Método de conversión plasma catalítica de combustibles susceptibles de ser utilizados en un motor de combustión interna o turbina de gas en gas sintético y el conversor plasma catalítico para su realización Área de aplicación técnica La invención se refiere a los dispositivos para la conversión de hidrocarburos líquidos, por ejemplo, u otros combustibles susceptibles de ser utilizados como combustibles de motores de combustión interna o turbinas de gas en gas sintético formado principalmente por Hidrógeno y CO, utilizando una frecuencia superalta (FSA) de plasma con la presencia de aire u oxígeno y en ciertos casos agua La invención puede utilizarse en la industria petroquímica, en la industria química, en los dispositivos móviles (medios de transporte equipados con motores de combustión interna, células de combustible o turbinas de gas) así como en los sistemas estacionarios (generación de energía con grupos electrógenos, células de combustible o turbinas de gas), para la fabricación de gas sintético en gran escala, el cual se puede utilizar como combustible de los equipos anteriormente indicados.

La utilización del conversor de plasma a bordo de un medio de transporte en combinación con un motor de combustión interna adaptado para la utilización de la mezcla de gas sintético, permite disminuir las emisiones de polución de dicho motor cuando utiliza combustibles derivados del petróleo, aumentando a la vez la efectividad del motor (entre un 10-15%), a la vez que mejora considerablemente las características de rendimiento del motor, sin cambio radical en su

construcción, etc.

Antecedentes de la invención 1.-Es conocido el dispositivo para la conversión de hidrocarburos que contiene un reactor en el cual se crea una descarga de microondas, que inicia el proceso de conversión, y un bloque catalítico, que se encuentra después del reactor a lo largo de la alimentación de reactivos, que acelera la realización del proceso- Patente US No 5015 349, C109 15/00, publicado el 21.12.89.

En este esquema el papel de la descarga se limita a la aportación al sistema de una energía complementaria en forma de una energía característica del componente de plasma, la cual estimula el proceso químico en el reactor químico o directamente en el catalizado tradicional.

2.-Se conoce el modo y el dispositivo del tratamiento plasma químico, de los reactivos previamente calentados (incluidos los hidrocarburos), a través de la descarga de microondas de impulso. El dispositivo contiene la cámara de combustión previa de los reactivos en cuya entrada van una parte de los reactivos, la cámara de mezcla de reactivos, el generador de microondas de impulsos con características determinadas de tiempos de radiación y la cámara de descarga que representa en sí un guiaondas de cortocircuito de una longitud determinada y dentro de la cual se actúa con la descarga de microondas de impulso sobre los reactivos-patente WO 9828223, C01B 3/34, publicado el 02.07.98.

El dispositivo conocido tiene una insuficiente efectividad energética del proceso de plasma. El dispositivo es un reactor plasma químico, en la

construcción del cual la radiación de microondas con parámetros de tiempo determinados (longitud de impulso de 2-4 microsegundos y la efectividad del paso de la descarga de orden de 10), forma una descarga de chispa en los canales de la descarga con una temperatura bastante alta. La relación de la potencia de la descarga con la potencia del calentamiento previo es bastante grande. La cámara de descarga es un guiaondas con un sistema de cortocircuito, en el cual la regulación del campo eléctrico en parámetros amplis es difícil.

Descripción de la invención Los parámetros técnicos de la invención son la aceleración del proceso de conversión de hidrocarburos líquidos, por ejemplos, combustibles de motor, en presencia de aire u oxígeno y en según que casos agua, en gas sintético (conversión vapor-aire o de aire) y el aumento de la efectividad energética del proceso a costa de la utilización del dispositivo de la invención, en el cual la formación de plasma-por descarga microondas de impulso-periódica, o semi continua, pseudo corona (estrimer)-actúa en calidad de catalizador del proceso plasmacatalítico de la conversión de combustibles de motor.

Los resultados técnicos de la invención se obtienen debido a que en el proceso de conversión plasma catalítica de los combustibles de motor (CM) en gas sintético se realizan las reacciones de conversión vapor- hidrocarburos-aire que entran en la composición CM. El aire se caliente previamente, una parte de CM se quema en la cámara de combustión y el resto se mezcla con los productos de combustión y vapor de agua, o solamente con los productos de combustión, estos reactivos se mandan al

reactor plasmacaralítico, donde se someten a la radiación de microondas de impulso iniciándose la descarga impulso. periódica de microondas pseudo corona estrimer con parámetros determinados de tiempo y energía, dando como resultado que la formación de plasma actúa como catalizador, acelerando el proceso de conversiónde CM. E1 proceso plasmacatalítico de conversión a través de la descarga impulso-periódica microonda pseudocorona estrimer se ejecuta a presión atmosférica. En el reactor plasmacatalítico químico está listalado el nivel sub- disruptivo de intensidad del campo eléctrico microondas de impulso, iniciándose la descarga de microondas pseudo corona de tipo estrimer en las puntas de los elementos de corona. En las puntas y en las cabezas de los estrimer el nivel de intensidad del campo eléctrico microondas es mayor de 10 Kvcm, formándose los estrimer de microondas, las cuales en el tiempo menor de 1 microsegundo se propagan hasta la pared de reactor, a la vez se ramifican en el espacio y llenan la sección del reactor químico plasmacatalítico. La secuencia de impulsos de la radiación de microondas es en el diapasón de centímetro o decímetro de la radiación de la frecuencia superalta (FSA) (X, S diapasones) con los siguientes parámetros duración de 0.1-1 micro/seg efectividad del paso de la descarga 100-1000, el nivel de la potencia de impulso se establece partiendo de la condición de que correspona a la intensidad del campo eléctrico de microondas en el reactor plasmacatalítico y en las cabezas de los estrimers de microondas, mayor de 100 kv/cm, y el consumo de la suma de los reactivos Q y el valor promedio de la potencia microonda W, se elige bajo la condición de cubra el diapasón de los valores de la aportación energética específica de plasma W/Q equivalente a 0,05-0,2 kwt hora/nm3, y el vapor de la aportación energética de plasma no supere 5-10% del valor de contenido energético

de reactivos a la temperatura de trabajo de la realización de proceso. Para la realización de la conversión plasmacatalítica de vapo-aire de CM, las temperaturas de los reactivos en la entrada al reactor plasmacatalítico están en los marcos de 800-1500 k.

La relación entre la parte de CM quemada en la cámara de combustión y el resto de CM está en la diapasón de 0,5 hasta 2.

La relación de mol (molécula/gramo) de H20 (aire y H20), CM en la entrada al reactor plasmacatalítico está en los marcos de 0.06-2.5 y 1-6, correspondientemente. Para la realización de la conversión plasmacatalítica de aire de CM, las temperaturas de los reactivos en la entrada al reactor plasmacatalítico esta en los marcos de 600-1100 k. La relación entre la parte quemada de CM y la parte sin quemar esta en los marcos de 0.4 hasta 2. La relación de mol de aire/CM en la entrada al reactor plasmacatalítico equivale a 16-20. En el conversor plasmacatalítico de CM en gas sintético contiene un calentador de aire, cámara de combustión, plasmatron conectado con la fuente de impulsos (o semi continua) de la radiación de microondas.

El plasmatron está diseñado en forma de reactor químico plasma catalítico, compuesto de un resonador cilíndrico microonda de tipo de onda Hll con la descarga impulso- periódica de microondas (o semi continua) pseudocorona estrimer con el diapasón de centimétricos o decimétricos correspondiente a la oongitud de las ondas (diapasones X S) trabajando a presión atmosférica con los impulsos de la longitud de 0,1-1 micro/seg y la efectividad del paso de la descarga de 100-10.

La cámara de combustión está situada entre el calentador de aire y reactor-resonador plasmacatalítico conforme a la línea de flujo de gas y está abastecida con dos tubuladuras separadas, para la introducción por separado de la parte quemada de CM y de su resto, formando una mezcla con el vapor de agua en diferentes zonas de la cámara de combustión.

El sistema para la introducción de la radiación de microondas desde el generador al resonador de microondas está hecho en forma de u guiaondas rectangular a través de la pared lateral del resonador. E1 sistema de la entrada de la radiación microonda desde el generador a resonador microonda está hecho en forma de un guiaondas rectangular a lo largo del eje del resonador. Entre el guiaondas y el resonador cilíndrico está ubicado el sistema de excitación en el resonador de la onda de tipo HI, con el elemento de comunicación del resonador con guías ondas.

La boquilla para la introducción de los reactivos es a la vez uno de los reflectores de tope del resonador de microondas, y el sistema de la salida de los productos del proceso es el segundo reflector de tope. La boquilla de la entrada de reactivos o el sistema de la salida de los productos del proceso es a la vez uno de los reflectores de tope del resonador microondas, y el nudo de excitación de la onda de tipo Hll en el resonador cilíndrico es el segundo reflector de tope.

E1 eje longitudinal del guiaondas rectangular está ubicado a la distancia de varias longitudes de semiondas de radiación en el guiaondas cilíndrico con el tipo de onda de Hll de uno de los reflectores de tope, el diámetro del resonador cilíndrico se calcula partiendo de

la condición de que la excitación en él, del tipo de onda de H1l y la longitud de resonador equivaga al número entero de las longitudes de las semiondas de radiación en el guiaondas cilíndrico con el tipo de onda de Hull. El coeficiente de la comunicación del resonador con el guiaondas a través del elemento de comunicación se establece bajo la condición de que asegure el nivel sub- disruptivo de intensidad del campo eléctrico microondas para el diámetro dado del reactor-resonador plasmacatalítico. El juego de varillas metálicas puntiagudas que inician la descarga plasmacatalítica está instalado en las áreas de máxima intensidad del campo eléctrico en el resonador microonda. La ubicación de la punta de cada varilla en el radio del resonador cilíndrico se elige bajo la condición de obtención en la punta de cada varilla y en las cabezas de las estrimers microondas, de una magnitud de intensidad del campo eléctrico microonda mayor de 100 kv/cm. La cámara de combustión está fabricada en forma de dos sistemas de toberas concéntricas ultrasónicas ubicadas consecuentemente a lo largo de la línea del flujo de gas y conectadas por separado con las tubuladuras de la entrada con termopermutador recuperativo.

Breve descripción de los esquemas adjuntos La invención se explica con las ilustraciones adjuntas, donde en la figura 1 se ve el diseño constructivo del conversor plasmacatalítico de CM en gas sintético, en la figura 2 se describe el esquema de ejecución del conversor plasmacatalítico funcionando en régimen de conversión de vapor-aire, en la figura 3 se da el esquema de ejecución del conversor plasmacatalítico funcionando en el régimen de la conversión de aire, en la figura 4 se describe la ubicación de la varilla metálica puntiaguda

en el resonador microonda, en la figura 5 se describe la estructura característica de la descarga de impulso pseudocorona estrimer microonda plasma catalítica.

El conversor de plasma (ver fig. 1) contiene la cámara de combustión (1), conectada a través de la tobera (2) de la entrada de reactivos en el reactor con el reactor plasmacatalítico, fabricado en forma de resonador cilíndrico con la frecuencia superalta (3), limitado por parte de la entrada de reactivos con la tobera (2), y por la parte contraria con el sistema de la salida (4) de productos de proceso, el cual está hecho o en forma de un tapón de tope con agujeros (ver fig 1), o en forma de una tobera con el estrechamiento a lo largo del movimiento de gas, con el sistema de la entrada de la energía de la frecuencia superalta (5) y el sistema de excitación del resonador cilíndrico (3) con el elemento de comunicación (6).

La descarga se inicia con el sistema de los elementos corona, introducidas en guiaondas, varillas puntiagudas (7) de metal poco fusible, alrededor de los cuales forman la descarga psudocorona estrimer microonda, la cual es la zona activa (8) del reactor plasmacatalítico.

La cámara de combustión está dotada con la tubuladora de tope (9) y dos tubuladoras laterales (10) y (11) ubicados sucesivamente a lo largo del flujo de reactivos. La cámara de combustión (1) está fabricada en forma de dos sistemas de toberas concéntricas ultrasónicas instaladas sucesivamente a lo largo de la línea del flujo de gas y conectada por separado con las tubuladuras (10) (11) de la entrada de reactivos.

El nudo de la entrada de la energía de la frecuencia

superalta (5) con el orificio de comunicación (6) está conectado con el generador de la frecuencia superalta (12) (ver Fig. 2,3) y la tubuladura de tope (9) de la cámara de combustión (1) está conectado con la tubuladura de salida (13) del calentador (14).

Descripción detallada y ventajas de la invención.

La esencia de la invención consiste en la compatibilidad de la zona de la descarga eléctrica y la zona del proceso químico catalítico, dando como resultado que la formación de plasma actúa como catalizador y a al vez tiene la capacidad de formación de un tipo determinado de descarga microonda con las características dadas de tiempo y electrodinámicas.

El proceso plasmacatalítico de conversión de CM en gas sintético se realiza en la descarga pseudocorona estrimer impulso-periódico (o semi continuo) de microonda a presión atmosférica.

La condición necesaria para la creación de las descarga es la corta duración del impulso de la frecuencia superalta que excita la descarga (0,1-1 micro/seg), la gran efectividad del paso de la descarga (100-1000), campo eléctrico regulado subdistruptivo en el resonador microonda, campo eléctrico mayor de 100 kv/cm en la punta de los elementos coronados y en las cabezas que se propagan en el espacio entre los estrimers microondas ramificados. Tal compatibilidad de parámetros permite realizar el proceso de descarga anteriormente indicado que dispone, como demostraron los experimentos con dicha construcción de propiedades plasmacatalíticas para la realización de procesos de conversión de combustibles líquidos en gas sintético.

La descarga impulso-periódica pseudocorona estrimer microonda a presión atmosférica se caracteriza por baja temperatura de los reactivos, alta magnitud del campo eléctrico microonda en las cabezas de los estrimer y, como consecuencia, alta energía promedio de los electrones del plasma, alto nivel no equilibrado en peso , alta concentración de partículas activas en el plasma, iones negativos, radicales clasterels y como consecuencia, alta efectividad energética de generación de las partículas químicamente activas en el plasma ; alta efectividad de utilización de la energía eléctrica.

En tal tipo de descarga, con el régimen escogido ( longitud de impulsos, efectividad de peso de descarga, coeficiente de comunicación del resonador con el guiaondas a través del orificio de comunicación, magnitud del campo eléctrico subdisruptivo en el resonador, suficiente valor del campo eléctrico en la punta del elemento coronado y en las cabezas de los estrimers microondas, aportación energética específica, temperatura en la entrada del reactor) se realiza el mecanismo plasmacatálico del proceso a temperaturas muy bajas.

El proceso de conversión CM en gas sintético se realiza en el reactor plasmacatalico 3 (Fig. 1) el cual a la vez es el resonador microondas con el elemento de comunicación y en el cual los reactivos, previamente calentados en el calentador 14 (Fig. 2,3) se someten al tratamiento en la zona activa 8 del reactor plasmacatalitico por la descarga impulso-periódica microonda pseudocorona estrimer.

El coeficiente de comunicación del resonador con el guía ondas a través del orificio de comunicación 6, se elige bajo el parámetro para lograr la obtención de la magnitud

subdisruptiva del campo en el resonador (para el diámetro dado D del resonador) y la magnitud de la potencia del impulso de la radiación.

La descarga pseudo corona microonda estrimer se inician por medio del juego de los elementos coronados (fig. 1)- varillas metálicas puntiagudas. La punta de la varilla aumenta el valor del campo eléctrico microonda en sus alrededores y a través de esta condición se crea la etapa pseudocorona de la descarga. La varilla está orientada a lo largo de las líneas de fuerza del campo en el guiaondas (fig. 4).

La posición de la punta de cada varilla 4 (fig. 4) se elige bajo las condiciones de, a) obtención en la punta de la varilla de la magnitud necesaria de campo eléctrico microonda (suficiente para la formación de estrimer microonda ramificado que se propaga con la velocidad suficiente para llegar a la pared del resonador en el tiempo de impulso), b) la creación de las condiciones isotropas de la iniciación de las descargas a lo largo del juego de los elementos coronados a lo largo del eje del reactor plasmacatalítico.

Los estrimers de la etapa pseudocorona de la descarga transforman el campo microonda en el sistema de canales de plasma y se propagan en forma de estrimers microondas (fig. 5), ramificándose y llenando la sección transversal del reactor y formando la zona de la descarga microonda de impulso 8 (fig. l). La función de la etapa pseudocorona de la descarga es la generación de plasma a presión atmosférica con alta energía promedia de electrones. La función de la etapa de los estrimers microondas es la creación de la formación de plasma, desarrollada en el espacio, para el tratamiento plasmacatalítico de los

reactivos.

En la fig. 5 se describe la característica exterior de la descarga microonda de estrimer bajo el cual se realiza el proceso de plasmacatalisis de conversión de CM líquidos en gas sintético. De esta manera se obtuvo la estructura ramificada de la descarga con la magnitud suficiente del campo microonda en la cabeza propagadora de estrimer microonda (mayor de 100 kv/cm). Tal estructura conjuntamente con la velocidad muy alta de propagación de la cabeza de estrimer microonda asegura la conversión uniforme de los reactivos iniciales en el proceso de plasmacatalisis de los combustibles hidrocarburos líquidos en el tiempo de impulso de la radiación microonda.

El modo de plasmaconversión de los CM en gas sintético, por ejemplo, para la utilización del das sintético en los medios de transporte como combustible del motor de combustión interna y el dispositivo para su realización se hace de la siguiente manera : A la tubuladura de entrada (9) de la cámara de combustión (1) desde el calentador (14) se envía el aire calentado, a la tubuladura (10) se envía la parte quemada de CM y a la tubuladura (11) se envía el resto de CM (fig. 3) para realizar el proceso de conversión vapor-aire (fig. 3), el resto de CM es mezclado con el vapor de agua.

En la construcción de la cámara de combustión (1) las tubuladuras (10) y (11) están conectadas con dos sistemas concéntricos de toberas ultrasónicas. La utilización de estas toberas en la construcción del dispositivo lleva la mezcla de los reactivos en el nivel molecular en los tiempos de 10-3-10-5 segundos. En el espacio entre dos

sistemas de toberas se realiza la oxidación de una parte de combustible por el oxígeno del aire, y la energía, desprendida en el proceso de oxidación, calienta complementariamente los reactivos. Los reactivos mezclados y calentados entran en la tobera de entrada (2) del reactor plasmacatalítico (3).

La energía microonda del generador (12) a través del sistema de la entrada (5) y elemento de comunicación (6) se introduce en el resonador a una frecuencia superalta, que a la vez forma parte del reactor plasma catalítico y se excita en él la onda electromagnética de tipo Hll, que se propaga a lo largo del eje del resonador. La tobera (2) de la entrada de los reactivos en el reactor representa en su una parte de tubo que se estrecha hacia la parte de la cámara de combustión, cuyo diámetro d se elige bajo la condición de que sea el extralimite para la onda excitada en el resonador (ondas tipo Hull), en otras palabras, la radiación microonda se refleja en él. Los productos del proceso salen del reactor a través del sistema de la salida (4), el cual está hecho en forma de un tapón de tope con agujeros o en forma de una tobera estrechándose a lo largo del movimiento de gas. Además de la salida de productos del proceso, la función del tapón o tobera es el reflejo de la radiación microonda atrás al resonador. En ambos casos. El reactor es un resonador para la radiación microonda. La dimensión longitudinal del reactor (L en la fig. 1) la elige de tal forma que sea equivalente al número entero n de las longitudes de semiondas en el guiaondas. En la dirección longitudinal (L2 en la fig. 1) la varilla está ubicada en el máximo del campo de la onda parada en el resonador sin descarga.

La fuente de la radiación de microondas funciona en el régimen impulso-periódico (o semi-continuo). La longitud

del impulso de radiación tl se establece partiendo del tiempo necesario para la realización de ambas etapas de descarga (etapa pseudocorona y etapa de estrimers microondas) en las condiciones concretas. El período de repetición de impulso; de radiación t2 se escoge partiendo de la coordinación óptima de los siguientes valores-a) tiempo de existencia de las partículas activas generadas por la plasma, en fase pasiva de la descarga, después del cese de impulso de la radiación de la frecuencia superalta; b) la velocidad lineal del paso de los reactivos a través de la zona de descarga y c) aportación energética a la descarga : plasma- Donde : Jplasma es la aportación energética de plasma, W = Wpulso* tl/tz potencia media de la radiación microonda, W pulso = potencia de impulso; 1 = consumo volumétrico de reactivos.

La potencia de impulso de la radiación microonda Wpulse determina la aportación energética de plasma Jplasma. La relación de la aportación energética de plasma con la aportación energética térmica es pequeña-Jplasma, Jheat del orden de 5-10%. Además la potencia de impulso depende la magnitud del campo eléctrico en el guiaondas redondo sin plasma, la cual debe tener el valor predispuesto y al mismo tiempo, ser suficiente para la iniciación de la etapa pseudocorona de la descarga en el elemento coronado.

El método de conversión plasma catalítica de CM en gas sintetico puede funcionar en los regímenes de realización de los procesos de conversión vapor-aire o aire de CM en gas sintético.

En el régimen de realización del proceso de la conversión vapor-aire-CM (fig. 2) en gas sintético para las cantidades dadas de combustible (x) y oxígeno (y) XCmHn + YO2 + 3,73 y n2 + (mx-2y) H2O = mxCO + 0,5 (nx + 2m-4y) H2 + 3. 73 y N2 Al calentador (14) se envía el aire, el combustible de motor se envía a las entradas de las tubuladuras laterales (10) y (11) de la cámara de combustión en la proporción de 0,5 hasta 2. Los vapores de agua en la mezcla con la parte restante de CM se envian a la entrada de la tubuladura (11). El CM y el agua pueden enviarse a la cámara de combustión tanto en forma de vapores, como en forma líquida. La temperatura en la salida del calentador equivale a 500-600 K°, y en la entrada al reactor después de mezclarse la mezcla vapor-aire con el combustible equivale a 800-1500 K°. La temperatura después de realizar la reacción es de 500-800 K°. La reacción de moles de vapor de agua/aire y vapor de agua/combustible de motor varía en el diapasón de 0,06- 2,5 y 1-6 correspondientemente.

La escala de transformación « a » de los reactivos en el gas sintético depende de la aportación energética de Jsum al sistema, así como de la parte de mol de aire"g"con relación a la cantidad de combustible. Las características principales cuantitativas del proceso estan representadas en siguiente tabla.

G, % Jsum, KJ/Kg « a, % » 25 7300 100 25 3400 65 42 4500 100 42 1500 64 64 1500 100 64 850 95 En el régimen de la realización del proceso de la conversión con aire-CM (fig. 2) en gas sintético : CmH + m/2 (02 + 79/21N2) = mCO + n/2H2 + m/2* 79/21 N2 Al calentador se envía el aire y a las entradas (10) y (11) de la cámara de combustión se envía el CM en la proporción de 0,5 hasta 2. El CM puede enviarse a la cámara de combustión en vapor o líquido. La relación de moles de aire/combustible de motor en la entrada al reactor equivale a 16-20. La temperatura de aire, necesaria para la realización del proceso de conversión de CM en la salida del calentador está entre 700-1.200K°, y la temperatura en la entrada al reactor después de mezclarse el aire con el combustible está entre 600-1.100 K°. Para asegurar la temperatura de trabajo del proceso es necesario que la magnitud de aportación energética esté entre 500-1.000 KJ/kg (sin la recuperación del calor). La escala de transformación de reactivos llega hasta el 100%. La temperatura de gas sintético en la salida del reactor está entre 1.300-1.900 K.