СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРУЕМОЙ НЕПИРОЛИТИЧЕСКОЙ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК B29B17/00 C08J11/12 C10B53/00 B01J19/12 H05B6/64 F24C7/02 F26B3/32 

Изобретение относится к восстановительной обработке органических материалов с использованием СВЧ-излучения.

В разнообразных областях во многих случаях возникает потребность восстановления органических материалов. Такая необходимость может возникнуть при обработке сырья, например, при извлечении нефти из нефтяных сланцев или при обработке отходов.

Отходы нуждающиеся в обработке, возникают во многих ситуациях. Причиной этого является износ продукта, его негодность для дальнейшего употребления. Примером может служить огромное количество вышедших из употребления покрышек. Отходы возникают также в результате обычных производственных процессов. Кислый гудрон и сточные воды целлюлозной промышленности также могут служить примером. Коммунально-бытовые сточные воды и мусор тоже являются источниками большого количества органических отходов. Необходимость обработки диктуется видом отходов. Например, городские сточные воды представляют опасность для здоровья людей и окружающей среды и поэтому требуется нейтрализация их токсичности.

В случае с покрышками значительные количества нефти и углеродной сажи подлежат рециркуляции, так как они являются главными компонентами покрышек.

Обработка такого типа покрышек, например, сжиганием, с свою очередь, создает проблемы загрязнения окружающей среды. Поэтому необходимы более эффективные способы обработки и восстановления отходов.

Известен способ [1] , согласно которому проводят обработку материалов СВЧ-излучением. Заявка не предлагает никакого решения проблем, описанных выше.

В аналоге [2] охарактеризована конструкция устройства, содержащая микроволновую камеру, средство подачи обрабатываемого материала в камеру, микроволновый генератор и узлы удаления отходов из камеры. Патент не решает вышеуказанных проблем.

Техническая задача изобретения состоит в решении вышеуказанных проблем.

На фиг. 1 схематично изображен способ по данному изобретению; на фиг. 2 - генератор микроволн и параболический волновод, используемые в изобретении; на фиг. 3 - диаграмма направленности микроволн в предпочтительном варианте изобретения.

Позиции на графическом материале будут раскрыты ниже.

Способ и устройство по данному изобретению могут быть применимы для почти неограниченного диапазона органических материалов. Считается, что воздействие СВЧ-излучения приводит к разделению слабых материальных связей в длинноцепных молекулах, что способствует восстановлению этих молекул в более простые формы. По существу это процесс деполимеризации. Процесс контролируется во избежание пиролиза органического материала.

Общий вид изобретения изображен на фиг. 1. Материалы подаются в бункер 10 или в подобное устройство, приспособленное для приема определенного вида материала. Затем материал подают через воздушный затвор 12 в микроволновую камеру 14. Материал подвергают СВЧ-облучению из магнетронов 16. Газообразные продукты выводят в конденсатор 18 и конденсируют в жидкие продукты, обычно масла и серу. Твердые остатки удаляют из камеры 14 через второй воздушный затвор 20. Затем эти продукты разделяют, например, ситом 22 на различные группы. Углеродная сажа обычно содержит значительную часть этих продуктов. В случае обработки покрышек в твердых остатках есть содержание стали.

Оптимальные условия проведения процесса и конфигурация установки выбираются для данного материала после предварительного анализа этого материала. Предпочтительно провести несколько типов анализов с разными целевыми установками.

На первом этапе обработки материала наиболее важной стадией является подающее устройство. Хотя обработку материала можно проводить партиями, предпочтительно, чтобы процесс был непрерывным. Соответственно, так как микроволновая камера должна быть герметичной, подающее устройство должно отвечать этому требованию. Одним таким устройством, целесообразным и пригодным для подачи разнообразных материалов, является поршень и цилиндр.

Для загрузки твердого материала можно сверху цилиндрического подающего трубопровода установить бункер, связанный с одним концом трубопровода для подачи в него материала. Затем можно использовать поршень для перемещения материала по трубопроводу к микроволновой камере. Образуемая непрерывная пробка материала в трубопроводе будет служить как герметический затвор входа в камеру.

Вторым предпочтительным устройством подачи для сыпучих материалов при относительно низких температурных условиях проведения процесса является непрерывный ленточный конвейер. Материал ленты должен быть проницаемым для микроволн и достаточно прочным в работе.

Для работы при более высоких температурах предпочтительно другое средство подачи материала, которое состоит из одного или нескольких винтовых конвейеров из нержавеющей стали. Для некоторых видов материалов можно использовать воздушный затвор у входа в микроволновую камеру. Подобно этому в некоторых случаях будет необходим воздушный затвор у выхода твердого материала из микроволновой камеры.

Следующим важным фактором для обработки потока материала является сама микроволновая камера. Существует несколько факторов, влияющих на физические характеристики микроволновой камеры. Форма камеры целиком зависит от физических характеристик подаваемого материала и типа подающего устройства. Например, там, где подающее устройство представляет собой поршень и цилиндр, можно использовать камеру цилиндрической формы. При использовании непрерывного ленточного конвейера предпочтительна камера прямоугольного сечения. На форму также влияет степень максимального проникновения СВЧ-излучения в обрабатываемый материал. Определив необходимые энергозатраты и основное поперечное сечение камеры, следует выяснить другие факторы, влияющие на оптимизацию процесса.

Некоторые видоизменения процесса и установки для его проведения можно заранее предусмотреть, однако их можно осуществлять и во время проведения процесса. Задачей данной заявки является обеспечить наиболее эффективный процесс с точки зрения энергии, воздействующей на единицу массы обрабатываемого материала, что влияет на проведение процесса на разных этапах и требует обсуждения.

Способ использования всей энергии, воздействующей на материал, выбирается на основании равновесия факторов. Для того, чтобы приложить количество энергии, достаточное для инициирования реакции в нужное время, затем из материала получить нужные продукты в нужной последовательности, требуется соответствующим образом контролировать воздействующую на материал энергию. Так, например, генерирование основной СВЧ-энергии может происходить от нескольких небольших генераторов, а не от одного магнетрона.

Выход генераторов может быть постоянным, пульсирующим или изменяемым каким - либо другим способом. Мощность генерируемых микроволн можно варьировать, изменяя входную мощность генераторов.

Обычно камера с прямоугольным сечением может включать 4 поперечных ряда по 3 генератора микроволн в каждом.

В добавление к распоряжению и мощности генераторов воздействие энергии на единицу массы материала зависит от времени выдержки, в течение которого материал подвергается воздействию микроволн, то есть от периода облучения. Факторы времени находятся в зависимости от геометрии камеры.

Так, время выдержки под микроволнами непосредственно зависит от скорости подачи обрабатываемого материала, кроме того, длина камеры и масса материала, подвергаемого бомбардировке, также могут варьироваться в зависимости от емкости камеры.

Далее, на эффективность влияет фокусировка микроволн, поэтому были разработаны параболические волноводы, обеспечивающие фокусировку излучения от каждого генератора. Могут быть использованы несколько волноводов с несколькими генераторами микроволн, чтобы получить перекрывающие ряды микроволновых полотен, дающие возможность регулировать количество прикладываемой энергии.

Температура поверхности материала сильно влияет на способность материала поглощать энергию микроволн, поэтому крайне целесообразно, чтобы температуру поверхности можно было непрерывно контролировать, а также устанавливать необходимую для получения оптимальной температуры поверхности подводимую мощность генераторов микроволн.

Например, в процессах проведения реакции по мере продвижения материала через микроволновую камеру требуется меньше подводимой энергии для поддержания оптимальной температуры поверхности и поэтому следующие ниже по движению потока генераторы могут работать с меньшей подводимой мощностью.

Целесообразно непрерывно контролировать внутреннюю температуру материала в микроволновой камере, как средство предсказания, такие продукты и в какое время будут выходить из материала. Предпочтительно, чтобы в микроволновой камере давление слегка превышало атмосферное. Это давление способствует удалению газообразных продуктов.

Было обнаружено, что процесс протекает лучше в более плотной атмосфере. Соответственно после того, как процесс начат и доведен до точки, где первый из подаваемого в камеру количества материал подвергся значительному разрушению, процесс продолжается более эффективно. В связи с этим процесс должен проходить в восстановительной атмосфере, а концентрация газов, способствующая восстановлению, увеличивается по мере разрушения материала. По теории присутствие дополнительных восстановительных газов имеет тенденцию помогать дальнейшему разрешению материала, в особенности на его поверхности.

Иногда целесообразно использовать камеру, состоящую из двух частей для изолирования генераторов волн от восстановительной атмосферы. Можно использовать горизонтальную перегородку, непроницаемую для водопроницаемого газа, причем верхняя и нижняя части камеры - обе резонирующие.

Может возникнуть необходимость добавлять восстановительный газ с подаваемым материалом. Задачей восстановительного газа является погасить всякое окисление, которое в противном случае может иметь место с возможными катастрофическими последствиями при пуске. Можно использовать инертный газ, например азот, однако подходит любой совместимый с процессом восстановительный газ. Следует заметить, что не всегда бывает необходимо добавлять инертный газ, однако в определенных случаях его можно добавить.

Обнаружено, что некоторые катализаторы увеличивают эффективность процесса. Так, например, добавление углеродной сажи в подаваемый материал, например покрышки, приводит к тому, что масла выходят из материала и при более низких температурах.

Дальнейший внешний фактор часто будет фигурировать как исключительно важный для определения равновесия внутренних факторов. Физическое пространство производственных условий, где расположены установки по данному изобретению, часто ограничено, поэтому все учитываемые факторы должны быть взвешены с учетом такого ограничения. Важность этого соображения подчеркивается тем фактором, что некоторые установки могут иметь значительную общую длину. Например, такая длина как 1-2 м не является необычным явлением.

В этом отношении предпочтительным подходом к решению проблемы является использование ряда модулей, соединенных концами. Это имеет несколько преимуществ. Среди них - возможность убирать и заменять один модуль, если требуется ремонт, в результате чего можно избежать простоев. Другим преимуществом является простота изготовления и обслуживания небольших модулей. Предпочтительно длина модуля составляет 0,2 м.

Доступность энергии является другим внешним фактором, который может не зависеть от пользователя и определяется месторасположением предприятия.

Продукты, получаемые после процесса, выходят в виде газообразного и твердого материала, газообразные материалы восстанавливаются с использованием одного или нескольких аспираторов на микроволновой камере. Твердые продукты получают в виде остатков, которые удаляют через выход из микроволновой камеры.

Газообразные продукты конденсируются, давая различные углеводородные жидкости. В этой связи может возникнуть необходимость обеспечить в выходной системе подогрев для предотвращения преждевременной конденсации.

Твердые продукты включают сажу в размере микрона и различные неорганические материалы, которые могли входить в подаваемый материал. Например, помимо различных масел и сажи, получаемой при обработке покрышек, остатки включают сталь, кремнезем и другие подобные компоненты.

Фиг. 2 и 3 изображают предпочтительный вариант установки реализации изобретения.

СВЧ-генераторы, используемые в производственных примесях в настоящее время, обычно не достаточно эффективны, так как в них технологией предусмотрен подогрев материала простой бомбардировкой, что приводит к очень неравномерному распределению СВЧ-энергии в материале, в результате чего некоторые участки материала обрабатываются недостаточно, а другие чрезмерно.

В таких случаях для того, чтобы обеспечить минимальное воздействие микроволн на весь материал, большое количество энергии тратится впустую.

Далее, в зависимости от обрабатываемого материала может возникнуть необходимость в более эффективных диаграммах направленности микроволн. При существующей технологии такие варьируемые диаграммы не могут применяться.

Серьезные потери энергии имеют место также в связи с использованием различных типов волноводов для распределения генерируемых микроволн. Например, некоторые волноводы имели удлиненные и нелинейные пути, в результате чего только слабые волны достигали обрабатываемого участка материала.

Далее, некоторые производители СВЧ-установок твердо уверены в том что использование множества генераторов микроволн непрактично с точки зрения эффективного распределения микроволн, так как могут возникать помехи между волнами, генерируемыми от разных генераторов. Устройство, показанное в фиг. 2 и 3, касается этих проблем.

Фиг. 2 показывает устройство 30 генерирования микроволн согласно изобретению, содержащее магнетрон 32, антенну 34 и отражающую поверхность или волновод 36. Устройство 30, как изображено, установлено в стенке 38 микроволновой камеры 40. Внешний край 42 установлен заподлицо со стенкой 38. Проход, образуемый краем 42 отражающей поверхности 36, покрыт керамической плиткой 44.

Отражающая поверхность 36 может иметь различную форму для придания нужной диаграммы направленности микроволнам, но в предпочтительном случае она по существу параболическая для обеспечения существенно кругового участка наложения волн.

Верх 37 отражающей поверхности 36 предпочтительно плоский. Это облегчает монтаж установок, а также дает возможность расположить антенну 34 в фокусе или вблизи фокуса параболического отражателя.

Границы диаграммы направленности могут регулироваться волноводом определенной конструкции вместе с соответствующим изменением положения антенны 34. Фокус направленности также предпочтительно регулируется при помощи антенны 34. Антенна 34 регулируется перемещением в пределах более 2,5 мм по сети отражателя 36.

Так, например, в наиболее предпочтительном варианте сочетание антенны 34 и отражающей поверхности 36 регулируется таким образом, чтобы обеспечить воздействие микроволн, слегка выходящее за фокус, чтобы диаметр площади воздействия микроволн был больше, чем диаметр края 42 отражающей поверхности 36. Воздействие микроволн на круговую поверхность довольно равномерное.

Возможность расположить несколько устройств 30, как показано на фиг. 3, чтобы получить проектную перекрывающую диаграмму направленности 46 антенны, площадь которой образуется линиями 45 через внешние линии 47 генераторов 30 антенной решетки. Такая конфигурация приводит к образованию по существу микроволнового облака, которое обеспечит равномерное распределение микроволновой энергии по материалу 48 в камере 40.

В предпочтительном варианте устройство 30 имеет датчик температуры 50, установленный в корпусе 52 магнетрона 32. Датчик 50 соединен с проводами 51 с контроллером 54, который отключит магнетрон 32 через провода 53, когда датчик 50 зарегистрирует предельную температуру и включит магнетрон 32 через заданный период времени.

Так, когда обработке подлежит материал с неравномерной поверхностью, например автомобильные покрышки, под устройством 30 не всегда находится обрабатываемый материал, например, когда под ним находится центральная пустая часть. В этом случае волны, отраженные от нижней стенки 56 камеры 40, нагревают устройство 30 до той точки, когда датчик 50 посылает сигнал на контроллер 54 об отключении магнетрона. После определенного периода, который в случае обработки покрышек равен периоду прохождения пустого пространства покрышки под устройством 30, магнетрон 32 включается снова. Это одновременно предотвращает аппарат от перегрева и экономит энергию.

Несмотря на то, что этот способ может широко применяться и конструкция устройства применяется соответственно, в данном случае для восстановления автомобильных покрышек может использоваться последовательность 10 модульных каналов, расположенных в ряд, чтобы получить прямоугольный канал приблизительно 18 м длины и в поперечном сечении 0,35 х 0,91 м.

В предпочтительном варианте при восстановлении покрышек используются два таких канала. В каждом модуле, как показано на фиг. 3, можно использовать 12 соединенных последовательно магнетронов с перекрывающей диаграммой направленности. Каждый магнетрон имеет мощности 1,5 кВт и частоту 2450 МГц.

Типичный процесс происходит при небольшом положительном давлении, приблизительно равном 6 - 12 м водяного столба, и максимальной температуре около 350^oC. Датчик 50 обычно отключает магнетрон при температуре около 70^oC.

Отражатели 36 обычно имеют диаметр 100 - 190 мм у края параболы. Верхняя часть 17 имеет ширину от 80 мм, а глубина рефлектора равна приблизительно 63 мм.

Следует заметить, что эта установка совсем не дает выбросов. Газообразные продукты состоят из узкого диапазона масел, помимо элементарной серы, которая конденсируется отдельно.

Контролируемое восстановление по данному изобретению помогает решить проблемы, связанные с выбросами и свойственные также для других способов восстановления отходов, включая известные способы, использующие СВЧ-излучение.

Использование: при восстановительной обработке органичеких материалов с использованием СВЧ-излучения. Сущность изобретения: способ регулируемой непиролитической восстановительной обработки органических материалов включает подачу органических материалов в микроволновую камеру, в которой генерируют микроволновое излучение, обработку микроволновым излучением органического материала и удаление обработанного органического материала из камеры. Микроволновое излучение генерируют в камере посредством подключенных к антенной решетке генераторов с последующей передачей генерированного излучения к отражателя, фокусирующим излучение по заданной диаграмме направленности и расположенным таким образом, что они обеспечивают равномерное распределение излучения в камере. Степень воздействия излучения на органический материал в камере регулируют, а подачу и удаление органического материала производят непрерывно. Используют параболические отражатели, которые формируют круговую диаграмму направленности. Обработку органического материала проводят в последовательно установленных микроволновых камерах. Положение антенны относительно отражателей регулируют. Установка для регулируемой непиролитической восстановительной обработки органического материала содержит микроволновую камеру с блоком генерирования микроволнового излучения, узлом непрерывной поддачи обрабатывемого органического материала, узлами удаления твердых и гозаообразных отходов из камеры. Блок генерирования микроволнового излучения содержит не менее одного генератора, подключенного к антенной решетке, и не менее одного отражателя, обеспечивающего фокусированное излучение по диаграмме направленности на органический материал. Отражатели выполнены параболическими и установлены таким образом, что формируют круговые диаграммы направленности и полностью перекрывают обрабатываемый органический материал. Отражатель формирует круговую диаграмму направленности, диаметр которой превышает диаметр отражателя. Камера содержит плоскую верхнюю стенку, заподлицо с которой установлены открытой стороной в сторону обрабатываемого материала отражатели. Поперек открытой лицевой стороны отражателей установлена керамическая плитка. Антенна установлена с возможностью изменения положения относительно отражателей. 2с. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регулируемой непиролитической восстановительной обработки органических материалов, включающий подачу органических материалов в микроволновую камеру, в которой генерируют микроволновое излучение, обработку микроволновым излучением органического материала и удаление обработанного органического материала из камеры, отличающийся тем, что микроволновое излучение генерируют в камере посредством подключенных к антенной решетке генераторов с последующей передачей генерированного излучения к отражателям, фокусирующим излучение по заданной диаграмме направленности, отражатели располагают таким образом, что они обеспечивают равномерное распределение излучения в камере, причем степень воздействия излучения на органический материал в камере регулируют, а подачу и удаление органического материала производят непрерывно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют параболические отражатели. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют круговую диаграмму направленности. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку органического материала проводят в последовательно установленных микроволновых камерах. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют положение антенны относительно отражателей. 6. Установка для регулируемой непиролитической восстановительной обработки органического материала, содержащая микроволновую камеру с блоком генерирования микроволнового излучения, узлом непрерывной подачи обрабатываемого органического материала в камеру, узлами удаления твердых и газообразных отходов из камеры, отличающаяся тем, что блок генерирования микроволнового излучения содержит не менее одного генератора, подключенного к антенной решетке, и не менее одного отражателя, обеспечивающего фокусирование излучения по диаграмме направленности на органический материал. 7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что отражатели выполнены параболическими. 8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что отражатели формируют круговую диаграмму направленности излучения на органический материал. 9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что отражатели установлены таким образом, что формируемые круговые диаграммы направленности полностью перекрывают обрабатываемый органический материал. 10. Установка по п.8, отличающаяся тем, что отражатель формирует круговую диаграмму направленности, диаметр которой превышает диаметр отражателя. 11. Установка по п.6, отличающаяся тем, что камера содержит плоскую верхнюю стенку, заподлицо с которой установлены открытой стороной в сторону обрабатываемого материала отражатели. 12. Установка по п.11, отличающаяся тем, что поперек открытой лицевой стороны отражателей установлена керамическая плитка. 13. Установка по п.6, отличающаяся тем, что антенна установлена с возможностью изменения положения относительно отражателей.