Результат интеллектуальной деятельности: ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

Изобретение относится к области химического машиностроения, а именно к плазмохимическим реакторам, и может быть использовано при получении тонкодисперсных материалов.

Известен плазмохимический реактор для получения нанодисперсных порошков (RU 2138929 C1, H05H 1/24, Н05В 7/16, 24.06.97). Реактор содержит плазмотрон, форсунки для диспергирования раствора реагентов, реакционную камеру и подсоединенный к ее нижнему торцу патрубок вывода пылегазовой смеси. Плазменный поток поступает в реакционную камеру. Перерабатываемый раствор подают в него форсунками под углом к оси реакционной камеры. В верхнюю часть реакционной камеры по касательной подают сжатый газ. Пылепарогазовая смесь приобретает поступательно-вращательное движение, и жидкие капли конвертируются в твердые частицы. Затем пылепарогазовая смесь поступает в патрубок вывода пылегазовой смеси, имеющий участок в виде колена, и освобождается в нем от некондиционной фракции порошка. Кондиционный продукт поступает далее по патрубку вывода пылепарогазовой смеси в устройство разделения порошка и парогазовой части смеси. Получают порошки с очень большим разбросом по дисперсности, вследствие этого порошки имеют низкие технологические качества при изготовлении высокоточной керамики. Процесс сопровождается налипанием расплавленного продукта на внутренние поверхности реакционной камеры.

Известен плазмохимический реактор для получения нанодисперсных порошков (RU 21428945 C1, B01J 19/08, H05H 1/00, В05В 7/00, 20.12.99) - прототип. Реактор содержит плазменный генератор, канал ввода в верхнюю часть реакционной камеры плазменного теплоносителя, при этом ось канала совпадает с центральной вертикальной осью реактора, форсунки, 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. Форсунки установлены симметрично и под углом к вертикальной оси реакционной камеры, при этом оси форсунок пересекаются в одной точке на оси реактора. Реакционная камера имеет патрубок вывода пылепарогазовой смеси. Данное техническое решение направлено на предотвращение налипания продукта на сопла форсунок путем создания дополнительного их обдува. Введение дополнительных потоков газа неизбежно приводит к снижению температуры в реакционной камере и к ухудшению вследствие этого технологических качеств получаемого порошка.

Задачей изобретения является расширение арсенала средств получения плазмохимических порошков.

Поставленную задачу решают тем, что в плазмохимическом реакторе, включающем реакционную камеру, канал ввода в верхнюю часть реакционной камеры плазменного теплоносителя, генерированного в плазмотроне, при этом ось канала совпадает с центральной вертикальной осью реакционной камеры, форсунки для подачи в реакционную камеру диспергированного раствора реагентов, установленные симметрично и под углом к вертикальной оси реакционной камеры, при этом оси форсунок пересекаются в одной точке на центральной вертикальной оси реакционной камеры, и патрубок вывода пылепарогазовой смеси из реакционной камеры, нижняя часть канала ввода теплоносителя в виде сужающегося под углом, выбранным из интервала 8-12 градусов, сопла и расширяющееся под углом, выбранным из интервала 8-12 градусов, сопло в верхней части реакционной камеры образуют сопло Лаваля, при этом длина сужающегося сопла принята в соответствии с соотношением L=(D-d)/tg(α/2), а длина расширяющегося сопла принята в соответствии с соотношением L¹=(D¹-d)/(β/2), где L - длина сужающегося сопла, L¹ - длина расширяющегося сопла, D - диаметр входного сечения сужающегося сопла, D¹ - диаметр выходного сечения расширяющегося сопла, d - диаметр критического сечения сопла Лаваля, α - угол конусности сужающегося сопла, β - угол конусности расширяющегося сопла, выходные отверстия форсунок открываются в расширяющееся сопло, при этом точка пересечения осей форсунок с центральной вертикальной осью реакционной камеры расположена в расширяющемся сопле и удалена от критического сечения сопла Лаваля на расстояние, не превышающее диаметра этого сечения.

На фигуре изображен плазмохимический реактор.

Реактор включает реакционную камеру 1, канал 2 ввода в верхнюю часть реакционной камеры плазменного теплоносителя, генерированного в плазмотроне (не показан), форсунки 3 для подачи в реакционную камеру диспергированного раствора реагентов и патрубок 4 вывода пылепарогазовой смеси из реакционной камеры. Ось 5 канала 2 совпадает с центральной вертикальной осью 6 реакционной камеры. Форсунки установлены симметрично и под углом к оси 6, оси 7 форсунок пересекаются в точке 8 на оси 6. Нижняя часть канала 2 ввода теплоносителя выполнена в виде сужающегося под углом α (угол конусности), выбранным из интервала 8-12 градусов, сопла 9, имеющего длину L и диаметр входного сечения D. Верхняя часть реакционной камеры содержит расширяющееся под углом β (угол конусности), выбранным из интервала 8÷12 градусов, сопло 10, имеющее длину L¹ и диаметр выходного сечения D¹. Сопла 9 и 10 образуют сопло Лаваля с критическим сечением, имеющим диаметр d. Величины L, D, d и α связаны соотношением L=(D-d)/tg(α/2), а величины L¹, D¹, d и β - соотношением L¹=(D¹-d)/tg(β/2). Выходные отверстия 11 форсунок 3 открываются в расширяющееся сопло 10, при этом точка 8 пересечения осей форсунок с центральной вертикальной осью 6 реакционной камеры 1 расположена в расширяющемся сопле и удалена от критического сечения сопла Лаваля на расстояние λ, не превышающее диаметра d этого сечения.

Устройство работает следующим образом. Плазменный теплоноситель, генерируемый ВЧИ-плазмотроном, поступает через канал ввода теплоносителя 2 и его нижнюю часть в виде сопла 9 в расширяющееся сопло 10 верхней части реакционной камеры 1. Теплоноситель в сужающемся сопле 9 имеет дозвуковую скорость. После прохождения критического сечения сопла Лаваля скорость плазменного теплоносителя возрастает до сверхзвуковой скорости. В этот момент в плазменный поток форсунками 3 в расширяющееся сопло 10 вводят диспергированный водный раствор реагентов, который под действием сверхзвукового потока плазменного носителя дробится на еще более мелкие частицы, при этом происходит выравнивание частиц жидкости по форме и размерам, смещение размеров частиц в наноразмерный диапазон. Откондиционированный в верхней части реакционной камеры поток частиц жидкости поступает в среднюю часть реакционной камеры, где за счет тепла, переданного при взаимодействии с теплоносителем, происходит его обезвоживание с образованием твердых сухих частиц реагента высокой дисперсности, при этом не происходит расплавления частиц, образования агломератов и спеков. Полученную при взаимодействии пылепарогазовую смесь через патрубок 4 выводят из реакционной камеры и направляют в систему улавливания порошков (в циклонах-осадителях).

Как показали экспериментальные исследования, заявляемая геометрия сопла Лаваля (соотношения между длинами сопл, диаметрами входного, выходного и критического сечений, углами конусности сопл), а также заявляемое расстояние от критического сечения сопла Лаваля до точки пересечения осей форсунок с центральной вертикальной осью реакционной камеры (это точка начала взаимодействия плазменного теплоносителя с диспергированным раствором реагентов), обусловливая подачу перерабатываемого раствора в сформированный сверхзвуковой плазменный поток, создают наилучшие условия для интенсификации процесса смешения капель раствора с плазменным потоком, а это обеспечивает в свою очередь более однородный по форме (преобладает шаровидная форма частиц) и размерам состав получаемых порошков.