Устройство подвода СВЧ-энергии Российский патент 2024 года по МПК H05B6/64 B01J19/12 

Изобретение относится к области СВЧ техники и микроволновой химии и может быть использовано для СВЧ метода подвода тепла к реагентам в реакторе и одновременно контактного нагрева реагентов химической реакции. В частности - изобретение может быть применено в процессах нефтепереработки, а именно в процессе крекинга углеводородов.

Уровень техники

Из уровня техники известны факты применения СВЧ излучения в нефтепереработке или в хранении и транспортировке нефти. Например, известно решение [RU 203589, опубликовано 13.04.2021], согласно которому контейнер для транспортировки и нагрева битумов представляет собой емкость в форме цилиндра, содержит крышку, днище, стенку, ручки для погрузки, а также СВЧ-излучатель, расположенный в центре контейнера. Технический результат такого решения заключается в расширении сферы применения, так как устройство применимо практически на любой промышленной площадке и в сокращении времени выгрузки за счёт того, что подготовка к ней происходит в процессе транспортировки при наличии у транспортного средства собственного источника электропитания, а осуществляемый объёмный теплообмен сокращает время разогрева и исключает локальный перегрев.

Также известно применение СВЧ излучения непосредственно для проведения крекинга нефти согласно [CN 1138000996, опубликовано 17.12.2021]. Изобретение раскрывает способ получения легких олефинов посредством микроволнового каталитического крекинга сырой нефти, который включает стадии, на которых сырую нефть подают в установку дегидратации и подвергают дегидратации и удалению ионов металлов, предварительно нагревают, далее нефть разделяется на тяжелую фракцию и легкую фракцию, легкая фракция извлекается из верхней части установки и поступает в рабочую камеру - реактор микроволнового каталитического крекинга, где вступает в контакт с катализатором и нагревается до температуры 100-350°С под действием СВЧ-облучения, в результате чего проводится реакция каталитического крекинга.

Известны устройства подвода СВЧ энергии к нагреваемым компонентам, содержащие многомодовую рабочую камеру (аппликатор) с высоким индексом мод колебаний, например, бытовая СВЧ печь [Gedye R., Smith F., Westaway K. et al. // The use of microwave ovens for rapid organic synthesis. Tetrahedron Lett. 1986. V. 27. P. 279]. В замкнутом металлическом объеме печи (рабочей камере) при вводе СВЧ мощности от генератора формируется электромагнитное поле со сложной многомодовой структурой. Нагреваемые компоненты, обладающие большим коэффициентом поглощения, например, области продукта с большим содержанием воды, находящиеся в области максимального электрического поля, поглощают СВЧ энергию и нагреваются. Для обеспечения равномерности поглощения по объему продукта СВЧ печь снабжается механизмом перемещения продукта внутри рабочего объема либо «перемешивателем мод» для изменения структуры поля в рабочем объеме печи.

Известны одномодовые устройства подвода СВЧ энергии к нагреваемым компонентам с низким индексом рабочей моды колебаний в рабочей камере - высокодобротном резонаторе, выполненном из отрезка волновода, [Satoshi Horikoshi S, Schiffmann R.F. et al.: Microwave Chemical and Materials Processing Springer, 2018. P. 163]. При выбранной структуре электромагнитного поля достигается значительная напряженность электрического поля в отдельных областях резонатора - рабочей камере, что обеспечивает возможность нагрева продуктов и их компонентов с относительно малым коэффициентом поглощения. Нагреваемый продукт или его компонент располагают в области максимального электрического поля резонатора. Для настройки резонатора на частоту рабочую после ввода образца используют подстроечный волноводный плунжер.

Известны устройства гибридного типа, в которых осуществляется как подвод СВЧ энергии к нагреваемым компонентам в реакторе, так и контактный нагрев с помощью резистивных нагревателей [Imenokhoyev, Ivan et al.: Microwave Heating Technology: Potentials and Limits. Eschenfelden: LINN HIGH THERM GmbH, 2013].

Прототипом является установка для проведения химических реакций со сверхвысокочастотным (с.в.ч.) нагревом реагентов, описанное в [Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. и др. // Установка для проведения химических реакций со сверхвысокочастотным нагревом реагентов // Приборы и техника эксперимента, 2019, №2, с. 136]. Устройство содержит рабочую камеру - объемный резонатор, выполненный из отрезка прямоугольного волновода, ограниченного с одной стороны закорачивающей пластиной, и с другой - диафрагмой связи для ввода СВЧ мощности. Резонатор возбужден на моде Н102, что позволяет получить высокую напряженность электрического поля в точке максимума и тем самым обеспечить высокую плотность мощности нагрева, в том числе для слабопоглощающих компонентов, а также обеспечить ввод нагреваемых реагентов в область максимального электрического поля рабочей камеры с помощью реактора, выполненного из слабопоглощающего диэлектрика, например, кварцевого стекла и установить элемент настройки резонатора на резонансную частоту штыревого типа.

Недостатками известного уровня техники и, в том числе, прототипа, являются трудность совмещения СВЧ и контактного подвода тепла к реагентам, трудность обеспечения тепловой и газовой изоляции рабочей камеры от внешних устройств, сложность перестройки частоты рабочей камеры в широком диапазоне.

Раскрытие сущности изобретения

Заявленное изобретение направлено на обеспечение одновременного СВЧ и контактного способа подвода тепла к реагентам, тепловой и газовой изоляции рабочей камеры от внешних устройств, перестройки рабочей камеры в широком диапазоне частот.

Техническим результатом изобретения является устройство с совмещенными СВЧ и контактным способом подвода тепла к компонентам реакции, с широким диапазоном изменения частоты настройки рабочей камеры, с тепловой и газовой изоляцией от внешних устройств, возможностью подвода тепловой энергии к реагентам в широком диапазоне мощностей.

Технический результат достигается конструктивными особенностями рабочей камеры, которая установлена вертикально и имеет цилиндрическую форму, при этом выполнена из двух круглых волноводов, соединенных между собой сильфоном. Первый волновод - нижний ограничен плоской металлической закорачивающей пластиной, второй волновод - верхний ограничен плоской металлической пластиной с отверстием - диафрагмой связи. Рабочая камера образует резонатор, возбуждаемый через диафрагму связи на моде колебаний H11N, где N=3…10. Сильфон служит для перестройки частоты рабочей камеры - резонатора и тепловой развязки камеры от внешних устройств. В первый волновод вплотную к закорачивающей пластине установлен диск из кварцевого стекла, диаметр которого равен внутреннему диаметру волновода, а высота L определяется из соотношения L=λ/4, где λ - длина волны в волноводе на выбранной частоте с учетом установленного закорачивающего диска. За счет установки закорачивающего диска первый максимум напряженности электрического поля в резонаторе находится вблизи поверхности диска.

Между первым волноводом и сильфоном установлена разделительная перегородка, выполненная из тонкой радиотехнической слюды. Перегородка прозрачна для радиоволн и разделяет рабочую камеру на два изолированных объема - реакторную зону и зону настройки. Поверх первого волновода - реакторной зоны рабочей камеры плотно без зазора установлены нагревательные элементы для контактного подвода тепла к реакторной зоне камеры и нагрева реагентов (сырья) в ней до температуры 300-600°C.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 представлена схема устройства подвода СВЧ энергии.

1 - 1-й волновод, 2 - 2-й волновод, 3 - сильфон для настройки резонансной частоты и тепловой изоляции рабочей камеры от остальных элементов установки, 4 - закорачивающая пластина, 5 - разделительная перегородка, 6 - настроечный диск, 7 - диафрагма связи, 8 - нагревательный элемент, 9 - волновод для ввода СВЧ мощности в устройство

Осуществление изобретения

Рабочая камера (аппликатор) содержит нижний (1) и верхний (2) круглые волноводы (имеющие круглое поперечное сечение) и соединяющий их сильфон цилиндрической формы (3). Эти элементы для возможности работы при высоких температурах, до 600°C, выполнены из нержавеющей стали. Нижний волновод (1) ограничен плоской металлической закорачивающей пластиной (4). Закорачивающая пластина (4) также выполнена из нержавеющей стали. Рабочая камера образует резонатор, возбуждаемый через диафрагму связи на моде колебаний H11N, где N=3…10.

В рабочем положении камера устанавливают вертикально так, что ось волноводов и сильфона совпадает с направлением поля тяжести Земли. Разделительная перегородка (5) установлена между первым - нижним волноводом (1) и сильфоном (3), выполнена из тонкой прессованной радиотехнической слюды, применяемой в бытовых печах для ввода СВЧ мощности от магнетронов в рабочую камеру. Слюда имеет малый коэффициент потерь, поэтому перегородка практически не влияет на резонансные свойства и структуру электромагнитного поля резонатора - рабочей камеры. Разделительная перегородка (5) служит для разделения рабочей камеры на два не связанных по газу объема - нижнюю реакторную зону (1) и верхнюю зону настройки (2 и 3). Нижняя реакторная зона (1) рабочей камеры служит для проведения процесса, а верхняя, содержащая сильфон (3) и второй волновод (2) с диафрагмой связи (7), для подвода СВЧ мощности, частотной настройки и тепловой изоляции. Вплотную к закорачивающей пластине (4) уставлен настроечный диск (6), выполненный из кварцевого стекла. Диаметр диска (6) совпадает с внутренним диаметром круглого волновода, а высота L определяется из соотношения L=λ/4, гдеλ - длина волны в волноводе на выбранной частоте с учетом установленного диска. За счет установки диска первый максимум напряженности электрического поля в рабочей камере - резонаторе находится вблизи поверхности диска. Следующие максимумы напряженности электрического поля в резонаторе находятся на расстоянии Li=iλg/2, i=1, 2…, где λg - длина волны в волноводе с учетом заполнения. Сильфон (3) вакуумноплотно соединен с нижним (1) и верхним (2) круглым волноводом посредством аргонно-дуговой сварки и служит для настройки частоты резонатора. При увеличении длины сильфона частота резонатора уменьшается, при уменьшении - увеличивается в широких пределах (+15-20%). Сильфон выполнен из тонколистовой нержавеющей стали с низким коэффициентом теплопроводности, за счет чего осуществляется тепловая развязка реакторной зоны рабочей камеры от остальных элементов установки. Диафрагма связи (7) ограничивает верхний волновод и служит для ввода СВЧ мощности в резонатор - рабочую камеру. Размер отверстия в диафрагме связи (7) выбирается так, чтобы обеспечить критическую связь (близкую к единице) резонатора с подводящим СВЧ мощность волноводом (9).

Резистивный нагревательный элемент (8) расположен плотно без зазора поверх волновода (1), снабжен внешней тепловой изоляцией. Элемент позволяет подводить тепло снаружи к реакторной зоне рабочей камеры с мощностью нагрева до 10 кВт. Внешняя тепловая изоляция уменьшает потери тепла в окружающее пространство.

Устройство работает следующим образом. В реакторную зону рабочей камеры в вертикальном положении загружаются жидкие реагенты (сырье) и насыпной гранулированный катализатор. Катализатор имеет наибольшую плотность из применяемых компонентов, поэтому занимает положение на поверхности кварцевого диска. Резонатор - рабочая камера с помощью сильфона настраивается на частоту генератора СВЧ. Нагревательным элементом устанавливается нужная температура рабочей зоны. При подаче СВЧ мощности от генератора в рабочей камере резонатора устанавливаются электромагнитные колебания. Катализатор, имеющий наибольший коэффициент поглощения из всех компонентов и располагающийся в максимуме электрического поля, эффективно поглощает СВЧ энергию и нагревается. За счет высокой температуры катализатора при относительно низкой температуре жидких реагентов (сырья) по известному механизму идет процесс крекинга с образованием целевых продуктов и их закалкой.

Техническая применимость проиллюстрирована следующими примерами, демонстрирующими широкий диапазон настройки резонансной частоты рабочей камеры на частоту СВЧ генератора-магнетрона при изменении параметров реагентов и температуры реакционного объема.

Пример 1.

Реакционный объем - 1000мл, масса СВЧ поглотителя (карбид кремния SiC, фракция F14)-15г., масса жидкого реагента (смесь твердых алканов С20-С44) -450 г.

Таблица 1. Параметры аппликатора в режиме настройки и в рабочем режиме СВЧ генератора по примеру 1. Температура в реакторной зоне, °С Размер отверстия диафрагмы связи, мм × мм Осевой ход сильфона λ относительно его длины (L₀), % Рабочая частота*, МГц Коэффициент связи* СВЧ мощность**, Вт Падающая Отраженная 100 41×11 -50% 2499 2,2 0 2486 1,3 +50% 2477 1,8 300 41×11 -50% 2493 1,1 0 2481 1,2 +50% 2470 1,45 655 25 *Значения получены на измерительном СВЧ стенде на низком уровне мощности (1 мВт)
**Рабочий режим СВЧ генератора [Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. и др. // Приборы и техника эксперимента, 2019.№6. С. 136]

Пример 2.

Реакционный объем - 1000мл, масса СВЧ поглотителя (карбид кремния SiC, фракция F14)-50г., масса жидкого реагента (смесь твердых алканов С20-С44) - 400 г.

Таблица 2. Параметры аппликатора в режиме настройки и в рабочем режиме СВЧ генератора по примеру 2. Температура в реакторной зоне, °С Размер отверстия диафрагмы связи,
мм × мм Осевой ход сильфона λ относительно его длины (L0), % Рабочая частота*, МГц Коэффициент связи* СВЧ мощность**, Вт Падающая Отраженная 100 50×10 -50% 2475 1,5 0 2462 1,2 +50% 2448 1,1 300 50×10 -50% 2472 1,8 910 43 0 2464 1,5 +50% 2454 1,1 *Значения получены на измерительном СВЧ стенде на низком уровне мощности (1 мВт)
**Рабочий режим СВЧ генератора [Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. и др. // Приборы и техника эксперимента, 2019. №6. С. 136]

Изобретение относится к области СВЧ-техники и микроволновой химии и может быть использовано для СВЧ-метода подвода тепла к реагентам в реакторе и одновременно контактного нагрева реагентов химической реакции, в частности в процессах нефтепереработки, а именно в процессе крекинга углеводородов. Технический результат - обеспечение одновременного СВЧ и контактного способа подвода тепла к реагентам, тепловой и газовой изоляции рабочей камеры от внешних устройств, перестройки рабочей камеры в широком диапазоне частот. Устройство подвода СВЧ-энергии включает вертикальную рабочую камеру в форме цилиндра, которая содержит два круглых волновода, соединенных между собой сильфоном. Нижний волновод, являющийся реакторной зоной, ограничен плоской металлической закорачивающей пластиной, а верхний волновод, являющийся зоной настройки, ограничен диафрагмой связи - плоской пластиной с отверстием ввода СВЧ-мощности, при этом между нижним волноводом и сильфоном установлена разделительная перегородка в виде пластины из тонкой слюды. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 2 пр.

1. Устройство подвода СВЧ-энергии, включающее рабочую камеру - волновод с закорачивающей пластиной и диафрагмой связи для ввода СВЧ-мощности, отличающееся тем, что рабочая камера в форме цилиндра установлена вертикально и содержит два круглых волновода, соединенных между собой сильфоном, причем нижний волновод, являющийся реакторной зоной, ограничен плоской металлической закорачивающей пластиной, а верхний волновод, являющийся зоной настройки, ограничен диафрагмой связи - плоской пластиной с отверстием ввода СВЧ-мощности, при этом поверх нижнего волновода плотно без зазора установлены нагревательные элементы, между нижним волноводом и сильфоном установлена разделительная перегородка.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нижний волновод вплотную к закорачивающей пластине установлен настроечный диск из кварцевого стекла, диаметр которого равен внутреннему диаметру волновода, а высота L определяется из соотношения L = λ/4, где λ - длина волны в волноводе на выбранной частоте с учетом установленного диска.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разделительная перегородка выполнена в виде тонкой пластины из прессованной слюды.