CN112439374A - 一种高温高压微波化学反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压微波化学反应器，包括反应管、高温高压封装结构件、紧固支架、谐振腔、安全泄压阀、压力表、加压泵和外部的微波发生与馈能控制系统，高温高压封装结构件由定位法兰、圆管接口和封装接口圆管组成，在封装接口圆管的内部底端放置环状铜纤维毡或软金属环，反应管两端涂覆防水高温陶瓷胶，将反应管两端插入两个封装接口圆管内形成过渡配合，紧固支架连接两个高温高压封装结构件，通过调节螺母将压力施加在反应管的两端而实现封装。具有上述结构特征的高温高压微波化学反应器解决并实现了连续流体在高温高压条件下的微波合成与处理，且对化学反应过程可进行有效调控，提高了反应器的稳定性和使用性。

Description

一种高温高压微波化学反应器

技术领域

本发明属于微波加热设备技术领域，具体是涉及一种高温高压微波化学反应器。

背景技术

微波能作为一种新型的节能环保的加热方式，被誉为“人类的第二团火焰”，已经越来越多的应用于加热领域。目前比较成熟的工业应用包括：干燥脱水、灭菌、硫化、烧结等，比较成熟的实验室应用包括：微波马弗炉、微波消解仪、微波灰化炉、微波化学反应器等，当然最为典型的民用产品是家用微波炉。实际加热应用的微波通常是频率为915MHz和2450MHz的电磁波。微波加热的简单原理是其交变电磁场的极化作用使材料内部的自由电荷重新排布及偶极子的反复调旋，从而产生强大的振动和摩擦，在这一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能，导致介质温度升高，因此微波加热是介质材料自身损耗电磁场能量而发热，本质上属于内加热方式。微波加热显著不同于常规的电加热方式，具有如下优点：(1)属于内加热，具有不接触性；(2)加热速度快；(3)加热效率高，可显著节能；(4)可选择性的加热物料；(5)热惯性小；(6)对化学反应具有催化作用。

基于微波的内加热效应和微波对化学反应的催化作用，微波技术应用于化学合成反应，在目前已有的很多案例的实际应用结果表明，反应速度比常规方法要加快数十甚至数百倍，而且可以制备出传统方法难以合成的新材料，这不仅极大地节约了能源，提高了生产效率，而且给新材料的开发开辟了一种新的途径。目前，现有的微波化学反应器的设备开发和使用具有如下特点：(1)由于微波不能穿透金属材料，因此受微波透波条件的限制，目前现有的微波化学反应器大多采用透波的非金属容器，例如：高性能工程塑料；(2)由于很多化学反应需要酸性条件，因此金属容器也受到了限制；(3)很多化学反应的快速顺利进行都需要高温或高压或二者共存的苛刻条件，例如：500℃以上的高温，5MPa以上的压力，而绝大部分高性能工程塑料的最高有效使用温度一般都不超过200℃，高温下耐压能力也一般都不超过2MPa，因此高温高压又是高性能工程塑料等反应容器所无法满足的反应条件。因此有些研究者也一直在尝试金属容器(同时也尝试内衬防腐涂层)的微波化学反应器，但是这种方案又产生了另外一个至今难以解决的问题：为了确保微波的顺利通过进入反应容器内部，那么在金属容器上就必然要开孔，而且在开孔对应的微波馈入通道上又不可避免的仍然要使用透波非金属材料，这里又再次成为了承受高温、高压和密封的短板。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高温高压微波化学反应器，对连续动态流体或静态液体实现在500℃以上高温和/或5MPa以上高压条件下的微波合成与处理。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高温高压微波化学反应器，包括反应管、高温高压封装结构件、紧固支架、谐振腔、安全泄压阀、压力表、加压泵和外部的微波发生与馈能控制系统，所述高温高压封装结构件安装在反应管的两端，所述紧固支架位于反应管的两侧，所述谐振腔的中部安装有微波阻断金属隔板。

优选的，所述高温高压封装结构件是通过机加工制造的一体化整体结构，它由定位法兰、圆管接口和封装接口圆管三部分共同组成，材质为不锈钢、铝合金、镁合金、镍合金、钛合金、铜合金中的一种。

优选的，所述反应管材质为透波的高纯石英、高纯刚玉、玻璃中的一种，采用的封装方法是在封装接口圆管的内部底端放置环状铜纤维毡或软金属环，反应管的两端涂覆防水高温陶瓷胶，然后将反应管的两端分别插入封装接口圆管中形成过渡配合封装。

优选的，所述紧固支架由两根端部带有螺纹的金属杆和调节螺母组成，两根金属杆分别从反应管的两侧连接反应管两端的两个高温高压封装结构件，通过调节螺母缩短两个高温高压封装结构件之间金属杆的长度，将压力施加在反应管的两端，压紧环状铜纤维毡或软金属环实现封装。

优选的，所述微波阻断金属隔板采用活动装配的方法固定在长方体状谐振腔的内侧，并将谐振腔在中部分隔为左右两个独立的加热区，左右两个加热区内反应管的温度可以独立控制。

优选的，所述定位法兰固定在谐振腔的两侧，同时起屏蔽微波防止微波泄露的作用。

具有上述结构的高温高压微波化学反应器，封装部位的高温高压由高温高压封装结构件和紧固支架共同承担，反应管内流体的高温高压由管体本身承担，反应管的承压能力与管内径成反比，与管壁厚成正比，流体自身压力与流体温度成正比。本发明所述的高温高压微波化学反应器，其使用方法是：待处理的液体通过加压泵打入反应管内，启动微波加热，反应管内的液体直接吸收微波升温至预定温度，左右两个加热区分别独立控制温度进行加热，这样既有利于实现均匀加热，又可以在一定范围内实现左右温区的梯度加热，并最终实现高温高压条件下连续动态流体或静态液体的微波化学反应合成与处理。

本发明的优点和积极效果：

本发明所述的一种高温高压微波化学反应器，具有如下优点和积极效果：

(1)可实现连续动态流体和静态液体在500℃以上高温和/或5MPa以上高压条件下的微波合成与处理。

(2)独特方便的双温区独立控制，更容易实现对化学反应过程的有效调控。

(3)提高了反应器的稳定性，使其具有良好的使用性。

附图说明

图1为本发明提出的一种高温高压微波化学反应器的结构示意图。

图中：1反应管、2高温高压封装结构件、3紧固支架、4谐振腔、5安全泄压阀、6压力表、7加压泵、8微波阻断金属隔板、9定位法兰、10圆管接口、11封装接口圆管、12环状铜纤维毡或软金属环、13防水高温陶瓷胶、14调节螺母、15截止阀

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1，一种高温高压微波化学反应器，包括反应管1、高温高压封装结构件2、紧固支架3、谐振腔4、安全泄压阀5、压力表6、加压泵7和外部的微波发生与馈能控制系统；高温高压封装结构件2安装在反应管1的两端，紧固支架3位于反应管1的两侧，谐振腔4的中部安装有微波阻断金属隔板8；高温高压封装结构件2是通过机加工制造的一体化整体结构，它由定位法兰9、圆管接口10和封装接口圆管11三部分共同组成，材质为304不锈钢或高强度铝合金，封装接口圆管11的内径大于圆管接口10的内径；反应管1材质为透波的高纯石英管，直径20mm，壁厚5mm；微波阻断金属隔板8材质为304不锈钢，厚度1.5mm，微波阻断金属隔板8采用活动装配的方法固定在长方体状谐振腔4的内侧，并将谐振腔4在中部分隔为左右两个独立的加热区，左右两个加热区内反应管1的温度可以独立控制；紧固支架3由两根端部带有螺纹的金属杆和调节螺母14组成，金属杆材质为高强度高刚度轴承钢，直径10mm；定位法兰9固定在谐振腔4的两侧，同时起屏蔽微波防止微波泄露的作用；采用的高温高压封装方法是：在封装接口圆管11的内部底端放置环状铜纤维毡12，反应管1两端涂覆硅铝酸盐基的高温陶瓷胶13，随后将反应管1两端插入两个封装接口圆管11内形成过渡配合，紧固支架3的两根金属杆分别从反应管1的两侧连接反应管1两端的两个高温高压封装结构件2，通过紧固支架3上的调节螺母14缩短两个高温高压封装结构件2之间金属杆的长度，将压力施加在反应管1的两端，压紧环状铜纤维毡12，最终实现耐温耐压封装。

具有上述结构的高温高压微波化学反应器，封装部位的高温高压由高温高压封装结构件2和紧固支架3共同承担，反应管1内的流体温度和压力由管体本身承担，反应管1的承压能力与管内径成反比，与管壁厚成正比，流体自身压力与流体温度成正比。工作原理和使用方法是：待加热处理的液体通过加压泵7打入反应管1内，启动微波加热，反应管1内的液体直接吸收微波升温至预定温度，左右两个加热区可以分别独立控制温度进行加热，这样既有利于实现均匀加热，又可以在一定范围内实现左右温区的梯度加热，从而对化学反应过程进行有效调控，实现对连续动态流体在500℃的高温和/或5MPa高压条件下的微波化学反应合成与处理，处理完的流体最终通过截止阀15对应的出口流出。具有上述结构的高温高压微波化学反应器同样可以用于静止液体的高温高压微波化学反应合成与处理。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明阐述的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高温高压微波化学反应器，包括反应管(1)、高温高压封装结构件(2)、紧固支架(3)、谐振腔(4)、安全泄压阀(5)、压力表(6)、加压泵(7)和外部的微波发生与馈能控制系统，其特征在于，所述高温高压封装结构件(2)安装在反应管(1)的两端，所述紧固支架(3)位于反应管(1)的两侧，所述谐振腔(4)的中部安装有微波阻断金属隔板(8)。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压微波化学反应器，其特征在于，所述高温高压封装结构件(2)是通过机加工制造的一体化整体结构，它由定位法兰(9)、圆管接口(10)和封装接口圆管(11)三部分共同组成，材质为不锈钢、铝合金、镁合金、镍合金、钛合金、铜合金中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种高温高压微波化学反应器，其特征在于，所述反应管(1)材质为透波的高纯石英、高纯刚玉、玻璃中的一种，采用的封装方法是在封装接口圆管(11)的内部底端放置环状铜纤维毡或软金属环(12)，反应管(1)的两端涂覆防水高温陶瓷胶(13)，然后将反应管(1)的两端分别插入封装接口圆管(11)中形成过渡配合封装。

4.根据权利要求1所述的一种高温高压微波化学反应器，其特征在于，所述紧固支架(3)由两根端部带有螺纹的金属杆和调节螺母(14)组成，两根金属杆分别从反应管(1)的两侧连接反应管(1)两端的两个高温高压封装结构件(2)，通过调节螺母(14)缩短两个高温高压封装结构件(2)之间金属杆的长度，将压力施加在反应管(1)的两端，压紧环状铜纤维毡或软金属环(12)实现封装。

5.根据权利要求1所述的一种高温高压微波化学反应器，其特征在于，所述微波阻断金属隔板(8)采用活动装配的方法固定在长方体状谐振腔(4)的内侧，并将谐振腔(4)在中部分隔为左右两个独立的加热区，左右两个加热区内反应管(1)的温度可以独立控制。

6.根据权利要求1和2所述的一种高温高压微波化学反应器，其特征在于，所述定位法兰(9)固定在谐振腔(4)的两侧，同时起屏蔽微波防止微波泄露的作用。

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