CN110605080A - 一种高压微通道导入式微波反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及化学反应器技术领域，尤其是一种高压微通道导入式微波反应器，包括反应釜体，反应釜体的顶部设有反应釜盖，反应釜盖上设有进气管，反应釜盖的底部设有棒式温度传感器和泄气管，反应釜体的内部设有内釜体，反应釜体和内釜体的底部之间设有微波导入体，反应釜体的底部设有微通道，反应釜盖的底部下方设有微波发生器，微波导入体包括用于形成天线效应的金属带，金属带位于釜心的一端设有微波导针，微波导针贯穿微通道与微波发生器的输出端相连。本发明采用微通道导入的方式，增大反应釜的承压能力，充分体现微波的催化促进作用，同时使物料承载腔内电磁场分布更加均匀，减少微波加热冷点，提高能量利用效率，值得推广。

Description

一种高压微通道导入式微波反应器
技术领域
本发明涉及化学反应器技术领域，尤其涉及一种高压微通道导入式微波反应器。
背景技术
化学反应往往需要加热或者高温、高压，传统的加热方法都是用热传导和热对流的方式，但此法反应速度相对较慢，反应收率和选择性也不高，随着当今科学技术的发展，加快化学反应速度、增加反应收率、简化后处理过程、改善反应的选择性、提高生产效率已经成为人们迫切需要解决的重大课题。而且由于当前环境保护的需要，常规反应釜所需的蒸汽锅炉的安装越来越少，汽加热反应釜的应用受到了极大的限制。
微波作为一种新能源，具有内部加热、快速加热、选择性加热和节能、环保等优点，可以极大地提高化学反应速度，产生比常规加热法高几十倍甚至几百倍的效率(最高可提高1240倍)，已在化学化工、材料、石油、冶金等多个领域得到了广范的应用。
目前科研、生产都对微波化学反应装置有着更高的实用性需求，如何让高效、节能、环保的微波化学反应装置符合各个行业不同的生产型需求，在反应压力、工作功率、温度控制等方面都对传统的微波化学反应装置提出了新的挑战。
现有技术及存在不足之处：
1、采用微波波导导入的反应釜，由于导入口开口面积过大，影响釜内压强压力，导致很多导波材料无法承受，特别不能承受较高温度下的工作压力，不能的充分体现微波的催化促进作用。
2、常规的波导式反应釜，由于导入方式的限制，常常会出现微波不均的现象，产生微波聚焦点，导致样品局部碳化，影响实验的需求。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种高压微通道导入式微波反应器，采用微通道导入的方式，通过减小孔的承压面积，以增强釜内的承压能力，充分体现微波的催化促进作用，同时由金属带利用天线效应将微波从反应釜底部的微通道引入反应釜的腔体中，使得微波在反应釜腔体中更均匀，减少微波加热冷点，提高能量利用效率。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种高压微通道导入式微波反应器，包括反应釜体，所述反应釜体的顶部设有反应釜盖，反应釜盖的中心位置贯穿设有进气管，所述反应釜盖的底部两侧分别贯穿设有棒式温度传感器和泄气管，所述反应釜体的内部设有内釜体，反应釜体和内釜体的底部之间设有微波导入体，所述反应釜体的底部轴心位置贯穿设有用于微波导入釜腔内的微通道，所述反应釜盖的底部下方设有微波发生器，微波发生器的输出端设有导波管，导波管与微通道对应设置；
所述微波导入体包括用于形成天线效应的金属带，所述金属带的一端位于釜底中心位置，另一端朝向釜底边缘延展，金属带位于釜心的一端设有用于引导微波通过的微波导针，所述微波导针贯穿所述微通道，并与微波发生器的输出端相连。
与现有技术相比，采用了上述技术方案的高压微通道导入式微波反应器，具有如下有益效果：
一、本发明采用微通道导入的方式，使得反应釜能够承受更大的压强，充分体现微波的催化促进作用。
二、本发明采用天线效应的使用极大程度地降低了微波加热物料过程中电磁波反射的风险，保证了设备运行的安全性能，同时使物料承载腔内电磁场分布更加均匀，减少微波加热冷点，提高能量利用效率。
三、本发明利用微波加热高效性与均匀性，进一步提高了能量的利用率，使得能够达到物料的处理温度。
进一步的，所述金属带呈涡状线形，所述微波导针位于涡心的一端并与金属带构成一体结构，所述金属带的外侧设有保护部，通过涡状线形的金属带可以更好的形成微波天线效应，进一步提高电磁场均匀分布在釜腔内，使物料受热更加均匀。
进一步的，所述保护部包括上陶瓷基板和下陶瓷基板，所述下陶瓷基板对应金属带的位置设有与之相匹配的放置槽，金属带嵌入放置槽内，所述微波导针贯穿设置在下陶瓷基板的中心位置上，所述上陶瓷基板盖设在下陶瓷基板上，并将金属带密封在放置槽内，上陶瓷基板和下陶瓷基板可以对金属带提高良好的保护作用，同时避免金属带与釜体壁接触，起到良好的绝缘作用。
进一步的，所述下陶瓷基板朝向反应釜体底部的一侧设有凸台，反应釜体的底部设有与所述凸台相匹配的凹槽，所述凸台嵌入在凹槽内，通过下陶瓷基板底部的凸台与凹槽的吻合对接，可提高微波导入体置入反应釜体底部的稳定性。
进一步的，所述微波导针位于微通道内的针段外侧包裹有陶瓷绝缘套，通过陶瓷绝缘套来对金属材料的微波导针与微通道的孔壁进行隔绝，防止出现打火现象。
进一步的，所述上陶瓷基板和下陶瓷基板的两侧分别贯穿设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔分别用于固定棒式温度传感器和泄气管。
进一步的，所述微通道的孔径为2-20毫米，通过减小孔的承压面积，以增加釜内的压强。
进一步的，所述反应釜体和反应釜盖之间设有多个密封圈，所述反应釜盖的周向上设有用于安装密封圈的密封槽，通过密封圈实现反应釜体和反应釜盖之间的自密封，确保反应釜的内腔处于密闭状态。
进一步的，所述微波发生器的周向上设有多个固定支耳，所述固定支耳通过带有固定支柱的螺栓固定在反应釜体的底部，通过螺栓的可拆卸方式连接，方便后期的微波发生器的维修和更换。
进一步的，所述反应釜盖的盖身自上而下呈锥型结构，且与内釜体的釜盖呈一体结构，锥型结构的反应釜盖方便盖设在反应釜体上，随着反应釜盖的封盖压力增大，其封盖密封性越好，进一步提高了釜腔内的密封性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明高压微通道导入式微波反应器实施例的立体视图；
图2是本发明高压微通道导入式微波反应器实施例的分解视图；
图3是本发明实施例中的内部结构示意图；
图4是本发明实施例中的关于点A的放大示意图；
图5是本发明实施例中的关于微波导入体的侧视图；
图6是本发明实施例中的关于微波导入体的分解视图。
图中标记为：1、反应釜体；11、反应釜盖；12、密封圈；13、凹槽；2、棒式温度传感器；3、泄气管；4、微波发生器；41、固定支耳；42、螺栓；43、导波管；5、进气管；6、内釜体；7、微波导入体；71、上陶瓷基板；72、下陶瓷基板；73、凸台；74、金属带；75、微波导针；76、陶瓷绝缘套；77、放置槽；78、第一通孔；79、第二通孔；8、微通道。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
参见图1-6，一种高压微通道导入式微波反应器，包括反应釜体1，反应釜体1的顶部设有反应釜盖11，反应釜盖11的中心位置贯穿设有进气管5，反应釜盖11的底部两侧分别贯穿设有棒式温度传感器2和泄气管3，反应釜体1的内部设有内釜体6，内釜体6采用耐腐蚀、耐高温、耐高压材料制成，反应釜体1和内釜体6的底部之间设有微波导入体7，反应釜体1的底部轴心位置贯穿设有用于微波导入釜腔内的微通道8，反应釜盖11的底部下方设有微波发生器4，微波发生器4的输出端设有导波管43，导波管43与微通道8对应设置；
微波导入体7包括用于形成天线效应的金属带74，金属带74的一端位于釜底中心位置，另一端朝向釜底边缘延展，金属带74位于釜心的一端设有用于引导微波通过的微波导针75，微波导针75贯穿微通道8，并与微波发生器4的输出端相连。
本发明的高压微通道导入式微波反应器，采用微通道导入的方式，使得反应釜能够承受更大的压强，充分体现微波的催化促进作用，采用天线效应的使用极大程度地降低了微波加热物料过程中电磁波反射的风险，保证了设备运行的安全性能，同时使物料承载腔内电磁场分布更加均匀，减少微波加热冷点，提高能量利用效率，利用微波加热高效性与均匀性，进一步提高了能量的利用率，使得能够达到物料的处理温度。
具体地，使用时，将反应釜体1的反应釜盖11打开，此时，内釜体6的釜盖也跟随一起打开，将样品放入内釜体6中，闭合反应釜盖11，下一步，仔细检查各个管线及阀门，确保密闭无泄漏，然后，启动微波发生器4，微波发生器4产生的微波通过微通道8内的微波导针75导入到釜腔内，并对反应釜进行微波加热到设定温度，下一步，根据需要通过进气管5向内釜体6中填充惰性气体，等待运行完毕后，自动冷却，然后通过泄气管3自动泄压，最后打开反应釜盖11。
参见图6，进一步说，金属带74呈涡状线形，微波导针75位于涡心的一端并与金属带74构成一体结构，金属带74的外侧设有保护部，微波导针75与金属带74采用相同金属材料制成。
设置涡状线形的金属带74可以更好的形成微波天线效应，进一步提高电磁场均匀分布在釜腔内，使物料受热更加均匀。
参见图5和6，进一步说，保护部包括上陶瓷基板71和下陶瓷基板72，下陶瓷基板72对应金属带74的位置设有与之相匹配的放置槽77，金属带74嵌入放置槽77内，微波导针75贯穿设置在下陶瓷基板72的中心位置上，上陶瓷基板71盖设在下陶瓷基板72上，并将金属带74密封在放置槽77内。
设置保护部，可以在使用过程中，对金属带74起到良好的保护作用，在上陶瓷基板71和下陶瓷基板72的保护下避免在金属带74与釜体壁接触，起到良好的绝缘作用。
参见图3和6，进一步说，下陶瓷基板72朝向外釜体1底部的一侧设有凸台73，外釜体1的底部设有与凸台73相匹配的凹槽13，凸台73嵌入在凹槽13内。
设置凸台73和凹槽13，使得下陶瓷基板72底部的凸台73与凹槽13可吻合对接，可提高微波导入体7置入反应釜体1底部的稳定性。
参见图4，进一步说，微波导针75位于微通道8内的针段外侧包裹有陶瓷绝缘套76。
设置陶瓷绝缘套76，通过陶瓷绝缘套76来对微波导针75与微通道8的孔壁进行隔绝，防止出现打火现象。
参见图6，进一步说，上陶瓷基板71和下陶瓷基板72的两侧分别贯穿设有第一通孔78和第二通孔79，第一通孔78和第二通孔79分别用于固定棒式温度传感器2和泄气管3。
进一步说，微通道8的孔径为2-20毫米，通过减小孔的承压面积，以增加釜内的压强。
参见图2，进一步说，外釜体1和外釜盖11之间设有多个密封圈12，外釜盖11的周向上设有用于安装密封圈12的密封槽。
设置密封圈12，通过密封圈12实现反应釜体1和反应釜盖11之间的自密封，确保反应釜的内腔处于密闭状态。
参见图5，进一步说，微波发生器4的周向上设有多个固定支耳41，固定支耳41通过带有固定支柱的螺栓42固定在外釜体1的底部。
通过螺栓42的可拆卸方式连接，方便后期的微波发生器4的维修和更换。
参见图2，进一步说，外釜盖11的盖身自上而下呈锥型结构，且与内釜体6的釜盖呈一体结构。
锥型结构的反应釜盖11方便盖设在反应釜体1上，随着反应釜盖11的封盖压力增大，其封盖密封性越好，进一步提高了釜腔内的密封性。
为了实现上述高压微通道导入式微波反应器，本实施例还公开了上述高压微通道导入式微波反应器的小型实验装置，如下：
高压微通道导入式微波反应器的釜高为430mm，内部直径为260mm，出厂设计压力为30MPa，设计温度280℃，此高压微通道导入式微波反应器的反应釜体1及其反应釜盖11采用不锈钢材质制成，内釜体6采用耐腐蚀的聚四氟乙烯材料装置样品，根据高压釜体承压公式：ts＝P×Do/2([σ]t×Ej+P×Y)；
其中：ts为直管计算厚度,P为设计压力,Do为管子外径,[σ]t为设计温度下的许用应力，Ej为焊接接头系数(对无缝钢管取1)，Y为系数(温度不大于482时一般取0.4)，进而计算出釜体厚度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压微通道导入式微波反应器，包括反应釜体(1)，所述反应釜体(1)的顶部设有反应釜盖(11)，反应釜盖(11)的中心位置贯穿设有进气管(5)，所述反应釜盖(11)的底部两侧分别贯穿设有棒式温度传感器(2)和泄气管(3)，其特征在于，所述反应釜体(1)的内部设有内釜体(6)，反应釜体(1)和内釜体(6)的底部之间设有微波导入体(7)，所述反应釜体(1)的底部轴心位置贯穿设有用于微波导入釜腔内的微通道(8)，所述反应釜盖(11)的底部下方设有微波发生器(4)，微波发生器(4)的输出端设有导波管(43)，导波管(43)与微通道(8)对应设置；
所述微波导入体(7)包括用于形成天线效应的金属带(74)，所述金属带(74)的一端位于釜底中心位置，另一端朝向釜底边缘延展，金属带(74)位于釜心的一端设有用于引导微波通过的微波导针(75)，所述微波导针(75)贯穿所述微通道(8)，并与微波发生器(4)的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的一种高压微通道导入式微波反应器，其特征在于，所述金属带(74)呈涡状线形，所述微波导针(75)位于涡心的一端并与金属带(74)构成一体结构，所述金属带(74)的外侧设有保护部。
3.根据权利要求2所述的一种高压微通道导入式微波反应器，其特征在于，所述保护部包括上陶瓷基板(71)和下陶瓷基板(72)，所述下陶瓷基板(72)对应金属带(74)的位置设有与之相匹配的放置槽(77)，金属带(74)嵌入放置槽(77)内，所述微波导针(75)贯穿设置在下陶瓷基板(72)的中心位置上，所述上陶瓷基板(71)盖设在下陶瓷基板(72)上，并将金属带(74)密封在放置槽(77)内。
4.根据权利要求3所述的一种高压微通道导入式微波反应器，其特征在于，所述下陶瓷基板(72)朝向反应釜体(1)底部的一侧设有凸台(73)，反应釜体(1)的底部设有与所述凸台(73)相匹配的凹槽(13)，所述凸台(73)嵌入在凹槽(13)内。
5.根据权利要求1或2所述的一种高压微通道导入式微波反应器，其特征在于，所述微波导针(75)位于微通道(8)内的针段外侧包裹有陶瓷绝缘套(76)。
6.根据权利要求3所述的一种高压微通道导入式微波反应器，其特征在于，所述上陶瓷基板(71)和下陶瓷基板(72)的两侧分别贯穿设有第一通孔(78)和第二通孔(79)，所述第一通孔(78)和第二通孔(79)分别用于固定棒式温度传感器(2)和泄气管(3)。
7.根据权利要求1所述的一种高压微通道导入式微波反应器，其特征在于，所述微通道(8)的孔径为2-20毫米。
8.根据权利要求1所述的一种高压微通道导入式微波反应器，其特征在于，所述反应釜体(1)和反应釜盖(11)之间设有多个密封圈(12)，所述反应釜盖(11)的周向上设有用于安装密封圈(12)的密封槽。
9.根据权利要求1所述的一种高压微通道导入式微波反应器，其特征在于，所述微波发生器(4)的周向上设有多个固定支耳(41)，所述固定支耳(41)通过带有固定支柱的螺栓(42)固定在反应釜体(1)的底部。
10.根据权利要求1所述的一种高压微通道导入式微波反应器，其特征在于，所述反应釜盖(11)的盖身自上而下呈锥型结构，且与内釜体(6)的釜盖呈一体结构。
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