Давление достигало 20 атм, а температура — 400 °C (рис. 1).
Согласитесь, неплохо для примитивного устройства!
Тот же принцип инженер Рудольф Дизель использовал в XIX веке в своем знаменитом двигателе. В цилиндре его воздух сжимается до 170 атм и нагревается до 700 °C. В этот момент в него впрыскивается и сразу же вспыхивает мелко распыленное топливо. В цилиндре дизеля, кстати, могут воспламеняться даже угольная пыль и древесные опилки!
Можно вспомнить и американца К.С. Фалька, создавшего в 1906 г. устройство для изучения процессов, происходящих при быстром сжатии газов, в котором тяжелый поршень, падая, быстро сжимал газ до давления 500 атм (см. рис. 2).
Когда после этого газ подвергали анализу, в нем находили разнообразные следы химических реакций. Но как они возникали, при каких давлениях и температурах, определить точно не могли: после каждого падения поршень в цилиндре некоторое время прыгал, словно мячик, создавая при каждом своем прыжке новый скачок давления и температуры и новые химические продукты.
Для окисления метана до синтез-газа нужно было устройство, которое подвергало бы газ очень быстрому однократному сжатию. И, изучив существующие конструкции, ученые остановились на установке, которую создал в 1950 г. советский ученый Ю.Н. Рябинин (рис. 3).
Если в установке Фалька скорость поршня не превышала 5 м/с, то в установке Рябинина поршень как бы выстреливался из пневматической пушки со скоростью до 100 м/с. Давление газа достигало 12 000 атм, а температура — 10 000 °C (почти вдвое выше, чем на Солнце). Процесс же длился всего десятитысячные доли секунды.
Детали конструкции установки Рябинина таковы.
Выстрел производили сжатым газом из специального баллона. К началу работы порция этого газа при строго определенном давлении подавалась в отдельный сосуд — ресивер. В этот момент поршень отводили влево, а в полость цилиндра подавался исследуемый газ. Далее нажимали курок, клапан ресивера открывался, и выходящий из него газ толкал поршень. Но еще до того как поршень успевал долететь до дна цилиндра, открывался другой клапан и выпускал наружу находящийся в «стволе» толкающий газ. Благодаря этому поршень после сжатия порции исследуемого газа возвращался в исходное положение, а давление и температура возвращались к нормальным значениям.
Эту установку и выбрали для экспериментов ученые института им. Топчиева. Кроме превращения метана в синтез-газ, ученые исследовали тысячи других химических реакций, среди которых нашли немало полезных для производства.
Например, при быстром сжатии оказалось возможно синтезировать необходимые для народного хозяйства окислы азота и аммиак. Можно, оказалось, и, напротив, превращать сложные соединения в простые, что очень важно для… уничтожения боевых отравляющих веществ.
Сегодня этих ядовитых соединений в мире накоплены тысячи тонн. Вылить в воду или закопать их в шахты невозможно — отравят все вокруг. Единственный способ от них избавиться без вреда для природы и людей — разложить на простые, относительно безвредные составляющие. И это удается, если подвергать ядовитые вещества быстрому сжатию.
Для нужд промышленного производства установку Рябинина доработали, увеличив рабочий объем в тысячи раз и повысив «скорострельность» до десятков раз в секунду. То, что получилось, назвали импульсным химическим реактором (ИХР).
Схему ИХР вы видите на рисунке 4.
Он состоит из размещенных в цилиндре двух поршней на общем штоке. На крышках цилиндра расположены клапаны для впуска реагирующих веществ. Они открываются электромагнитами, которые получают сигналы от контактов, расположенных в том же штоке.
Итак, представим, что установка включена. В правую камеру реактора поступает рабочая смесь газов, например, метан и кислород. Поршень сжимает ее, и происходит вспышка. Все совершается столь быстро, что метан не успевает «догореть», и образуется синтез-газ.
После вспышки поршень начинает двигаться влево и открывает окно, через которое выходят продукты реакции. В этот момент в левой камере цилиндра открываются клапаны, и туда подается свежая смесь. Поршень, двигаясь по инерции, сжимает ее до воспламенения, повышая давление до сотен атмосфер, и все повторяется. При работе реактора попутно выделяется механическая энергия. Часть ее расходуется на сжатие, а избыток идет на выталкивание и сжатие газообразных продуктов реакции. Их направляют в турбину, где они совершают полезную работу и частично охлаждаются. А далее проходят через теплообменник, где охлаждаются водой.