CN102946655B - 一种能连续操作且耐高温高压的微波加热装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能连续操作且耐高温高压的微波加热装置及其应用，所述装置包括：微波发生及传输装置、微波腔体以及微波反应器，微波发生及传输装置产生微波并利用波导传输微波且将微波溃入微波腔体内；微波反应器包括管状主体，主体两端连接由金属材料制成的顶部及底部，在顶部及底部分别开设物料进出口；微波反应器套设于微波腔体内，反应器顶部及底部与微波腔体两端的腔体壁密封接触；微波被溃入微波腔体内后能透过微波反应器的管状主体的管壁对微波反应器内的物料进行加热。本发明的装置，能连续操作且耐高温高压，反应器内物料受热面积大，加热均匀，且装置密封性好，可切实应用于任何利用微波进行加热的反应。

Description

一种能连续操作且耐高温高压的微波加热装置及其应用

技术领域

本发明是关于一种微波加热装置及其应用，特别是指一种能连续操作且耐高温高压的利用微波加热的反应装置以及该装置的应用。

背景技术

微波具有波长短(1m～1mm)、频率高(300MHz～300GHz)、量子特性等明显特征。微波加热的基本原理是带电粒子的传导和电介质极化。离子传导机制是指介质内的离子在电磁场中产生迁移电流而产生热。电介质极化机制是指在电磁场作用下，极性分子从随机分布状态转向依据电磁场的极性排列取向。在微波高频电磁场的作用下，这些取向运动依随交变电磁的频率不断变化，造成分子的剧烈运动和碰撞摩擦，从而产生热量，导致电场能转化为介质内的热能。非极性分子由于内部电荷分布均匀则不被微波加热。微波加热具有穿透性、瞬时性和选择性加热的特点，且热量损失小、操作方便、清洁卫生无污染，已在生活生产中得到广泛应用。

传统的微波加热技术主要是用于加热食品，近年来，随着微波加热技术的发展，将微波加热技术应用于化工工业上的报道日益增多。

目前所报道的微波加热装置大多是利用一封闭腔体作为微波加热腔，可将微波源直接放置于加热腔壁上，或在加热腔壁上开设馈入波导口，微波通过波导口馈入加热腔内(向加热腔内辐射)。一般来说，采用这种微波通过加热腔周壁向腔内辐射的方式，腔内微波场分布较不均匀，中间最强，边上弱，基本呈正弦分布。另外微波加热腔中的微波场分布还与微波输入到该腔体的方式和部位直接相关，这两个因素通常也会造成加热腔中微波场分布的不均匀性。这种不均匀性使得微波加热技术在需要进行均匀加热或需要严格控制反应温度的化学工业应用中受到了很大的限制。

CN 101473692A公开了一种能正常地均匀加热加热室的整个内部并且按照需要实现局部集中加热的微波加热装置。其中主要是利用至少一个旋转天线，通过控制装置控制旋转天线，以使其具有高辐射指向性的部分定向成朝向根据温度分布检测装置的检测结果而确定的方向上以对物体进行加热。

CN 1826026A公开了一种均匀辐射的微波加热装置，其中是使微波由波导阻抗变换器传输，并从波导口向外输出到对应的耦合腔中，被反射/散射后，从耦合腔一个侧壁的多个耦合孔均匀地向加热腔中输出多个微波束，从而无需旋转器件即可改善加热腔中微波能量分布不均匀的问题。

上述微波加热装置，尽管在一定程度上能改善微波腔内微波场分布不均匀问题，但改善程度有限，且上述微波加热装置主要是对食品进行加热，对于需要微波加热的化工工艺并不适用。

现有技术中也有关于尝试将微波加热装置应用于化工反应的研究报道。例如，WO2009/064501公开了一种微波促进的原油脱硫技术，其中是利用一箱体式微波加热反应器/微波腔体(CEM公司的微波设备以及改进的家用微波炉)，在加压氢气存在下，用微波能量照射原油和催化剂，进行加氢脱硫反应。然而，该技术存在以下问题：其中记载是通过搅拌的方式将原油和催化剂进行混合，但实际上很难在所述的腔体中将油、气和催化剂混合均匀，这种混合在实际操作过程中还容易堵塞管道；该方法中，加氢脱硫反应完成后需将催化剂与原油进行分离，通过重力沉降或者过滤，操作繁琐；另外，所述的微波装置为间歇反应器，供给体具有很多的限制。再如，CN 101560407A公开了一种石油液化气或汽油脱硫微波反应釜，其结构按微波传导顺序有微波源、微波耦合器、调配器、过渡波导、通风安全隔离器、隔离窗口和反应腔体；反应腔体在靠两端头的侧面分别带有入料口和出料口的圆筒形容器，靠近入料口的圆筒端头封闭，靠近出料口的圆筒端头经隔离窗口和密封圈与通风安全隔离器密封连接；所述的通风安全隔离器是一段圆波导，其侧面开通风孔。该文献中是将矩形波导转换为圆柱形波导，然后通过窗口将微波溃入。其中通过安全隔离器上开孔来达到避免可燃气体泄漏的目的(实际上是将泄漏的气体通过这些孔散发出去)，然而，如何防止氢气或者可燃油气不进入，该文献并未做出清楚说明，而氢气的泄漏对于油品加氢反应而言是绝对禁止的，存在安全隐患。

综上所述，上述现有技术报道的微波加热装置难以应用于规模化的工业生产，更不能用于实现需要反应物连续式输入输出微波加热腔的化学反应工艺。

发明内容

本发明的一个目的在于针对上述现有技术微波加热装置存在的问题，提供一种微波加热装置，反应器内物料反应区微波场分布较均匀，且能够切实应用于规模化的化工工艺，并提高操作安全性。

本发明的另一目的在于提供所述微波加热装置的应用。

本发明的另一目的还在于提供利用所述微波加热装置进行的微波加热反应方法。

为达上述目的，本发明提供了一种微波加热装置，该装置包括：微波发生及传输装置、微波腔体以及微波反应器，其中，

所述微波发生及传输装置是用以产生微波并利用波导传输微波且将微波从微波腔体的一侧溃入微波腔体内；

所述微波腔体具有金属材料制成的腔体壁，腔体内空间为用于容置微波反应器的空间，微波腔体的侧壁与波导之间密封连接，且腔体内空间与波导内部空间连通；

所述微波反应器包括由不吸波材料制成的管状主体，管状主体两端连接由金属材料制成的顶部及底部，在所述由金属材料制成的顶部及底部分别开设物料进出口连接物料进出口管线；

所述微波反应器套设于微波腔体内，微波反应器的物料进出口管线从微波腔体两端的腔体壁伸出以连通微波腔体外的空间而便于物料进出反应器；微波反应器两端的由金属材料制成的顶部及底部的外壁与微波腔体两端的腔体壁密封接触而实现微波反应器与微波腔体之间的密封，防止微波从微波腔体的腔体壁与微波反应器之间泄漏；

所述微波被溃入微波腔体内后能透过微波反应器的管状主体的管壁对微波反应器内的物料进行加热。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置中，所述微波发生及传输装置可以采用所属领域的常规设备，其按照微波传输顺序通常包括微波源与微波控制器、环行器与水负载、三销钉调配器等组件，各组件之间利用波导连接，并通过波导将微波传输至指定的微波腔体中。微波腔体与波导的连接可以采用波导法兰等常规部件。在与微波腔体连接前的波导法兰处还可放置不吸波材料挡板，如PTFE挡板，以防止粉尘或反应物进入波导。具体地，所述波导可以是矩形波导和/或圆形波导。所述波导、微波腔体等的材质可以采用现有技术的常规材质，例如可以为铜、银或铝中的任一种或合金。

本发明的微波加热装置，通过所述的结构设计，将微波反应器放置于微波腔体中，利用微波反应器两端的金属材料的顶部及底部，与微波腔体两端的腔体壁之间实现密封而防止微波从微波腔体的泄漏，而微波反应器主体采用微波能透过的不吸波材料制成，从而使得反应器内物料获得较均匀的微波加热(微波加热区域主要为反应器中部)。所述的微波反应器不受操作方式的限制，可以做成连续操作且耐高温高压的反应器。

利用本发明的结构设计，可以将微波反应器管状主体设置为具有足够的长度，以减免微波从物料进出口的泄漏。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置中，微波腔体的两端口与微波反应器的两端器壁之间密封连接方式可以采用所属领域中的各种密封方式，此处的连接方式只要能达到防止微波泄漏即可，通常采用金属接触式密封。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置中，所述微波反应器的管状主体可以是由陶瓷材料、有机玻璃或石英玻璃等材料制成。在本发明的一更具体地实施方案中，该管状主体两端可通过螺口连接或焊接的方式分别与由金属材料制成的顶部及底部密封连接。进一步，顶部及底部再直接连接物料进出口及相应的管线等。管状主体两端与物料进出口及相应的管线的连接方式可采取任何可行的密封连接方式，例如采用法兰密封、焊接密封和/或螺纹密封等密封连接方式。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置中，所述微波反应器管状主体长度方向(即微波腔体长度方向)与波导传输方向呈垂直设置。优选地，所述波导是贯通微波腔体中心位置。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置中，所述波导采用微波标准组件。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置中，所述微波腔体内空间具有与微波反应器相匹配的形状，微波腔体的侧壁与微波反应器的管状主体外壁之间留有环状间隙。该环状间隙内可以填充保温材料进行保温。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置中，所述微波发生及传输装置还设置有截止波导，该截止波导相对于微波溃入微波腔体的另一侧设置，从而使微波发生及传输装置产生的微波通过波导从微波腔体的一侧进入微波腔体内，并能从微波腔体的另一侧进入截止波导。更具体地，所述截止波导的长度可调且调节范围不小于一个波长。利用调节截止波导的长度，从而调节反应器内物料反应区的电磁场分布和电磁场强度，通过测定反射功率判断截止波导的位置以及反应器内物料吸收微波的情况。更具体地，所述截止波导的封闭端采用可调节截止波导长度的螺旋式活塞结构，以方便地调整截止波导的长度。

根据本发明的具体实施方案，所述微波腔体可以为多模谐振腔，也可以为单模谐振腔。在一具体实施方案中，所述微波腔体为单模谐振腔，该方案中，具体可以采用在波导垂直方向的管壁上对称设置两个开口，每个开口分别连接一段管柱，管柱长度方向垂直波导传输方向，两段管柱内部空间贯通且与波导内部贯通而作为微波腔体，位于微波腔体一侧的波导是将微波溃入腔体内，另一侧的波导为截止波导。在另一具体实施方案中，也可以是微波腔体的对称两侧壁上分别开设波导口，一侧的波导口用于连接从微波发生及传输装置传输微波来的波导(该波导口也可称为馈入口)，另一侧的波导口用于连接截止波导(该波导口也可称为截止波导口)，从而微波发生及传输装置产生的微波通过波导经馈入口馈入微波腔体内，并可通过截止波导口进入截止波导段。在另一具体实施方案中，所述微波腔体为多模谐振腔，可以不设置截止波导。

另一方面，本发明还提供了所述的微波加热装置在用于实现利用微波进行加热的反应中的应用。本发明的微波加热装置，微波反应器内物料反应区(主要是指反应器中部)微波分布均匀，且装置密封性好，可将本发明的装置切实应用于需要微波加热的过程。特别是在需要装填物料或催化剂床层的反应中，本发明的装置结构有利于物料的装填，物料装填较为规整，物料受热面积大，加热更均匀。通过模拟表明电磁场分布相比于现有技术中将微波溃入反应器的做法更为均匀，且同一种物料对微波的吸收效果更好。

本发明的微波加热装置可以应用于任何的需要利用微波加热的反应。具体地，所述利用微波进行加热的反应可以是反应装置材质承受范围内的任何高温高压反应，例如可以是温度小于等于800℃、压力小于等于10MPa的反应。反应物进料方式可以从上到下进料，也可从下到上进料，可以是固定床反应，也可以是移动床反应；可以为连续式反应，还可为间歇式反应。具体地，本发明的装置可用于例如加氢脱硫的连续高温高压反应，或者是用于间歇反应，如有机合成、污泥处理、生物质热解等，可以为固、液、气中任何形态的反应。在反应器材质允许的情况下，例如陶瓷、玻璃等耐腐蚀材料制成的反应器，该装置还可用于微波消解反应等。

另一方面，本发明还提供了一种微波加热反应的方法，该方法中是利用所述的微波加热装置对反应物料进行加热。

综上所述，本发明提供了一种微波加热装置及其应用，本发明的装置结构特别是通过将微波反应器放置于微波腔体中，利用微波反应器两端过渡材料(金属材料的顶部及底部)的结构设计，在实现防止微波泄漏的同时，可以做成连续操作的反应器，且有利于反应器内物料的装填及流动，并且反应器内物料反应区微波场分布均匀，密封性好，操作安全性良好，能将微波技术切实应用于需要微波加热的反应。

附图说明

图1为本发明的一具体实施例的微波加热装置的结构示意图。

图中标号说明：1：微波源与微波控制器；2：波导；3：环行器+水负载；4：三销钉调配器；5反应器出(入)口；6：反应器入(出)口；7：物料；8：反应器；9：微波腔体；10：截止波导。

图2为本发明一具体实施例中截止波导在不同位置时物料中的电场分布图(V/m)。其中，图片(a)截止波导长度L＝26mm，图片(b)L＝40mm，图片(c)L＝10mm。

图3为本发明一具体实施例中截止波导在不同位置时物料吸收的微波功率密度分布图(W/m³)。其中，图片(a)截止波导长度L＝26mm，图片(b)L＝40mm，图片(c)L＝10mm。

图4为本发明一具体实施例中截止波导在不同位置时物料内部温度分布图(℃)(加热时间为300s)。其中，图片(a)截止波导长度L＝26mm，图片(b)L＝40mm，图片(c)L＝10mm。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

请参见图1所示，本实施例的微波加热装置包括微波发生及传输装置、微波腔体以及微波反应器，其中，

所述微波发生及传输装置是用以产生微波并利用波导传输微波；本实施例中，所述微波发生及传输装置主要包括微波源与微波控制器1(用以产生微波)以及波导2(用于传输微波)，该微波发生及传输装置按微波传输顺序还设置有环行器与水负载3、三销钉调配器4等调控用组件，各组件间利用波导2连接，且在波导末段设置有截止波导10；

所述微波腔体9设置在波导传输微波的途中，腔体长度方向与波导传输方向垂直，且沿波导传输方向呈上下对称设置，微波腔体9的周壁与波导2的管壁密封连接，微波腔体9内的空间与波导内空间连通，且使微波发生及传输装置1产生的微波通过波导2从微波腔体的一侧进入微波腔体9内，并能从微波腔体9的另一侧进入截止波导10；

所述微波反应器8设置于微波腔体9中，该微波腔体9中的微波能透过微波反应器8的器壁对微波反应器8内的物料进行加热。

本实施例中，所述波导2(包括截止波导10)可分别为矩形波导和/或圆形波导。图中所示所述截止波导的封闭端是采用可调节截止波导长度的螺旋式活塞结构，利用该结构设计，可以方便调整截止波导长度，从而适应反应器内不同反应条件的需求。

本实施例中，所述微波反应器包括由不吸波材料(本实施例中为陶瓷材料)制成的管状主体，管状主体两端与金属焊接，金属部分连接物料进出口5、6，微波腔体两端口与反应器的器壁之间采用金属进行接触式密封连接。

应用实施例1

本实施例中，是将如图1所示的微波加热装置用于汽油加氢脱硫实验研究，其中，微波腔体9为单模谐振腔，微波反应器8用作加氢脱硫反应器，5为物料入口，6为物料出口，反应器中间段填充催化剂床层7。反应器8的内径为15mm，催化剂装填高度为40mm。在上述反应器中选用Ni-Mo/γ-Al₂O₃催化剂，其中催化剂颗粒目数为40～80目，采用硫含量为350ppm的催化裂化汽油进行加氢脱硫反应，具体操作条件：反应温度260℃、反应压力2MPa、重时空速2.0h^-1、氢油体积比150∶1、微波功率1.6kW。经微波加热反应后原料催化裂化汽油的硫含量可以脱除到30ppm以下，加氢脱硫率在91.4％以上，液收98.5％。而采用传统的无微波条件的反应器，反应温度为290℃，系统压力为2MPa，氢油比150∶1，空速为2h-1的条件下，反应后的硫含量可降低至89ppm，脱硫率为74.6％。由此可见，利用本发明的装置，在所述微波存在下即使反应温度降低30℃以上，且仍旧可以获得更高的脱硫率。本实验所用截止波导的长度为26mm。

采用不同截止波导时的电磁场分布、功率密度分布以及温度分布见图2～图4。其中，图2为截止波导在不同位置时物料中的电场分布图(V/m)，图片(a)截止波导长度L＝26mm，图片(b)L＝40mm，图片(c)L＝10mm。图3为截止波导在不同位置时物料吸收的微波功率密度分布图(W/m³)，图片(a)截止波导长度L＝26mm，图片(b)L＝40mm，图片(c)L＝10mm。图4为截止波导在不同位置时物料内部温度分布图(℃)(加热时间为300s)，图片(a)截止波导长度L＝26mm，图片(b)L＝40mm，图片(c)L＝10mm。

应用实施例2

采用如图1所示装置进行微波热解析含油钻屑研究。在反应器8(本实施例中反应器内径为20mm)中部装填待处理含油钻屑，装填高度为40mm，样品中反应器下部设置的开口6通入氮气，微波加热后产生的可挥发性物质从口5排出，而后经过冷凝收集液体产物和气体产物。样品中油份组成为C₈-C₁₆的烷烃，水含量为6.1％，油含量为16.6％。在微波功率为3.0kW，加热时间为20s时，可将该油泥中的油脱除到0.2％，此时的油泥可以直接排放，达到国家污染物的排放标准。同样的油泥样品，放入相同质量的该样品于功率4kW的马夫炉中，在500℃(一般热解析温度为250-500℃，而实验所用样品的终馏点为250℃)下进行热解析实验，加热2小时后样品中的油含量0.68％。由此可见，利用本发明的装置采用微波加热其加热时间大大缩短，本实施例所示加热时间只为传统加热的1/360，而油品脱除率却得到了大幅提高。

应用实施例3

本实施例中，微波加热装置结构与图1所示装置相比，所述微波腔体9采用多模腔结构，微波反应器8内径为20mm，未设置截止波导，对微波加热进行了染料-还原红14的合成研究。采用萘四甲酸和邻苯二胺反应生成，还原红14是一种非常重要的还原染料，由两种互为同分异构体的物质组成，分别为：反式的橙7和顺式的还原红15。从结构上顺式还原红15的分子极性比反式橙7的大，因此利用微波的选择性加热，在微波场作用下顺式产物分子的运动比反式产物剧烈，使得顺式产物分子不稳定，从而使反应向相对更加稳定的反式方向进行。本研究采用微波的这一特性从而获得更多价值更高的反式产物。

实验方法为：称量一定量的萘四甲酸，邻苯二胺，冰醋酸和水，在500ml的烧杯中混合，室温下搅拌1小时，使反应物混合均匀，将反应器8的上下端分别用堵头封住(此时反应器类似于消解仪中的反应器)，并在下端添加不吸收微波的氧化铝球和PTFE的板做支撑，然后将室温下处理好的物料装填到反应器8的中间位置，装填量为50毫升，本实验所用谐振腔为多模腔，使用微波加热程序升温至反应温度，反应特定时间后反应结束。反应物温度由光纤温度计控制。待产物冷却后，取出反应产物，并对其用热水进行抽滤，滤饼(反应产物)在100℃的鼓风干燥箱中充分干燥。采用分光光度计分析干燥后产物的组成。

结果表明：微波加热和传统加热下所得产物具有完全相反的趋势，在传统加热下，随着温度升高顺式产物含量增加，而微波加热下则随温度升高顺式产物含量先上升而后下降。在反应时间40min，反应温度160℃时，反式产物含量为78％，而采用传统加热方式下，在160℃下反应时间为6小时，此时反式产物的收率为55％。由此可见，微波加热可以大大缩短该类反应的反应时间，并且由于微波的选择性加热可以更多的获得反式产物。

Claims (10)

1.一种能连续操作且耐高温高压的微波加热装置，该装置包括：微波发生及传输装置、微波腔体以及微波反应器，其中，

所述微波发生及传输装置是用以产生微波并利用波导传输微波且将微波从微波腔体的一侧溃入微波腔体内；

所述微波腔体具有金属材料制成的腔体壁，腔体内空间为用于容置微波反应器的空间，微波腔体的侧壁与波导之间密封连接，且腔体内空间与波导内部空间连通；

所述微波反应器包括由不吸波材料制成的管状主体，管状主体两端连接由金属材料制成的顶部及底部，在所述由金属材料制成的顶部及底部分别开设物料进出口连接物料进出口管线；

所述微波反应器套设于微波腔体内，微波反应器的物料进出口管线从微波腔体两端的腔体壁伸出以连通微波腔体外的空间而便于物料进出反应器；微波反应器两端的由金属材料制成的顶部及底部的外壁与微波腔体两端的腔体壁采用金属接触式密封而实现微波反应器与微波腔体之间的密封，防止微波从微波腔体的腔体壁与微波反应器之间泄漏；

所述微波被溃入微波腔体内后能透过微波反应器的管状主体的管壁对微波反应器内的物料进行加热；

其中：

所述微波发生及传输装置还设置有截止波导，该截止波导相对于微波溃入微波腔体的另一侧设置，从而使微波发生及传输装置产生的微波通过波导从微波腔体的一侧进入微波腔体内，并能从微波腔体的另一侧进入截止波导。

2.根据权利要求1所述的微波加热装置，其中，所述微波反应器管状主体长度方向与波导传输方向呈垂直设置。

3.根据权利要求1所述的微波加热装置，其中，所述波导为矩形波导和/或圆形波导。

4.根据权利要求1所述的微波加热装置，其中，所述微波腔体内空间具有与微波反应器相匹配的形状，微波腔体的侧壁与微波反应器的管状主体外壁之间留有环状间隙。

5.根据权利要求1所述的微波加热装置，其中，所述截止波导的长度可调且调节范围不小于一个波长。

6.根据权利要求5所述的微波加热装置，其中，所述截止波导的封闭端采用可调节截止波导长度的螺旋式活塞结构。

7.根据权利要求1所述的微波加热装置，其中，所述微波反应器的管状主体由陶瓷材料、有机玻璃或石英玻璃制成，该管状主体两端通过螺口连接或焊接的方式分别与由金属材料制成的顶部及底部密封连接。

8.根据权利要求1所述的微波加热装置，其中，所述微波腔体为多模谐振腔或单模谐振腔。

9.权利要求1～8任一项所述的微波加热装置在用于实现利用微波进行加热的反应中的应用。

10.一种微波加热反应方法，该方法中是利用权利要求1～8任一项所述的微波加热装置对反应物料进行加热。