CN101518723B - 微波化学反应装置的微波能量传输方法与介质辐射器 - Google Patents

Abstract

一种微波化学反应装置的微波能量传输方法，所述方法是将介质辐射器伸入到微波化学反应装置的反应容器内，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。实施上述方法的介质辐射器有如下几种结构：1、仅由辐射段组成；2、由辐射段和位于辐射段上的紧固板组成；3、由辐射段与阻抗变换段组成；4、由辐射段、位于辐射段上的紧固板和阻抗变换段组成；5、由辐射段、阻抗变换段和位于辐射段和阻抗变换段之间的介质挡板组成；6、由辐射段、位于辐射段上的紧固板、阻抗变换段和位于辐射段和阻抗变换段之间的介质挡板组成。

Description

微波化学反应装置的微波能量传输方法与介质辐射器

技术领域

本发明属于微波化学反应装置的微波能量传输领域，特别涉及微波化学反应装置的微波能量传输方法与传输系统。

背景技术

微波在化学反应中不仅可作为热源，而且还有非热效应，因此将微波引入化学反应装置近年来受到了人们的高度重视，已有多种微波化学反应装置问世。但从所公开的各种微波化学反应装置可以看出，微波能量的传输方式均是通过微波传输系统(或装置)将微波源所产生的微波从反应容器(或反应釜)的顶部或侧壁馈入反应容器，由微波在反应容器内自由传播(见公开号为CN 1555912A的“高压可视微波化学反应装置”；授权公告号为CN 100371067C的“一种压力式微波反应釜”；授权公告号为CN201108822Y的“一种微波化学反应装置”)。上述微波能量传输方法存在的问题是：当反应容器较大时，即使采用多馈口馈入微波，微波能量在物料中分布不均匀的情况仍然较为显著，从而导致加热不均匀，影响化学反应的效果。这是因为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(介质)吸收，靠近容器中心的大部分物料(介质)将得不到有效的微波辐射。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微波化学反应装置的微波能量传输新方法，以解决大容量微波化学反应容器内微波能量分布不均匀的问题，本发明的再一个目的是提供实施所述微波能量传输新方法的介质辐射器。

本发明所述微波化学反应装置的微波能量传输方法是将介质辐射器伸入到微波化学反应装置的反应容器内，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。介质辐射器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)。

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。

介质辐射器的数量根据微波化学反应装置的反应容器体积、形状确定，但当伸入到一个微波化学反应容器内的介质辐射器≥两副时，各副介质辐射器所处位置应使其与其它所有介质辐射器的能量耦合≤-10dB。

本发明所述介质辐射器，根据使用场合及条件的不同，有如下几种结构：

1、当介质辐射器用于常压微波化学反应装置、使用销钉或者其它阻抗渐变的结构进行阻抗匹配时，介质辐射器可仅由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构成，介质辐射器也可由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及与反应容器连接的紧固板组成，所述紧固板位于辐射段上，与辐射段为一体化结构。

2、当介质辐射器用于常压微波化学反应装置，使用阻抗变换段进行阻抗匹配时，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，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；或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、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、当介质辐射器用于承压微波化学反应装置时，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、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；或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、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，与辐射段为一体化结构(即整体式结构)。

上述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，所述低介电损耗微波介质材料为陶瓷或石英玻璃或聚四氟乙烯等。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述方法为微波能量在化学反应容器内的传输提供了一种不同构思的技术方案，采用此种方法可对各部位的物料进行有效辐射，提高化学反应容器中物料内微波场分布的均匀性。

2、本发明所述介质辐射器及介质辐射器与波导组成的微波能量传输系统不仅保证了本发明所述方法的实施，而且结构简单，便于加工制作。

3、本发明所述方法和介质辐射器与波导组成的微波能量传输系统适用于各类微波化学反应装置中的化学反应容器，特别适用于大容量微波化学反应容器。

附图说明

图1是本发明所述介质辐射器的第一种结构示意图；

图2是本发明所述介质辐射器的第二种结构示意图；

图3是本发明所述介质辐射器的第三种结构示意图；

图4是本发明所述介质辐射器的第四种结构示意图；

图5是本发明所述介质辐射器的第五种结构示意图；

图6是本发明所述介质辐射器的第六种结构示意图；

图7是图1所述介质辐射器与微波化学反应装置中的反应容器以及波导、微波源的一种组装示意图；

图8是图3所述介质辐射器与微波化学反应装置中的反应容器以及波导、微波源的一种组装示意图；

图9是图5所述介质辐射器与微波化学反应装置中的反应容器以及波导、微波源的一种组装示意图；

图10是图6所述介质辐射器与微波化学反应装置中的反应容器以及波导、微波源的一种组装示意图；

图11是四副介质辐射器在微波化学反应装置中的反应容器上的一种安装示意图；

图12是图11的俯视图；

图13是三十副介质辐射器在微波化学反应装置中的反应容器上的一种安装示意图；

图14是图13中第1、3、5层介质辐射器的安装示意图；

图15是图13中第2、4层介质辐射器的安装示意图。

图中，1-辐射段、2-紧固板、3-阻抗变换段、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-销钉、10-微波源、11-安装环、12-介质辐射器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述方法及介质辐射器的结构和安装方式作进一步的说明。

实施例1

本实施例中，介质辐射器的形状和构造如图1所示，仅由辐射段1构成，辐射段由聚四氟乙烯制作，其纵截面为半椭圆与矩形的组合。

本实施例中的介质辐射器用于反应容器容积为30升的常压微波化学反应装置，微波化学反应装置中，微波源功率1kW，微波频率2450MHz。本实施例所述介质辐射器与微波化学反应装置中的反应容器5、波导8、微波源10的组装方式如图7所示。从图7可以看出，辐射段1、波导8和波导上的销钉9组成微波传输系统。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。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。波导上安装有销钉9，通过调整波导上的销钉实现辐射段阻抗与波导阻抗的匹配。

从图7可以看出，辐射段1伸入到微波化学反应装置的反应容器内，微波源10所产生的微波能量通过波导8、辐射段1传输到物料中。

实施例2

本实施例中，介质辐射器的形状和构造如图3所示，由辐射段1和阻抗变换段3组成，辐射段1和阻抗变换段3为一体化结构，由陶瓷制作，辐射段1的纵截面为半椭圆与矩形的组合，阻抗变换段3的纵截面为三角形。

本实施例中的介质辐射器用于反应容器容积为30升的常压微波化学反应装置，微波化学反应装置中，微波源功率3kW，微波频率2450MHz。本实施例所述介质辐射器与微波化学反应装置中的反应容器5、波导8、微波源10的组装方式如图8所示。从图8可以看出，辐射段1、阻抗变换段3和波导8组成微波传输系统。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10cm，其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3位于管状波导8的内孔中。

从图8可以看出，辐射段1伸入到微波化学反应装置的反应容器内，微波源10所产生的微波能量通过波导8、阻抗变换段3、辐射段1传输到物料中。

实施例3

本实施例中，介质辐射器的形状和构造如图5所示，由辐射段1、阻抗变换段3和位于辐射段和阻抗变换段之间的介质挡板4组成，辐射段1、介质挡板4、阻抗变换段3为一体化结构，由石英玻璃制作，辐射段1的纵截面为半椭圆与矩形的组合，阻抗变换段3的纵截面为三角形，介质挡板4为矩形板。

本实施例中的介质辐射器用于反应容器5容积为50升的承压(0.8MPa)微波化学反应装置，微波化学反应装置中，微波源功率3kW，微波频率2450MHz。本实施例所述介质辐射器与微波化学反应装置中的反应容器5、波导8、微波源10的组装方式如图9所示。从图9可以看出，辐射段1、阻抗变换段3、介质挡板4和波导8组成微波传输系统。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14cm，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3位于管状波导8的内孔中，介质挡板3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。

从图9可以看出，辐射段1伸入到微波化学反应装置的反应容器内可直接与物料接触，微波源10所产生的微波能量通过波导8、阻抗变换段3、介质挡板4、辐射段1传输到物料中。

实施例4

本实施例中，介质辐射器的形状和构造如图6所示，由辐射段1、紧固板2、阻抗变换段3和位于辐射段和阻抗变换段之间的介质挡板4组成，紧固板2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3分别制作，安装时进行组合；辐射段1、紧固板2、阻抗变换段3均由陶瓷制作，介质挡板4用石英玻璃制作。辐射段1的纵截面为半椭圆与矩形的组合，阻抗变换段3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。

本实施例中的介质辐射器用于反应容器5容积为200升的承压(0.8MPa)微波化学反应装置，反应容器上安装四副介质辐射器，四副介质辐射器的安装方式如图11、图12所示，四副介质辐射器中的任一副与其它三副介质辐射器的能量耦合≤-10dB。各副介质辐射器与微波化学反应装置中的反应容器5、波导8、微波源10的组装方式如图10所示。从图10可以看出，辐射段1、阻抗变换段3、介质挡板4和波导8组成微波传输系统。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20cm，辐射段1上的紧固板2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3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。

本实施例中，每个微波源功率为3kW，微波源总功率12kW，微波频率2450MHz。

从图10可以看出，辐射段1伸入到微波化学反应装置的反应容器内可直接与物料接触，微波源10所产生的微波能量通过波导8、阻抗变换段3、介质挡板4、辐射段1传输到物料中。

实施例5

本实施例中，介质辐射器的形状和构造如图5所示，由辐射段1、阻抗变换段3和位于辐射段和阻抗变换段之间的介质挡板4组成，辐射段1、介质挡板4、阻抗变换段3为一体化结构，由石英玻璃制作，辐射段1的纵截面为半椭圆与矩形的组合，阻抗变换段3的纵截面为三角形，介质挡板4为矩形板。

本实施例中的介质辐射器用于反应容器5容积为2000升的承压(1.0MPa)微波化学反应装置，反应容器上安装三十副介质辐射器，三十副介质辐射器的安装方式如图13、图14、图15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。各副介质辐射器与微波化学反应装置中的反应容器5、波导8、微波源10的组装方式如图9所示。从图9可以看出，辐射段1、阻抗变换段3、介质挡板4和波导8组成微波传输系统。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3位于管状波导8的内孔中，介质挡板3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。

本实施例中，每个微波源功率为3kW，微波源总功率90kW，微波频率2450MHz。

从图9可以看出，辐射段1伸入到微波化学反应装置的反应容器内可直接与物料接触，微波源10所产生的微波能量通过波导8、阻抗变换段3、介质挡板4、辐射段1传输到物料中。

Claims (7)

1.一种微波化学反应装置的微波能量传输方法，其特征在于所述方法是将介质辐射器伸入到微波化学反应装置的反应容器内，通过介质辐射器将微波源产生的微波能量传输到物料中，所述介质辐射器伸入反应容器内的长度至少为1/4微波波长，所述介质辐射器与波导组成微波能量传输系统。

2.根据权利要求1所述的微波化学反应装置的微波能量传输方法，其特征在于当伸入到反应容器内的介质辐射器≥两副时，各副介质辐射器所处位置应使其与其它所有介质辐射器的能量耦合≤-10dB。

3.根据权利要求1或2所述的微波化学反应装置的微波能量传输方法，其特征在于伸入反应容器内的介质辐射器与物料直接接触。

4.为实施权利要求1至3中任一权利要求所述微波能量传输方法而专门设计的介质辐射器，其特征在于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(1)，对辐射段阻抗与波导阻抗进行匹配的阻抗变换段(3)，阻抗变换段(3)与辐射段(1)为一体化结构或组合式结构。

5.根据权利要求4所述的介质辐射器，其特征在于还包括介质挡板(4)，所述介质挡板(4)位于辐射段(1)和阻抗变换段(3)之间。

6.根据权利要求4或5所述的介质辐射器，其特征在于还包括用于与化学反应装置的反应容器连接的紧固板(2)，所述紧固板(2)位于辐射段(1)上，与辐射段为一体化结构。

7.根据权利要求6所述的介质辐射器，其特征在于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。

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