Плазмохимическая установка для получения высокодисперсных порошков Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 533.9:537.52

И. Ш. Абдуллин, Р. Н. Гайнуллин, А. Р. Герке,

А. П. Кирпичников, А. В. Лира, И. Г. Гафаров

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ

Ключевые слова: высокочастотный индукционный разряд, наноразмерные частицы.

В статье приведено описание плазмохимической установки для получения наноразмерных частиц оксидов металлов.

Keywords: a high frequency inductive discharge, nano-sized particles.

The article describes a plasma-chemical installation for to

Введение

В последние годы всё большее значение приобретают технологические процессы и установки, основанные на применении низкотемпературной плазмы. Высокая энергетика плазменных процессов даёт возможность проводить реакции, неосуществимые при обычных условиях с использованием рядовых технологий. Особенно перспективны в этом направлении аппараты и конструкции, использующие высокочастотный нагрев газа [1], в которых отсутствие внутренних электродов позволяет получить плазму особо чистой, не загрязнённой продуктами их разрушения. Эти преимущества дают возможность применять ВЧИ разряд при проведении различных плазмохимических реакций, для получения особо чистых материалов и покрытий с уникальными физическими и химическими свойствами, в том числе и высокодисперсных порошков [2].

1. Описание плазмохимической установки

Высокочастотные струйные плазмотроны являются достаточно простыми источниками низкотемпературной плазмы, пригодными как для целей лабораторного моделирования, так и для промышленного использования в разнообразных плазменных технологиях.

Плазмохимический метод получения высокодисперсных порошков основан на использовании межфазных переходов в низкотемпературной плазме струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления. Данная технология обеспечивает переход исходного вещества в газообразное состояние с последующей конденсацией в плазмохимическом реакторе.

Поскольку скорость закалки исходных газообразных веществ непосредственно влияет на конечные размеры получаемого продукта, то для получения на-норазмерных частиц особое внимание необходимо уделять охлаждению реакционного потока. С этой целью предусмотрен ввод в зону реакции закалочного газа.

Для получения высокодисперсных порошков была разработана и создана экспериментальная плазмохимическая установка, внешний вид которой представлен на рис. 1.

Структурная схема плазмохимической установки представлена рис. 2.

obtain nano-sized particles of metal oxides.

Рис. 1 - Внешний вид плазмохимической установки

Рис. 2 - Структурная схема плазмохимической установки

Основными её элементами являются высокочастотный генератор ВЧИ 11/60-1.76, высокочастотный индукционный плазмотрон, узел подачи исходного сырья, плазмохимический реактор, состоящий из трёх реакционных камер и электростатический фильтр.

Генератор ВЧИ-11/60-1.76 выполнен по двухконтурной схеме [3], что позволяет согласовывать режим его работы с режимами работы плазмотрона [4]. За счет этого достигается возможность

использования ВЧ генератора для питания индукционного плазмотрона, работающего на различных плазмообразующих газах и на различных видах сырья при подаче его в разрядную камеру плазмотрона.

При проведении экспериментов использовались разрядные камеры трёх типов - кварцевая камера с воздушным охлаждением, кварцевая камера по схеме “труба в трубе” с водяным охлаждением и металлическая разрезная водоохлаждаемая камера с входным и выходным фланцами. Газоформирующая головка обеспечивает поджиг плазмотрона, подачу плазмообразующих газов, сырья в разрядную камеру и охлаждение разрядной камеры. Выходной фланец стыкуется с реактором-расширителем. При необходимости через него возможна подача дополнительных газов - реагентов или ввод сырья в струю плазмотрона. В реализованной схеме плазмотехнологический процесс может осуществляться, как в самой разрядной камере, так и на срезе плазмотрона в струе плазмы, истекающей в плазмохимический реактор.

Подача сырья в разрядную камеру плазмотрона осуществляется из узла подачи исходного материала. Его основным элементом является дозатор вибрационного типа, который конструктивно предусматривает создание в нём избыточного давления транспортирующего газа для переноса исходных частиц сырья в область разряда. Ввод сырья в зону сгустка разряда осуществлялся с помощью водоохлаждаемой транспортировочной трубки (питателя). При этом имеется возможность регулировать интенсивность подачи порошка путем изменения расхода транспортирующего газа, что особенно важно, так как недостаточная скорость подачи сырья, как и его избыток неизбежно приводят к резкому снижению эффективности всей плазмохимической реакции. При этом питатель может перемещаться вертикально внутри разрядной камеры плазмотрона и устанавливаться в оптимальной зоне подачи сырья (рис.3).

Рис. 3 - Расположение питателя в индукционном разряде

Конструкция плазмохимического реактора (рис.4) разработана по блочно-модульному принципу.

Такой универсальный подход, позволяет за счет применения унифицированных фланцев (выходного фланца ВЧИ плазмотрона, входных и выходных фланцев реакторов и уловителей фильтров) осуществлять различные комбинации подключения технологического оборудования в зависимости от поставленной задачи. Ещё одним преимуществом разработанной конструкции является возможность приспособления и адаптации оборудования к переменным нагрузкам по сырью и различным физикохимическим свойствам перерабатываемых продуктов.

Рис. 4 - Внешний вид плазмохимического реактора

Связанные в каскад реакционные камеры выполняют функции расширителей-охладителей и фильтров. Все камеры в каскаде идентичны и взаимозаменяемы. Более тяжелые фракции полученного продукта выпадают в сборники, расположенные в нижней части первой камеры, более лёгкие фракции осаждаются на рукавных фильтрах во второй и третьей камерах каскада. Окончательное улавливание и сбор наиболее мелких фракций происходит на электростатическом фильтре.

Литература

1. Дресвин С.В. Основы теории и расчета высокочастотных плазмотронов / С.В. Дресвин. - Л.: Энергоатомиз-дат, 1991. - 352 с.

2. Гайнуллин Р.Н. Контактная диагностика струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления / Р.Н. Гайнуллин. - Казань: Изд-во Казанск. гос. технол. ун-та, 2009. - 220 с.

3. Гайнуллин Р.Н. Измерение параметров низкотемпера-

турной плазмы магнитным зондом / Р.Н. Гайнуллин, А.Р. Герке, А.П. Кирпичников // Вестник Казанского технологического университета. - 2007. - №3-4. -

С.130-134

4. Гайнуллин Р.Н. Метод диагностики плазмы высокочастотного индукционного разряда. Р.Н. Гайнуллин, А.П. Кирпичников // Прикладная физика.- 2008. - №5. -С. 44-50.

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проректор КНИТУ; Р. Н. Гайнуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. АССОИ КНИТУ, [email protected]; А. Р. Герке - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected]; А. П. Кирпичников - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ИСУИР КНИТУ, [email protected]; А. В. Лира - канд. техн. наук, доц. каф. АССОИ; И. Г. Гафаров - д-р техн. наук, проф., ген. дир. НПГ «РЕНАРИ» г. Москва, [email protected].