Электрический технологический реактор

 

Изобретение относится к электротермии и представляет собой технологический реактор для нагрева, смешения и проведения химических реакций между реагентами, находящимися в конденсированной фазе. Благодаря взаимодействию тока и ортогонального ему магнитного потока в реакционной камере осуществляют эффективное перемешивание компонентов шихты и резкое ускорение протекающих реакций. Наличие двух электродов на каждой из фаз трехфазного реактора позволяет осуществить электродуговой запуск реактора, а также гибко управлять технологическим режимом. Реактор может работать как в непрерывном, так и в дискретном режимах. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электротермическим устройствам для плавления и термической переработки материалов.

Известны высокотемпературные электрические технологические устройства, в которых для интенсификации тепло- и массообмена используется магнитное поле.

В известном трехфазном электродуговом реакторе [1], представляющем собой два параллельных стержневых электрода, установленных в цилиндрической токопроводящей камере, к которым подведены три фазы от трехфазного источника тока, горят соответственно три электрические дуги: между двумя указанными электродами, а также между каждым из них и проводящей стенкой разрядной камеры. С внешней стороны камеры установлен соленоид, создающий в камере продольное постоянное во времени магнитное поле. В результате взаимодействия токов с продольным магнитным полем на столбы электрических дуг действует закручивающая сила, приводящая дуги в колебательное движение.

В таком реакторе можно перерабатывать твердые мелкодисперсные материалы, однако существенным его недостатком является несимметрия электрических цепей и весьма ограниченный ресурс реактора из-за износа стенки его проводящей (графитовой) камеры.

Известен плазмотрон-реактор, в котором на область протекания тока наложено магнитное поле сложной конфигурации, закон изменения которого во времени является функцией тока дуги [2]. Так как электрический разряд на стенку камеры не замыкается, то появляется возможность радикально решить проблему ресурса его работы. Недостатком такого решения является относительно малое время пребывания частиц перерабатываемого материала в высокотемпературной области реактора, определяемое временем стекания расплава по стенке камеры.

Известен плазменный реактор, в котором электрический разряд происходит между стержневыми электродами, разрядная камера выполнена водоохлаждаемой, вокруг камеры установлен электромагнит с полюсами, создающий нормальное к плоскости протекания тока магнитное поле [3]. На выходе разрядной камеры установлена диафрагма, назначение которой несколько увеличит время пребывания расплава в высокотемпературной области.

Достоинство плазменного реактора указанного типа состоит в высокой степени турбулизации пылегазовой среды в разрядной камере, благодаря чему интенсифицируются плазменно-химические реакции, особенно если они пpотекают между реагентами в газовой фазе. Однако реакции резко замедляются, когда конденсированная фаза рабочего тела высаживается на стенку реактора и вытекает из реактора. Для тех же процессов, когда реакция идет между реагентами в конденсированной фазе, времени для полного завершения реакций как правило не хватает.

По ряду признаков указанное техническое решение наиболее близко к изобретению.

Предлагается электрический технологический реактор, питаемый от трехфазного источника тока, на область протекания токов в котором наложено сфазированное с током магнитное поле, а в реакционной камере установлены два комплекта силовых электродов. В базовом режиме работы реактора тепло в его реакционной камере выделяется в объеме расплава от токов проводимости. Реакционная камера при этом заполнена перерабатываемым материалом. Благодаря взаимодействию токов проводимости с магнитным полем происходит интенсивное перемешивание реагентов в объеме камеры. Производительность реактора регулируется выпуском расплава из реактора. Наличие двух комплектов силовых электродов позволяет управлять тепловыделением в объеме реакционной камеры путем изменения положения одного из них, осуществлять быстрый пуск установки, в широких пределах изменения условий работы реактора по температуре и физико-химическим параметрам перерабатываемых материалов регулировать технологический процесс при питании установки от источника с неизменным напряжением.

Предлагаемый электрический технологический реактор предназначен главным образом для получения материалов путем сплавления твердых веществ, например для получения муллитокремнеземистых волокнистых материалов, когда требуется высокая степень перемешивания компонентов шихты для получения различных типов стекол и проч.

На чертеже приведена схема предлагаемого реактора.

Реакционная камера реактора 1 установлена между полюсами 2 электромагнита 3. В камеру 1 введены две группы электродов: подаваемых 4 и неподаваемых (стационарных) 5. Магнитное поле в реакционной камере создается благодаря току, протекающему через обмотки электромагнита 6. Через патрубок 7 производится ввод в реактор перерабатываемых материалов, а через выходное отверстие, проходное сечение которого может изменяться во время работы реактора - диафрагму 8, - вывод продуктов переработки. Образующиеся при химических реакциях газы удаляются через патрубок 9.

Реактор работает следующим образом.

При готовности реактора к работе диафрагма 8 закрыта, электроды 4 разведены и перерабатываемые материалы в реакторе отсутствуют. Запуск реактора осуществляют зажиганием электрической дуги между электродами 4, что может быть реализовано с помощью осциллятора или сведением электродов. После подачи шихты последняя попадает в область дугового разряда, плавится и заполняет нижнюю часть реактора. На этом этапе пуска режим работы предлагаемого реактора мало чем отличается от работы плазменных реакторов [1-3], однако расплав из реактора не вытекает.

Со временем граница расплава приближается к концам электродов 4 и шунтирует их. При этом дуговой разряд прекращается и ток замыкается через расплав. Постепенно расплав заполняет реакционную камеру и в некоторый момент времени достигает электродов 5, что приводит к появлению тока в их цепи. В последующем продолжают подачу шихты и поднимают электроды 4.

Благодаря тому, что направления протекания токов в разрядной камере и направления вектора магнитной индукции ортогональны, на область расплава действуют силы, пропорциональные их произведению и направленные вдоль оси реактора, благодаря чему резко увеличивается скорость химических реакций и, соответственно, производительность технологического реактора. Необходимо отметить, что в дополнение к указанным магнитогидродинамическим силам на расплав действует и часто вращающееся магнитное поле, образованное трехфазным электромагнитом, вращающее расплав в горизонтальной плоскости. Благодаря наличию градиента вязкости такое закручивание не только перемещает расплавленную массу, но и дополнительно перемешивает и усредняет область расплава. Форма реакционной камеры в виде трехлучевой звезды выбрана из соображений повышения рабочего напряжения между электродами и уменьшения межполюсного расстояния электромагнита, т.е. оптимальных электромагнитных параметров реактора.

Возможен как непрерывный режим работы реактора, так и дискретный.

При непрерывном режиме работы после запуска и проплава шихты открывают диафрагму 8 и расплав с определенным расходом истекает из реактора. Подача шихтовых материалов при этом может быть организована различными способами. Один из наиболее простых - самотеком из бункера шихтовых материалов. При неизменной подводимой к реактору мощности его режим работы полностью определяется скоростью истечения расплава через выходную диафрагму. При дискретном режиме работы после запуска реактора ввод шихты может быть прекращен и осуществлен заданный термический режим обработки расплава.

При работе реактора выделяющиеся газы фильтруются через слой относительно холодной шихты, которой они отдают значительную часть физического тепла. Важной особенностью предлагаемого реактора является то, что практически полностью исключается пылевынос, а также унос относительно легкоплавких компонентов шихты, так как они конденсируются в верхних слоях холодной шихты и возвращаются в процесс передела. Стенки реакционной камеры реактора могут быть футерованы огнеупором, но возможен и гарнисажный режим работы.

Предлагаемый реактор легко изготовить герметичным, благодаря чему отходящие газы могут быть полностью уловлены и утилизированы, что обеспечивает экологически чистый процесс.

Электродная группа 4 служит не только для запуска реактора. Она необходима также для управления технологическим процессом плавки. Известно, что оптимальный режим работы реактора реализуется при максимальном или близком к нему рабочем напряжении. Однако даже после кратковременного понижения напряжения или обесточения установки возможно существенное нарушение технологического режима работы. В таких случаях управление второй (внутренней) группой электродов позволяет быстро скорректировать режим работы реактора. Кроме того, при необходимости эта группа электродов позволяет разогреть только нижнюю часть реактора в зоне регулируемой диафрагмы при снижении температуры расплава или при замерзании (диафрагмы).

Предлагаемый реактор разрабатывается в качестве плавильного агрегата для получения муллитокремнеземистых волокнистых материалов: истекающая струя расплава должна затем распыляться специальным устройством, работающем на сжатом воздухе. Проведенные опыты показали, что плазменные реакторы совмещенного типа [2, 3] позволяют легко расплавить шихту (SiO₂ и Al₂O₃ в примерно равных соотношениях), но из-за плохого их смешения на микроуровне при распыле получается не муллитокремнеземистое волокно, а смесь волокна из SiO₂ и шариков из Al₂O₃.

Благодаря интенсивному магнитогидродинамическому перемешиванию расплава в предлагаемом реакторе и вращению его в магнитом поле, а также увеличению времени пребывания расплава в зоне перемешивания на 2-3 порядка по сравнению с известными реакторами предлагаемый реактор обеспечивает эффективный режим передела, что подтверждается на лабораторных моделях.

Кроме указанного применения реактора для получения жаростойких волокнистых материалов мощностью 1,0 МВт такой же реактор изготавливается для получения силикат-глыбы (жидкого стекла) на Щербинском заводе электроплавленных огнеупоров.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕАКТОР, содержащий реакционную камеру с диафрагмой, стержневые электроды и охватывающий камеру электромагнит с обмотками, отличающийся тем, что реакционная камера выполнена в виде трехлучевой звезды, вдоль каждого из лучей которой размещены по два эквипотенциальных электрода, соединенных последовательно с обмотками электромагнита и предназначенных для подключения к трехфазному источнику питания, при этом три внутренних электрода установлены под углом к продольной оси реакционной камеры, заполненной перерабатываемым материалом, а диафрагма выполнена с регулируемым проходным сечением.

РИСУНКИ

Рисунок 1