CN102949974A - 一种微波加热装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波加热装置及其应用，所述装置包括：微波反应器；以及微波发生及传输装置，该微波发生及传输装置按微波传导顺序包括：微波源、环形器、水负载、定向耦合器、三销钉自动调节器以及波导，在波导段，采用矩形波导或圆形波导转化为同轴传输的形式，以一探针从微波反应器的一端探入反应器内，而将微波溃入反应器中。本发明的装置，反应器内微波分布较均匀，且装置密封性好，可将本发明的装置切实应用于任何利用微波进行加热的反应。

Description

一种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波导口，微波通过波导口向加热腔内辐射。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。

WO 2009/064501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。

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，微波腔内微波场分布较均匀，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。

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：

微波反应器；以及

微波发生及传输装置，该微波发生及传输装置按微波传导顺序包括：微波源、环形器、水负载、定向耦合器、三销钉自动调节器以及波导，在波导段，采用矩形波导或圆形波导转化为同轴传输的形式，以一探针从微波反应器的一端探入反应器内，而将微波溃入反应器中。即，本发明中是将微波腔体做反应器。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置中，所述微波反应器的材质可以为不锈钢、铜、银或铝中的任一种或合金，例如可采用化工工艺中常用的高温高压反应釜改造而成。

本发明中，所述探针探入反应器的地方应采用不吸波材料进行密封。例如，在本发明的一具体实施方式中，采用不吸波材料如陶瓷、有机玻璃、石英玻璃等制成的帽状罩体(或称为陶瓷帽、玻璃帽)将探针探入反应器腔体内的探头部分罩起来并对反应器壁上探针探入的地方进行密封。还可在探针探入反应器的地方采用其他不吸波材料进行密封，如蓝宝石等。密封的方式可以是采用所属领域中的各种密封方式，例如采用法兰密封和/或焊接密封以及螺纹密封等。

根据本发明的具体实施方案，所述探针是从反应器底部或顶部中央位置探入反应器腔体内，微波以探针为中心向腔体内发散。

根据本发明的具体实施方案，所述探针探入反应器腔体内的长度可以根据反应条件、反应器内径以及处理量进行调整。根据物料的介电性质及反应，若将物料添加在探针周围，则探针长度没有要求，理论上可以在反应器腔体允许长度内装填，实际使用时应根据微波在传输中的衰减进行测定后决定，这些对于本领域技术人员而言可在阅读本发明的基础上轻易确定。若使连续流动的流体在器内保持相同的停留时间，只在探针上部或下部空间添加物料，对探针探入反应器内的高度也没有特殊要求，但优选地，物料添加区域一般为距离探针尖端0-80mm范围内，更优选为距离探针尖端0-60mm范围内。

本发明的微波加热装置，微波腔内微波分布均匀，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化工工艺。特别是在需要装填催化剂床层的反应中，本发明的装置结构有利于催化剂的装填，催化剂装填较为规整，反应物可以通过整个催化剂床层。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。

在本发明的一具体实施例中，本发明所提供的微波加热装置为用于间歇式或连续式微波加热反应的装置。例如，在一更具体实施例中，其中，所述微波反应器为可用于完成微波加热反应的固定床反应器，该反应器设置有反应物入口和产物出口，可分别与油品原料的加热装置和反应产物的后处理系统相连。若用于间歇式反应时将出口用堵头进行密封即可。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置，还可进一步包括：

超压停车自动控制仪，其包括电接点压力表和继电器，当反应器腔体内压力超过设定压力值时，能自动切断微波电源。该超压停车自动控制仪还可根据具体情况对预热电源、泵电源等进行控制，进一步在配备磁控阀的基础上还能控制供给体的供应，例如用于油品加氢脱硫反应，当反应器内压力超过设定压力值时可切断氢气的供应。

需要说明的是，本发明的微波加热装置并不限于应用于油品的加氢脱硫反应，而是可以应用于任何的高温高压反应，反应温度可以高达800℃(在反应器材质例如不锈钢承受的温度范围内均可)、反应压力经测压可以达到10MPa。

即，另一方面，本发明还提供了所述的微波装置在用于实现利用微波进行加热的反应中的应用。

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。该装置还可用于微波消解反应，此时需要在反应器做陶瓷、PTFE、玻璃等耐腐蚀的衬里。

利用本发明的微波加热装置，可实现在微波场作用下的连续式或间歇式的高温高压反应。例如，在本发明的一具体实施方案中(参见应用实施例1)，是将所述微波装置用于实现连续式油品加氢脱硫方法，该方法包括：

在反应器腔体内中段装填加氢脱硫催化剂；

将油品原料与氢气混合，连续地输送入所述反应器，使油品原料与加氢脱硫催化剂接触并在微波作用下发生加氢脱硫反应；更具体地，由于微波作用，反应条件与传统操作条件相比会缓和，例如，在微波作用下进行汽油油品加氢脱硫反应时，可控制反应器中的反应条件为：反应温度220～280℃，操作压力1.5～2.5MPa，重时空速1～4h^-1，氢油体积比100∶1～400∶1，微波功率1.2～2.2kW；

将上述加氢脱硫反应的生成物连续地引出反应器进行后处理。

根据本发明的优选具体实施方案，探针是从反应器底部中央位置探入反应器内，为确保连续流动的流体在反应器内有相同的停留时间，所述催化剂是装填在探针上部空间；或者，探针是从反应器顶部中央位置探入反应器内，所述催化剂是装填在探针下部空间。优选地，催化剂装填区域为距离探针尖端0-80mm范围内。

本发明中，未详细提及的设备结构可以参照所属领域的传统设备。例如，所述反应器可以为传统的工业高温高压反应釜，本发明的关键在于在反应器一端开口引入微波装置的探针，从而将微波引入该反应器腔体；所述的微波发生装置的微波源、环形器、水负载、定向耦合器、三销钉自动调节器以及波导等也可按照现有技术中的微波发生装置的构件进行设计(微波源、环形器、水负载、定向耦合器、三销钉自动调节器之间可按照本领域的公知技术采用波导直接连接)，本发明的关键在于按照波导传输顺序在三销钉自动调节器之后的波导段是采用矩形波导或圆形波导转化为同轴传输的形式，以一探针从反应器底部中央探入反应器腔体内，而将微波引入反应器腔体。本发明中所用的超压停车自动控制仪、加氢脱硫系统的反应产物后处理系统等均可采用所属领域中的常规设备。可以理解，对于从反应器底部或顶部进出的物料，相应的物料入口或出口位置可设置在底部或顶部周侧，避开同轴波导探针在反应器底部的探入口。

此外，在本发明的其他具体实施例中(参见应用实施例2、应用实施例3)，还将所述微波装置分别用于进行微波热解析油泥实验、微波生物质热解反应的实验，均取得了良好的实验结果，充分表明本发明技术方案的可实施性及安全性。

综上所述，本发明提供了一种微波加热装置及其应用，通过矩形波导或圆形波导转换成同轴，采用探针的方式将微波从反应器下部溃入反应器，能将微波技术切实应用于需要微波加热的反应；本发明的装置结构有利于催化剂或反应物料的装填及物料的流动，物料装填较为规整，反应物可以通过整个催化剂床层；并且本发明的装置微波腔内微波场分布较均匀，密封性好，操作安全性良好。

附图说明

图1为本发明的微波加热装置的结构示意图。其中：10-微波源、20-环形器、30-水负载、40-定向耦合器、50-三销钉自动调节器、2-波导、7-反应器。

图2为本发明的微波装置中探针探入反应器部分的结构示意图。其中，1：微波溃入端口，2：波导，3：同轴，4：物料出(入)口，5：催化剂床层，6：探针保护罩，7：微波腔体(反应器)，8：物料入(出)口。

图3为本发明一具体实施例的微波装置从反应器底部溃入微波方式条件下的S11参数曲线图。

图4a为根据本发明的一具体实施例应用微波加热装置进行微波木屑热解所得固体焦炭的SEM图。图4b为传统加热下木屑热解所得焦炭的SEM图。

图5a为根据本发明的应用实施例1的应用微波加热装置时装置中物料对微波吸收的功率密度图。图5b为根据本发明的应用实施例2的应用微波加热装置时装置中物料对微波吸收的功率密度图。图5c为根据本发明的应用实施例3的应用微波加热装置时装置中物料对微波吸收的功率密度图。从图中也可以看出微波场分布的均匀性。

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按微波传导顺序包括微波源10、环形器20、水负载30、定向耦合器40、三销钉自动调节器50、波导2；以及微波反应器7。再请参见图2所示的波导段部分的详细结构(根据本领域所公知的，微波源、环形器、水负载、定向耦合器、三销钉自动调节器之间也是采用波导直接连接，图中仅示意了作为本发明的一个关键特征的按照波导传输顺序在三销钉自动调节器之后的波导段的结构)，其中，波导2包括矩形波导21(该矩形波导也可以是圆形波导)以及同轴波导22，同轴波导包括同轴设置的金属外壳221(圆筒状)以及探针222(细长的圆柱形)，采用矩形波导转化为同轴传输的形式，以探针222从反应器7底部中央探入反应器腔体内，而将微波引入反应器腔体(即，将微波腔体做反应器)。同时，采用不吸波材料制成的探针保护罩6(如陶瓷帽)将探针222探入腔体反应器7内的探头部分罩起来以保护探针和便于密封。该反应器材质为不锈钢，可以耐较高的温度(温度在不锈钢所能承受范围之内)，压力取决于反应器壁金属的厚度。在探针与反应器的密封处，可以将陶瓷帽和法兰盘做成一体，然后再用图中两侧的法兰(也就是采用三个法兰的形式)密封固定；也可以将陶瓷直接焊接或粘结在最左边的法兰盘上，通过两个法兰进行密封。陶瓷帽本身不影响微波分布，其厚度尺寸使其能耐受操作压力即可。

应用实施例1

本实施例中，是将如图1、图2所示的微波加热装置用于油品加氢脱硫，其中，微波反应器7用作加氢脱硫反应器，反应器上部设置物料入口8，下部设置物料出口4，中间填充催化剂床层5(催化剂床层底部距离探针顶端10mm，催化剂装填半径为15mm，装填高度为20mm)。经微波源10、环形器20、水负载30、定向耦合器40、三销钉自动调节器50过来的微波从波导2一端的微波溃入端口1进入波导，沿矩形波导并经同轴波导通过探针探入反应器腔体内，以探针顶端为中心向反应器腔体内扩散。

本实施例中，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，配制汽油模型化合物，将200ppm的甲基噻吩配在70％正庚烷、20％环己烷、5％甲苯和5％异戊烯中，将此模型化合物进行加氢脱硫反应，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200∶1、微波功率1.6kW时。经微波反应后汽油模型产物硫含量从原来的203ppm脱除到10ppm以下，加氢脱硫率在95.23％以上，液收98％以上。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200∶1，空速为2h^-1的条件下，脱硫率只有92.34％。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℃，仍旧可以获得更高的脱硫率。

图3给出了该实施例的溃入方式下的S11参数曲线。S参数称为散射参数，是建立在入射波和反射波基础上的网络参数，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述网络，S参数可以用来说明腔体的效率。S11为从端口1反射的能量与输入能量比值的平方根，在某一频率处该值越负，体现在图形上峰越高越尖表明从该端口反射的微波能量越少。一般达到-10dB时认为达到了较好的匹配。从图3中可以看出，本发明的这种微波装置设计结构对微波具有很好的吸收效果。

应用实施例2

使用如图1、图2所示装置进行微波热解析油泥研究。在反应器探针周围添加石英棉，将待处理油泥放入反应器中探针上方，装填高度为40mm，催化剂床层底部距离探针顶端10mm，反应器下部的两个开口(图中所示4的位置)通入氮气，微波加热后产生的可挥发性物质从口8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C₁₀-C₂₅的烷烃，水含量为1.5％，油含量为10％。在微波功率为3.5kW，加热时间为90s时，可将该油泥中的油脱除到0.36％，此时的油泥可以直接排放，达到国家污染物的排放标准。且在实验过程中油泥样品发生了玻璃化，表明反应温度可达到上千度。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℃，而实验所用样品的最重组分C₂₅的沸点在400℃左右)下进行热解析实验，加热3小时后样品中的油含量0.87％。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1/120，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，通过如图1、图2所示装置对微波生物质热解进行了考察，所用原料为4-8mm直径的木屑，木屑含水量为5％，装填在探针周围，探针在反应器中的长度为80mm，从探针进入反应器的底部装填，装填高度为70mm。采用10kW，加热40s后，木屑获得了充分热解，所得产物中生物油含量较高为45％，气体含量为31％。其中生物油的低位热值为：28.4MJ/kg。反应过程温度达到530℃。产生的固体焦炭为多孔结构，且孔内较为清洁(图4a)。

采用传统方式加热，在相同温度下(530℃)，加热时间为10分钟时，木屑热解所得生物油含量为41％，气体含量为29％，均较微波条件下要低。生成的焦炭(图4b)孔道多被堵塞。

分析上述效果差异，主要是由于在传统加热方式下，热是通过热传导的方式从生物质的外表面传递到内部，因此生物质内的温度分布也是由外到内逐渐降低，热解发生的方向也因此是由表面指向核心，内部热解产生的挥发性物质要脱离生物质则必须要穿过外部的高温区，使之难以挥发。难以抑制二次反应的发生，使热解反应生成的焦炭堆积在孔内，液体与气体产物降低。但在微波加热过程中，由于微波加热的方式是通过电磁场与物质分子之间的相互作用引发分子内部的摩擦而产生的热量，生物质内部同时被加热，而颗粒的核心部分所产生的挥发性物质由于受到孔道的限制不能自由挥发出来，使得生物质内部的温度比外表面的温度要高，热解产生的挥发性物质的脱除要容易的多，是由内部的高温区到外表面的低温区，挥发性物质的快速移除降低了二次反应的发生。同时挥发性组份从内到外的移除清扫了生成的焦炭的孔，由微波加热所得到的活性炭具有较高的密度和一些占优势的分布均匀的微孔。

图5a、图5b、图5c分别为应用实施例1、2、3的物料对微波吸收的功率密度图。从图中可以看出，在探针上端装填物料时微波可以均匀的加热物质，当在探针侧面装填物料时，微波加热区域出现波峰波谷的区域，说明此部分主要是电场传输区域，但如果将物料放置于场强强的地方，物料仍旧可以得到很好的加热。

Claims (10)

1.一种微波加热装置，该装置包括：

微波反应器；以及

微波发生及传输装置，该微波发生及传输装置按微波传导顺序包括：微波源、环形器、水负载、定向耦合器、三销钉自动调节器以及波导，在波导段，采用矩形波导或圆形波导转化为同轴传输的形式，以一探针从微波反应器的一端探入反应器内，而将微波溃入反应器中。

2.根据权利要求1所述的微波加热装置，其中，所述微波反应器的材质为不锈钢、铜、银或铝中的任一种或合金，所述探针探入反应器的地方采用不吸波物质进行密封。

3.根据权利要求1所述的微波加热装置，其中，所述探针是从微波反应器底部或顶部中央位置探入反应器内。

4.根据权利要求1或3所述的微波加热装置，其中，所述探针探入反应器内的长度根据反应条件、反应器内径以及处理量而定；优选地，反应物料添加区域在距离探针尖端0-80mm范围内。

5.根据权利要求1所述的微波加热装置，该装置为用于间歇式或连续式微波加热反应的装置；优选地，其中，所述微波反应器为用于完成微波加热反应的固定床反应器，该反应器设置有反应物入口和产物出口。

6.根据权利要求1或5所述的微波加热装置，该装置还包括：

超压停车自动控制仪，其包括电接点压力表和继电器，当反应器内压力超过设定压力值时，能自动切断微波电源。

7.权利要求1～6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。

8.根据权利要求7所述的应用，其中，所述利用微波进行加热的反应为温度小于等于800℃、压力小于等于10MPa的反应；例如，所述反应为油品加氢脱硫反应、微波热解析油泥或微波生物质热解反应。

9.根据权利要求7所述的应用，其中，是将所述微波装置用于实现连续式油品加氢脱硫方法，其中，所述探针是从微波反应器的底部探入反应器内而将微波溃入反应器中，该方法包括：

在反应器内中装填加氢脱硫催化剂；

将油品原料与氢气混合，连续地输送入所述反应器，使油品原料与加氢脱硫催化剂接触并在微波作用下发生加氢脱硫反应；

将上述加氢脱硫反应的生成物连续地引出反应器进行后处理。

10.根据权利要求9所述的应用，其中，所述催化剂装填在探针上部的空间。

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