CN101518722B - 使用介质辐射器的微波化学反应装置 - Google Patents

Abstract

一种使用介质辐射器的微波化学反应装置，包括反应容器和微波能量传输系统。微波能量传输系统包括介质辐射器和波导，介质辐射器穿过反应容器壁伸入反应容器内，介质辐射器与微波源通过波导相连。根据微波化学反应装置的功率和容积决定微波能量传输系统的套数，对于功率和容积较小的微波化学反应装置，微波能量传输系统可以是一套或两套，对于大功率、大容积微波化学反应装置，可以设置多套相互独立的微波能量传输系统。当微波能量传输系统≥两套时，各套微波能量传输系统中的介质辐射器在反应容器内所处位置应使其与其它所有微波能量传输系统中的介质辐射器的能量耦合≤-10dB。

Description

使用介质辐射器的微波化学反应装置

技术领域

本发明属于微波化学反应装置领域，特别涉及一种适于工业化生产，处于高温、压力环境下工作的大容量微波化学反应器。

背景技术

微波化学是研究在化学中应用微波的一门新兴的前沿交叉学科，而微波化学反应装置是整个微波化学反应系统的关键，它的设计既要涉及到多学科的知识，也是一个复杂的工程问题。

目前国内外微波化学反应装置已有很多种，但是绝大部分只能在常温常压下使用，而且由于容积小，功率低等条件的限制，只适用于实验室开展科研工作。有的微波化学反应装置虽然能使用在高温和承压条件下，但其容积仍然较小，不适应工业化生产。授权公告号为CN 201108822Y的实用新型专利，虽然其发明目的是提供一种大功率、大容积、高气压的微波化学反应装置，但由于其微波传输系统由环行器、三销钉调配器、匹配负载和波导段组成，通过微波化学反应装置中反应容器壁上设置的微波耦合窗将微波馈入反应釜(反应容器)内，由微波在反应容器内自由传播(与其它现有微波化学反应装置的微波传输系统无实质性的区别)，因此难以使大容量(积)的化学反应容器内获得均匀分布的微波场，从而导致系统待处理的物料内存在严重的温度不均匀的问题，影响化学反应的效果。其原因在于微波在反应容器内自由传播的过程中，当传输了一段距离(与容器半径相比此段距离较小)后绝大部分微波能量被物料吸收，距离馈口较远区域的物料将得不到有效的微波辐射。此外，现有微波传输系统还存在下述问题：化学反应过程中，反应物体系的介电常数将发生变化，从而导致微波馈口处阻抗的变化，而采用销钉进行阻抗匹配无法有效跟踪这种变化，因此会使微波能量的反射增加，造成微波源功率输出不稳定甚至被损坏，为避免微波能量反射对微波源产生不利影响，通常使用环形器等设备对微波源进行保护，这样势必增加微波反应装置的制造成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用介质辐射器的微波化学反应装置，以提高大容量化学反应容器内微波场分布的均匀性，促进微波化学反应装置的应用，尤其是在工业上的广泛应用。

实现本发明目的的技术方案是：1、对微波能量传输系统进行改进，微波能量传输系统中设置介质辐射器，介质辐射器穿过反应容器壁伸入反应容器内，通过介质辐射器将微波源所产生的微波能量传输到物料中，因而提高大容量化学反应容器内微波场分布的均匀性。2、对介质辐射器的结构进行优化设计，尽可能减小微波能量传输系统的反射，保证微波能量的有效传输，同时降低微波能量反射对微波源产生不利影响，因而可避免因使用大功率环形器等设备而造成的高昂成本。

本发明所述微波化学反应装置，包括反应容器、微波源和微波能量传输系统。微波能量传输系统包括介质辐射器和波导，介质辐射器穿过反应容器壁伸入反应容器内，其伸入反应容器内的长度至少为1/4微波波长(但小于反应容器的内腔尺寸)，介质辐射器与微波源通过波导相连。

根据微波化学反应装置的功率和容积决定微波能量传输系统的套数，对于功率和容积较小的微波化学反应装置，微波能量传输系统可以是一套或两套，对于大功率、大容积微波化学反应装置，可以设置多套相互独立的微波能量传输系统。当微波能量传输系统≥两套时，各套微波能量传输系统中的介质辐射器在反应容器内所处位置应使其与其它所有微波能量传输系统中的介质辐射器的能量耦合≤-10dB(例如，一个微波化学反应装置设置了三套微波能量传输系统，第一套微波能量传输系统中的介质辐射器在反应容器内所处位置应使该介质辐射器与第二、第三套微波能量传输系统中的介质辐射器的能量耦合≤-10dB；第二套微波能量传输系统中的介质辐射器在反应容器内所处位置应使该介质辐射器与第一、第三套微波能量传输系统中的介质辐射器的能量耦合≤-10dB；第三套微波能量传输系统中的介质辐射器在反应容器内所处位置应使该介质辐射器与第一、第二套微波能量传输系统中的介质辐射器的能量耦合≤-10dB)，以有效减小各微波能量传输系统间的互扰。

根据反应容器内物料的特性决定伸入反应容器内的介质辐射器与物料是否接触，对于某些物料，介质辐射器与其直接接触可进一步提高物料中微波场分布的均匀性。

为了避免微波能量反射对微波源产生不利影响，并结合微波化学反应装置的承压条件，本发明中的介质辐射器有以下几种结构：

1、介质辐射器包括伸入微波化学反应装置的反应容器内进行微波能量辐射的辐射段和对辐射段阻抗与波导阻抗进行匹配的阻抗变换段，辐射段与阻抗变换段既可以一体化结构(即整体式结构)，又可以是组合式结构。

2、介质辐射器包括伸入微波化学反应装置的反应容器内进行微波能量传输的辐射段、和对辐射段阻抗与波导阻抗进行匹配的阻抗变换段、与反应容器连接的紧固板，辐射段与阻抗变换段既可以是一体化结构(即整体式结构)，又可以是组合式结构，所述紧固板位于辐射段上，与辐射段为一体化结构(即整体式结构)。

3、介质辐射器包括伸入微波化学反应装置的反应容器内进行微波能量传输的辐射段、和对辐射段阻抗与波导阻抗进行匹配的阻抗变换段和介质挡板，所述介质挡板位于辐射段和阻抗变换段之间，辐射段、介质挡板和阻抗变换段既可以是一体化结构(即整体式结构)，又可以是组合式结构。

4、介质辐射器包括伸入微波化学反应装置的反应容器内进行微波能量传输的辐射段、和对辐射段阻抗与波导阻抗进行匹配的阻抗变换段、与反应容器连接的紧固板和介质挡板，所述介质挡板位于辐射段和阻抗变换段之间，辐射段、介质挡板和阻抗变换段既可以是一体化结构(即整体式结构)，又可以是组合式结构，所述紧固板位于辐射段上，且与辐射段为一体化结构(即整体式结构)。

上述介质辐射器中，阻抗变换段的纵截面为渐变形状，以减小微波反射。

上述第1种和第2种结构的介质辐射器用于常压微波化学反应装置，第3种和第4种结构的介质辐射器用于承压微波化学反应装置。介质辐射器各部分的作用如下：

辐射段的作用是将微波能量有效辐射到物料中。

阻抗变换段的作用是对辐射段的阻抗与波导的阻抗进行匹配，减小在传输过程中微波能量的反射。

紧固板是一种连接构件，通过紧固板可实现辐射段与反应容器的连接，当组成辐射器的辐射段、介质挡板和阻抗变换段分开加工时，还可使辐射段与介质挡板的衔接更紧密。

介质挡板的作用是当反应容器处于承压状态时，用以承受压力，此外，当介质辐射器与波导连接时，还具有定位作用。

本发明所述介质辐射器用损耗角正切(tanδ)＜0.05的低介电损耗微波介质材料制作，所述低介电损耗材料为陶瓷或石英玻璃或聚四氟乙烯等。

本发明所述微波化学反应装置，还具有以下结构设计：

1、反应容器内壁上覆盖有与物料不发生反应的低介电损耗材料。所述低介电损耗材料为聚乙烯或陶瓷等。

2、反应容器设置有搅拌器。

3、反应容器设置有传感器，所述传感器的输出端与控制系统的输入端连接，控制系统对接收到的来自传感器的信号进行处理并根据处理所得数据对微波化学反应装置的工作状态进行控制。

本发明具有以下有益效果：

1、由于微波能量传输系统中的介质辐射器穿过反应容器壁伸入反应容器内，通过介质辐射器将微波源所产生的微波能量传输到物料中，因而可提高化学反应容器中物料内微波场分布的均匀性。

2、当微波能量传输系统≥两套时，根据能量耦合理论对各套微波能量传输系统中的介质辐射器在反应容器内的所处位置进行设计调整，有效地减小了各微波能量传输系统间的互扰。

3、介质辐射器的结构包括阻抗变换段，可避免微波能量反射对微波源产生的不利影响，因而不再需要使用环形器等设备对微波源进行保护，有利于降低微波反应装置的制造成本。

4、本发明所述结构的微波化学反应装置，其功率和容积及承压能力可满足工业化生产的需要，有利于微波化学反应装置的推广应用。

附图说明

图1是本发明所述微波化学反应装置中的介质辐射器的第一种结构示意图；

图2是本发明所述微波化学反应装置中的介质辐射器的第二种结构示意图；

图3是本发明所述微波化学反应装置中的介质辐射器的第三种结构示意图；

图4是本发明所述微波化学反应装置中的介质辐射器的第四种结构示意图；

图5是本发明所述微波化学反应装置中的微波传输系统与反应容器的一种组装示意图，设置了一套微波传输系统；

图6是本发明所述微波化学反应装置中的微波传输系统与反应容器的又一种组装示意图，设置了四套微波传输系统；

图7是图6的俯视图；

图8是本发明所述微波化学反应装置的一种结构简图；

图9是图8中控制系统的结构框图；

图10是本发明所述微波化学反应装置中的微波传输系统与反应容器的再一种组装示意图，设置了三十套微波传输系统；

图11是图10中第1、3、5层微波传输系统的安装示意图；

图12是图10中第2、4层微波传输系统的安装示意图。

图中，1-辐射段、2-阻抗变换段、3-紧固板、4-介质挡板、5-反应容器、6-反应容器法兰盘、7-波导法兰盘、8-波导、9-微波源、10-介质辐射器、11-安装环、12-搅拌器、13-温度传感器、14-液位计、15-压力传感器、16-进料口、17-出料管、18-底座、19-控制柜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述微波化学反应装置的具体结构作进一步说明。

实施例1

本实施例中的微波化学反应装置在常压下工作，其反应容器5由不锈钢制作，反应容器的容积为30升，设置了一套微波传输系统，微波源功率1kW，微波频率2450MHz。微波传输系统包括介质辐射器10和波导8。介质辐射器10的结构如图1所示，由辐射段1和阻抗变换段2组成，辐射段1的纵截面为半椭圆与矩形的组合，阻抗变换段2的纵截面为三角形，辐射段1和阻抗变换段2为一体化结构(整体式结构)，用石英玻璃制作。波导8为BJ-22铜波导，其端部设置有用于连接的法兰盘7。反应容器5、介质辐射器10、波导8和微波源9的组装方式如图5所示：辐射段1的半椭圆截面部段伸入反应容器5内10cm，其部分矩形截面部段位于反应容器所设置的法兰盘6的内孔中，通过粘结或静配合的方式与反应容器法兰盘6固连，阻抗变换段2位于管状波导8的内孔中，波导8一端通过法兰盘7与反应容器法兰盘6螺纹连接，其另一端接微波源9。

从图5可以看出，辐射段1伸入到微波化学反应装置的反应容器5内，微波源9所产生的微波能量通过波导8、阻抗变换段2、辐射段1传输到物料中。

实施例2

本实施例中的微波化学反应装置在承压(压力1.5MPa)状态工作，功率为12kW，工作频率2450MHz，其反应容器5由不锈钢制作，容积为300升，内径为90厘米，设置了四套相互独立且结构相同的微波传输系统，各套微波传输系统均包括介质辐射器10和波导8。介质辐射器10的结构如图4所示，由辐射段1、阻抗变换段2、紧固板3和介质挡板4组成，紧固板3位于辐射段1上且与辐射段1为一体化结构，辐射段1、介质挡板4、阻抗变换段2分别制作，安装时进行组合；辐射段1的纵截面为半椭圆与矩形的组合，阻抗变换段2的纵截面为三角形，介质挡板4为矩形板，紧固板1的外轮廓为矩形；辐射段1、紧固板3、阻抗变换段2均由陶瓷制作，介质挡板4材料为石英玻璃。波导8为BJ-22铜波导，其端部设置有用于连接的法兰盘7。四套微波传输系统在反应容器5上的安装位置及各套微波传输系统中的介质辐射器10、波导8和微波源9的组装方式如图6、图7所示。各套微波传输系统间隔90°安装在反应容器5的侧壁且位于同一高度，相邻两套微波传输系统中，波导管的长轴相垂直(如图7所示)。

辐射段1的半椭圆截面部段伸入反应容器5内20cm，辐射段1上的紧固板3嵌入反应容器5内壁所设置的安装环11中并用螺钉固定，辐射段1的部分矩形截面部段位于反应容器法兰盘6的内孔中，阻抗变换段2位于管状波导8的内孔中并通过粘结或静配合的方式与波导8固连，介质挡板4的两端分别嵌入反应容器法兰盘6、波导法兰盘7所设置的装有密封圈的凹槽中，波导8一端通过法兰盘7与反应容器法兰盘6螺纹连接，其另一端接微波源9。

附图8给出了微波化学反应装置中的其它构件或部件及其安装方式：反应容器5内壁上覆盖有与物料不发生反应的陶瓷材料；反应容器设置有带高压机封搅拌器12；反应容器顶部设置有进料系统(包括进料口、进料阀门和输送管道)，控制物料进入反应容器；反应容器顶部预留有接口，用于安装可视镜，以观察反应容器内部情况；反应容器顶部安装有温度传感器13，将采集到的信号传送至控制系统，用以进一步控制装置的工作状态；反应容器顶部设置有压力计15，用以探测反应容器内的压力情况；反应容器侧壁设有液位计14，用来采集反应容器内液位信息；反应容器底部预留有接口，用以连接出料系统，控制反应或处理后的物料排出反应容器；控制系统安装在控制柜19中，其结构框图见图9，控制系统对接收到的来自传感器的信号进行处理并根据处理所得数据对微波化学反应装置的工作状态进行控制；控制柜19上设有控制面板和数据显示面板。

实施例3

本实施例中的微波化学反应装置在承压(压力1.0MPa)状态工作，功率为90kW，工作频率2450MHz，其反应容器5由不锈钢制作，容积为2000升，设置了五层共30套相互独立且结构相同的微波传输系统。30套微波传输系统在反应容器5上的安装位置及各套微波传输系统中的介质辐射器10、波导8和微波源9的组装方式如图10、图11和图12所示。安装在反应容器5的侧壁上的五层微波传输系统沿反应容器轴向的安装间隔为30cm，位于同一高度的各套微波传输系统间隔60°安装，且位于同一高度的相邻两套微波传输系统中，波导管的长轴相垂直。三十副介质辐射器中的任一副与其它二十九副介质辐射器的能量耦合≤-10dB。各套微波传输系统均包括介质辐射器10和波导8。介质辐射器10的结构如图3所示，由辐射段1、阻抗变换段2和介质挡板4组成，辐射段1、阻抗变换段2、介质挡板4为一体化结构，由石英玻璃材料制作；辐射段1的纵截面为半椭圆与矩形的组合，阻抗变换段2的纵截面为三角形，介质挡板4为矩形板。波导8为BJ-22铜波导，其端部设置有用于连接的法兰盘7。波导8一端通过法兰盘7与反应容器法兰盘6螺纹连接，其另一端接微波源10。辐射段1的半椭圆截面部段伸入反应容器5内22cm，辐射段1的部分矩形截面部段位于反应容器法兰盘6的内孔中，通过粘结或静配合的方式与反应容器法兰盘实现固连，阻抗变换段2位于管状波导8的内孔中，介质挡板4的两端分别嵌入反应容器法兰盘6、波导法兰盘7所设置的装有密封圈的凹槽中。

Claims (9)

1.一种使用介质辐射器的微波化学反应装置，包括反应容器(5)、微波源(9)和微波能量传输系统，其特征在于微波能量传输系统包括介质辐射器(10)和波导(8)，介质辐射器穿过反应容器壁伸入反应容器内，介质辐射器(10)与微波源(9)通过波导(8)相连；

所述介质辐射器包括伸入反应容器内进行微波能量传输的辐射段(1)、对辐射段阻抗与波导阻抗进行匹配的阻抗变换段(2)，辐射段(1)与阻抗变换段(2)为一体化结构或组合式结构。

2.根据权利要求1所述的使用介质辐射器的微波化学反应装置，其特征在于介质辐射器伸入反应容器内的长度至少为1/4微波波长。

3.根据权利要求1或2所述的使用介质辐射器的微波化学反应装置，其特征在于微波能量传输系统为一套。

4.根据权利要求1或2所述的使用介质辐射器的微波化学反应装置，其特征在于微波能量传输系统至少为相互独立的两套，各套微波能量传输系统中的介质辐射器(10)在反应容器(5)内所处位置应使其与其它所有微波能量传输系统中的介质辐射器的能量耦合≤-10dB。

5.根据权利要求1或2所述的使用介质辐射器的微波化学反应装置，其特征在于伸入反应容器内的介质辐射器(10)与物料直接接触。

6.根据权利要求1或2所述的使用介质辐射器的微波化学反应装置，其特征在于介质辐射器还包括介质挡板(4)，所述介质挡板位于辐射段和阻抗变换段之间，辐射段、介质挡板和阻抗变换段为一体化结构或组合式结构。

7.根据权利要求6所述的使用介质辐射器的微波化学反应装置，其特征在于介质辐射器还包括用于与反应容器连接的紧固板(3)，所述紧固板(3)位于辐射段(1)上，且与辐射段为一体化结构，制作介质辐射器的材料为损耗角正切＜0.05的低介电损耗微波介质材料。

8.根据权利要求1或2所述的使用介质辐射器的微波化学反应装置，其特征在于反应容器内壁上覆盖有与反应物料不发生反应的材料。

9.根据权利要求1或2所述的使用介质辐射器的微波化学反应装置，其特征在于反应容器设置有传感器，所述传感器的输出端与控制系统的输入端连接，控制系统对接收到的来自传感器的信号进行处理并根据处理所得数据对微波化学反应装置的工作状态进行控制。

Images