Универсальный микроволновый комплекс для переработки каустобиолитов Российский патент 2024 года по МПК H05B6/64 C10F7/00 

Настоящее изобретение относится к устройствам переработки и обработки природных органических каустобиолитов (торф, целлюлоза, лигнин, нефтяные сланцы) и может применяться в химической, нефтехимической промышленности, сельском хозяйстве и теплоэнергетике. Его использование позволяет проводить более глубокую, быструю, управляемую деструкцию органической части материалов под воздействием микроволнового излучения с получением жидкой, газообразной фракций и углеродистого остатка.

Из существующего уровня техники известен метод переработки отходов и пиролизная система (заявка US 20180355255 «Catalyst for distributed batch microwave pyrolysis, system and process thereof», публ. 13.12.2008 г., МПК C10B53/07, B01J21/18), которая содержит: корпус реактора, имеющий впускное отверстие для ввода отходов; входное отверстие для впрыска жидкости в указанный корпус реактора; внутреннее керамическое огнеупорное покрытие от нагара; микроволновый источник, излучающий микроволны внутри корпуса реактора; температурный зонд для измерения температуры активной зоны внутри корпуса реактора; микроволновый диффузор, рассеивающий излучение внутри указанного реакторного сосуда; отверстие для введения инертного газа для создания бескислородной среды; датчик давления; предохранительный клапан давления; измельчитель-перемешиватель; разделительную вибрирующую решетку; газовый и жидкостный приемные резервуары с циклонным фильтром, электрофильтром или их комбинацией. Недостатками данного технического решения является необходимость дополнительного введения инертного газа, который увеличивает стоимость процесса. Также в устройстве отсутствует система контроля излучения, попадающего и отраженного из реактора, таким образом, источник излучения может преждевременно выходить из строя. В заявке не отражены способы снижения загрязненности продуктами реакции волновода, соединяющего магнетронную трубку с реактором.

Известен микроволновый химический реактор (патент ЕР 1796830 «Microwave chemical reactor», публ. 05.10.2011, МПК B01J 19/12). Устройство содержит источник микроволнового излучения (магнетрон или клистрон, или твердотельный генератор), функционально подключенный к концу антенны. Антенну помещают в реакционный контейнер, где она облучает микроволнами реагирующий материал. В данном исполнении из недостатков можно выделить невозможность получения стандартизированного продукта, возможное налипание нагара на источник и повышение рисков вывода из строя оборудования, невысокие возможности переработки материала.

Заявленное в патенте US4835354 («Microwave heating apparatus for laboratory analyses», публ. 30.05.1989, МПК B01L7/00, H05B6/68, H05B6/80) решение представляет собой устройство для анализа химических образцов с использованием микроволновой печи. Устройство состоит из нескольких компонентов, включая магнетрон, волновод, изолятор и фиктивную нагрузку. Магнетрон расположен снаружи камеры, волновод -между камерой и магнетроном, а изолятор расположен в верхней части камеры. Фиктивная нагрузка поглощает микроволновое излучение и предотвращает его выход из камеры через волноводы. Для массо- и теплообмена система имеет вентиляторы. Первый вентилятор предназначен для направления воздуха вокруг теплоотвода и второй вентилятор с переменной частотой - для охлаждения камеры и удаления летучих веществ из аналитических образцов. Поворотный стол обеспечивает перемещение образцов внутри камеры, а программируемые средства управления позволяют регулировать мощность магнетрона и продолжительность нагрева образцов. Таким образом, аналитические образцы могут быть нагреты до заданной температуры и проанализированы с высокой точностью и эффективностью. Из недостатков устройства можно отметить отсутствие систем для увеличения равномерности распределения излучения, малая загрузка. Отсутствует дополнительное измерение давления и фракционирования полученных продуктов.

Наиболее близким к заявленному устройству по технической сущности является комплекс для микроволнового пиролиза органических материалов, известный из патента RU 2737007 («Комплекс для микроволнового пиролиза органических материалов», публ.24.11.2020, МПК Н05В 6/64). Комплекс состоит из теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора, системы загрузки сырья и системы выгрузки твердого остатка, одного или нескольких магнетронов с управляемым высоковольтным источником питания, соединенных с теплоизолированной рабочей камерой СВЧ-реактора линиями передачи излучения, представляющими собой волноводы с радиопрозрачными барьерными окнами и системами подстройки, системы контроля параметров реакции, системы откачки продуктов реакции, включающей форвакуумный насос, охлаждаемые система первичного фракционирования для сбора тяжелых маслянистых фракций и систему вторичного фракционирования для сбора более легких летучих фракций, а также систему управления комплексом.

Недостатками данного устройства являются: отсутствие автоматизированной системы контроля параметров и перестройки в зависимости от характеристик поглощения СВЧ-излучения обрабатываемым материалом. Несвоевременная медленная механическая подстройка винтов может приводить к прекращению генерации излучения или выходу источника из строя в связи с отражением значительной части мощности обратно внутрь источника излучения. Кроме того, отсутствует поляризационная развязка, необходимая для исключения нерабочей поляризации в системе. Также отсутствует дополнительная система безопасности источника, которая обеспечивает развязку нагрузки с источником и не позволяет отраженному сигналу попадать обратно в источник излучения.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка комплекса, обеспечивающего долгую, бесперебойную переработку различных природных каустобиолитов с изменяющимся в процессе коэффициентом поглощения излучения за счет согласования падающей мощности с нагрузкой и равномерного прогрева обрабатываемого материала.

Технический результат достигается за счет того, что разработанный микроволновый комплекс для переработки каустобиолитов так же, как и устройство-прототип включает теплоизолированную рабочую камеру, соединенную с магнетроном с управляемым источником питания линией передачи излучения, представляющей собой волноводы с вентилем на ферритовом циркуляторе с двумя коаксиальными выходами контроля мощности, системой подстройки, волноводным переходом и барьерным вакуумным окном из закаленного радиопрозрачного стекла, при этом теплоизолированная рабочая камера и линия передачи излучения соединены с форвакуумным насосом через откачной порт. Новым в разработанном комплексе является то, что система подстройки представляет собой трехштыревой волноводный согласователь, выполненный в виде волновода с вводимыми в широкую стенку подвижными штырями, приводимыми в движение подстроенными винтами, вращаемыми шаговыми двигателями, подключенными к плате управления, при этом на участке линии передачи излучения после барьерного вакуумного окна введен вращатель поляризации излучения.

В первом частном случае поперечное сечение вращателя поляризации излучения имеет форму эллипса с эллиптичность от 0,9 до 0,8, при этом ось эллипса повернута на 45 градусов относительно плоскости поляризации рабочей моды на входе во вращатель, обеспечивая на его выходе вращающуюся моду ТЕ₁₁ круглого волновода.

Во втором частном случае реализации устройства линия передачи излучения в рабочую камеру выполнена с, по крайней мере, двумя изгибами, находящимися на участке между барьерным вакуумным окном и рабочей камерой.

В третьем частном случае линия передачи излучения содержит дополнительный откачной порт, находящийся на ее участке после барьерного вакуумного окна.

В четвертом частном случае реализации устройства на участке линии передачи излучения после барьерного вакуумного окна введена поляризационная развязка в виде последовательно соединенных перехода с круглого сечения на прямоугольное и перехода с прямоугольного сечения на круглое.

Предлагаемое изобретение поясняется фигурой, на которой представлена схема микроволнового комплекса для переработки каустобиолитов. Данная фигура поясняет предлагаемое изобретение, но не ограничивает его.

В общем случае реализации изобретения по п. 1 формулы микроволновый комплекс для переработки каустобиолитов (см. фиг.) состоит из источника излучения - промышленного магнетрона 1 (частота 2,45 ГГц, мощность 1 кВт), вентиля 2 на ферритовом циркуляторе, системы подстройки 3 в виде трехштыревого согласователя с автоматизированной подстройкой длины подвижных штырей, волноводного перехода 4 (переход с волновода прямоугольного сечения на волновод круглого сечения), вакуумного барьерного окна 5 из закаленного радиопрочного стекла, вращателя 6 поляризации излучения, откачного порта 7 для отвода газов, теплоизолированной рабочей камеры 8 (СВЧ-реактор).

Предложенный комплекс осуществляет работу следующим образом. Сырье загружают внутрь теплоизолированной рабочей камеры 8. После окончания загрузки через откачной порт 7 удаляется воздух и лишняя влага из рабочего объема камеры 8. Также данный порт 7 служит для контроля температуры отводящихся газов и отбора проб. После стабилизации давления включают магнетрон 1 с управляемым источником питания. Излучение от магнетрона 1 по линии передачи излучения с системой подстройки 3, радиопрозрачным барьерным окном 5 и вращателем 6 поступает внутрь теплоизолированной рабочей камеры 8 и обеспечивает нагрев сырья до температуры начала реакции. При этом система подстройки 3, выполненная в виде подвижных штырей, приводимых в движение автоматизированными подстроенными винтами, обеспечивает необходимый уровень отражения и фазирования для полного согласования падающей мощности с нагрузкой в виде СВЧ-реактора. Чтобы вся отраженная мощность от реактора не поглощалась в высокомощной нагрузке вентиля 2 на ферритовом циркуляторе трехштыревой волноводный согласователь обеспечивает своевременную быструю подстройку изменением длины подвижных штырей в прямоугольном волноводном тракте в зависимости от контролируемого отраженного сигнала. Вентиль 2 на ферритовом циркуляторе оснащен двумя коаксиальными выходами с детекторами СВЧ излучения для контроля падающей и отраженной мощности. Сигнал от детектора СВЧ излучения поступает на усилитель, а затем в микропроцессорный блок, в котором происходит обработка и фильтрация входящего сигнала. В зависимости от полученного сигнала с помощью заложенного программного алгоритма вырабатывается управляющий сигнал, который поступает на драйверы шаговых двигателей. Драйверы передают сигналы на обмотки двигателей, и происходит регулирование и подстройка штырей волноводного согласователя излучения. При помощи трех штырей, выдвигающихся на разную глубину внутрь волновода, обеспечивается необходимая амплитуда и фаза отражения для полного согласования падающей мощности с нагрузкой. Тем самым обеспечивается долгая, непрерывная, стабильная работа разработанного микроволнового комплекса независимо от изменяющихся диэлектрических параметров облучаемого материала (каустобиолитов). После достижения требуемых температур, давления и времени для обработки/переработки система управления отключает источник питания магнетрона 1 и процесс останавливается.

Линия передачи излучения представляет собой прямоугольный волновод с переходом на волновод круглого сечения. Для отделения вакуумной волноводной части от остального тракта круглого сечения используется барьерное окно 5 из закаленного радиопрозрачного стекла.

Вращатель 6, находящийся перед входом в рабочую камеру 8, предназначен для создания круговой поляризации входящего в рабочую камеру 8 микроволнового излучения из линейной поляризации излучения, распространяющегося в волноводной линии микроволнового комплекса.

В частном случае реализации изобретения по п. 2 формулы микроволновый комплекс для переработки каустобиолитов может быть оснащен вращателем 6 с плавными переходами с круглого сечения волновода на эллиптическое и обратно. В таком варианте исполнения поперечное сечение в центральной части вращателя 6 поляризации излучения имеет форму эллипса с эллиптичность от 0,9 до 0,8. Ось эллипса повернута на 45 градусов относительно плоскости поляризации рабочей моды ТЕ₁₁ на входе во вращатель 6. Распространяющаяся в круглом волноводе волна ТЕ₁₁ имеет линейную поляризацию, при попадании ее во вращатель 6 возбуждается мода ТЕ₁₁ с перепендикулярной к основной моде линейной поляризацией. В эллиптической части в итоге распространяются две моды с перпендикулярными поляризациями, имеющими разную фазовую скорость. Таким образом, на подобранной согласно расчетам длине эллиптического участка набегает разность фаз между этими модами равная 90 градусов. В результате на выходе вращателя 6 в волноводе круглого сечения получается комбинация двух перпендикулярных мод ТЕ₁₁ с разностью фаз 90 градусов, и такая комбинация представляет собой вращающуюся моду ТЕ₁₁. Получающаяся вращающаяся мода ТЕ₁₁ круглого волновода на выходе вращателя 6 обеспечивает равномерное попадание вращающегося электромагнитного поля для прогрева обрабатываемого материала.

В частном случае реализации изобретения по п. 3 формулы линия передачи излучения может быть выполнена с изгибами 9, находящимися на участке между барьерным вакуумным окном 5 и рабочей камерой 8. Линия передачи излучения изгибается при помощи набора волноводных уголков на круглом сечении, что позволяет обеспечить максимально удобную геометрию комплекса в зависимости от конкретных условий эксплуатации и контроль загрязнения элементов линии, например, контроль загрязнения барьерного окна 5, возможность чистки волноводного перехода 4.

В частном случае реализации изобретения по п. 4 формулы линия передачи излучения содержит дополнительный откачной порт 10, который вместе с изгибами 9 обеспечивает конденсацию маслянистой фракции на внутренних стенках линии до барьерного окна 5, что поддерживает уровень чистоты этого окна 5. Целесообразно поместить этот порт 10 максимально близко к барьерному окну 5 в вакуумной части линии передачи излучения.

В частном случае реализации изобретения по п. 5 формулы на участке линии передачи излучения введена поляризационная развязка 11 в виде двух последовательно соединенных переходов с круглого сечения на прямоугольное и обратно, таким образом осуществляется поляризационная развязка и отражение нерабочей поляризации волны. После поглощения вращающейся моды ТЕ₁₁ обрабатываемым материалом в рабочей камере 8 эти перпендикулярные моды могут отражаться обратно в полноводную линию передачи излучения с разными амплитудами и разностью фаз, и тогда часть моды, перпендикулярной к основной поляризации, может остаться в волноводной линии. Мода с такой поляризацией может распространяться дальше по волноводной линии и будет отражена от волноводного перехода 4 с круглого на прямоугольное сечение после барьерного окна 5. Такое присутствие второй поляризации в линии нежелательно, так как вносит дополнительные потери, а также на этой поляризации могут возникнуть в линии паразитные резонансы, приводящие к еще большим нежелательным потерям. Чтобы сократить распространение в линии передачи излучения волны с перпендикулярной поляризацией, устанавливают поляризационную развязку 11 непосредственно перед вращателем 6 и отражают обратно в рабочую камеру 8 эту волну. Поляризационная развязка 11 представляет собой два перехода с круглого сечения на прямоугольное и обратно, поставленные зеркально друг к другу, таким образом основная рабочая поляризация моды TE₁₁ круглого волновода проходит беспрепятственно, а перпендикулярная испытывает отражение, так как ширина узкой стенки прямоугольной части волноводных переходов является для нее закритической.

Таким образом, разработанный комплекс обеспечивает долгую, бесперебойную переработку различных природных каустобиолитов с изменяющимся в процессе коэффициентом поглощения излучения за счет того, что используют автоматизированную систему подстройки длины штырей согласователя, а на участке линии передачи излучения после барьерного вакуумного окна вводят вращатель поляризации излучения, при этом получающаяся на его выходе вращающаяся мода обеспечивает равномерный прогрев обрабатываемого материала.

Изобретение относится к устройствам переработки и обработки природных органических каустобиолитов, таких как торф, целлюлоза, лигнин, нефтяные сланцы, и может применяться в химической, нефтехимической промышленности, сельском хозяйстве и теплоэнергетике. Универсальный микроволновый комплекс для переработки каустобиолитов содержит теплоизолированную рабочую камеру, соединенную с магнетроном с управляемым источником питания линией передачи излучения, представляющей собой волноводы с вентилем на ферритовом циркуляторе с двумя коаксиальными выходами контроля мощности, системой подстройки, волноводным переходом и барьерным вакуумным окном из закаленного радиопрозрачного стекла. Теплоизолированная рабочая камера и линия передачи излучения соединены с форвакуумным насосом через откачной порт. Причем система подстройки представляет собой трехштыревой волноводный согласователь, выполненный в виде волновода с вводимыми в широкую стенку подвижными штырями, приводимыми в движение подстроенными винтами, вращаемыми шаговыми двигателями, подключенными к плате управления, а на участке линии передачи излучения после барьерного вакуумного окна введен вращатель поляризации излучения. Техническим результатом является возможность долгой, бесперебойной переработки различных природных каустобиолитов с изменяющимся в процессе коэффициентом поглощения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микроволновый комплекс для переработки каустобиолитов, включающий в себя теплоизолированную рабочую камеру, соединенную с магнетроном с управляемым источником питания линией передачи излучения, представляющей собой волноводы с вентилем на ферритовом циркуляторе с двумя коаксиальными выходами контроля мощности, системой подстройки, волноводным переходом и барьерным вакуумным окном из закаленного радиопрозрачного стекла, при этом теплоизолированная рабочая камера и линия передачи излучения соединены с форвакуумным насосом через откачной порт, отличающийся тем, что система подстройки представляет собой трехштыревой волноводный согласователь, выполненный в виде волновода с вводимыми в широкую стенку подвижными штырями, приводимыми в движение подстроенными винтами, вращаемыми шаговыми двигателями, подключенными к плате управления, при этом на участке линии передачи излучения после барьерного вакуумного окна введен вращатель поляризации излучения.

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что поперечное сечение вращателя поляризации излучения имеет форму эллипса с эллиптичностью от 0,9 до 0,8, при этом ось эллипса повернута на 45 градусов относительно плоскости поляризации рабочей моды на входе во вращатель, обеспечивая на его выходе вращающуюся моду ТЕ₁₁ круглого волновода.

3. Комплекс по п. 1 или 2, отличающийся тем, что линия передачи излучения в рабочую камеру выполнена с по крайней мере двумя изгибами, находящимися на участке между барьерным вакуумным окном и рабочей камерой.

4. Комплекс по п. 3, отличающийся тем, что линия передачи излучения содержит дополнительный откачной порт, находящийся на ее участке после барьерного вакуумного окна.

5. Комплекс по пп. 1-4, отличающийся тем, что на участке линии передачи излучения после барьерного вакуумного окна введена поляризационная развязка в виде последовательно соединенных перехода с круглого сечения на прямоугольное и перехода с прямоугольного сечения на круглое.