СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА И РЕАКЦИИ В КАМЕРЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕСКОЛЬКИХ РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУР Российский патент 2014 года по МПК B01D17/06 H05B6/70 

Область техники

Настоящее изобретение относится в основном к обработке или взаимодействию материалов. Изобретение особенно полезно при применении электромагнитной энергии для стимулирования химического процесса или реакции, такой как разрыв химических связей в больших молекулах, и будет описано в отношении такого применения, хотя предполагаются и другие выгодные типы применения. Примером является разрыв молекулярных связей в длинных углеводородных цепях, так что могут быть образованы углеводороды с более короткой цепью и меньшей молекулярной массой. Такая обработка может, например, доводить тяжелую, вязкую нефть до менее вязкой консистенции, так что она может более простым образом транспортироваться по трубе.

Материалы на нефтяной основе являются неотъемлемой составляющей мировой экономики и спрос топлива на нефтяной основе и продуктов на нефтяной основе увеличивается. Поскольку спрос возрастает, то имеется потребность в эффективном и экономически выгодном извлечении материалов на нефтяной основе, чтобы удовлетворить этот спрос. При этом было бы выгодно не только иметь возможность извлекать материалы на нефтяной основе из толщи пород, но и возвращать в оборот потребительские продукты, чтобы повторно использовать эти материалы на нефтяной основе.

Мировое потребление нефти оценивается как превышающее семьдесят миллионов баррелей в день и возрастающее. Соответственно, имеется потребность в достаточных поставках нефти. Битуминозные пески, нефтеносные пески и нефтеносные сланцы содержат большие количества нефти, однако извлечение нефти из этих материалов является дорогим и трудоемким процессом.

Откачивание тяжелой нефти из нефтеносных песков затруднено. Обычно вплоть до 30% по объему растворителя или разбавителя должно быть добавлено к такой нефти, чтобы снизить ее вязкость до степени, достаточной для прокачивания через трубопроводы. Это увеличивает затраты почти на 15% для барреля нефти при современных ценах. Соответственно, возможность экономичного разрыва некоторых молекулярных связей, чтобы сделать нефть менее вязкой, могла бы оказать значительное влияние на извлечение полезных продуктов из нефтеносных песков. Другой проблемой, важность которой возрастает все в большей степени, является захоронение токсичных отходов. Обычно, чтобы сделать отходы безвредными, требуется разрыв химических связей в отходах и, возможно, добавление других веществ, чтобы образовать новые связи.

Уровень техники

Для известного уровня техники известно, что процесс или реакция в объеме могут быть возбуждены в резонансной электромагнитной структуре со связанным с ней электромагнитным генератором. Структура обычно является многомодовой (т.е. с несколькими пространственными модами). Микроволновая печь является примером такого устройства.

Резонансная структура может также быть одномодовой структурой, в которой единственная частота резонансной в единственной пространственной моде. Одномодовая резонансная структура меньше многомодовой резонансной структуры и не может манипулировать такой большой входной мощностью. Во многих видах применения желательно создавать плазму в объеме для проведения процесса или реакции, и, как правило, в одномодовой резонансной структуре проще создавать стабильную плазму и поддерживать согласование с генератором и системой доставки мощности.

Также известно, что реакция или процесс в объеме могут быть возбуждены в многомодовой резонансной структуре, связанной с несколькими электромагнитными генераторами. Например, в патенте США № 7227097 описывается устройство с применением нескольких генераторов, связанных с обычной многомодовой резонансной структурой, с плазмой, создаваемой в общем объемном резонаторе. Эта конфигурация обладает тем преимуществом, что допускает применение большей входной мощности, однако многомодовый объемный резонатор существенно более чувствителен к флуктуациям плазмы. Согласование и эксплуатация электромагнитных генераторов и их соответствующих систем доставки мощности также затруднены в этой конфигурации. Имеется также больше соединений с разными генераторами из-за нестабильности плазмы.

Возможно также наличие нескольких генераторных входов в одномодовую резонансную структуру, однако в одномодовой конфигурации потребовалось бы, чтобы каждый генератор имел одну и ту же частоту и фазу, и резонансная структура ограничивалась бы величиной мощности, которая могла бы быть к ней приложена.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению предложена система, т.е. способ и устройство для обработки объема для проведения процесса или реакции несколькими электромагнитными генераторами. Это выполняется приложением выходной мощности нескольких электромагнитных генераторов к соответствующим резонансным структурам, при этом множество резонансных структур связаны с общим объемом для проведения процесса или реакции. Данное изобретение также предусматривает согласование и настройку электромагнитных генераторов с их соответствующими резонансными структурами, регулирование мощности, вводимой в каждую резонансную структуру, и регулирование фазы любых подаваемых мощностей, которые имеют одну и ту же резонансную частоту. Разные резонансные структуры располагаются таким образом, что объем для проведения реакции или процесса является частью каждой резонансной структуры. Объем для проведения реакции или процесса содержится в камере для проведения процесса или реакции внутри реакционного резервуара, на котором закреплены резонансные структуры и соответствующие генераторы.

В этой конфигурации генераторы могут иметь разные частоты и фазы и, тем не менее, быть согласованными с общим объемом для проведения процесса или реакции. Лишь объем для проведения процесса или реакции ограничивает входную мощность. Все резонансные структуры остаются согласованными с их соответствующими генераторами, в то время как все они одновременно связаны с общим объемом для проведения реакции. Таким образом, данная система объединяет преимущества нескольких подводов мощности и увеличенной стабильности посредством того, что каждый генератор связан со своей собственной резонансной структурой, при этом каждая резонансная структура, в свою очередь, связана с общим объемом для проведения процесса или реакции.

В одном из аспектов данное изобретение применяет электромагнитную энергию, чтобы разорвать молекулярные связи и тем самым уменьшить большие молекулы, разделив их на меньшие составные части. В качестве примера данное изобретение применяет электромагнитную энергию, чтобы снизить вязкость тяжелой нефти таким образом, что она может более простым образом транспортироваться по трубопроводу. Особенностью этого изобретения является то, что оно делает возможным применение нескольких электромагнитных генераторов к общему объему для проведения реакции или процесса, при этом каждый генератор связан со своей собственной резонансной структурой, предоставляя, тем самым, электромагнитные поля большей величины, и каждая резонансная структура связана с общим объемом для проведения процесса или реакции. В дополнение к обработке или разрыву молекулярных связей в тяжелой нефти (известному в промышленности как «крекинг»), это изобретение применимо к любому процессу или реакции, требующим применения электромагнитной энергии. Это включает, например, разложение токсичных отходов, а также другие процессы, в которых не требуется разрывать химические связи, а необходимо лишь, например, протравить поверхность, получить керамику или приложить теплоту к объему.

Другим применением этого изобретения является очистка, разложение, ликвидация или обезвреживание различных отходов, включая токсичные отходы. Поскольку входная мощность ограничивается лишь самим веществом, участвующим в процессе или реакции, то могут быть достигнуты очень высокие температуры, предоставляющие, например, возможность разрыва связей с очень высокой энергией.

Предусмотрены также другие варианты осуществления. В зависимости от вида применения, резонансные структуры могут быть одномодовыми или многомодовыми. Разные генераторы могут иметь разные частоты, если это необходимо, и разные фазы могут потребоваться, если некоторые или все генераторы функционируют при одной и той же частоте. Это, наряду с пространственным расположением резонансных структур по отношению к объему для проведения процесса или реакции, предоставляет возможность подачи мультичастотной мощности в объем для проведения процесса или реакции, вместе с электрическим и/или магнитным полями, и создания вращающегося электрического или магнитного поля любой ориентации в объеме для проведения процесса или реакции. Уровни выхода могут быть такими высокими или такими низкими, как это необходимо для содействия протеканию конкретного процесса или реакции. В дополнение к этому, к объему для проведения процесса или реакции может быть приложено статическое (постоянного тока) электрическое и/или магнитное поле.

Несмотря на то, что данное изобретение может быть применено для создания плазмы, оно может быть также применено для газов, жидкостей, твердотельных материалов или комбинаций нескольких фаз в объеме для проведения процесса или реакции. В одном из вариантов осуществления материал процесса или реакции может находиться во взвешенном состоянии в среде-носителе, такой как газ или растворитель, или катализатор. Также могут быть применены добавки для более эффективного поглощения электромагнитного излучения.

В другом варианте осуществления резонансные структуры могут быть расположены так, и входные мощности и фазы контролироваться таким образом, чтобы данная компоновка создавала вращающееся электрическое или магнитное поле внутри реакционной камеры. Вращающееся электрическое или магнитное поле может предоставлять преимущества при некоторых процессах или реакциях.

Процесс создания вращающегося электрического поля в реакционном объеме с помощью единственного электромагнитного генератора раскрыт, например, в патенте США № 4792732. В данном прототипе электрическое поле перпендикулярно осевой линии реакционного резервуара. В одном из вариантов осуществления данного изобретения применяется множество электромагнитных генераторов и разные резонансные структуры расположены таким пространственным образом и настроены электрически так, чтобы создавать вращающееся электрическое поле любой ориентации по отношению к осевой линии объема для проведения процесса или реакции. В другом варианте осуществления множество резонансных структур может быть расположено последовательно вдоль реакционной камеры, чтобы обеспечить последовательную обработку или выполнение стадий реакции. Такие последовательные расположения могут также быть применены параллельным образом, чтобы увеличить производительность реакции или процесса.

В другом варианте осуществления изобретение может также применять дополнительные источники плазмы. Кроме того, один или множество катализаторов или газов могут инжектироваться или смешиваться, чтобы улучшить различные реакции, протекающие в объеме для проведения процесса или реакции.

В еще одном варианте осуществления изобретение может также применять устройство для инициирования образования плазмы, когда газ, пар или тонкораспыленная жидкость находится в объеме для проведения процесса или реакции.

Подводя итог вышесказанному, данное изобретение использует множество электромагнитных генераторов, связанных с несколькими резонансными структурами, которые, в свою очередь, связаны с реакционной камерой, так что объем для проведения реакции или процесса становится общей нагрузкой для каждой из нескольких резонансных структур. Это предоставляет множество преимуществ, включающих:

1. Мощность не ограничивается выходной мощностью единственного генератора, его системой доставки мощности или его резонансной структурой. Поскольку мощность от нескольких генераторов суммируется в объеме для проведения процесса или реакции, этот объем является единственным фактором, ограничивающим мощность, которая может быть доставлена какой бы то ни было нагрузке в объеме для проведения процесса или реакции.

2. Каждый генератор согласован со своей собственной резонансной структурой, и разные генераторы могут иметь одинаковые или разные частоты.

3. Разные пространственные и фазовые компоновки могут связывать электрическое поле или магнитное поле с объемом для проведения процесса или реакции.

4. Вращающееся электрическое или магнитное поле может быть создано в объеме для проведения процесса или реакции при любой ориентации.

5. Множество резонансных структур может быть распределено вдоль объема для проведения процесса или реакции для последовательной обработки или выполнения стадий реакции.

6. Множество групп последовательных резонансных структур может быть применено параллельно, чтобы увеличить производительность процесса или реакции.

7. Индивидуальные резонансные структуры уменьшают взаимодействие между несколькими генераторами, связанными с одним и тем же объемом для проведения процесса или реакции.

8. В случае одномодовых резонансных структур плазма имеет тенденцию к поддержанию в более стабильном состоянии, поскольку имеется лишь одна резонансная пространственная мода, и не могут быть возбуждены различные моды более высокого порядка. Данное изобретение предоставляет возможность работы в одномодовом режиме без ограничения мощности, которая может быть приложена к единственной моде, вследствие следующих факторов. Если лишь одна одномодовая резонансная структура соединена с несколькими генераторами, они все должны иметь одну и ту же частоту и синхронизованы для работы в общей фазе. Кроме того, общая входная мощность ограничивается единственной резонансной структурой, применяемым методом суммирования мощности и/или системой доставки мощности. Все эти ограничения устранены в данном изобретении.

9. В устройстве по данному изобретению также может применяться источник плазмы или газ-носитель, катализатор или среда для дополнительного содействия протеканию процесса или реакции.

Краткое описание чертежей

Особенности и преимущества настоящего изобретения будут понятны из приведенного ниже подробного описания, представленного вместе с сопроводительными чертежами, на которых одни и те же цифровые обозначения представляют одинаковые детали:

Фиг. 1 изображает схему одного из вариантов осуществления данного изобретения, показывающую три резонансных структуры, связанной с отдельными генераторами;

Фиг. 2 - простое устройство лишь с одним генератором и одной резонансной структурой, чтобы облегчить разъяснение;

Фиг. 3 - вариант осуществления с двумя генераторами и резонансными структурами, связанными с одним и тем же объемом для проведения процесса или реакции;

Фиг. 4 - три разных генератора и резонансные структуры, связанные с одним и тем же объемом для проведения процесса или реакции;

Фиг. 5(a) - схематический чертеж нормального маркирования волновода.

Фиг. 5(b)-5(d) - три разных расположения нескольких генераторов и резонансных структур;

Фиг. 6 - комбинирование источника плазмы и связанных резонансных структур, которые все возбуждают один и тот же объем для проведения процесса или реакции;

Фиг. 7 - множество групп резонансных структур, расположенных последовательно вдоль объема для проведения процесса или реакции;

Фиг. 8 - схема комплексной системы в соответствии с данным изобретением.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показан типичный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором три резонансные структуры 2 A-C связаны с индивидуальными электромагнитными генераторами 3 A-C, и в котором три резонансные структуры 2 A-C используют совместно один и тот же объем 1 для проведения процесса или реакции. Генераторы могут иметь одинаковые или разные частоты. Каждый генератор поставляет мощность через канал для ее доставки, например, волновод 4 A-C, в согласующий узел. Согласующие узлы 5 A-C согласовывают по импедансу каждый генератор с его резонансной структурой. Каждая резонансная структура, в свою очередь, связана с одним и тем же резервуаром для проведения процесса или реакции с включенным объемом для проведения процесса или реакции. Как будет разъяснено ниже, часть согласующего узла является частью резонансной структуры и также камеры или резервуара для проведения процесса или реакции, при этом рабочий объем для проведения процесса или реакции включен в каждую резонансную структуру. Генераторы могут функционировать при одинаковых или разных частотах, и в случае, когда они функционируют при одной и той же частоте, резонансные структуры могут быть расположены пространственно и в фазе по отношению к камере или резервуару для проведения процесса или реакции таким образом, чтобы создавать различные эффекты, например, вращающееся электромагнитное поле в общем объеме для проведения процесса или реакции.

Вначале следует пояснить, каким образом единственный генератор связан с резонансной структурой. Как показано на Фиг. 2, электромагнитный генератор 10 является микроволновым генератором, например, магнетроном, клистроном или гиротроном, обычно работающими в интервале частот от 300 МГц до 300 ГГц. Мощность от такого узла может составлять, например, от нескольких сотен ватт до 100 киловатт. Средством доставки от этих узлов обычно является волновод 11, который передает единственную моду. Конкретным примером является магнетрон в качестве источника плазмы для обработки полупроводников, который работает при частоте 2,45 ГГц. Волновод 11 для такого источника обычно может быть прямоугольным волноводом, типа WR 284, с размерами примерно 7,2×4,3 см. Как правило, больший размера волновода обозначается буквой «a», а меньший размер обозначается «b». В таком волноводе наименьший порядок моды, обозначаемый как мода TE10, имеет вектор электрического поля, перпендикулярный размеру «a». Как правило, на всех фигурах показана мода TE10, однако и другие моды более высокого порядка могут быть использованы в различных видах применения. Источник обычно защищен от обратных отражений циркулятором или изолятором 12. Мощность, отраженная назад к генератору, направляется к поглощающей нагрузке 22. Волновод доставляет мощность к специально сконструированному резервуару 13 для проведения процесса или реакции через согласующий узел 14, чтобы согласовать резонансную структуру (обозначенную штриховой линией) 15 с системой доставки мощности волноводом. Следует заметить, что резонансная структура содержит объем 16 для проведения процесса или реакции, резервуар 13 для проведения процесса или реакции и часть согласующего узла 14. Примером такого настроечного узла является гибридный настроечный узел, который обеспечивает возможность регулирования резонансной частоты структуры и коэффициента связи вводимой электромагнитной энергии. Части гибридного настроечного узла указаны схематически на фигуре. Регулировка внутренних элементов 17, 18 скольжения предоставляет возможность регулирования коэффициента связи с резервуаром и объемом для проведения процесса или реакции, когда элементы 17, 18 скольжения регулируются индивидуально 19, 20, и регулирования резонансной частоты, когда они настраиваются в одно и то же время 21. Коэффициент связи является мерой того, насколько хорошо генератор согласован с его нагрузкой. Предоставлено средство для регулирования элементов 17, 18 скольжения по отдельности, как показано стрелками 19, 20, или в одно и то же время, как показано стрелкой 21. Как было пояснено выше, пунктирная стрелка 15 указывает, что часть гибридного настроечного узла является частью резонансной структуры. Следует снова заметить, что резонансная структура включает часть согласующего узла, а также реакционный резервуар с объемом для проведения процесса или реакции внутри него. Объем для проведения процесса или реакции может быть в некоторых случаях ограничен, например, трубой из кварца или керамики.

Следует отметить, что на Фиг. 2a и 2b резонансная структура имеет размер «a» волновода и резонансной структуры, перпендикулярный осевой линии объема для проведения процесса или реакции на Фиг. 2a, и размер «b», перпендикулярный на Фиг. 2b. Разные ориентации вызывают лучшее сопряжение электрического или магнитного поля вводимого электромагнитного излучения, в зависимости от разных обстоятельств. На Фиг. 2b объем для проведения процесса или реакции повернут пространственно на 90 градусов по отношению к размеру «a» волновода и резонансной структуры.

Для согласования генератора с резонансной структурой могут быть применены иные узлы, чем гибридный настроечный узел. Другими примерами таких узлов являются согласующий шлейф, так называемый волноводный шлейфовый трансформатор, который обеспечивает независимое регулирование электрического и магнитного полей, и так называемый двойной волноводный тройник и волновод с варьируемой длиной между согласующим узлом и резервуаром для проведения процесса или реакции. Эти средства согласования хорошо известны специалистам в данной области.

Другие источники электромагнитной энергии, включая, например, низкочастотные генераторы или даже статическое (постоянного тока) электрическое или статическое магнитное поле могут быть дополнительно связаны с резервуаром для проведения процесса или реакции с включенным в него объемом для проведения процесса или реакции.

На фиг. 3 показан вариант осуществления с двумя генераторами 30, 31. Резервуар 32 для проведения процесса или реакции, содержащий в себе объем 34 для проведения процесса или реакции, который может в некоторых случаях содержаться в камере 33 для проведения процесса или реакции (например, трубе из кварца или керамики), является общим для обеих резонансных структур 35, 36. Как было разъяснено выше, резонансная структура в каждом случае является частью общего реакционного резервуара с включенной в него камерой для проведения процесса или реакции с включенным в нее объемом для проведения процесса или реакции и частью согласующего узла. Объем для проведения процесса или реакции может или не может находиться в соприкосновении со стенками камеры для проведения процесса или реакции. Как было разъяснено выше, объем для проведения процесса или реакции может также содержаться в некоторых узлах, таких как расходная труба внутри резервуара для проведения процесса или реакции. Материал, подвергаемый обработке или реакции, может находиться в стационарном состоянии или протекать через объем для проведения процесса или реакции.

Электромагнитные генераторы могут быть, например, клистроном или магнетроном, или другим электромагнитным генерирующим узлом. Обычно, чем больше объем для взаимодействия, тем ниже должна быть частота. В интервале выше примерно 300 МГц обычно применяется магнетрон или клистрон. Каждый генератор защищен от мощности, проходящей назад к источнику вследствие отражений от кажущейся нагрузки, защитным узлом 37, 38, как в случае с единственным генератором, рассмотренным выше. Типичным узлом является циркулятор, который направляет отраженную энергию к поглощающей нагрузке 39, 40. Аналогично случаю, рассмотренному выше, каждый генератор связан с нагрузкой обычно волноводом 41, 42, и каждый генератор согласован со своей нагрузкой согласующим узлом 43, 44, таким как гибридный настроечный узел, с подвижными частями, чтобы предоставить возможность регулировки частоты и регулировки коэффициента связи. Аналогично случаю, рассмотренному выше, штриховые линии 35, 36 обозначают, что резонансные структуры включают камеру для проведения процесса или реакционную камеру с включенным объемом для проведения процесса или реакции и также часть согласующих узлов. Аналогично случаю, рассмотренному выше, индивидуальные подвижные части для настройки могут быть отрегулированы индивидуальным образом, как обозначено стрелками 45, 46, 47, 48 или одновременно, как обозначено стрелками 49, 50.

Каждая система доставки мощности от двух генераторов связана со своей собственной резонансной структурой, которая может быть одномодовой или многомодовой, хотя обычно одномодовые структуры будут предпочтительными. В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, два генератора имеют разные частоты, f1 и f2. Таким образом, волноводы должны быть разных размеров, и гибридные настроечные узлы будут, соответственно, разными. Если два генератора имеют одну и ту же частоту, и фазы синхронизованы с фазовым сдвигом в 90 градусов, то вращающееся поле может быть создано в резервуаре для проведения процесса или реакции.

Фиг. 4 показывает три генератора 30, 31a, 31b, соединенных с одним и тем же реакционным резервуаром. Аналогично случаю, рассмотренному выше, каждый генератор изолирован соответствующим средством, связан волноводом со своим собственным согласующим узлом, и все три согласующих узла связаны с одним и тем же резервуаром для проведения процесса или реакции, содержащим объем для проведения процесса или реакции. Аналогично случаю, рассмотренному выше, генераторы могут иметь одинаковые или разные частоты. Если все три генератора имеют одну и ту же частоту, расположены в пространстве под углом 120 градусов по отношению друг к другу, как это показано, и синхронизованы по фазе со сдвигом электрической составляющей на 120 градусов по отношению друг к другу, как это показано, то вращающееся поле создается в резервуаре для проведения процесса или реакции. Как показано размер «a» волновода и согласующих узлов перпендикулярен осевой линии объема для проведения процесса или реакции. Это позволяет создавать вращающееся магнитное поле, перпендикулярное осевой линии объема для проведения процесса или реакции. Если все три генератора и согласующие узлы были повернуты на 90 градусов в пространстве, так что ось «b» волновода и согласующего узла была перпендикулярна осевой линии объема для проведения процесса или реакции, то вращающееся электрическое поле может быть создано в плоскости, перпендикулярной осевой линии объема для проведения процесса или реакции. Как было пояснено выше, если генераторы имеют разные частоты, то вращающиеся поля не могут быть созданы, однако мощность от всех трех генераторов по-прежнему суммируется в реакционном резервуаре.

На фиг. 5 показаны три другие расположения нескольких источников. На фиг. 5 показаны схематически размеры «a» и «b» волновода. Фиг. 5b сходна с фиг. 3, за тем исключением, что в случае Фиг. 5b два генератора имеют одну и ту же частоту и синхронизованы по фазе со сдвигом электрической составляющей 90 градусов по отношению друг к другу. Это будет создавать вращающееся поле. Фиг. 5c также показывает два генератора, однако с разными частотами, связанных с одним и тем же объемом для проведения процесса или реакции. В этом случае волноводы и согласующие узлы повернуты таким образом, что размер «b» волновода и согласующего узла перпендикулярен осевой линии объема для проведения процесса или реакции, а не размер «a» как на Фиг. 5b. Фиг. 5d показывает три генератора 30, 31a, 31b с разными частотами, связанных с одним и тем же объемом для проведения процесса или реакции. В этом случае отсутствуют вращающиеся поля, и мощность от всех трех генераторов суммируется в общем объеме для проведения процесса или реакции. Согласующие узлы работают так, как это было объяснено выше. Следует заметить, что волноводы и согласующие узлы могут иметь разные размеры по причине разных частот, при этом размеры больше для меньших частот.

Эта же самая концепция может быть распространена на множество источников. В общем, если N источников с одной и той же частотой расположены под углами 360/N градусов по отношению друг к другу в пространстве и по электрической фазе, будет создаваться вращающееся поле. Если плоскость нескольких резонансных структур наклонена по отношению к осевой линии объема для проведения процесса или реакции, то вращающееся поле создается в этой плоскости. Такие вращающиеся поля могут быть выгодными в случае некоторых процессов или реакций.

Другие расположения генераторов и резонансных структур могут быть сделаны специалистами в данной области, следуя представленному выше описанию.

В некоторых случаях может оказаться желательной также инжекция плазмы в объем для проведения процесса или реакции. Это может быть сделано, например, с помощью источника плазмы или т.п. Фиг. 6 показывает источник плазмы 60, расположенный в соответствии с данным изобретением. Материал 61, подлежащий обработке или реакционному взаимодействию, может находиться в стационарном состоянии или протекать. В любом случае источник плазмы может быть инжектирован в объем для проведения процесса или реакции. Кроме того, множество источников плазмы могут быть связаны с реакционным объемом, чтобы повысить скорость процесса или реакции. При необходимости, в объем для проведения реакции могут быть инжектированы катализаторы, чтобы стимулировать процесс или реакцию. Кроме того, может быть использован газ-носитель, чтобы содействовать, например, образованию плазмы. Другие вещества, такие как, например, вода, могут быть добавлены или смешаны с веществом, которое подвергается обработке или реакционному взаимодействию, чтобы стимулировать процесс обработки или реакцию. Например, добавление воды к тяжелой нефти может улучшить нагревание смеси, чтобы быстрее достигать высоких температур. Известно, что вода хорошо соединяется с микроволновым излучением вследствие полярной природы молекул воды. Фиг. 6 показывает инжектированную плазму 62, обычно высокоионизованный газ, и резонансные структуры 63, 64, связанные с общим объемом 65 для проведения процесса или реакции.

Разные резонансные структуры могут быть расположены последовательно, чтобы обеспечить более эффективную обработку или реакцию. Фиг. 7 иллюстрирует один из примеров такой конфигурации. Предполагается также возможность и других компоновок. Частоты, как указано выше, могут быть одинаковыми или разными, и резонансные структуры могут быть ориентированы таким образом, чтобы связать больше резонансных структур с объемом для проведения процесса или реакции, чтобы связать электрическое и/или магнитное поле с объемом для проведения процесса или реакции или чтобы создать вращающиеся поля в объеме для проведения процесса или реакции. Кроме того, разные расположения резонансных полостей могут быть сделаны вдоль вытянутого объема для проведения процесса или реакции, либо для дополнительного выполнения стадии процесса или реакции, либо для выполнения другой стадии процесса или реакции для обработки материала или воздействия на него. На этой фигуре материал 70, подлежащий обработке, вводится в реакционный резервуар 71, и на него последовательно воздействуют три группы связанных резонансных полостей, возбуждающих три объема 72, 73, 74 для проведения процесса или реакции. Первая пара резонансных структур 75, 76 для первой реакционной камеры 72 имеет размер «a» волновода, параллельный осевой линии реакционного резервуара. Частоты двух генераторов 77, 78 могут быть одинаковыми или разными, как было пояснено выше. Также, аналогично случаю, рассмотренному выше, каждая резонансная структура, включающая объем для проведения процесса или реакции, согласована с ее приводом. Это может быть выполнено, например, посредством гибридного настроечного узла 14, как на фиг. 2. Следует заметить, что вся цепь из генератора, циркулятора, поглощающей нагрузки, волновода и согласующего узла представлена на фиг. 7 посредством лишь генератора и линии, соединяющей его с резонансными структурами. Если частоты равны, и установлен сдвиг электрической составляющей по фазе на 90 градусов, как было пояснено выше, вращающееся поле будет создаваться в используемом совместно объеме 72 для проведения процесса или реакции. Вторая группа резонансных структур 79, 80, 81 связана со вторым объемом 73 для проведения процесса или реакции. Три генератора 82, 83, 84 в этом случае могут иметь одинаковые или разные частоты. Эти три резонансные структуры также ориентированы таким образом, что размер «a» параллелен осевой линии реакционного резервуара. Третья группа резонансных полостей 85, 86 расположена при осевой линии «b» объемного резонатора, параллельной объему 74 для проведения реакции. Два генератора 87, 88 могут иметь одинаковые или разные частоты. Если они имеют одинаковые частоты и фазы электрической составляющей, сдвинутые на 90 градусов, то вращающееся поле может быть создано в объеме 74 для проведения процесса или реакции. Продукт от последовательности этапов выполнения процесса или реакции обозначен как 89. Как было пояснено выше, для упрощения вся цепь из генератора, циркулятора, волновода и согласующего узла, должна быть связана с объемами для проведения процесса или реакции, показанными на Фиг. 7. Для упрощения, лишь генератор и часть резонансной структуры показаны в каждом случае. Конечно, при этом очевидно, что возможны также и параллельные расположения по данному изобретению.

Видом применения, представляющим особый интерес, является процесс разрыва химических связей в больших молекулах. Одним из таких видов применения является, например, разрывание молекулярных связей в длинных углеводородных цепях таким образом, что образуются более простые углеводороды. Такой процесс может, например, доводить тяжелую, вязкую нефть до менее вязкой консистенции, так что она может более простым образом прокачиваться по трубе, без необходимости добавления растворителя или разбавителя, которое существенно увеличивает затраты на баррель нефти. Соответственно способность устройства, такого как в данном изобретении, к разрыванию некоторых молекулярных связей и получению менее вязкой нефти может оказать огромное воздействие на нефтяную промышленность.

Другим важным применением этого изобретения является очистка, разложение, ликвидация или обезвреживание различных отходов, включая токсичные отходы. Поскольку входная мощность ограничивается лишь самим веществом, участвующим в процессе или реакции, то могут быть достигнуты очень высокие температуры, предоставляющие, возможность разрыва связей с очень высокой энергией.

На фиг. 8 показано типичное устройство в соответствии с предлагаемым изобретением, в котором выполняется процесс распада вводимого материала 90. Это может быть, например, тяжелая нефть. В этом процессе некоторые длинные углеводородные цепи распадаются на более короткие цепи в реакционном резервуаре 91. Показаны разные генераторы 92, согласующие узлы 93 и узлы 94 адаптивного управления. Как указано выше, разные источники плазмы 95, катализаторы 96 и другие материалы 97 также могут быть применены в этом изобретении, что является обычным в данной области. Система управления 98 контролирует процесс в целом. Анализатор 99 исходного продукта предоставляет входные данные для управления процессом. Сепаратор 100 отделяет конечный продукт 101 от необработанного или непрореагировавшего исходного продукта и направляет необработанный продукт назад к началу процесса. Узел 102 регулирования входного потока регулирует введение продукта в процесс.

Рабочие примеры

Чтобы продемонстрировать принципы данного изобретение, была собрана экспериментальная система, содержащая единственный микроволновый генератор, связанный с единственной резонансной структурой. Клистрон был применен в качестве микроволнового источника, и резонансная структура была изготовлена применительно к прямоугольному волноводу. Две разных углеводородных жидкости, моторное масло SAE 30 и керосин, были использованы в двух разных рабочих примерах. Жидкости тонко распыляли в резонансную структуру и инициировали образование плазмы применением искрового разряда вместе с введением микроволн.

При входной мощности 800 ватт при частоте 5945 ГГц, без плазмы, измеренная величина Q резонансной структуры составляла 52, предполагая аккумулированную мощность 41 киловатт. Когда плазма была инициирована, величина добротности (Q) падала до 5 (4 киловатта аккумулировано). Резонансная структура возвращалась к поддержанию резонанса, так что вся мощность была поглощена плазмой. Полезная мощность, доставляемая к плазме, являлась входной мощностью в 800 ватт. Уменьшение величины Q резонатора обусловлено потерями плазмы.

Расход жидкости, протекающей через реакционную камеру, был установлен при 4 литрах в час. Значительные количества газа выделялись камерой, и они превышали пропускную способность использованного измерителя расхода газа Matheson. Измеритель имел пропускную способность 2 литра в минуту. Температура жидкости на входе являлась комнатной температурой, 22 градуса Цельсия. Температура жидкости на выходе составляла 31 градус Цельсия.

Жидкость, выходящая из камеры, была изменена по внешнему виду и вязкости. Как моторное мало, так и керосин были заметно темнее. Как моторное масло, так и керосин содержали увлеченные частицы углерода, которые отделялись отстаиванием через множество дней. Присутствие углерода несомненно демонстрирует, что углеводородные молекулы были разорваны, что иногда приводит к образованию элементарного углерода. После оседания частиц углерода наблюдалось, что моторное масло было светлее, чем перед обработкой, а керосин возвращался к своему первоначальному цвету.

После охлаждения жидкость разливалась значительно легче, что указывало на более низкую вязкость.

Несмотря на то, что обсуждение в основном было сфокусировано на обработке тяжелой нефти, очевидно, что это изобретение может быть применено для любого процесса или реакции, в которых применяется электромагнитная энергия для обработки чего-либо или для стимулирования химической реакции некоторого вида. Изобретение также может быть применено для других процессов, которые включают микроволновое нагревание, например, для изготовления керамики, такой как режущие инструменты из карбида кремния, полупроводниковые були и т.п.

Варианты осуществления и примеры, изложенные в данном документе, представлены для того, чтобы лучше разъяснить данное изобретение и его практическое применение и предоставить, тем самым, возможность реализации и применения изобретения обычным специалистам в данной области. Однако приведенные выше описание и примеры представлены лишь в иллюстративных целях и в качестве примера, и представленное описание не предназначено быть исчерпывающим или ограничивающим изобретение точно определенной изложенной формой. Например, могут быть применены другие типы генераторов, узлов доставки и настройки, частоты и другие обычные методы, такие как применение газа-носителя или растворителя или применение катализаторов в камере для проведения процесса или реакции вместе с веществом, которое подвергается обработке или реакции. Возможны и другие модификации и изменения при принятии во внимание указанных выше идей, без отклонения от сущности и объема данного изобретения.

Изобретение относится к области обработки материалов посредством электромагнитной энергии. Описаны способ и устройство, содержащее множество электромагнитных резонансных структур, связанных с общим объемом для проведения процесса или реакции таким образом, что поддерживается резонанс каждой структуры, наряду с тем, что объем для проведения процесса или реакции является частью каждой резонансной структуры. Вместе с этим каждая резонансная структура согласована с соответствующим ей электромагнитным генератором. Такое устройство предоставляет возможность каждому генератору и его системе доставки функционировать при номинальной мощности при суммировании всех мощностей, происходящем в общем объеме для проведения процесса или реакции. В различных вариантах осуществления этого изобретения разные электромагнитные генераторы могут работать при одинаковых или разных частотах. Разные резонансные структуры могут быть одномодовыми или многомодовыми или же сочетанием одномодового и многомодового режимов. Разные резонансные структуры могут быть расположены пространственно упорядоченным образом, чтобы соединить множество структур с объемом для проведения процесса или реакции. Технический результат - повышение выходной мощности реакционной камеры. 11 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для возбуждения среды для проведения процесса или реакции микроволновым или электромагнитным излучением, содержащее:
резервуар для проведения процесса или реакции с камерой для проведения процесса или реакции, содержащей объем для проведения процесса или реакции; и
множество микроволновых или электромагнитных генераторов, причем каждый из множества микроволновых или электромагнитных генераторов связан и согласован по импедансу с соответствующей одной из множества резонансных структур, причем каждая из множества резонансных структур включает в себя резонансную камеру и объем для проведения процесса или реакции, причем каждая из множества резонансных структур настроена и связана с резервуаром для проведения процесса или реакции таким образом, что объем для проведения процесса или реакции становится общей нагрузкой для электромагнитных генераторов, и резонирует с каждым из множества электромагнитных генераторов, причем это множество электромагнитных генераторов конфигурировано для подачи скомбинированной энергии для объема для проведения процесса или реакции, который превышает максимальную выходную мощность одного из множества электромагнитных генераторов.

2. Устройство по п.1, отличающееся одним или более из следующих признаков:
(a) множество резонансных структур являются одномодовыми или многомодовыми;
(b) каждый из множества электромагнитных генераторов является микроволновым или радиочастотным (RF) генератором;
(c) каждый из множества электромагнитных генераторов связан с соответствующей резонансной структурой каналом доставки, причем указанный канал доставки предпочтительно включает в себя волновод или коаксиальную линию, опционально также содержащее настроечный узел для индивидуальной настройки каждой из множества резонансных структур к общей нагрузке, причем настроечный узел предпочтительно выбран из группы, состоящей из гибридного настроечного узла, согласующего шлейфа, волноводного шлейфового трансформатора, двойного волноводного тройника и волновода с варьируемой длиной, или любого другого подходящего средства согласования с общей нагрузкой;
(d) дополнительно содержащее настроечный и/или связующий узел для индивидуального согласования каждого из множества электромагнитных генераторов с соответствующей ему резонансной структурой, причем настроечный узел предпочтительно является гибридным настроечным узлом;
(e) множество резонансных структур расположены ориентированным образом вокруг реакционной камеры;
(f) N резонансных структур разнесены на угол 360°/N в одной плоскости или расположены произвольным образом в одной плоскости;
(g) множество электромагнитных генераторов функционируют при одинаковых или разных частотах;
(h) множество электромагнитных генераторов функционируют при одной и той же частоте при разных фазах, причем два из электромагнитных генераторов предпочтительно создают излучение со сдвигом фазы 90° по отношению друг к другу;
(i) множество резонансных структур являются одномодовыми или многомодовыми, при этом N резонансных структур физически расположены вокруг указанного объема для проведения процесса или реакции под углом 360°/N по отношению друг к другу, и N электромагнитных генераторов, которые функционируют при одной и той же частоте, сдвинуты по фазе на 360°/N по отношению друг к другу в устройстве, создавая вращающееся электромагнитное поле.
(j) по меньшей мере один из множества электромагнитных генераторов формирует стационарное электрическое поле (постоянного тока), или статическое магнитное поле, или низкочастотное излучение;
(k) объем для проведения процесса или реакции содержит газ(ы), жидкость(и), твердотельный материал или комбинацию нескольких фаз или же плазму;
(l) при возбуждении среды для проведения процесса или реакции электромагнитным излучением поджигается плазма;
(m) дополнительно содержащее источник плазмы;
(n) дополнительно содержащее подающий узел для добавления катализатора в указанную среду для проведения процесса или реакции, чтобы способствовать поглощению электромагнитной энергии, причем реакционная среда предпочтительно содержит воду;
(o) дополнительно содержащее узел для изменения выхода каждого из указанных нескольких электромагнитных генераторов;
(p) также содержащее контрольно-измерительный узел мониторинга среды для проведения процесса или реакции;
(q) дополнительно содержащее впускное отверстие и выпускное отверстие для среды для проведения процесса или реакции;
(r) среда для проведения процесса или реакции содержит большие молекулы, предпочтительно неочищенную нефть;
(s) указанное множество микроволновых генераторов создает излучение при частоте в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц, и опционально также содержащее узел для изменения выхода каждого из нескольких микроволновых генераторов; и
(t) дополнительно содержащее подающий узел для добавления воды к среде для проведения процесса или реакции, чтобы способствовать поглощению микроволнового излучения.

3. Устройство по п.1, в котором резонансные структуры расположены таким образом, что вращающееся электромагнитное поле может быть создано в объеме для проведения процесса или реакции.

4. Устройство по п.3, отличающееся одним или несколькими из следующих признаков:
(a) дополнительно содержащее согласующий настроечный узел для индивидуального согласования каждого из множества электромагнитных генераторов с соответствующей ему резонансной структурой, причем согласующий настроечный узел предпочтительно выбран из группы, состоящей из гибридного настроечного узла, согласующего шлейфа, волноводного шлейфового трансформатора, двойного волноводного тройника и волновода с варьируемой длиной, или любого другого подходящего средства для согласования с общей нагрузкой;
(b) каждый из множества электромагнитных генераторов связан с соответствующей резонансной структурой волноводом или коаксиальной линией; и
(c) N резонансных структур физически расположены вокруг объема для проведения процесса или реакции под углом 360°/N по отношению друг к другу, и N электромагнитных генераторов, которые функционируют при одной и той же частоте, сдвинуты по фазе на 360°/N по отношению друг к другу в устройстве, создавая вращающееся электромагнитное поле.

5. Устройство для возбуждения среды для проведения процесса или реакции электромагнитным излучением, содержащее:
резервуар для проведения процесса с множеством резонансных камер, соединенных последовательно, причем каждая резонансная камера включает в себя объем для проведения процесса или реакции, при этом множество резонансных структур связаны и настроены с каждой из множества резонансных камер, каждая из резонансных структур включает в себя соответствующий объем для проведения процесса или реакции в качестве части общей нагрузки для каждой камеры для проведения процесса или реакции; при этом каждая из множества резонансных структур связана и согласована по импедансу с соответствующим электромагнитным генератором, причем эти электромагнитные генераторы конфигурированы для подачи суммарной энергии для объема для проведения процесса или реакции.

6. Устройство по п.5, в котором множество резонансных структур являются одномодовыми или многомодовыми; и опционально также содержащее впускное отверстие и выпускное отверстие для прохождения среды для проведения процесса или реакции между камерами для проведения процесса или реакции.

7. Способ обработки углеводородной среды, предпочтительно нефти, для облегчения перекачивания углеводородной среды, содержащей углеводородную среду, подвергаемую обработке, электромагнитной энергией с применением устройства по п.1, опционально содержащий этап, на котором добавляют катализатор или воду к углеводородной среде.

8. Способ обработки углеводородной среды, предпочтительно нефти, для облегчения перекачивания углеводородной среды, содержащей углеводородную среду, подвергаемую обработке, электромагнитной энергией с применением устройства по п.5 или 6, опционально содержащий этап, на котором добавляют катализатор или воду к углеводородной среде.

9. Способ обработки токсичных отходов для разрыва химических связей молекул в отходах, содержащих токсичные отходы, подвергаемые обработке, электромагнитной энергией с применением устройства по п.1. или 2, опционально содержащий этап, на котором добавляют воду к токсичным отходам.

10. Способ обработки токсичных отходов для разрыва химических связей молекул в отходах, содержащих токсичные отходы, подвергаемые обработке, электромагнитной энергией с применением устройства по п.3. или 4, опционально содержащий этап, на котором добавляют воду к токсичным отходам.

11. Способ обработки токсичных отходов, для разрыва химических связей молекул в отходах, содержащих токсичные отходы, подвергаемые обработке, электромагнитной энергией с применением устройства по п.5. или 6, опционально содержащий этап, на котором добавляют воду к токсичным отходам.

12. Способ обработки реагента для стимулирования реакции с участием реагента, подвергаемого обработке, электромагнитной энергией с применением устройства по п.1 или 2, опционально содержащий этап, на котором добавляют катализатор или воду к реагенту.

13. Способ обработки реагента для стимулирования реакции с участием реагента, подвергаемого обработке, электромагнитной энергией с применением устройства по п.3 или 4, опционально содержащий этап, на котором добавляют катализатор или воду к реагенту.

14. Способ обработки реагента для стимулирования реакции с участием реагента, подвергаемого обработке, электромагнитной энергией с применением устройства по п.5 или 6, содержащий этап, на котором добавляют катализатор или воду к реагенту.

15. Способ по любому из пп.12-14, в котором N резонансных структур физически расположены вокруг объема для проведения процесса или реакции под углом 360°/N по отношению друг к другу, и N электромагнитных генераторов, которые функционируют при одной и той же частоте, сдвинуты по фазе на 360°/N по отношению друг к другу в устройстве, создавая вращающееся электромагнитное поле, и также в котором N резонансных структур предпочтительно расположены произвольным образом в одной плоскости.

16. Способ нагревания объема для стимулирования процесса или реакции в среде, состоящей из газа(ов), жидкости(ей), твердотельного(ых) материала(ов) или комбинаций нескольких фаз, посредством воздействия на среду электромагнитной энергией с применением устройства по п.1.

17. Способ по п.16, в котором N резонансных структур физически расположены вокруг объема для проведения процесса или реакции под углом 360°/N по отношению друг к другу, и N электромагнитных генераторов, которые функционируют при одной и той же частоте, сдвинуты по фазе на 360°/N по отношению друг к другу в указанном устройстве, создавая вращающееся электромагнитное поле, и также N резонансных структур предпочтительно расположены произвольным образом в одной плоскости.