PL206356B1

PL206356B1 - Method of and Chemical reactor for carrying processes in the microwave plasma

Info

Publication number: PL206356B1
Application number: PL372039A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Krawczyk; Krzysztof Schmidt-Szałowski; Edward Reszke
Original assignee: Politechnika WarszawskaPolitechnika Warszawska
Priority date: 2004-12-31
Filing date: 2004-12-31
Publication date: 2010-07-30
Also published as: PL372039A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest reaktor plazmochemiczny przeznaczony do prowadzenia reakcji chemicznych zwłaszcza pod ciśnieniem atmosferycznym w plazmie wyładowania mikrofalowego oraz sposób prowadzenia procesów w plazmie mikrofalowej.The subject of the invention is a plasma-chemical reactor intended for conducting chemical reactions, especially under atmospheric pressure in a microwave discharge plasma, and a method of conducting processes in a microwave plasma.

Plazma nierównowagowa wykorzystywana jest w wielu dziedzinach techniki np. w przemyśle opakowań, w elektronice, w analizie chemicznej, w obróbce powierzchni, w technice oświetleniowej, w procesach odpylania gazów i w procesie uzdatniania wody. Jednym z rodzajów plazmy nierównowagowej jest plazma mikrofalowa, która szczególnie nadaje się do prowadzenia reakcji o wysokich energiach aktywacji np. do rozkładu szczególnie trwałych zanieczyszczeń gazowych oraz do wytwarzania powłok węglowych (o strukturze diamentu) z węglowodorów.Non-equilibrium plasma is used in many fields of technology, e.g. in the packaging industry, electronics, chemical analysis, surface treatment, lighting technology, gas dedusting and water treatment. One type of non-equilibrium plasma is microwave plasma, which is particularly suitable for carrying out reactions with high activation energies, e.g. for decomposing particularly persistent gaseous pollutants and for producing carbon (diamond-like) coatings from hydrocarbons.

Plazma mikrofalowa cechuje się stosunkową wysoką energią elektronów wynoszącą od 1 do kilkunastu elektronowoltów oraz wysoką temperaturą wynoszącą ok. 4000K. Źródłem energii promieniowania mikrofalowego są magnetrony mikrofalowe. Energia promieniowania mikrofalowego doprowadzana jest do reaktora z magnetronu za pomocą falowodu. Najistotniejsze różnice między plazmą wyładowania mikrofalowego i innymi rodzajami plazmy wyładowań elektrycznych to wysoka koncentracja cząstek aktywnych oraz duża gęstość plazmy przy znacznej energii elektronów.Microwave plasma is characterized by a relatively high electron energy, ranging from 1 to several electron volts, and a high temperature of approx. 4000K. The source of microwave radiation energy are microwave magnetrons. The energy of microwave radiation is supplied to the reactor from the magnetron by means of a waveguide. The most important differences between microwave discharge plasma and other types of electric discharge plasma are the high concentration of active particles and high plasma density with significant electron energy.

Znane są obecnie dwa sposoby prowadzenia procesów chemicznych w fazie gazowej w wyładowaniu mikrofalowym. Pierwszy sposób polega na wzbudzeniu bezelektrodowej plazmy wyładowania mikrofalowego w wyniku absorpcji energii mikrofalowej skoncentrowanej w objętości zjonizowanego gazu, zwykle pod zmniejszonym ciśnieniem. Drugi sposób wzbudzania plazmy mikrofalowej polega na wytworzeniu w obszarze reaktora silnego pola elektrycznego za pomocą dodatkowej elektrody (wyładowanie jednoelektrodowe typu torch). Przepuszczany gaz ulega jonizacji, w wyniku czego następuje przebicie elektryczne i uformowanie się wyładowania elektrycznego w formie płomienia plazmowego. Takie rozwiązanie wymaga stosowania odpowiednich zabezpieczeń uniemożliwiających uszkodzenie generatora mikrofal wskutek pojawienia się nadmiernej energii fali odbitej. Wadą metody jest konieczność stosowania jedynie niewielkich przepływów gazu.There are currently two methods of carrying out chemical processes in the gas phase in a microwave discharge. The first method is to excite the electrodeless plasma of a microwave discharge by absorbing the microwave energy concentrated in a volume of ionized gas, usually under reduced pressure. The second method of excitation of the microwave plasma consists in creating a strong electric field in the area of the reactor by means of an additional electrode (single-electrode torch discharge). The flowing gas is ionized, resulting in an electric breakdown and the formation of an electric discharge in the form of a plasma flame. Such a solution requires the use of appropriate safeguards to prevent damage to the microwave generator as a result of the appearance of excessive energy of the reflected wave. The disadvantage of the method is that only small gas flows are required.

Okazało się, że zwiększenie wydajności przemian chemicznych jest możliwe poprzez połączenie działania wyładowania mikrofalowego z wyładowaniem elektrycznym, powodującym wstępną jonizację gazu roboczego. Zastosowanie źródła jonów w przestrzeni, w której tworzy się wyładowanie mikrofalowe ułatwia inicjację plazmy mikrofalowej i pozwala na prowadzenie procesu pod ciśnieniem atmosferycznym lub zbliżonym do atmosferycznego.It turned out that it is possible to increase the efficiency of chemical transformations by combining the operation of a microwave discharge with an electric discharge, which causes the initial ionization of the working gas. The use of an ion source in the space where the microwave discharge is created facilitates the initiation of the microwave plasma and allows the process to be carried out at or near atmospheric pressure.

W reaktorze wg wynalazku jako dodatkowe ź ródł o jonów umoż liwiają cych inicjację wył adowania mikrofalowego zastosowano wyładowanie ślizgowe. Znany sposób generowania plazmy w wyładowaniu ślizgowym polega na tym, że przez przestrzeń znajdującą się między co najmniej dwoma elektrodami przepuszcza się gaz o odpowiednio dużej szybkości liniowej przepływu. Przepływający gaz powoduje przemieszczanie się powstałej w miejscu, w którym odległość między elektrodami jest najmniejsza, ścieżki wyładowania, i w którym następuje inicjacja wyładowania. W niewielkiej odległości od końców elektrod wyładowanie zanika. W miejscu, w którym odległość między elektrodami jest najmniejsza, pojawia się kolejne wyładowanie.In the reactor according to the invention, a sliding discharge was used as an additional source of ions enabling the initiation of the microwave discharge. A known method of generating plasma in a sliding discharge is that a gas with a suitably high linear flow velocity is passed through the space between at least two electrodes. The flowing gas causes the movement of the discharge path formed in the place where the distance between the electrodes is the shortest, and where the discharge is initiated. A short distance from the tips of the electrodes, the discharge disappears. Another discharge appears where the distance between the electrodes is the shortest.

Istotnym elementem reaktora wg wynalazku jest komora reakcyjna, w której jednocześnie zachodzi wyładowanie ślizgowe i wyładowanie mikrofalowe. W dolnej części reaktora umieszczono dwie elektrody, które generują wyładowanie ślizgowe jonizując gaz przechodzący przez stalową dyszę umieszczoną między elektrodami. W górnej części reaktora, w kierunku przepływu gazu, znajduje się komora, w której występuje silne pole elektryczne wytworzone przez promieniowanie mikrofalowe (częstotliwość 2,45GHz) generowane przez magnetron i doprowadzone przez falowód. Po włączeniu przepływu gazu roboczego i zasilania wyładowania ślizgowego włącza się zasilanie magnetronu generującego promieniowanie mikrofalowe o ustalonej mocy. Dzięki połączeniu obu typów wyładowań nie jest konieczne stosowanie elementów zabezpieczających głowicę magnetronu przed uszkodzeniem przez falę odbitą gdyż jej powstawanie jest ograniczone dzięki absorpcji energii mikrofalowej w plazmie wytwarzanej w wyładowaniu ślizgowym. Jonizacja gazu w wyładowaniu ślizgowym ułatwia też inicjację wyładowania mikrofalowego. Inicjacja plazmy mikrofalowej jest polepszana dzięki zagęszczeniu linii sił pola elektrycznego w wyniku umieszczenia w falowodzie, w osi przepływu gazu, elektrody inicjującej wykonanej z przewodnika umieszczonego w ceramicznej obudowie.An important element of the reactor according to the invention is the reaction chamber in which both the sliding discharge and the microwave discharge take place. In the lower part of the reactor, two electrodes are placed, which generate a sliding discharge by ionizing the gas passing through a steel nozzle placed between the electrodes. In the upper part of the reactor, in the direction of gas flow, there is a chamber in which there is a strong electric field generated by microwave radiation (frequency 2.45 GHz) generated by a magnetron and fed through a waveguide. After the working gas flow and the sliding discharge power are turned on, the magnetron generating the microwave radiation of the set power is turned on. Due to the combination of both types of discharges, it is not necessary to use elements protecting the magnetron head against damage by the reflected wave, because its generation is limited due to the absorption of microwave energy in the plasma generated in a sliding discharge. Gas ionization in a sliding discharge also facilitates the initiation of a microwave discharge. The initiation of the microwave plasma is improved due to the densification of the electric field force lines due to the placement in the waveguide, along the gas flow axis, of an initiating electrode made of a conductor placed in a ceramic housing.

Na rysunku przedstawiono reaktor w ujęciu schematycznym.The figure shows a schematic view of the reactor.

PL 206 356 B1PL 206 356 B1

P r z y k ł a d I.P r z x l a d I.

Reaktor według wynalazku posiada komorę reakcyjną 1 o średnicy wewnętrznej 40 mm, w której zachodzi wyładowanie ślizgowe i wyładowanie mikrofalowe. W dolnej części reaktora umieszczono dwie elektrody 2, które generują wyładowanie ślizgowe jonizując gaz przechodzący przez stalową dyszę 3 umieszczoną między elektrodami 2. W górnej części reaktora, w kierunku przepływu gazu, znajduje się komora, w której występuje silne pole elektryczne wytworzone przez promieniowanie mikrofalowe (częstotliwość 2,45 GHz) generowane przez magnetron 4 i doprowadzone przez falowód 5. Po włączeniu przepływu gazu roboczego i zasilania wyładowania ślizgowego włącza się zasilanie magnetronu generującego promieniowanie mikrofalowe o ustalonej mocy. Inicjacja plazmy mikrofalowej następuje w wyniku umieszczenia w falowodzie, w osi przepływu gazu, elektrody inicjującej 6 wykonanej z przewodnika umieszczonego w ceramicznej obudowie 7. Strumień gazowych reagentów doprowadza się do reaktora króćcem 8. Przez reaktor przepuszczano mieszaninę podtlenku azotu w powietrzu przy natężeniu przepływu 0,5 Nm³/h. Po ustaleniu warunków pracy wyładowania ślizgowego będącego źródłem jonów w przestrzeni reakcyjnej następowało włączenie generatora mikrofal i inicjacja plazmy mikrofalowej. Reaktor w części wyładowania ślizgowego zasilany był prądem o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 200 W. Część mikrofalowa zasilana była promieniowaniem mikrofalowym o mocy 100W. Stwierdzono, że zastosowana metoda pozwala zwiększyć przemianę podtlenku azotu do NO. Przyrost ten wynosił ok. 50%.The reactor according to the invention has a reaction chamber 1 with an internal diameter of 40 mm, in which both sliding and microwave discharge take place. In the lower part of the reactor, two electrodes 2 are placed, which generate a sliding discharge by ionizing the gas passing through a steel nozzle 3 placed between electrodes 2. In the upper part of the reactor, in the direction of gas flow, there is a chamber in which there is a strong electric field generated by microwave radiation ( frequency 2.45 GHz) generated by the magnetron 4 and fed through the waveguide 5. After the working gas flow and the sliding discharge power are turned on, the magnetron generating the microwave radiation with a fixed power is turned on. The initiation of the microwave plasma takes place as a result of placing in the waveguide, in the gas flow axis, the initiating electrode 6 made of a conductor placed in a ceramic casing 7. The stream of gaseous reagents is fed to the reactor through a stub pipe 8. A mixture of nitrous oxide in air was passed through the reactor at a flow rate of 0, 5 Nm ³ / h. After establishing the operating conditions of the sliding discharge being the source of ions in the reaction space, the microwave generator was turned on and the microwave plasma was initiated. The reactor in the sliding discharge part was supplied with 50 Hz current from a 200 W source. The microwave part was supplied with 100 W microwave radiation. It was found that the applied method allows to increase the conversion of nitrous oxide to NO. This increase was approx. 50%.

P r z y k ł a d IIP r z x l a d II

Stosowano reaktor jak w przykładzie I do rozkładu tetrachlorometanu z tym, że przez reaktor przepuszczano mieszaninę tetrachlorometanu w powietrzu przy natężeniu przepływu 1 Nm³/h. Reaktor, w części wyładowania ślizgowego zasilany był prądem o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 500 W. Część mikrofalowa zasilana była mocą 150 W przy częstotliwości 2,450 GHz. Stwierdzono, że zastosowanie układu według wynalazku pozwala na całkowitą przemianę wprowadzonego tetrachlorometanu.A reactor was used as in Example 1 to decompose tetrachloromethane, except that a mixture of tetrachloromethane in air was passed through the reactor at a flow rate of 1 Nm ³ / h. The reactor, in the slip discharge part, was supplied with 50 Hz current from a 500 W source. The microwave part was supplied with 150 W at 2.450 GHz. It has been found that the use of the system according to the invention allows the complete conversion of the tetrachloromethane introduced.

P r z y k ł a d III.P r x l a d III.

Stosowano reaktor jak w przykładzie II do rozkładu tetrachlorometanu z tym, że przez reaktor przepuszczano mieszaninę tetrachlorometanu w powietrzu przy natężeniu przepływu 1,5 Nm³/h. Reaktor, w części wyładowania ślizgowego zasilany był prądem o częstotliwości 50 Hz ze źródła o mocy 700 W. Część mikrofalowa zasilana była promieniowaniem mikrofalowym o mocy 150 W. Stwierdzono, że przez zastosowanie układu według wynalazku uzyskano istotny wzrost sprawności przemiany tetrachlorometanu z 65% do 93%.A reactor was used as in Example 2 to decompose tetrachloromethane, except that a mixture of tetrachloromethane in air was passed through the reactor at a flow rate of 1.5 Nm ³ / h. The reactor, in the part of the sliding discharge, was supplied with a current of 50 Hz from a 700 W source. The microwave part was supplied with microwave radiation with a power of 150 W. It was found that by using the system according to the invention, a significant increase in the conversion efficiency of tetrachloromethane was achieved from 65% to 93 %.

Claims

1. A reactor for conducting chemical reactions in microwave plasma, consisting of a reaction chamber with a microwave source fed to the reaction zone through a waveguide and an additional initiating electrode, characterized in that it additionally includes two electrodes (2) supplied with electricity, placed in the reaction chamber (1 ) in front of the area of operation of microwave radiation in relation to the direction of gas flow.

2. A method of carrying out chemical processes in a microwave plasma consisting in exposing the gas to microwave radiation of a predetermined power, characterized in that the gas in front of the microwave radiation exposure zone is initially subjected to the process of ionization by means of a sliding-type discharge.