Термобарический способ разложения химических соединений заключается в воздействии на химические соединения мелко дисперсионной структуры сверх высокой температурой и давлением продуктами детонационного горения топливовоздушной смеси (ТВС).
При этом нужно учитывать, что в качестве химических соединений может выступать абсолютно любые мелко дисперсионные, вязкие или жидкие химические, органические минеральные смеси в том числе и ядовитые для утилизации или получения новых продуктов.
Достигается это за счёт формирования зоны сверхвысокого давления и сверхвысокой температуры в локализованном месте (реакционный центр) центростремительного синхронного схлопывания (сжатия) фронтов детонационного горения топливовоздушных смесей (ТВС) от трёх и более детонационно-резонансных источников.
В реакционный центр вводят химические соединения для термобарического разложения на простые составляющие. Главным достоинством такого конструктивного решения является тот факт, что реакционный центр центростремительного синхронного схлопывания (сжатия) фронтов детонационного горения (центр протекания реакции термобарического разложения) непосредственно не контактирует с конструкционным материалом.
При этом классические способы нагрева не способны обеспечить нужные температуры и давления для протекания термобарических процессов разложения химических соединений. Это связано с особенностью классического дефлаграционного горения, а именно в том, что при распространении дефраграционного горения фронт волны не встречает на своём пути препятствий и распространяется от зон с высоким давлением в зоны низкого давления. Распространение горения в этом случае происходит с относительно низкой скоростью, которая зависит от температуры процесса горения, и всегда ниже 2000 °С.
В отличии от классического горения — детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-3500 °С. При этом нужно учесть тот факт, что детонация не в атмосферу (расширение), а сжатие центростремительно в фокусе полусферического резонатора обеспечивает формирование на много больших температур.
Детонация представляет собой фронт расширяющихся изломов ударных волн, которые постоянно растут и сталкиваются друг с другом. В местах сталкивания изломов ударных волн возникают зоны очень высокого давления, в которых горение происходит с более высокими температурами, если бы оно происходило на границе между областью высокого и низкого давлений (как при классическом горении).
Анализ литературы открытого доступа показал, что методы термобарического разложения химических веществ на основе использования детонационного горения ни кем ещё не рассматривался.
Практические работы в области детонационного горения для интенсификации или создания новых технологических процессов в настоящее время практически не используются в промышленном производстве.
После публикаций в открытом доступе работ, связанных с гиперзвуковыми ракетами и в частности с их двигательными установками на основе управляемого детонационного сгорания топливовоздушной смеси появилась возможность использовать такие технологии в промышленности.
Исходя из выше изложенного предлагается следующее практическое решение заявляемой идеи термобарического разложения химических соединений на отдельном примере так называемой зелёной металлургии, а именно: непосредственного термобарического разложения оксида железа (железной руды) в чистое железо минуя классическое доменное производство.
Известен факте, что если оксид железа Fe(III) нагреть до температуры +675°C (точка Нееля), то произойдёт фазовый переход: антиферромагнитные свойства оксида сменятся парамагнитными. При дальнейшем нагревании до +1565°C оксид сначала расплавится, превратившись в оксид железа Fe(I), а затем при увеличении температуры начнёт разлагаться на простые вещества по схеме: 2Fe203 => 4Fe +3O2. Что нам как раз и нужно.
При этом скорость разложения будет зависеть от количества смеси (скорости её нагрева), температуры и давления. Т.е. для осуществления технологии так называемой зелёной металлургии нужно выполнить следующие условия:
- Температура более 2000 градусов.
- Сверхвысокое давление.
- Высокодисперсная структура реакционной смеси.
Функциональная схема заявляемого способа термобарического способа разложения химических соединений представлена на рис. № 10.1.
Рис. № 10.1. Схема реализации термобарического способа разложения отходов в центре сжатия детонационных волн от нескольких детонационно-резонансных источников.
Где:
- Бункер с химическим соединением.
- Дозатор.
- Подача химического соединения в зону термобарического разложения.
- Детонационно-резонансные горелки (источники детонационной энергии) с полусферическими резонаторами.
- Зона термобарического разложения химических соединений.
- Гравитационное удаление продуктов термобарического разложения химических соединений.
- Продукты термобарического разложения химических соединений.
Согласно схемы химическое соединения (в данном примере — мелко дисперсионный порошок оксида железа — руда) подаётся равномерно в реакционную термобарическую зону п. 5. Это есть зона центростремительного сжатия (схлопывания) детонационных волн от продуктов детонационного горения 3-х и более детонационно-резонансных горелок (источников энергии). Горелки (источники энергии) размещены навстречу друг другу на одной общей горизонтальной плоскости. Также каждая горелка имеет небольшой наклон вниз в вертикальной плоскости для целей облегчения ввода в зону термобарического восстановления порошков оксидов металлов, например, гравитационным способом и предотвращения их выдувания.
При центростремительном синхронном сжатии (схлопывании) детонационных волн от продуктов детонационного горения 3-х и более детонационно-резонансных горелок в центральной части возникает сферическая зона сверх высокого давления, с намного более высокой температурой и давлением.
Мелко дисперсионный химическое соединения проходя эту зону сверхвысокого давления и сверхвысокой температуры мгновенно разлагается на простые составляющие.
В данном примере на выходе сферической зоны сверх высокого давления образуется мелко дисперсионный порошок чистого железа и кислород.
Практические работы подтверждают заявленное. Был создан стенд из двух источников детонационных волн по типу , трубчатой формы с сферическим резонатором и непосредственной инжекцией воздуха газом (пропаном), см. рис. № 10.2.
Рис. 10.2. Стенд из двух источников детонационных волн по типу трубчатой формы с сферическим резонатором и непосредственной инжекцией воздуха газом (пропаном).
Интересные эффекты проявляются в зависимости от расстояния, на котором находятся друг от друга источники детонационного горения.
- Расстояние между горелками = 2*(0,9*L).
Где: L – длинна видимого сходящегося клина детонационного горения одного источника детонационного горения.
Рис. № 10.3. Термобарическое сжатие двух волн детонационного горения. Расстояние между горелками = 2*(0,9*L).
В этом случае место сжатия сверхвысоких температур и давлений локализовано в центре на расстоянии 0,9*L относительно небольшой областью по объёму, см. рис. № 10.3
2. Расстояние между горелками = L
Где: L – длинна видимого сходящегося клина детонационного горения одного источника детонационного горения.
Рис. № 10.4. Термобарическое сжатие двух волн детонационного горения. Расстояние между горелками = L.
В этом случае место сжатия имеет форму шара сверхвысоких температур и давлений с диаметром, равным = L. См. рис. № 10.4. По аналогии с шаровой молнией, с одним исключением – полученный шар “рождается” и “умирает” несравнимо быстрее, чем шаровая молния.
Таким образом сверх быстрый нагрев газа может быть реализован встречным “схлопыванием” в общем центре двух и более источников детонационных волн детонационного горения топливовоздушной смеси. При этом объём зоны сверхвысоких температур и давлений зависит исключительно от расстояния, на котором размещены друг от друга источники детонационного горения.
ВЫВОД:
Заявленный термобарический способ с достижимыми температурами в зоне реакции в 3000 — 4000°С и сверхвысоким давлением способен наиболее эффективно проводить химические реакции температурного разложения химических соединения на простые составляющие. Степень эффективности в этом случае зависит всегда от гранулометрического (фракционного) состава, частоты следования и объёма детонационных волн. При этом нужно учитывать, что в качестве химических соединений может выступать абсолютно любые мелко дисперсионные, вязкие или жидкие химические, органические минеральные смеси в том числе и ядовитые для утилизации или получения новых продуктов.