[go: up one dir, main page]

RU2593297C2 - Method of producing gas mixture containing nitrogen oxide - Google Patents

Method of producing gas mixture containing nitrogen oxide Download PDF

Info

Publication number
RU2593297C2
RU2593297C2 RU2014154213/05A RU2014154213A RU2593297C2 RU 2593297 C2 RU2593297 C2 RU 2593297C2 RU 2014154213/05 A RU2014154213/05 A RU 2014154213/05A RU 2014154213 A RU2014154213 A RU 2014154213A RU 2593297 C2 RU2593297 C2 RU 2593297C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
electrodes
gap
voltage
spark
Prior art date
Application number
RU2014154213/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014154213A (en
Inventor
Сергей Николаевич Буранов
Владимир Иванович Карелин
Виктор Дмитриевич Селемир
Александр Сергеевич Ширшин
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом", Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority to RU2014154213/05A priority Critical patent/RU2593297C2/en
Publication of RU2014154213A publication Critical patent/RU2014154213A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2593297C2 publication Critical patent/RU2593297C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to plasma chemistry, particularly to production of nitrogen oxide (NO) from initial gas containing at least nitrogen and oxygen, using electric discharge and can be used in scientific research, industry, agriculture and medicine. Method of producing gas mixture containing nitrogen oxide, includes following steps: providing annular gas gap between two electrodes with tangential input and output of initial gas containing at least oxygen and nitrogen, through gas gap, feeding to electrodes high-voltage pulses with duration 1-10 mcs with controlled repetition frequency within range from 250 Hz to 8.5 kHz, providing rate of gas passage and repetition frequency of high-voltage pulses, where in direction of passage of gas a sequence of spark discharges is formed, displaced relative to each other at distance not shorter than 0.15 mm.
EFFECT: longer service life of electrode system and wider range of control of concentration of nitrogen oxide.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к плазмохимии, в частности к технологии получения окиси азота (NO) из исходного газа, содержащего, по меньшей мере, азот и кислород, с помощью электрического разряда и может быть использовано в научных исследованиях, промышленности, сельском хозяйстве и медицине.The invention relates to plasma chemistry, in particular, to a technology for producing nitric oxide (NO) from a source gas containing at least nitrogen and oxygen by means of an electric discharge and can be used in scientific research, industry, agriculture and medicine.

Процесс окисления азота в плазме электрического разряда находит широкое применение в целом ряде промышленных и медицинских технологий. Преимуществами плазменного метода по сравнению с химическим являются легкодоступные запасы сырья (атмосферные азот и кислород), простота оборудования и возможность размещения плазмохимической установки в непосредственной близости от места проведения эксперимента, медицинской процедуры и т.д.The process of nitrogen oxidation in an electric discharge plasma is widely used in a number of industrial and medical technologies. The advantages of the plasma method over the chemical one are readily available reserves of raw materials (atmospheric nitrogen and oxygen), simplicity of equipment, and the possibility of placing a plasma chemical plant in the immediate vicinity of the experiment site, medical procedure, etc.

Искровой разряд при давлении газа порядка атмосферного привлекателен для получения NO-содержащей смеси, прежде всего, с технологической точки зрения. В этом разряде удается вкладывать в газ значительную энергию (1-2 Дж/см3), необходимую для обеспечения эффективного синтеза NO в неравновесной плазме, при этом температура газовой смеси может не превышать величины ~500°C. Для сравнения: в равновесной плазме дугового разряда эффективный синтез озона требует нагрева газа до температуры ~4000°C, что как минимум снижает срок службы электродной системы.A spark discharge at a gas pressure of about atmospheric is attractive for producing an NO-containing mixture, primarily from a technological point of view. In this discharge, it is possible to put significant energy (1-2 J / cm 3 ) into the gas necessary to ensure effective synthesis of NO in a nonequilibrium plasma, while the temperature of the gas mixture can not exceed ~ 500 ° C. For comparison: in an equilibrium arc discharge plasma, effective ozone synthesis requires heating the gas to a temperature of ~ 4000 ° C, which at least reduces the service life of the electrode system.

Известен патент авторов R.W. Treharne, C.K. McKibben US №4010897, кл. МПК7 B05B 7/30; B05B 17/04, C05C 11/00, A01C 23/04, опубликованный 08.03.1977 г., согласно которому окисление азота осуществляется в плазме искрового разряда. Процесс окисления включает следующие этапы: обеспечивают газовый промежуток между двумя электродами, обеспечивают прохождение исходного газа, содержащего, по меньшей мере, кислород и азот, через газовый промежуток, подводят высоковольтное напряжение к вышеуказанным электродам, при этом обеспечивают амплитуду напряжения, достаточную для формирования искрового разряда (канала) в газовом промежутке, синтеза окиси азота под действием искрового разряда и образования NO-содержащей смеси.Known patent authors RW Treharne, CK McKibben US No. 4010897, class. IPC 7 B05B 7/30; B05B 17/04, C05C 11/00, A01C 23/04, published 03/08/1977, according to which the oxidation of nitrogen is carried out in a spark plasma. The oxidation process includes the following steps: provide a gas gap between the two electrodes, ensure the passage of the source gas containing at least oxygen and nitrogen through the gas gap, bring the high voltage voltage to the above electrodes, while providing a voltage amplitude sufficient to form a spark discharge (channel) in the gas gap, the synthesis of nitric oxide under the action of a spark discharge and the formation of an NO-containing mixture.

В известном патенте воздушный поток пропускают через газовый промежуток, разделяющий цилиндрический внешний электрод и установленный на его оси (соосно) стержневой внутренний электрод. При этом к электродам прикладывают высоковольтное напряжение амплитудой порядка 5 кВ переменного тока промышленной частоты 60 Гц. Когда амплитудное значение напряжения (дважды за период) достигает величины напряжения пробоя воздушного промежутка, между электродами образуется искровой разряд с характерным диаметром плазменного канала ~0,2 мм. В каналах протекает активный ток, вкладывается в газ энергия, достаточная для активации реакций синтеза окиси азота. В результате из газового промежутка выводят NO-содержащую смесь.In the known patent, the air flow is passed through a gas gap separating the cylindrical external electrode and the rod inner electrode mounted on its axis (coaxially). In this case, a high-voltage voltage with an amplitude of about 5 kV of an alternating current of industrial frequency 60 Hz is applied to the electrodes. When the amplitude voltage value (twice per period) reaches the breakdown voltage of the air gap, a spark discharge is formed between the electrodes with a characteristic plasma channel diameter of ~ 0.2 mm. An active current flows in the channels, sufficient energy is invested in the gas to activate nitric oxide synthesis reactions. As a result, the NO-containing mixture is removed from the gas gap.

В известном патенте искровой разряд формируют при медленно нарастающем напряжении с длительностью фронта порядка 4,15 мс. Большое время передачи энергии от источника питания в разряд чрезмерно увеличивает ток в искровом канале и температуру в пятне на поверхности, что является недостатком, поскольку увеличивает эрозию и снижает срок службы электродов.In the known patent, a spark discharge is formed at a slowly increasing voltage with a front duration of about 4.15 ms. The long time of transferring energy from the power source to the discharge unnecessarily increases the current in the spark channel and the temperature in the spot on the surface, which is a drawback, since it increases erosion and reduces the service life of the electrodes.

В известном патенте обрабатываемый искровыми разрядами исходный газ пересекает цилиндрический газовый промежуток в продольном направлении, проходя по длинным винтовым траекториям. При этом значительная часть молекул NO успевает вступить в реакции окисления с образованием двуокиси азота NO2. В результате средняя концентрация NO в выходной смеси снижается. Это является недостатком, поскольку уменьшает диапазон регулирования концентрации NO.In the known patent, the spark gas processed by the source gas crosses the cylindrical gas gap in the longitudinal direction, passing along long helical paths. In this case, a significant part of the NO molecules manages to enter the oxidation reaction with the formation of nitrogen dioxide NO 2 . As a result, the average concentration of NO in the output mixture decreases. This is a disadvantage because it reduces the range of regulation of the concentration of NO.

Меньшее время вывода NO-содержащей смеси из газового промежутка обеспечивают в известном патенте авторов H.G. Wyse, M.S. Smith US №4141715, кл. МПК7 B01K 1/00; C05C 5/00, опубликованном 27.02.1979 г, согласно которому окисление азота осуществляют в плазме искрового разряда, включающем следующие этапы: обеспечивают газовый промежуток между двумя электродами, обеспечивают прохождение исходного газа, содержащего, по меньшей мере, кислород и азот, через газовый промежуток, подводят высоковольтное напряжение к вышеуказанным электродам, при этом обеспечивают амплитуду напряжения, достаточную для формирования искрового разряда (канала) в газовом промежутке, синтеза окиси азота под действием искрового разряда и образования NO-содержащей смеси.Less time for the removal of the NO-containing mixture from the gas gap is provided in the well-known patent of the authors HG Wyse, MS Smith US No. 4141715, class. IPC 7 B01K 1/00; C05C 5/00, published on 02.27.1979, according to which the oxidation of nitrogen is carried out in a spark plasma, which includes the following steps: provide a gas gap between the two electrodes, ensure the passage of the source gas containing at least oxygen and nitrogen through the gas gap high voltage is supplied to the above electrodes, while providing a voltage amplitude sufficient to form a spark discharge (channel) in the gas gap, the synthesis of nitric oxide under the influence of a spark discharge and the formation of an NO-containing mixture.

В известном патенте в газовом промежутке между соосными внешним дисковым электродом с центральным круглым отверстием и внутренним проволочным электродом исходному газу (воздуху) придают в поперечном сечении газового промежутка (апертуры) вихревое движение. К электродам подводят высоковольтное напряжение амплитудой 7 кВ переменного тока промышленной частоты 60 Гц и формируют радиально направленный искровой разряд. В пределах апертуры обеспечивают компактную область образования молекул NO с осесимметричным выводом потока, что уменьшает время вывода NO-содержащей смеси из газового промежутка.In the known patent, in the gas gap between the coaxial external disk electrode with the central circular hole and the internal wire electrode, the source gas (air) is given a swirl movement in the cross section of the gas gap (aperture). A high-voltage voltage with an amplitude of 7 kV AC of an industrial frequency of 60 Hz is supplied to the electrodes and a radially directed spark discharge is formed. Within the aperture, a compact region for the formation of NO molecules with an axisymmetric flow outlet is provided, which reduces the time for the removal of the NO-containing mixture from the gas gap.

Однако в известном патенте искровой разряд, возбуждаемый медленно нарастающим напряжением, обладает слишком большой длительностью. Это ведет к локальному перегреву в приэлектродной области разряда и термической эрозии поверхности, что является недостатком, поскольку снижает срок службы электродов. Кроме того, поверхность проволочного электрода ввиду своего малого диаметра практически непрерывно подвергается эрозийному воздействию искрового разряда. Это является недостатком, так как уменьшает срок его службы.However, in the known patent, a spark discharge excited by a slowly rising voltage has too long a duration. This leads to local overheating in the near-electrode region of the discharge and thermal erosion of the surface, which is a disadvantage because it reduces the life of the electrodes. In addition, the surface of the wire electrode, due to its small diameter, is almost continuously subjected to erosion by a spark discharge. This is a disadvantage, as it reduces its service life.

В известном патенте в поперечном сечении газового промежутка газовая смесь образует вихрь, угловая скорость которого мала на периферии и велика у оси в области вывода. Часть кинетической энергии внутренних слоев идет на повышение температуры газа, что интенсифицирует перемешивание компонент смеси и окисление NO. В результате средняя концентрация NO в выходной смеси значительно снижается. Это является недостатком, поскольку уменьшает диапазон регулирования концентрации NO.In the known patent, in the cross section of the gas gap, the gas mixture forms a vortex, the angular velocity of which is small at the periphery and large at the axis in the outlet region. Part of the kinetic energy of the inner layers is used to increase the temperature of the gas, which intensifies the mixing of the mixture components and the oxidation of NO. As a result, the average concentration of NO in the output mixture is significantly reduced. This is a disadvantage because it reduces the range of regulation of the concentration of NO.

Практически без перемешивания выводят NO-содержащий газ в способе получения газовой смеси, содержащей окись азота, автора W.M. Zapol по описанию к патенту US №5396882, кл. МПК7 A61M 11/00, опубликованному 14.03.1995 г., который является наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению.With almost no stirring, the NO-containing gas is removed in the method for producing a gas mixture containing nitric oxide by WM Zapol as described in US Pat. No. 5,339,682, cl. IPC 7 A61M 11/00, published on March 14, 1995, which is the closest in technical solution to the claimed invention.

Известный способ включает следующие этапы: обеспечивают газовый промежуток между двумя электродами, обеспечивают прохождение исходного газа, содержащего, по меньшей мере, кислород и азот, через газовый промежуток, подводят высоковольтное напряжение к вышеуказанным электродам, при этом обеспечивают амплитуду напряжения, достаточную для формирования искрового разряда (канала) в газовом промежутке, синтеза окиси азота под действием искрового разряда и образования NO-содержащей смеси.The known method includes the following steps: provide a gas gap between the two electrodes, ensure the passage of the source gas containing at least oxygen and nitrogen through the gas gap, bring the high voltage voltage to the above electrodes, while providing a voltage amplitude sufficient to form a spark discharge (channel) in the gas gap, the synthesis of nitric oxide under the action of a spark discharge and the formation of an NO-containing mixture.

В известном способе исходный газ (воздух) пропускают поперечно разрядному промежутку, разделяющему два соосно расположенных закругленных стержневых электрода. Под действием высоковольтного напряжения U (~20 кВ) переменного тока промышленной частоты (50/60 Гц) между электродами формируют искровой разряд, инициирующий химические реакции синтеза окиси азота. Поскольку газ плавно без завихрений обтекает электроды, то NO-содержащий поток выводят без перемешивания по кратчайшему пути, что уменьшает потери окиси азота.In the known method, the source gas (air) is passed transversely to the discharge gap separating two coaxially arranged rounded rod electrodes. Under the action of a high voltage voltage U (~ 20 kV) of alternating current of industrial frequency (50/60 Hz), a spark discharge is formed between the electrodes, initiating chemical reactions of the synthesis of nitric oxide. Since the gas flows smoothly around the electrodes without vortices, the NO-containing stream is removed without mixing along the shortest path, which reduces the loss of nitric oxide.

Однако в промежутке между указанными электродами электрическое поле имеет резко неоднородное распределение с максимальным значение напряженности в областях, примыкающих к вершинам электродов. Здесь в каждом импульсе опережающим образом развиваются процессы ионизации газа и формируется искровой канал. В результате появляется «привязка» искровых каналов к вершинам электродов. Это является недостатком, поскольку ускоряет термическую эрозию и снижает срок службы электродов.However, in the gap between the indicated electrodes, the electric field has a sharply inhomogeneous distribution with a maximum value of tension in the areas adjacent to the vertices of the electrodes. Here, in each pulse, the processes of gas ionization develop in a faster manner and a spark channel is formed. As a result, there is a "binding" of the spark channels to the tops of the electrodes. This is a disadvantage because it accelerates thermal erosion and reduces the life of the electrodes.

Выход химических реакций в искровом разряде определяется параметром удельного энерговклада W=P·F/V, где F - частота повторения высоковольтного напряжения U, P - средняя энергия, вложенная в разряд под действием U.The yield of chemical reactions in a spark discharge is determined by the specific energy input parameter W = P · F / V, where F is the frequency of repetition of the high voltage voltage U, P is the average energy deposited in the discharge under the influence of U.

В известном способе концентрацию NO регулируют величиной расхода V воздуха или напряжением U (F=const). При этом края искрового разряда остаются «привязанными» к вершинам электродов, а его центральная часть прогибается в направлении потока. В первом случае чем выше расход V, тем больше величина прогиба плазменного канала. Тем значительнее отклоняются от начальных значений напряженность электрического поля в канале и величина вкладываемой в разряд энергии P. Наличие связи P(V) является недостатком, поскольку уже при малых изменениях V возникает нелинейная зависимость концентрации NO от величины расхода, что уменьшает диапазон регулирования концентрации NO. Во втором случае недостатком являются узкие пределы изменения величины U-между напряжением пробоя газового промежутка и допустимым напряжением на элементах электрической цепи, так как это уменьшает глубину регулирования концентрации NO.In the known method, the concentration of NO is controlled by the flow rate V of air or voltage U (F = const). In this case, the edges of the spark discharge remain “tied” to the vertices of the electrodes, and its central part bends in the direction of flow. In the first case, the higher the flow rate V, the greater the deflection of the plasma channel. Moreover, the electric field strength in the channel and the energy P deposited in the discharge deviate significantly from the initial values. The presence of the P (V) bond is a drawback, since even with small changes in V, a nonlinear dependence of the NO concentration on the flow rate arises, which reduces the control range for the NO concentration. In the second case, the drawback is the narrow limits of the change in the value U-between the breakdown voltage of the gas gap and the allowable voltage on the elements of the electric circuit, since this reduces the depth of regulation of the NO concentration.

При создании заявляемого изобретения решалась задача создания способа получения газовой смеси, содержащей окись азота в широком диапазоне концентраций.When creating the claimed invention, the problem was solved of creating a method for producing a gas mixture containing nitric oxide in a wide range of concentrations.

Техническим результатом при решении данной задачи явилось повышение срока службы электродной системы и увеличение диапазона регулирования концентрации окиси азота.The technical result in solving this problem was to increase the service life of the electrode system and increase the range of regulation of the concentration of nitric oxide.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом получения газовой смеси, содержащей окись азота, включающим следующие этапы: обеспечивают газовый промежуток между двумя электродами, обеспечивают прохождение исходного газа, содержащего, по меньшей мере, кислород и азот, через газовый промежуток, подводят высоковольтное напряжение к вышеуказанным электродам, при этом обеспечивают амплитуду напряжения, достаточную для формирования искрового разряда в газовом промежутке, синтеза окиси азота под действием искрового разряда и образования NO-содержащей смеси новым является то, что обеспечивают кольцевой газовый промежуток между указанными электродами с тангенциальными вводом и выводом газа, подводят к электродам импульсы высоковольтного напряжения длительностью 1-10 мкс с регулируемой частотой следования, при этом обеспечивают скорость прохождения газа и частоту следования высоковольтных импульсов, при которых в направлении прохождении газа формируется последовательность искровых разрядов, смещенных относительно друг друга на расстояния, не меньшие характерного диаметра искрового разряда.The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known method for producing a gas mixture containing nitric oxide, comprising the following steps: provide a gas gap between two electrodes, ensure the passage of the source gas containing at least oxygen and nitrogen through the gas gap, the high voltage voltage is supplied to the above electrodes, while providing a voltage amplitude sufficient to form a spark discharge in the gas gap, the synthesis of nitric oxide under The effect of spark discharge and the formation of an NO-containing mixture is new in that they provide an annular gas gap between the indicated electrodes with tangential gas inlet and outlet, high voltage voltage pulses of 1-10 μs duration with an adjustable repetition rate are supplied to the electrodes, while providing a gas transmission rate and the repetition rate of high-voltage pulses, at which a sequence of spark discharges displaced relative to each other by p Normal distance no smaller than the characteristic diameter of the spark discharge.

В заявляемом способе поток исходного газа вводят в кольцевой промежуток тангенциально, пропускают вдоль промежутка, обрабатывают искровым разрядом и выводят из промежутка также тангенциально. Возникающие при этом в потоке малые завихрения быстро затухают и не перемешивают газовые слои. В результате продукты электросинтеза, в том числе электроотрицательные ионы

Figure 00000001
и NO-, между моментами подачи высоковольтных импульсов, смещаясь в направлении газового потока, остаются в области разрядного промежутка. Причем молекулярные ионы, образованные в малом объеме искрового канала, перемещаются в кольцевом промежутке в виде компактной группы (облако на фиг. 1). Во время очередного высоковольтного импульса нарастающее электрическое поле вызывает ударное отлипание электронов от указанных молекулярных ионов, чем создает характеристическую область с высокой концентрацией свободных электронов. Именно в этой характеристической области, смещенной на расстояние L, электронные лавины формируют следующий искровой разряд.In the inventive method, the source gas stream is introduced tangentially into the annular gap, passed along the gap, is treated with a spark discharge, and also tangentially removed from the gap. The small turbulences that arise in the flow attenuate quickly and do not mix the gas layers. As a result, products of electrosynthesis, including electronegative ions
Figure 00000001
and NO - , between the moments of the supply of high-voltage pulses, shifting in the direction of the gas flow, remain in the region of the discharge gap. Moreover, molecular ions formed in a small volume of the spark channel move in the annular gap in the form of a compact group (cloud in Fig. 1). During the next high-voltage pulse, an increasing electric field causes shock detachment of electrons from these molecular ions, which creates a characteristic region with a high concentration of free electrons. It is in this characteristic region, displaced by a distance L, that the electron avalanches form the next spark discharge.

Таким образом, первый газовый пробой инициирует последовательное, в такт с частотой F высоковольтных импульсов, перемещение искрового разряда в кольцевом промежутке. Поскольку ионное облако за время T=1/Fмакс (Fмакс - верхняя граница диапазона регулирования) смещается газовым потоком V на расстояние L не менее чем характерный диаметр искрового канала (~0,15 мм), то тепловая нагрузка распределяется по длине электродов более равномерно. Это уменьшает эрозию и соответственно повышает срок их службы.Thus, the first gas breakdown initiates a sequential, in step with the frequency F of high voltage pulses, movement of the spark discharge in the annular gap. Since the ion cloud during the time T = 1 / F max (F max is the upper limit of the control range) is displaced by the gas stream V by a distance L no less than the characteristic diameter of the spark channel (~ 0.15 mm), the heat load is distributed over the length of the electrodes more evenly. This reduces erosion and accordingly increases their service life.

Электрическое поле в продольном направлении кольцевого промежутка - однородное, что повышает стабильность параметров, определяющих электросинтез NO. В частности, в разряде, возбуждаемым высоковольтными импульсами длительностью Tимп=1-10 мкс, средняя энергия электронов лежит в максимуме сечения колебательного возбуждения молекул азота N2 а удельный энерговклад превышает пороговое значение W=1 Вт/см3. Это повышает выход реакции образования окиси азота

Figure 00000002
поскольку основная энергия быстро заселяемых колебательных уровней N2 направляется на реакцию синтеза окиси азота, а не на разогрев газа. В результате увеличиваются концентрация NO и соответственно диапазон ее регулирования.The electric field in the longitudinal direction of the annular gap is uniform, which increases the stability of the parameters that determine the electrosynthesis of NO. In particular, in a discharge excited by high-voltage pulses of duration T imp = 1-10 μs, the average electron energy lies at the maximum of the cross section for vibrational excitation of nitrogen molecules N 2 and the specific energy input exceeds the threshold value W = 1 W / cm 3 . This increases the yield of the nitric oxide formation reaction.
Figure 00000002
since the main energy of rapidly populated vibrational levels of N 2 is directed to the reaction of synthesis of nitric oxide, and not to the heating of the gas. As a result, the concentration of NO and, accordingly, the range of its regulation increase.

Дополнительным техническим результатом можно считать то, что при обеспечении резонансного колебательного возбуждения N2, энергия возбуждения колебательных уровней кислорода не превышает нескольких процентов, в силу чего выход озонообразующих реакций крайне мал и в NO-содержащей смеси количество озона не более 0,01 ppm. Низкое содержание озона (не более ПДК - 0,1 ppm) в смеси - важное требование ряда медицинских технологий, например, при проведении ингаляционной NO-терапии.An additional technical result can be considered that when providing resonant vibrational excitation of N 2 , the excitation energy of vibrational oxygen levels does not exceed several percent, due to which the yield of ozone-forming reactions is extremely small and the amount of ozone in the NO-containing mixture is not more than 0.01 ppm. A low ozone content (not more than MPC - 0.1 ppm) in the mixture is an important requirement of a number of medical technologies, for example, when carrying out inhaled NO-therapy.

В заявляемом способе концентрацию окиси азота, которая зависит от удельного энерговклада W=P·F/V, регулируют частотой следования F (или периодом T=1/F) высоковольтных импульсов напряжения. Здесь P - средняя энергия, вложенная в газ в отдельных импульсах, V - величина расхода исходного газа. При этом область линейного регулирования ограничена как сверху условием F<Fмакс=1/TNO, где TNO=10-4 сек - максимальное время реакции образования окиси азота, так и снизу условием F>Fмин=1/Тио, где Tио=10-2 сек - время существования ионного облака.In the inventive method, the concentration of nitric oxide, which depends on the specific energy input W = P · F / V, is controlled by the repetition rate F (or period T = 1 / F) of the high voltage voltage pulses. Here P is the average energy invested in the gas in separate pulses, V is the flow rate of the source gas. The linear control region is limited both by the condition F <F max = 1 / T NO , where T NO = 10 -4 sec is the maximum reaction time for the formation of nitric oxide, and by the condition F> F min = 1 / T io , where T io = 10 -2 sec - the lifetime of the ion cloud.

При F>Fмакс замедляется рост концентрации NO ввиду того, что под действием часто следующих высоковольтных импульсов плазмохимические реакции протекают в условиях с незавершенной кинетикой. При F<Fмин снижается стабильность синтеза NO, поскольку при слишком большой паузе между импульсами исчезает ионное облако (фиг. 1), обеспечивающее инициацию разряда в каждом импульсе напряжения.At F> F max, the growth of the NO concentration slows down due to the fact that under the action of frequently following high-voltage pulses, plasma-chemical reactions proceed under conditions with incomplete kinetics. At F <F min, the stability of NO synthesis decreases, since if the pause between pulses is too long, the ion cloud disappears (Fig. 1), which ensures the initiation of a discharge in each voltage pulse.

По сравнению с прототипом частотное управление имеет более широкую линейную область, составляющую почти два порядка (Fмакс/Fмин≈100), что увеличивает диапазон регулирования концентрации NO.Compared with the prototype, the frequency control has a wider linear region of almost two orders of magnitude (F max / F min ≈100), which increases the range of regulation of the concentration of NO.

Изобретение поясняется на примере осуществления, фотографиями искрового разряда, графической зависимостью концентрации окиси азота для случая, когда исходный газ - воздух при нормальных условиях.The invention is illustrated by an example implementation, photographs of a spark discharge, graphical dependence of the concentration of nitric oxide for the case when the source gas is air under normal conditions.

На фиг. 1 приведена схема кольцевого газового промежутка (поперечный разрез) согласно изобретению, а также схематичный процесс инициации последовательного смещения искрового разряда и его интегральная фотография при F=4,8 кГц, времени экспозиции 0,1 сек. Здесь T и U - соответственно период следования и амплитуда высоковольтных импульсов, L - шаг перемещения разряда, h - ширина газового промежутка.In FIG. 1 shows a diagram of an annular gas gap (transverse section) according to the invention, as well as a schematic process of initiating sequential displacement of a spark discharge and its integral photograph at F = 4.8 kHz, exposure time 0.1 sec. Here T and U are the repetition period and the amplitude of the high voltage pulses, L is the step of the discharge, h is the width of the gas gap.

На фиг. 2 приведена увеличенная характерная фотография (F=4,8 кГц, время экспозиции 5·10-3 сек) трех искровых разрядов в газовом промежутке согласно изобретению. Здесь h-ширина газового промежутка, d - диаметр приэлектродной области искрового разряда, L - шаг перемещения разряда.In FIG. 2 shows an enlarged characteristic photograph (F = 4.8 kHz, exposure time 5 · 10 -3 sec) of three spark discharges in the gas gap according to the invention. Here, h is the width of the gas gap, d is the diameter of the near-electrode region of the spark discharge, and L is the step of the discharge.

На фиг. 3 приведена зависимость концентрации окиси азота от частоты F следования высоковольтных импульсов на выходе газового промежутка согласно изобретению. Здесь сплошная линия - линейная аппроксимация.In FIG. 3 shows the dependence of the concentration of nitric oxide on the frequency F of the repetition of high-voltage pulses at the outlet of the gas gap according to the invention. Here the solid line is a linear approximation.

Способ получения NO-содержащей газовой смеси осуществляется в примере, приведенном на фиг. 1, следующим образом.A method for producing an NO-containing gas mixture is carried out in the example shown in FIG. 1 as follows.

Через кольцевой разрядный промежуток 1 шириной h=3 мм, разделяющий цилиндрический электрод 2 с внутренним диаметром 70 мм и дисковый электрод 3 с внешним диаметром 64, мм пропускают исходный газ - сухой воздух, с содержанием масла не более 0,1 мг/м3. Исходный газ при комнатной температуре и давлении порядка атмосферного через входной канал 4 ⌀2 мм вводят в промежуток 1 по касательной (тангенциально) к его средней окружности диаметром 67 мм. Скорость потока составляет v≈265 см/сек (расход 0,5 л/мин). Через выходной канал 5 ⌀2 мм газ выводят тангенциально из промежутка 1. Затем к электродам 2, 3 прикладывают импульсы напряжения амплитудой U=15 кВ с шириной по основанию Tимп=8 мкс, с частотой 4,8 кГц и формируют первоначальный искровой разряд, в течение которого образуют окись азота и отрицательные ионы

Figure 00000001
, NO-. Место образования первого искрового канала носит статистически случайный характер. Следующая область формирования отстоит от предыдущей на расстоянии L=v·T≈0,55 мм, куда газовый поток за время между импульсами T=2,08 мс со скоростью v≈265 см/сек перемещает компактную группу ионов (облако на фиг. 1). Здесь в нарастающем электрическом поле ионы отдают лишние электроны, которые в результате лавинной ионизации газа образуют канал искрового разряда. В смещенном на расстояние L искровом разряде продолжается наработка NO и вновь образуется ионное облако. Далее формирование искровых разрядов осуществляется по указанному выше алгоритму.The source gas, dry air, with an oil content of not more than 0.1 mg / m 3 , is passed through an annular discharge gap 1 with a width of h = 3 mm, separating a cylindrical electrode 2 with an inner diameter of 70 mm and a disk electrode 3 with an outer diameter of 64, mm. The source gas at room temperature and atmospheric pressure through the inlet channel 4 ⌀ 2 mm is introduced into the gap 1 tangentially to its middle circle with a diameter of 67 mm. The flow rate is v≈265 cm / s (flow rate 0.5 l / min). Through the output channel 5 ⌀ 2 mm, the gas is removed tangentially from the gap 1. Then, voltage pulses of amplitude U = 15 kV with a base width T imp = 8 μs, with a frequency of 4.8 kHz are applied to the electrodes 2, 3 and form the initial spark discharge, during which they form nitric oxide and negative ions
Figure 00000001
, NO - . The place of formation of the first spark channel is statistically random. The next region of formation is separated from the previous one at a distance L = v · T≈0.55 mm, where the gas flow during the time between pulses T = 2.08 ms with a speed of v≈265 cm / s moves the compact group of ions (the cloud in Fig. 1 ) Here, in an increasing electric field, ions give off extra electrons, which, as a result of avalanche ionization of the gas, form a spark discharge channel. In the spark discharge displaced by a distance L, the accumulation of NO continues and an ion cloud forms again. Further, the formation of spark discharges is carried out according to the above algorithm.

Входной и выходной каналы 4, 5 размещены в разных полукольцах промежутка 1, с симметричным смещением 0,5 мм (на фиг. 1 не показано) относительно секущей пополам промежуток 1 плоскости, перпендикулярной оси кольцевого промежутка 1. Указанное относительное смещение каналов обеспечивает не менее одного полного оборота газа до его вывода из промежутка 1. В случае достаточно длительных серий высоковольтных импульсов смещение ионных облаков и соответственно искровых разрядов вдоль кольцевого газового промежутка 1 носит циклический характер. При этом, как следует из представленной на фиг. 1 фотографии, искровые разряды в виде тонких плазменных каналов, выгнутых по направлению газового потока, имеют четкое пространственное разделение. Приэлектродные ярко светящиеся области искровых каналов (см. фиг. 2) с характерным размером d=0,15 мм, в пределах которых возможна эрозия электродов, смешены относительно друг друга на расстояние L=0,5-0,6 мм.The input and output channels 4, 5 are placed in different half-rings of gap 1, with a symmetric offset of 0.5 mm (not shown in Fig. 1) relative to the half-cutting gap of 1 plane perpendicular to the axis of the annular gap 1. The indicated relative channel offset provides at least one a complete revolution of the gas before it is withdrawn from gap 1. In the case of sufficiently long series of high-voltage pulses, the displacement of ion clouds and, accordingly, spark discharges along the annular gas gap 1 is cyclical. Moreover, as follows from FIG. 1 photographs, spark discharges in the form of thin plasma channels, curved in the direction of the gas flow, have a clear spatial separation. Near-electrode brightly glowing areas of spark channels (see Fig. 2) with a characteristic size d = 0.15 mm, within which erosion of the electrodes is possible, are mixed relative to each other by a distance L = 0.5-0.6 mm.

Отмеченные особенности пространственно-временной структуры искрового разряда сохраняются в широкой области изменения частоты, вплоть до 12 кГц, - каналы искрового разряда не «привязаны» к определенной точке поверхности электродов, каждый раз искровой разряд формируют в новом месте, причем шаг перемещения L превышает диаметр плазменного канала d. Величина L имеет статистический разброс в пределах ±0,5 мм. Поэтому за большой промежуток времени (количество циклов) искровые каналы распределяются вдоль кольцевого промежутка равномерно, что снижает удельную тепловую нагрузку на электроды. В результате уменьшается эрозия и по сравнению с «привязанным» режимом увеличивается срок службы электродов как минимум в l/d≈1400 раз, где l - средняя длина кольцевого промежутка.The noted features of the spatio-temporal structure of the spark discharge are preserved in a wide frequency range, up to 12 kHz — the channels of the spark discharge are not “tied” to a certain point on the surface of the electrodes, each time a spark discharge is formed in a new place, and the step of moving L exceeds the diameter of the plasma channel d. The value of L has a statistical spread within ± 0.5 mm. Therefore, over a long period of time (the number of cycles), the spark channels are distributed along the annular gap evenly, which reduces the specific heat load on the electrodes. As a result, erosion is reduced and, compared with the “tied” mode, the service life of the electrodes is increased by at least l / d≈1400 times, where l is the average length of the annular gap.

Частотой следования F высоковольтных импульсов задают удельный энерговклад W и соответственно концентрацию NO в потоке. Результаты опытов представлены на фиг. 3 в виде зависимости концентрации окиси азота в воздухе от частоты F. Из приведенных на фиг. 3 результатов следует, что частотное регулирование концентрации NO имеет широкую линейную область от 250 Гц до 8,5 кГц и увеличивает (в ~2 раза по сравнению с прототипом) диапазон регулирования концентрации окиси азота. Понижение частоты F ниже ~250 Гц нарушает регулирование ввиду нестабильного (не в каждом импульсе) пробоя газового промежутка, а повышение частоты значительно выше 10 кГц нецелесообразно из-за интенсивного разложения окиси азота и наступающего насыщения концентрации NO.The repetition rate F of high voltage pulses sets the specific energy input W and, accordingly, the concentration of NO in the stream. The results of the experiments are presented in FIG. 3 in the form of the dependence of the concentration of nitric oxide in air on the frequency F. From those shown in FIG. 3 results that the frequency regulation of the concentration of NO has a wide linear region from 250 Hz to 8.5 kHz and increases (~ 2 times compared with the prototype) the range of regulation of the concentration of nitric oxide. Lowering the frequency F below ~ 250 Hz violates the regulation due to unstable (not in every pulse) breakdown of the gas gap, and increasing the frequency significantly above 10 kHz is impractical due to the intense decomposition of nitric oxide and the onset of saturation of the NO concentration.

Таким образом, применение предлагаемого способа получения газовой смеси, содержащей окись азота, за счет более чем 2-кратного увеличения диапазона регулирования концентрации NO и 1000-кратного увеличения срока службы электродов позволяет решить поставленную задачу.Thus, the application of the proposed method for producing a gas mixture containing nitric oxide, due to more than 2-fold increase in the range of regulation of the concentration of NO and 1000-fold increase in the service life of the electrodes allows us to solve the problem.

Claims (1)

Способ получения газовой смеси, содержащей окись азота, включающий следующие этапы: обеспечивают газовый промежуток между двумя электродами, обеспечивают прохождение исходного газа, содержащего, по меньшей мере, кислород и азот, через газовый промежуток, подводят высоковольтное напряжение к вышеуказанным электродам, при этом обеспечивают амплитуду напряжения, достаточную для формирования искрового разряда в газовом промежутке, синтеза окиси азота под действием искрового разряда и образования NO-содержащей смеси, отличающийся тем, что обеспечивают кольцевой газовый промежуток между указанными электродами с тангенциальными вводом и выводом газа, подводят к электродам импульсы высоковольтного напряжения длительностью 1-10 мкс с регулируемой частотой следования в интервале значений от 250 Гц до 8,5 кГц, при этом обеспечивают скорость прохождения газа и частоту следования высоковольтных импульсов, при которых в направлении прохождении газа формируется последовательность искровых разрядов, смещенных относительно друг друга на расстояния, не меньшие 0,15 мм. A method of producing a gas mixture containing nitric oxide, comprising the following steps: providing a gas gap between two electrodes, allowing a source gas containing at least oxygen and nitrogen to pass through the gas gap, supplying a high voltage voltage to the above electrodes, while providing an amplitude voltage sufficient to form a spark discharge in the gas gap, the synthesis of nitric oxide under the action of a spark discharge and the formation of an NO-containing mixture, characterized in that provide an annular gas gap between the indicated electrodes with tangential gas inlet and outlet, high voltage voltage pulses of 1-10 μs duration with an adjustable repetition rate in the range from 250 Hz to 8.5 kHz are supplied to the electrodes, while providing a gas propagation speed and repetition rate high voltage pulses, in which a sequence of spark discharges displaced relative to each other by distances not less than 0.15 mm is formed in the direction of gas passage.
RU2014154213/05A 2014-12-29 2014-12-29 Method of producing gas mixture containing nitrogen oxide RU2593297C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014154213/05A RU2593297C2 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Method of producing gas mixture containing nitrogen oxide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014154213/05A RU2593297C2 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Method of producing gas mixture containing nitrogen oxide

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014154213A RU2014154213A (en) 2016-07-20
RU2593297C2 true RU2593297C2 (en) 2016-08-10

Family

ID=56413336

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014154213/05A RU2593297C2 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Method of producing gas mixture containing nitrogen oxide

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2593297C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4141715A (en) * 1977-04-11 1979-02-27 Wyse Harold G Method and apparatus for producing a nitrate fertilizer
RU2022917C1 (en) * 1989-09-27 1994-11-15 Уланов Игорь Максимович Process of preparing nitrogen oxide
US5396882A (en) * 1992-03-11 1995-03-14 The General Hospital Corporation Generation of nitric oxide from air for medical uses
RU2007133470A (en) * 2007-09-06 2009-03-20 Виктор Иванович Герасименко (RU) METHOD FOR INDUSTRIAL PRODUCTION OF NITROGEN OXIDES FROM ATMOSPHERIC AIR AND OXYGEN

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4141715A (en) * 1977-04-11 1979-02-27 Wyse Harold G Method and apparatus for producing a nitrate fertilizer
RU2022917C1 (en) * 1989-09-27 1994-11-15 Уланов Игорь Максимович Process of preparing nitrogen oxide
US5396882A (en) * 1992-03-11 1995-03-14 The General Hospital Corporation Generation of nitric oxide from air for medical uses
RU2007133470A (en) * 2007-09-06 2009-03-20 Виктор Иванович Герасименко (RU) METHOD FOR INDUSTRIAL PRODUCTION OF NITROGEN OXIDES FROM ATMOSPHERIC AIR AND OXYGEN

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014154213A (en) 2016-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lu et al. Atmospheric pressure nonthermal plasma sources
WO2008072390A1 (en) Plasma producing apparatus and method of plasma production
CN105903321B (en) A kind of low energy consumption low temperature plasma gas reaction unit
EP2567599B1 (en) Method and device for generating a non-isothermal plasma jet
JPWO2014077181A1 (en) Water treatment apparatus and water treatment method
JP2016520507A5 (en)
RU2593297C2 (en) Method of producing gas mixture containing nitrogen oxide
Hnatiuc et al. A review over the cold plasma reactors and their applications
Huang et al. Statistical analysis of pulsed microdischarges and ozone generation in dielectric barrier discharges
EP3365103B1 (en) A plasma reactor
WO2016117048A1 (en) Water treatment device and water treatment method
RU87065U1 (en) DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VOLUME TECHNOLOGICAL VACUUM CAMERAS
AU2014331056A1 (en) Ozone generator
Hu et al. Discharge Characteristics of Series Surface/Packed-Bed Discharge Reactor Diven by Bipolar Pulsed Power
Nascimento et al. Optical measurements of an atmospheric pressure microplasma jet aiming surface treatment
RU2553290C1 (en) Nitrogen oxide generator system
RU2730340C2 (en) Method and device for oxidation of impurities in waste gases &#34;plasma barrier&#34;
RU2486719C1 (en) Gas cleaning, destruction and conversion method
RU2642798C1 (en) Discharge camera for plasma chemical reactions
RU2804697C1 (en) Device for producing nitrogen oxide
EA048429B1 (en) DEVICE FOR PRODUCING NITRIC OXIDE
US20240189012A1 (en) Plasma gas generator
Arkhipenko et al. MECHANISMS UNDERLYING THE FORMATION OF IN ACTIVATION COMPONENTS OF AN AIR DC PLASMA JET
US11807555B2 (en) Method and device for disinfection of liquid
JP2012038469A (en) Atmospheric pressure plasma jet apparatus