе (см. уравнения 7-9 патента [2] и уравнение (2) заявленного технического решения).

Согласно спектрометрическим данным монохроматическое красно-розовое свечение кластеров пленочной химотронной плазмы при потенциалах более 110 В определяется λ=667 нм [1], т.е. соответствует энергии квантов света 1,85±0,5 эВ на одну молекулу пленочной воды.

На основании этих данных энергия гидратации (энергия водной оболочки) газожидкостного кластера [(O₄ ^4-)·4Н₃О⁺]·10H₂O оценивается энергией, соизмеримой с энергией гидратации ионов двухзарядных металлов (для щелочно-земельных и тяжелых металлов 16-20 эВ).

Наличие в кислородосодержащей парогазовой смеси синтезированных химотронной плазмой водно-кислородных кластеров [(O₄ ^4-)·4Н₃О⁺]·10Н₂O объясняет наличие у нее аномальных физико-химических свойств по отношению к экологически чистой кислородосодержащей парогазовой смеси Н₂+O₂ известного способа электролиза и устройства для его осуществления [4], а именно:

- отсутствие водородного газа в парогазовой смеси, синтезированной в плазмохимотроне при температуре от 70 до 98°С;

- мгновенную растворимость кислородосодержащей парогазовой смеси, полученной плазмохимотронным способом в воде за счет наличия водно-гидратной оболочки вокруг ядра кластера [(O₄ ^4-)·4Н₃О⁺];

- возможность увеличения концентрации водно-кислородных кластеров [(O₄ ^4-)·Н₃О⁺]·10H₂О в парогазовой смеси при пропускании в плазмохимотронном аппарате к БПЭ, через анод, потока кислородного газа;

- положительное влияние на устойчивость активных форм кислорода и его соединений в парогазовой смеси, полученной плазмохимотронным способом, кремнесодержащих (углеводородных) материалов;

- негативное влияние металлов на кислородосодержащую парогазовую смесь, полученную плазмохимотронным способом:

(O₄ ^4-)+4Н₃О⁺+2Ме⁰→2Ме(ОН)₂↓+4Н₂O+E_hv.

Теория БПЭ позволяет предсказать техническое решение задачи наиболее оптимального по выходу целевых продуктов и энергозатратам плазмохимотронного синтеза кислородосодержащей парогазовой смеси и устройства для его осуществления.

Известен плазмохимотронный способ получения кислородосодержащей парогазовой смеси [2] и аппарат для его осуществления [1, 2].

В известном способе [2] между анодом и катодом высоковольтного электролизера пропускают асимметричный по плотности выпрямленный электрический ток с одновременным продавливанием потока жидкого реагента (подщелоченный или подкисленный раствор деионизованной воды) через дырчатый анод смешивающимся с обогащенным кислородным газом потоком жидкого реагента, выходящего из отверстия полого катода, расположенного в центре цилиндрического сквозного отверстия межэлектродной камеры для вывода парогазожидкостной смеси, позволяющими при потенциалах в межэлектродной камере от 220±10 до 140 В спонтанно образовывать в прикатодном пространстве межэлектродной камеры устойчивую химотронную плазму, позволяющую синтезировать кислородосодержащую парогазовую смесь с аномальными физико-химическими свойствами.

Аппарат для осуществления плазмохимотронного способа [2] содержит корпус из химостойкого диэлектрического материала с патрубками ввода жидкого реагента и вывода синтезированной химотронной плазмой парогазожидкостной смеси, расположенную в корпусе герметичную камеру с размещенными в ней плоским дырчатым анодом, вставленным в нижнее основание камеры, образованным корпусной вставкой, включающей полость, соединяющую дырчатый анод с патрубком подачи жидкого реагента, стержневым полым катодом, расположенным в сквозном цилиндрическом отверстии верхнего основания межэлектродной камеры, образованного корпусной вставкой, включающей полость, соединяющую сквозное цилиндрическое отверстие с патрубком отвода парогазожидкостной смеси, причем полый катод подключен к трубопроводу подачи жидкого реагента, обогащенного кислородным газом.

Недостатки известного плазмохимотронного способа получения кислородосодержащей парогазовой смеси [2]:

- низкий выход целевого продукта H₂O₂+O₂ (более точно кластерного парогазожидкостного пероксида водорода Н₄O₄, распадающегося с выделением воды, кислорода и энергии

Н₄O₄→Н₂O₂ ^-1+H₂O₂ ^-1)→Н₂O₂+H₂O+¹/₂O₂+E_hv→H₄O₂+O₂+E*_hv).

и, как следствие, повышение затрат электрической энергии на синтез целевого продукта;

- загрязнение жидкого реагента продуктами эрозии катода и материала корпуса. Недостатки аппарата для осуществления известного способа [1, 2]:

- низкий ресурс работы корпусной вставки, в которой расположено сквозное цилиндрическое отверстие (не более 20-30 часов) из-за эрозии химостойкого диэлектрического материала, соприкасающегося с химотронной плазмой;

- низкий ресурс работы катода (не более 20-30 часов) из-за пульсации газожидкостного потока в сквозном цилиндрическом отверстии, в котором зажигается химотронная плазма, и, как следствие, пульсаций электрического тока между анодом и катодом.

Техническим решением задачи является повышение эффективности плазмохимотронного способа получения кислородосодержащей парогазовой смеси H₂O₂+O₂ путем увеличения выхода парогазовой смеси по энергии, снижение энергозатрат в плазмохимотроне при потенциалах от 170±5 до 140±5 В за счет дополнительной энергии, генерируемой химотронной плазмой, увеличение ресурса работы катода и корпусных вставок плазмохимотронного аппарата.

Решение задачи достигается:

1. Применением устойчивой химотронной плазмы, сформированной в прикатодном пространстве межэлектродной камеры под сквозным отверстием, соединяющим межэлектродную камеру с камерой эрлифтного перекачивания парогазожидкостной смеси в сепаратор жидкости, пара и газа при потенциалах на клеммах плазмохимотрона от 170±5 до 140±5 В.

2. Смешиванием в межэлектродной камере потока жидкого реагента, продавленного через полый катод в центр сквозного отверстия, с потоком кислородосодержащего газа, продавленного за счет сил избыточного давления сжатого газа через дырчатый анод в направлении от дырчатого анода к полому катоду, расположенному в центре межэлектродной камеры под сквозным отверстием для вывода из межэлектродной камеры потока парогазожидкостной смеси.

3. Применением вертикально-цилиндрического корпуса, внутри которого расположены соединенные сквозным отверстием герметичная межэлектродная камера и камера эрлифтного перекачивания парогазожидкостной смеси в сепаратор жидкости, пара и газа.

4. Использованием в межэлектродной камере дырчатого цилиндрического анода и кольцевой полости между анодом и корпусом, соединенной с патрубком подачи кислородосодержащего газа.

5. Использованием составного полого катода, включающего последовательно соединенные медную трубку, химостойкий диэлектрический материал, плотно насаженный на внешнюю поверхность медной трубки, цилиндрическую насадку из тугоплавкого металла со сквозным отверстием, плотно насаженную на внешнюю поверхность оголенной от диэлектрического материала конца медной трубки.

Проведенный выше анализ научно-технической информации позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного способа и аппарата для его осуществления, отсутствуют.

Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данных и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками каждого заявленного изобретения показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного выше уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявленных изобретений преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует уровню патентоспособности «изобретательский уровень».

В заявленном техническом решении соблюдено требование единства изобретения, поскольку способ и аппарат предназначены для получения кислородосодержащей парогазовой смеси. Заявленное изобретение решает одну и ту же задачу - повышение эффективности плазмохимотронного способа получения кислородосодержащей парогазовой смеси, увеличение ресурса работы катода и корпусных вставок аппарата и, как следствие, снижение себестоимости 1 м³ парогазовой смеси Н₂O₂+O₂ в промышленно выпускаемых установках.

На фиг.2 схематично изображена универсальная система для испытаний заявленного и известного [1, 2] технических решений.

В состав системы для испытаний входят плазмохимотронный аппарат (см. фиг.2, поз.1-10), подсоединенный циркулярно-проточными трубопроводами 11, 17 к сепаратору жидкости, пара и газа 13, герметично подсоединенному к емкости жидкостного реагента 12 с охлаждающим теплообменником (на фиг.2 не показан). Емкость 12 включает трубопровод для заправки жидким реагентом 15 и датчик уровня (массы) жидкого реагента в емкости 16. Жидкий реагент подается из емкости 12 по трубопроводу 17) с расходом, зафиксированным ротаметром 18. Парогазовая смесь из сепаратора 13 подается потребителю (например, к эжектору эжекционно-флотационной системы насыщения воды кислородом) по трубопроводу поз.14.

Заявленный плазмохимотронный аппарат изображен на фиг.2-3 (поз.1-10). Он включает корпус 1 из химостойкого диэлектрического материала, парубок ввода кислородосодержащего газа 2, составной полый катод 3, имеющий съемный токоввод, прикрепленный к медной трубке 3а, узел герметизации медной трубки, входящей в межэлектродную камеру 3b, медной трубки 3с, плотной насадки из химостойкого диэлектрического материала 3d, цилиндрической насадки из тугоплавкого материала со сквозным отверстием 3е, плотно посаженной на конец медной трубки, дырчатый анод 4, состоящий из приварного токоввода 4а, колец из химостойкого диэлектрического материала 4b, насаженных на нижнее и верхнее основание цилиндра дырчатого цилиндрического анода 4d, образующих между анодом и корпусом кольцевую полость 4с, межэлектродную камеру 5, нижнюю корпусную вставку 6, верхнюю корпусную вставку 7, устойчивую пленку химотронной плазмы (биполярный плазменный электрод) 8, камеру эрлифтного перекачивания парогазожидкостной смеси 9 с парубками для ее вывода 10.

Заявленный плазмохимотронный аппарат работает следующим образом (см. фиг.2). В емкость 12 и аппарат 1-10 через трубопроводы 15, 17 заливают жидкий реагент (1 М водный раствор щелочи или кислоты) до уровня гидростатического столба жидкости в емкость 12, обеспечивающего движение (поток) жидкого реагента через полый катод 3 плазмохимотронного аппарата. Высоту столба жидкости в емкости 12 (массу жидкого реагента) определяют датчиком уровня 16. После заполнения емкости жидким реагентом закрывают вентиль B₁ трубопровода 15 и регулирующим вентилем В₃ с помощью жидкостного ротаметра 18 выставляют фиксированный расход жидкого реагента в плазмохимотронном аппарате. При пуске плазмохимотронного аппарата вентиль В₄ сливного трубопровода, соединяющего камеру эрлифтного перекачивания парогазожидкостной смеси со сливной емкостью и атмосферой, находится в открытом состоянии. В поток жидкого реагента с фиксированным по ротаметру 18 расходом, проходящего через плазмохимотронный аппарат в сливную емкость, продавливают через дырчатый цилиндрический анод 4 кислородный газ за счет сил избыточного давления сжатого газа.

Кислородосодержащий газ подают через парубок 2, подсоединенный к дырчатому аноду через кольцевую полость. Расход кислородосодержащего газа выставляют и поддерживают редуктором, вентилем тонкой регулировки газа и газовым ротаметром (на фиг.2 не показаны).

При установленном, постоянном расходе жидкого реагента (Gp) и кислородосодержащего газа (Gp) на клеммы плазмохимотронного аппарата подают напряжение и пропускают между анодом 4 и катодом 3 асимметричный по плотности выпрямленный электрический ток, позволяющий при напряжении от 170±5 до 140±5 В создать в прикатодном пространстве высоковольтного электролизера устойчивую пленку химотронной плазмы (БПЭ) 8.

При выходе температуры парогазожидкостной смеси на постоянное значение (замеряется термометром на выходе из патрубков 10) закрывают вентиль В₄ и направляют парогазожидкостную смесь в сепаратор жидкости, пара и газа 13, герметично соединенный с плазмохимотронным аппаратом трубопроводом 11.

В сепараторе 13 пар и газ отделяют от жидкого реагента. Жидкий реагент поступает в емкость 12, где его охлаждают до заданной для эксперимента температуры, а парогазовую смесь Н₂О₂+О₂ направляют потребителю (например, в систему диагностики ее компонентов).

При внедрении в опытно-промышленных установках кондиционирования воды и водных растворов известного технического решения [1, 2] в конструкции плазмохимотронных аппаратов был установлен существенный недостаток - низкий ресурс катода и корпусной вставки аппарата, в которой расположен катод (не более 20-30 часов).

Развитая заявителями теория БПЭ рассматривает синтез кластерной перекиси водорода [(O₄ ^4-)·4Н₃О⁺]·10Н₂O, составляющей основу парогазовой смеси Н₂O₂+О₂, как результат горения воды насыщенного молекулярным кислородом водного раствора электролита в межфазной (газожидкостной) пленке плазмы при температуре химически чистой пленочной воды, достигающей ˜20000°С (1,85±0,05 эВ).

На основании установленного факта выделения дополнительной энергии при горении воды в химотронной плазме, в первом приближении, аналогом плазмохимотронного горения воды водного раствора электролита является известное горение углеводородов (например, парафиновой или восковой свечи) в кислороде воздуха.

В известном процессе горения углеводородов в кислороде воздуха выделяется дополнительная энергия в 20 раз меньше (˜0,1 эВ). Продукты горения - окисленный углерод (СО, CO₂) и окисленный водород (H₂О, Н₂O₂).

В известном техническом решении [1, 2] не были определены оптимальные режимы горения «плазмохимотронной свечи», что подтверждается низким ресурсом работы катода и корпусной вставки.

В заявленном техническом решении межэлектродная камера плазмохимотронного аппарата построена на основе теории БПЭ с учетом выхода горячих продуктов с конца катода в сквозное отверстие, имеющее минимальное сопротивление для прохода парогазожидкостной смеси из межэлектродной камеры. Стержневой катод в заявленном аппарате выполнен в виде цилиндрической насадки из тугоплавкого материала, вставленной под сквозное отверстие, износ которой при ресурсных испытаниях происходит равномерно (без изменения мощности в электрохимической цепи плазмохимотронного аппарата).

Теория БПЭ не предсказывает устойчивых гидродинамических режимов парогазожидкостного потока в межэлектродной камере, ответственного за пульсации выпрямленного электрического тока между анодом и катодом и, как следствие, устойчивости во времени химотронной плазмы (постоянства мощности плазмохимотрона) и связанной с ней минимальной эрозии материала катода и корпусных вставок аппарата.

Поэтому заявителями были проведены исследования соотношений геометрических размеров межэлектродной камеры заявленного аппарата Δh/h_a и d_o/d_к (см. фиг.3), где Δh=h_a-h_к, h_a - высота дырчатого цилиндрического анода, h_к - высота составного полого катода в межэлектродной камере, d_o - диаметр сквозного отверстия в верхнем основании межэлектродной камеры, d_k - диаметр сквозного отверстия в цилиндрической вставке из тугоплавкого металла составного полого катода, установленного в центре межэлектродной камеры.

Исследование устойчивости работы заявленного плазмохимотронного аппарата во времени при Δh/h_a=var, d_o/d_к=var было проведено в интервале напряжений (U) в плазмохимотроне от 170±5 до 140±5 В.

Экспериментально определенное ограничение U в данной конструкции аппарата от 170±5 до 140±5 В связано с объемным направленным излучением от химотронной плазмы, спонтанно возникающим в прикатодном пространстве при U≥180±10 В и разрушающим корпус аппарата.

Условия проведения испытаний:

- состав жидкого реагента - NaOH (хч) + деионизованная вода;

- концентрация водного раствора электролита - 1М NaOH (4%),

- температура исходного жидкого реагента 20±2°С,

- массовая скорость жидкого реагента, проходящего через аппарат, 3,0±0,2 г/с,

- массовая скорость кислородного газа, проходящего через аппарат, 0,35±0,03 г/с,

- рабочее напряжение на клеммах плазмохимотронного аппарата - от 170±5 до 140±5 В.

В таблице 1 представлены экспериментальные данные влияния соотношения геометрических размеров Δh/h_a межэлектродной камеры на устойчивость химотронной плазмы в аппарате.

Таблица 1
Технологический параметр	Δh/ha
0, 1	0, 2	0, 3	0, 4	0, 5
1. Устойчивость химотронной плазмы в межэлектродной камере	Неустойчивое свечение с ярко-белыми вспышками	Устойчивое свечение	Устойчивое свечение	Устойчивое свечение	Неустойчивое свечение с ярко-белыми вспышками
2. Температура парогазожидкостной смеси, °С	60-70	60-70	65-75	75-85	90-98
3. Мощность в электрохимической цепи плазмохимотронного аппарата, кВт	0,35±0,15	0,28±0,02	0,28±0,02	0,28±0,02	0,40±0,10
4. Состояние 1М водного раствора NaOH	Мутный, механическая взвесь	Прозрачный	Прозрачный	Прозрачный	Мутный, механическая взвесь
5. Ресурс работы катода, часы	Менее 20	Не менее 250	Не менее 250	Не менее 250	30±10

В таблице 2 приведены экспериментальные данные влияния соотношения геометрических размеров d_o/d_к межэлектродной камеры на устойчивости химотронной плазмы в аппарате.

Таблица 2
Технологический параметр	do/dк
2, 0	2, 2	2, 6	3, 0	3, 2
1. При фиксированном Δh/ha=0,2 1.1. Устойчивость химотронной плазмы в межэлектродной камере	Неустойчивое свечение с ярко-белыми вспышками	Устойчивое свечение	Устойчивое свечение	Устойчивое свечение	Неустойчивое свечение с ярко-белыми вспышками
1.2. Температура парогазожидкостной смеси, °С	70-80	60-70	60-70	60-70	70-80
1.3. Мощность в электрохимической цепи плазмохимотронного аппарата, кВт	0,35±0,15	0,25±0,05	0,25±0,05	0,25±0,05	0,35±0,15
1.4. Состояние 1 М водного раствора NaOH	Мутный, механическая взвесь	Прозрачный	Прозрачный	Прозрачный	Мутный, механическая взвесь
1.5. Ресурс работы катода, часы	40±20	Не менее 250	Не менее 250	Не менее 250	60±30
2. При фиксированном Δh/ha=0,4	Неустойчивое свечение с ярко-белыми вспышками	Устойчивое свечение	Устойчивое свечение	Устойчивое свечение	Неустойчивое свечение с ярко-белыми вспышками
2.1. Устойчивость химотронной плазмы в межэлектродной камере
2.2. Температура парогазожидкостной смеси, °С	85-95	75-85	75-85	75-85	85-90
2.3. Мощность в электрохимической цепи плазмохимотронного аппарата, кВт	0,40±0,20	0,28±0,05	0,28±0,05	0,28±0,05	0,35±0,15
2.4. Состояние 1 М водного раствора NaOH	Мутный, механическая взвесь	Прозрачный	Прозрачный	Прозрачный	Мутный, механическая взвесь
2.5. Ресурс работы катода, часы	30±20	Не менее 250	Не менее 250	Не менее 250	60±30

Исследование ресурса работы заявленного плазмохимотронного аппарата (при соотношении геометрических размеров межэлектродной камеры

0,2≤Δh/h_a≤0,4 и d_o/d_к=2,2) и аппарата известного технического решения [1, 2], проведенное в адекватных условиях с использованием системы фиг.2, представлено экспериментальными данными таблицы 3. Условия эксперимента тождественны условиям эксперимента таблиц 1, 2.

Таблица 3
Технологический параметр	Время работы плазмохимотронного аппарата, часы
10	20	30	250	350±50
1	2	3	4	5	6
1. Известное техническое решение [1,2]
1.1.Устойчивость химотронной плазмы	Устойчивое свечение	Устойчивое свечение	Неустойчивое свечение, белые вспышки
1.2. Мощность в электрохимической цепи плазмохимотронного аппарата, кВт	0,40±0,10	0,40±0,10	0,60±0,30
1.3. Состояние 1 М водного раствора NaOH	Прозрачный	Прозрачный	Мутный, механическая взвесь
1.4. Ресурс работы катода	-	-	30
1.5. Ресурс работы корпусной вставки	-	-	30
2. Заявленное техническое решение	Устойчивое свечение	Устойчивое свечение	Устойчивое свечение	Устойчивое свечение	Неустойчивое свечение,
2.1. Устойчивость химотронной плазмы					белые вспышки
2.2. Мощность в электрохимической цепи плазмохимотронного аппарата, кВт	0,28±0,05	0,28±0,05	0,28±0,05	0,30±0,05	0,50±0,20
2.3. Состояние 1 М водного раствора NaOH	Прозрачный	Прозрачный	Прозрачный	Прозрачный	Мутный, механическая взвесь
2.4. Ресурс работы катода	-	-	-	250
2.5. Ресурс работы корпусной вставки	-	-	-	-	Более 350

На основании экспериментальных данных таблиц 1-3, а также испытаний опытно-промышленных плазмохимотронных аппаратов в реальных условиях производства бутилированных кислородонасыщенных питьевых вод ресурс катода и корпусной вставки заявленного плазмохимотронного аппарата по отношению к их ресурсу в известном техническом решении [1, 2] увеличен не менее чем на порядок.

Внедрение в производстве бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды заявленного плазмохимотронного аппарата позволит снизить затраты в производственной статье «Изготовление и обслуживание плазмохимотронного аппарата» в 6 раз (с 30 до 5 копеек на 1 литр кислородонасыщенной питьевой воды в ценах 2004 года).

В таблице 4 представлены экспериментальные данные по влиянию U заявленного и известного [1, 2] технических решений на выход парогазовой смеси Н₂О₂+О₂ по энергии (n_в) и количество дополнительной энергии, генерируемой химотронной плазмой (n_E).

Схема эксперимента и методики расчета n_в и n_E представлены в патенте [2].

Условия проведения испытаний:

- состав жидкого реагента - NaOH(хч) + деионизованная вода;

- концентрация водного раствора электролита - 1 М NaOH (4%),

- температура исходного жидкого реагента 20±2°С,

- масса пропускаемого водного раствора электролита 18000 г,

- точность взвешивания ±10 г,

- массовая скорость водного раствора, проходящего через плазмохимотронный аппарат, 3,0±0,2 г/с,

- массовая скорость кислородного газа, проходящего через плазмохимотронный аппарат, 0,30±0,03 г/с,

- время работы плазмохимотронного аппарата 1800±15 секунд,

- соотношение геометрических размеров межэлектродной камеры заявленного технического решения 0,2≤Δh/h_a≤0,4; d_o/d_к=2,2.

Таблица 4
Потенциал устойчивой химотронной плазмы U, В	Температура парогазовой смеси Н2О2+O2, °С	Известное техническое решение [1, 2]	Заявленный способ н аппарат для его осуществления
nв, кг/кВт·ч	nE, %	Nв,кг/кВт·ч	nE,%
140±5	65±5	0,85±0,02	61±1	0,93±0,02	73±1
150±5	70±5	0,86±0,02	64±1	0,97±0,02	92±1
160±5	75±5	0,89±0,02	68±1	0,99±0,02	96±1
170±5	80±5	0,90±0,02	71±2	1,05±0,03	99±2
180±10	85±5	0,93±0,02	73±1	0,99±0,02*	96±1*
				* объемное излучение от химотронной плазмы
* фиксируется материалом корпуса плазмохимотронного аппарата

Данные таблицы 4 показывают, что при U от 170±5 до 140±5 В выход парогазовой смеси Н₂O₂+O₂ по энергии увеличивается в 1,15-1,20 раза, а энергозатраты на синтез смеси снижаются в 1,2-1,3 раза по отношению к известному техническому решению [2].

Теория БПЭ (см. фиг.1) предсказывает увеличение n_в и n_E при применении жидкого реагента (1 М водного раствора NaOH), обработанного ранее плазмохимотронным методом (без выхода в водный раствор продуктов эррозии катода). Этот факт связан с тем, что в обработанном плазмохимотронным методом 1 М водном растворе NaOH концентрация кластерной перекиси водорода (Н₄O₄) достаточна, чтобы повысить выход активных форм кислорода по энергии в парогазовой смеси H₂O₂+O₂.

Экспериментальное подтверждение теории БПЭ представлено данными фиг.4. Согласно экспериментальным данным фиг.4 увеличение концентрации активных форм кислорода (ΔС_о2) при удельных затратах энергии на плазмохимотронную обработку 1 литра водного раствора NaOH не менее 0,1 кВт·ч составляет от 3 до 5 мг О₂/л Н₂О. При уровне пересыщения кислородом воды (при ее смешивании в диагностической системе с парогазовой смесью H₂O₂+O₂), равном С_о2=26-28 мг О₂/л Н₂О, наблюдаемое на фиг.4 увеличение ΔС_о2 указывает на возможность увеличения n_в и n_E не ниже чем на 15-20%.

В таблице 5 представлены экспериментальные данные по влиянию плазмохимотронной обработки жидкого реагента на выход парогазовой смеси Н₂O₂+O₂ по энергии и количество дополнительной энергии, генерируемой химотронной плазмой. Условия проведения эксперимента адекватны условиям эксперимента таблицы 4. Удельные затраты электроэнергии на плазмохимотронную обработку Q=0,1 кВт·ч/л раствора NaOH.

Таблица 5
Потенциал устойчивой химотронной плазмы U, В	Температура парогазовой смеси H2O2+O2, °С	Заявленный способ и аппарат для его осуществления
		Свежий 1 М водный раствор NaOH	Обработанный плазмохимотронным методом 1 М водный раствор NaOH
nв, кг/кВт·ч	nЕ, %	nв, кг/кВт·ч	nE,%
140±5	65±5	0,93±0,02	73±1	1,03±0,03	99±2
150±5	70±5	0,97±0,02	92±1	1,12±0,03	108±2
160±5	75±5	0,99±0,02	96±1	1,18±0,05	112±3
170±5	80±5	1,05±0,03	99±2	1,22±0,05	116±3
180±10	85±5	0,99±0,02	96±1	1,05±0,03*	99±2*
* снижается за счет объемного направленного излучения от химотронной плазмы

Из анализа данных таблиц 4, 5 заявленное техническое решение более эффективно по отношению к известному способу и аппарату [1, 2], не менее чем на 30-40% по показателям n_в и n_E.

На основании представленного выше материала заявители считают, что техническая задача в заявленном изобретении решена в полном объеме. Разработанная заявителем технология и техника являются конкурентоспособными на потребительском рынке оборудования для производства бутылированных питьевых вод высшей категории качества. Это доказывает промышленную применимость изобретения и возможность его первоочередного внедрения в производствах пищевой промышледности.

Источники информации

1. Отчет о НИР «Разработка и испытание инженерно-энергетических комплексов обработки бытовых и агропромышленных сточных вод с использованием возобновляемых источников энергии», № Гос. регистрации 01890007585, Инв. №2890055415, 1989, 143 с.

2. Зыков Е.Д., Щербак В.Н. Плазмохимотронный способ получения парогазовой смеси Н₂О₂+О₂. Патент России №2171863 (С2), С 25 В 1/30, С 25 В 1/04, C 02 F 1/46, 30.07.1998 г.

3. Гришин В.Г., Давыдов А.Д. Плазмодинамический реактор для нейтрализации протонов и дейтронов в природной воде. Материалы 9-й Российской конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов (РХТЯ-9). Дагомыс-Сочи, 30 сентября - 7 октября 2001 г., М., 2002, с.107-110.

4. Вердиев М.Г. и др. Способ получения смеси кислорода и водорода. Патент России №2091507 (С1), С 25 В 1/04, 27.09.1997 г; Электролизер для получения смеси кислорода и водорода. Патент России №2091508 (С1), С 25 В 1/04, 27.09.1997 г.

1. Плазмохимотронный способ получения кислородосодержащей парогазовой смеси, включающий пропускание между анодом и катодом асимметричного выпрямленного электрического тока с образованием в прикатодном пространстве межэлектродной камеры в подкисленной или подщелоченной деионизированной воде устойчивой химотронной плазмы, синтезирующей кислородосодержащую парогазожидкостную смесь, отличающийся тем, что устойчивую химотронную плазму формируют в прикатодном пространстве межэлектродной камеры под сквозным отверстием для вывода потока парогазожидкостной смеси, выполненным в верхнем основании межэлектродной камеры и соединяющим межэлектродную камеру с камерой эрлифтного перекачивания кислородосодержащей парогазожидкостной смеси в сепаратор для разделения жидкости, пара и газа, поток подкисленной или подщелоченной деионизированной воды, продавленный через полый катод, смешивают в межэлектродной камере с потоком кислородосодержащего газа, продавленным за счет избыточного давления сжатого газа через дырчатый цилиндрический анод в направлении от анода к полому катоду, расположенному в центре межэлектродной камеры, при этом полый катод выполнен составным в виде медной трубки с насадкой из химически стойкого диэлектрического материала на ее внешней поверхности и с цилиндрической насадкой из тугоплавкого металла, расположенной на конце медной трубки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что потенциал между анодом и катодом предпочтительно принимает значения от 170±5 до 140±5 В.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подкисленную или подщелоченную деионизированную воду предварительно обрабатывают плазмохимотронным способом при затратах электроэнергии не менее 0,1 кВт·ч на 1 л воды.

4. Аппарат для получения кислородосодержащей парогазовой смеси плазмохимотронным способом, содержащий корпус из химически стойкого диэлектрического материала с патрубком ввода подкисленной или подщелоченной деионизированной воды и патрубком вывода кислородосодержащей парогазожидкостной смеси и расположенную в корпусе герметичную межэлектродную камеру, отличающийся тем, что корпус выполнен вертикально-цилиндрическим и состоит из соединенных сквозным отверстием герметичной межэлектродной камеры и камеры эрлифтного перекачивания парогазожидкостной смеси в сепаратор для разделения жидкости, пара и газа, межэлектродная камера образована дырчатым цилиндрическим анодом, на нижнее и верхнее основания которого надеты кольца из химически стойкого диэлектрического материала, образующие между анодом и корпусом кольцевую полость, соединенную с патрубком подачи кислородосодержащего газа, нижнее основание межэлектродной камеры ограничено нижним основанием цилиндра дырчатого анода, загерметизированным в нижней корпусной вставке, в центре которой посредством узла герметизации установлен полый катод, имеющий сквозное отверстие для подачи в межэлектродную камеру подкисленной или подщелоченной деионизированной воды, верхнее основание межэлектродной камеры ограничено верхним основанием цилиндра дырчатого анода, загерметизированным в верхней корпусной вставке, в центре которой над выходным отверстием полого катода выполнено сквозное отверстие, соединяющее межэлектродную камеру с камерой эрлифтного перекачивания парогазожидкостной смеси, при этом полый катод выполнен составным в виде медной трубки с насадкой из химически стойкого диэлектрического материала на ее внешней поверхности и с цилиндрической насадкой из тугоплавкого металла, расположенной на конце медной трубки.

5. Аппарат по п.4, отличающийся тем, что геометрические размеры межэлектродной камеры удовлетворяют соотношениям:

0,2≤Δh/ha≤0,4; 2,2≤do/dk≤3,0,

где Δh=ha-hк, ha - высота дырчатого цилиндрического анода;

hк - высота полого катода от нижнего основания межэлектродной камеры;

do - диаметр сквозного отверстия в верхнем основании межэлектродной камеры;

dk - диаметр сквозного отверстия насадки полого катода.