一種制備氮氧化物的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及電解制備無機(jī)化合物的技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種制備氮氧化物的 裝置。
【背景技術(shù)】 陽00引氮氧化物（NOx)既是環(huán)境污染物，也是醫(yī)療物質(zhì)，高濃度的氮氧化物危害神經(jīng)系 統(tǒng)，引起四肢萎縮。而在醫(yī)療上，NO則可W擴(kuò)張血管，降低血液粘稠度。吸入一氧化氮（NO) 是20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用于臨床的呼吸急救新技術(shù)，因具有療效快、非創(chuàng)傷性及高選擇性 等優(yōu)點而受到重視。目前，NO已經(jīng)作為救治像急性呼吸衰竭綜合征、高血壓和一些與肺相 關(guān)疾病，化及高原反應(yīng)引起的肺病的新方法，已在臨床上得到了越來越多的應(yīng)用。
[0003] 在針對氮氧化物去除，或其醫(yī)療作用的研究過程中，需要進(jìn)行大量的實驗，其中， 小流量實驗通常W購買的鋼瓶氣體為氣源，而流量大時則采用燃煤燃油、濃硝酸加熱或氨 氧化爐制取，授權(quán)公告號CN101284656B的專利文獻(xiàn)公開了一氧化氮氣體發(fā)生裝置及制備 方法，包括擴(kuò)散式混合器，擴(kuò)散式混合器分別與液氨處理單元、空氣處理單元和氨氧化爐相 連接，液氨處理單元由依次相連接的液氨罐、水浴蒸發(fā)器和氣體質(zhì)量計量控制器A組成，空 氣處理單元由依次相連接的空壓機(jī)、布袋除塵器、氣體質(zhì)量計量控制器B和電加熱器構(gòu)成， 氣體質(zhì)量流量控制器A和電加熱器分別與擴(kuò)散式混合器相連接。分別經(jīng)液氨處理單元和空 氣處理單元得到的氨氣和空氣，在擴(kuò)散式混合器內(nèi)充分混合，于氨氧化爐內(nèi)發(fā)生燃氨反應(yīng)， 生成一氧化氮氣體。上述裝置適用于化工、環(huán)保和醫(yī)藥等行業(yè)，滿足對一氧化氮氣體的需 求。
[0004] 但是運類方式生產(chǎn)氮氧化物不僅氣源成本高，而且儲存和使用也存在危險性，為 了克服上述問題，已有研究采用高壓脈沖放電產(chǎn)生氮氧化物，模擬閃電過程中氮氧化物的 生成。授權(quán)公告號CN100404083C的專利文獻(xiàn)公開了一氧化氮供氣系統(tǒng)，包括在氣路上串 聯(lián)連通的空氣累、潔凈干燥空氣形成裝置、流量計、脈沖發(fā)生與控制回路、電弧放電反應(yīng)器、 第一微粒過濾膜、N02催化還原轉(zhuǎn)化裝置、冷卻器、第二微粒過濾膜和選擇性吸附器；還設(shè)置 氣體監(jiān)測儀。避免使用高濃度NO氣體鋼瓶、高壓干燥空氣或氮氧混合氣體鋼瓶，W空氣為 原料，需要NO時能隨時產(chǎn)生、而不需要時不用儲存，通過控制放電條件使放電過程中產(chǎn)生 盡可能多的NO氣體、盡可能少的N02有害氣體，獲得低的NO2/N0比值，在脈沖頻率為1~ 90化內(nèi)，產(chǎn)生的NO濃度為0~20化pm。 陽〇化]但是上述通過高壓脈沖放電的方式制備氮氧化物，產(chǎn)物流量小，一般僅有0. 25~ 化/min;氮氧化物產(chǎn)率低，僅為3X10l4molecules/J;放電電壓高，多為10~100kV;放電電 流大，一般多為1~20kA，現(xiàn)有發(fā)生技術(shù)電源成本高，一般為$15~25/W，也很難進(jìn)行大流 量條件使用。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 本實用新型提供了一種制備氮氧化物的裝置，通過高壓交流電生成電弧合成氮氧 化物，能夠大流量、長時間制備高濃度的氮氧化物，且效率高、成本低、具有良好的安全性。
[0007] 一種制備氮氧化物的裝置，包括反應(yīng)通道，布置在反應(yīng)通道內(nèi)用于產(chǎn)生電弧的電 極對W及向電極對供電W產(chǎn)生電弧的電源，所述電源為高壓交流電源。
[0008] 本實用新型裝置利用高壓交流電來制備氮氧化物，體積小、占地少、效率高、成本 低、安全性高，能夠在大流量條件下長時間生成高濃度氮氧化物，生成濃度穩(wěn)定。
[0009] 優(yōu)選的，所述的高壓交流電源平均輸出電壓為0. 1~3kV，平均輸出電流為10~ 30mA，放電頻率為0. 1~100曲Z。
[0010] 優(yōu)選的，所述高壓交流電源包括提供電能的低壓交流電源W及將低壓交流電源轉(zhuǎn) 換成高壓交流電源的發(fā)生電路，所述發(fā)生電路輸出的電壓和電流具有相位差。低壓交流電 源是指電廠提供的低壓交流電，一般為220V或380V，發(fā)生電路可W自行設(shè)計，也可采用現(xiàn) 有的交流變壓器例如型號為YD-6AC、YD-18AC的變壓器。
[0011] 優(yōu)選的，所述的高壓交流電源輸出的電壓和電流相位差在0.2 31W上。
[0012] 為了提高能量的利用率，提高氮氧化物的產(chǎn)率，優(yōu)選的，所述電極對的電極采用錐 體結(jié)構(gòu)，錐體尖端角度為0. 05 31~0. 78 31，此時，電弧更容易在低電壓和電流條件下發(fā)生， 并在流速較高時維持，電弧更易保持，有效提高產(chǎn)率和能源利用率。
[0013] 優(yōu)選的，沿著反應(yīng)通道的長度方向，布置有至少兩對電極對。由于交流電弧的升溫 和電離特性，連續(xù)排布的電極對會對電解反應(yīng)和熱化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生增益效果，使氮氧化物產(chǎn) 生量的增加遠(yuǎn)超過多個單組電極對產(chǎn)量的疊加。即一組電極對的氮氧化物的產(chǎn)量為S，設(shè)置 n組電極對在反應(yīng)通道內(nèi)，氮氧化物的產(chǎn)量S將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于n*s。
[0014] 優(yōu)選的，電極對的電極間距n和相鄰兩組電極對的距離m的關(guān)系為n<m<20n。電極 對的距離設(shè)定在此范圍內(nèi)，反應(yīng)氣體在流動過程中可W保持良好的反應(yīng)連續(xù)性，提高氮氧 化物的產(chǎn)率。
[0015] 進(jìn)一步優(yōu)選的，3n<m<20n，電弧在氣流作用下會產(chǎn)生漂移，因此相鄰的電極對之間 的距離不宜過小，會使電弧反應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生重合，因此，將電弧對距離設(shè)置的較大，不僅可W 延長反應(yīng)通道的有效長度，還充分利用了電弧產(chǎn)生的能量?？蒞根據(jù)氣流的流速，控制電極 對之間的距離，使相鄰電極對產(chǎn)生的電弧的工作范圍互不重合。
[0016] 本實用新型還提供了一種制備氮氧化物的方法，能夠大流量、長時間制備高濃度 的氮氧化物，且效率高、成本低、具有良好的安全性。
[0017] 一種制備氮氧化物的方法，包括W下步驟：
[001引 （1)在電極對兩端施加高壓交流電壓，使電極對之間形成電??；
[0019] (2)將含有氮氣和氧氣的混合氣體流經(jīng)電極對之間的電弧區(qū)，氮氣和氧氣反應(yīng)生 成氮氧化物。
[0020] 混合氣體流經(jīng)電弧區(qū)，電弧放電時，由于高壓放電產(chǎn)生高能電子，從而形成N和0 離子，N和0離子復(fù)合反應(yīng)形成NO、N02或其他NO、，其中主要WNO和N02為主，同時，電弧 局部還能夠產(chǎn)生高溫，在提高前述電解反應(yīng)速率的同時，還能通過熱化學(xué)反應(yīng)使氮氣和氧 氣反應(yīng)生成氮氧化物，兩種反應(yīng)相結(jié)合，氮氧化物生成量大；而脈沖放電的原理是通過瞬 時高壓形成電弧通道，其中數(shù)kAW上的大電流加熱通道，進(jìn)而通過高溫和電離產(chǎn)生氮氧化 物，本實用新型方法與脈沖放電相比，交流電弧能夠持續(xù)維持氣體和電極頭溫度，從而避免 對氣體和電弧通道反復(fù)加熱，提高了能量利用效率，同時，交流電弧反復(fù)改變極性，提高了 電弧穩(wěn)定性，并使帶電粒子在電極間往復(fù)運動，提高了其碰撞幾率，進(jìn)而增加了氮氧化物產(chǎn) 率。
[0021] 本實用新型中高壓交流電壓是指能夠使電極對之間形成電弧形成的交流電壓，電 壓峰值一般在IkVW上。
[0022] 為了提高能源的利用效率，優(yōu)選的，所述的高壓交流電源的平均輸出電壓為 0. 1~3kV，平均輸出電流為10~30mA，放電頻率為0. 1~100曲Z。保持輸出電流較小的 情況下，利用高壓產(chǎn)生電弧，能源利用率更高，且使用安全性高，避免多余絕緣距離空置，空 間利用率局。
[0023] 為了進(jìn)一步提高能源利用率和生產(chǎn)效率，優(yōu)選的，所述的高壓交流電源輸出的電 壓和電流具有相位差。通過相位差的設(shè)置，可W在使用相同大小的電壓和電流的情況下，延 長電弧保持的時間，延長電解反應(yīng)和熱化學(xué)反應(yīng)的時間，從而提高能源利用率和生產(chǎn)效率。
[0024] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的高壓交流電源輸出的電壓和電流相位差在0. 2 31 W上，同 時保持高壓交流電源在較高頻率，此時產(chǎn)生的電弧能夠在電壓或電流轉(zhuǎn)向時繼續(xù)維持，從 而實現(xiàn)電弧的連續(xù)產(chǎn)生，電弧不間斷，電解反應(yīng)和熱化學(xué)反應(yīng)不間斷進(jìn)行，進(jìn)一步提高能源 利用率和生產(chǎn)效率。
[0025] 所述的高壓交流電源，其能量密度在0~1200J/L范圍內(nèi)，能量密度越高，一氧化 氮和二氧化氮的產(chǎn)生濃度越高；
[00%] 能量密度在1~400J/L時，一氧化氮產(chǎn)生濃度遠(yuǎn)高于二氧化氮，兩者比值在3~ 40之間；能量密度在400~1000J/L時，二氧化氮濃度提高，兩者比值在1~3之間。所述 能量密度是指高壓交流電源提供的功率與混合氣體量的流量的比值。
[0027] 所述的氣源可W為氧氣和氮氣混合氣、空氣、除濕空氣或者汽車尾氣等同時含有 氮氣和氧氣的氣體；
[0028] 優(yōu)選的，氮氧比為4:1的除濕氧氣和氮氣氣源條件下，一氧化氮產(chǎn)率最高，可達(dá) 2X10"molecules/J;氮氧比為1:1時的除濕氧氣和氮氣氣源條件下，二氧化氮產(chǎn)率最高， 可達(dá) 7XI〇i6molecules/J。
[0029] 當(dāng)氣體流速為電極對電極間距n的0~100倍（0時氣體不流動），在此流速范圍內(nèi) 電弧難W吹焰、容易維持，且氮氧化物能夠穩(wěn)定產(chǎn)生，優(yōu)選的，氣體流速為電極間距n的30 倍W上時，尾氣中氮氧化物組成基本全部為一氧化氮；氣體流速越低，二氧化氮產(chǎn)率越高。
[0030] 經(jīng)過上述過程的處理，產(chǎn)出的混合氣體可W直接用于各類用途，除氮氣氧氣外，其 中主要氣體組分為一氧化氮和二氧化氮，兩者的濃度和比例可W通過電源功率、電極對間 距和氣流量等條件來調(diào)節(jié)；流出氣體也可W被進(jìn)一步處理，如將其通入亞硫酸鹽溶液或堿 液中，可W將二氧化氮吸收，剩余氣體即為不同濃度純一氧化氮氣體；也可W將其通過電暈 放電或高溫催化，將一氧化氮氧化為二氧化氮，剩余氣體即為不同濃