способ получения химических соединений

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ путем обработки смеси исходных компонентов пучком когерентного светового излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости протекания химических реакций в газовой фазе за счет высокотемпературного и резонансно-возбуждающего воздействия излучения, исходные компоненты вводят внутрь объема, образованного двумя встречно направленными взаимоперекрывающими друг друга самофокусированными пучками когерентного светового излучения, причем максимальная ширина объема составляет 9 10^-1 - 2 10^-3 части исходных диаметров пучков излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химии, позволяет повысить скорость протекания химический реакций при получении химических соединений и может быть применено в химической промышленности, приборостроении и радиоэлектронике для высокоскоростного получения химических соединений в газовой и твердых фазах, синтез которых в обычных условиях затруднен.

Известен способ получения химических соединений в виде растворов путем их выделения из смесей исходных соединений в электролизере с воздействием на исходные соединения когерентного светового излучения [1].

Недостатком этого способа является малая скорость получения химических соединений в расчете на выход целевого продукта на единицу площади поперечного сечения электролизера в единицу времени, что обусловлено протеканием процесса разделения в жидкой фазе.

Наиболее близким к заявляемому способу техническим решением является электрохимический способ разделения электрически нейтральных газообразных химических соединений с дополнительным применением когерентного светового излучения, реализованный в газовом электролизере [2].

Способ-прототип предназначен для получения чистых химических соединений из их смесей путем их разделения на составные компоненты. Основным недостатком прототипа является недостаточно высокая скорость получения газообразных химических соединений, выраженная в граммах целевого продукта, получаемого на единицу площади поперечного сечения газового электролизера в единицу времени, то есть г/см² мин.

Этот недостаток прототипа обусловлен малым диаметром трубок, в которых происходит электрохимическое разделение ионизованных под действием пучка когерентного светового излучения, малыми разовыми загрузками исходных газов и существенной затратой времени на осуществление всего цикла разового разделения с учетом проведения всех подготовительных работ. Кроме того в прототипе технологический процесс периодически прерывают, так как получение целевого продукта проводят отдельными порциями и загрузку исходной газовой смеси также производят отдельными порциями - только после разделения предыдущей порции на компоненты.

Целью изобретения является повышение скорости протекания химических реакций в газовой фазе за счет высокотемпературного и резонансно-возбуждающего воздействия излучения на компоненты.

Цель достигается тем, что в способе получения химических соединений обработкой смеси исходных компонентов пучком когерентного светового излучения исходные компоненты вводят внутрь объема, образованного воздействием двух встречно направленных, взаимоперекрывающих друг друга, самосфокусированных пучков когерентного светового излучения, причем максимальная ширина объема составляет от 9 10^-1 до 2 10^-3 части исходных диаметров пучков излучения.

На чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Если мощность лазера превысит критическую Р_кр., его пучок станет уже не параллельным, а начнет сжиматься к оси, сечение уменьшится, плотность потока мощности подскочит вверх, коэффициент преломления среды еще более увеличится, что в свою очередь еще сильнее сожмет пучок и произойдет самофокусировка пучка когерентного светового излучения, причем размеры образовавшегося фокуса сравнимы с длиной волны, при этом плотность потока мощности возрастает в сотни миллионов раз.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Продувают реактор химически инертным газом-азотом. Затем включением лампы накачки вводят в рабочий режим источники 12 непрерывного когерентного светового излучения, имеющие резонансную частоту излучения в отношении молекул компонентов исходной газовой смеси Х, У.

Затем подают внутрь объема 3 замкнуто ограниченного со всех сторон двумя встречно направленными, самофокусированными пучками 4,5 когерентного светового излучения, через два сопла инжектора 6 исходные газовые компоненты Х и У, впускаемые в стехиометрическом соотношении по отношению друг к другу. Объем 3 размещен внутри реактора с двумя соосными оптически прозрачными окошками, через которые в реактор поступают оба пучка когерентного светового излучения, на пути распространения которого соосно окошкам размещены непрозрачные, соосные окошкам, круглые диафрагмы, имеющие диаметр меньше диаметра исходного пучка излучения. Вследствие самофокусировки пучков когерентного светового излучения, их конусообразной формы и взаимного перекрывания с образованием объема 3, ограниченного со всех сторон когерентным световым излучением высокой оптической плотности, оптическая плотность когерентного излучения у вершины конуса имеет особенно высокие значения и температуры, которые в сочетании с одновременным резонансно-возбуждающим действием излучения обеспечивают проведение химических реакций в газовой фазе с повышенной скоростью: газовые исходные компоненты Х, У, пройдя через высокотемпературную плазму объема 3, вступают в интенсивную, протекающую с большой скоростью, химическую реакцию и из плазмы объема 3 наружу ее выходит уже целевой продукт.

Таким образом благодаря высокотемпературной плазме объема 3 резко возрастает ее термическое воздействие на молекулы исходных компонентов газовой смеси Х, У, что в свою очередь вызывает резкое возрастание скорости их реакции. Помимо термического воздействия на молекулы исходных компонентов, ускоряющего реакцию, вследствие резонансности когерентного светового излучения в отношении компонентов исходной смеси Х, У происходит, благодаря их резонансному колебанию повышение химической активности молекул Х, У и увеличение скорости пpотекания химической реакции между ними.

Следовательно скорость химической реакции газовой смеси Х, У резко возрастает относительно прототипа благодаря одновременному термическому и резонансному воздействию когерентного светового излучения.

Прореагировавшая смесь газов в виде газообразного целевого продукта, выйдя из реактора через штуцер, попадет в емкость-приемник для дальнейшего прямого использования целевого продукта или для последующего временного хранения (реактор, штуцер и емкость-приемник для разгрузки не показаны).

Выключение предлагаемого устройства производят в следующей последовательности: перекрывают штуцер и кран емкости-приемника, прекращая впуск исходных компонентов Х, У в реактор и изолируя емкость-приемник. Затем выключают лампы накачки с источниками 1, 2 когерентного светового излучения.

Оптимальные параметры проведения процесса и предлагаемого устройства следующие: размер торцовых стенок реактора 10х10 см, длина реактора 250-300 см; диаметр активной части торца источника когерентного светового излучения 5,0 см; два одинаковых газовых углекислотных источника непрерывного когерентного светового излучения с лампами накачки имеют плотность мощности светового пучка на выходе из активного торца этого источника 10-15 Вт/см² при длине резонансной волны 9-11 мкм; мощность светового пучка на входе в реактор 0,2-0,3 кВт; скорость пропускания смеси исходных компонентов газовой смеси через реактор 6-7 см³/с; максимальная ширина реакционного объема 3, ограниченного со всех сторон конусами пучков когерентного светового излучения, от 9 10^-1 до 2 10^-3 части исходных диаметров пучков излучения, так как в этом интервале наблюдаются максимальный выход целевого продукта по веществу.

Необходимость наличия двух взаимоперекрывающих друг друга пучков когерентного светового излучения обусловлена тем, что это необходимо для создания объема 3, замкнуто ограниченного высокотемпературной плазмой. В случае наличия только одного конуса возможна утечка исходной смеси компонентов через низкотемпературные участки пучка излучения, вследствие чего протекание реакции практически затормозится при прохождении исходной газовой смеси через такие участки.

П р и м е р 1. Габариты реактора: размер торцовых стенок 10х10 см, длина реактора 275 см. Максимальная ширина плазменного объема 3 равна 9 10^-1 части исходных диаметров пучков когерентного светового излучения. Остальные параметры аналогичны вышеприведенным оптимальным параметрам, то есть мощность светового потока на входе в реактор 0,2-0,3 кВт, длина резонансной волны источников непрерывного когерентного светового излучения 9-11 мкм. Скорость пропускания смеси исходных компонентов газовой смеси по предлагаемому способу 7 см³/с. Состав исходной газовой смеси, вводимой изнутри активного объема, на удалении 0,25 части межфокусного расстояния от каждого из двух фокусов излучения: этилен и газообразный фтор, взятые в стехиометрическом соотношении в расчете на целевой продукт - тетрафторэтилен. При однократном пропускании газовой смеси через реактор получен целевой продукт - тетрафторэтилен с 95%-ным выходом по веществу, а при повторном пропускании через реактор - со 100%-ным выходом по веществу. При сопоставимых с заявляемым условиях проведения опытов по прототипу скорость получения целевого продукта - тетрафторэтилена по прототипу, выраженная в получении целевого продукта в см³/мин, была в 86 раз ниже скорости получения целевого продукта по заявляемому способу и составила: по прототипу 4,6 см³/мин, а по заявляемому - 400 см³/мин (по прототипу получение тетрафторэтилена производилось путем его выделения из газовой смеси, состоящей аналогично опытам по заявляемому, из этилена, фтора и добавкой в исходную смесь соответствующего количества целевого продукта - тетрафторэтилена, взятых в тех же количествах в стехиометрическом соотношении, как и в опытах по заявляемому способу).

П р и м е р 2. Условия проведения опытов были аналогичны условиям примера 1, но максимальная ширина плазменного объема 3 составила в первом случае 4,5 10^-1, во втором случае 2 10^-3.

При однократном пропускании исходной смеси газов по заявляемому, аналогичной исходной смеси примера 1 через реактор получен целевой продукт - тетрафторэтилен: в первом случае с 92%-ным выходом по веществу, во втором случае - с 88% -ным выходом по веществу. При повторном пропускании через реактор в обоих случаях достигнут 100%-ный выход по веществу.

При сопоставимых условиях проведения опытов по прототипу скорость получения целевого продукта в первом случае была в 84 раза ниже скорости получения целевого продукта, чем по заявляемому, а во втором случае - в 82 раз ниже заявляемого и составила: 4,5 см³/мин - по прототипу и 380 см³/мин по заявляемому в первом случае и во втором случае 370 см³/мин (по прототипу производилось получение химического соединения путем разделения смеси газов, аналогичной по составу примера 1 для заявляемого способа с добавкой в эту смесь соответствующего количества целевого продукта - тетрафторэтилена).

П р и м е р 3. Условия проведения опытов аналогичны примеру 1, но отношение по заявляемому способу максимальной ширины плазменного объема 3 составило в первом случае 1,8 10^-3, а во втором случае 9,5 10^-1. При однократном пропускании исходной смеси газов через реактор получен целевой продукт - тетрафторэтилен: в первом случае с 76%-ным выходом по веществу, во втором случае - с 96%-ным выходом по веществу.

При сопоставимых условиях проведения опытов по прототипу скорость получения целевого продукта была в 78 раз ниже скорости получения целевого продукта по заявляемому способу: в первом и во втором случаях в 98 раз ниже скорости по заявляемому: 4,1 см³/мин по прототипу, 319 см³/мин по заявляемому способу в первом случае и 403 см³/мин по заявляемому во втором случае.

Применение нерезонансного когерентного светового излучения в примерах 1, 2, 3 вместо резонансного - вызвало снижение по заявляемому способу выхода целевого продукта по веществу на 15-20%.

Как видно из примеров 1, 2, 3 при оптимальных условиях проведения опытов увеличение скорости получения химических соединений по заявляемому способу по сравнению с прототипом составило 82-86 раз.

Это увеличение скорости по заявляемому достигнуто за счет высокотемпературного и резонансно-возбуждающего воздействия когерентного светового излучения на исходные компоненты газовой смеси, что достигнуто благодаря тому, что в способе получения химических соединений обработкой смеси исходных компонентов пучком когерентного светового излучения компоненты вводят внутрь объема, образованного воздействием двух встречно направленных, взаимоперекрывающих друг друга, самофокусированных пучков когерентного светового излучения, причем максимальная ширина объема составляет от 9 10^-1 до 2 10^-3 части исходных диаметров пучков излучения.