DE102011116340A1

DE102011116340A1 - Vorrichtung zur Durchführung von hochfrequenten Mikrowellen in einen Hochdruckbehälter

Info

Publication number: DE102011116340A1
Application number: DE102011116340A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung von hochfrequenten Mikrowellen in einen Hochdruckbehälter. Bei der Erfindung handelt es sich um eine berechnete Mikrowelleneinkopplung in einen Hochdruckreaktor, die aus einem oder mehreren Einzelstrahlern besteht. Um größere Bereiche zu bestrahlen, können einzelne oder mehrere Mikrowelleneinkopplungen vertikal übereinander eingesetzt werden. Erfindungsgemäß wird eine verlustarme und druckstabile Mikrowelleneinkopplung dadurch gelöst, dass ein Einzelstrahler mit einer Ringantenne, einer Quarzglasscheibe zur Abdichtung und einem hornförmigen Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt versehen ist. Die vorgeschlagene Ringantenne besitzt mehrere berechnete Ausstrahlungsschlitze, einen Splitter und eine Impedanzanpassung. Ausgehend vom Sender werden die Mikrowellen durch einen rechteckigen hornförmigen Hohlleiter geleitet, passieren die Quarzglasscheibe und werden durch berechnete Ausstrahlungsschlitze in die Reaktionskammer abgestrahlt. Überlappende Reflexionen und Einstrahlungen können durch die Änderung der Impedanzanpassungsbauteile minimiert werden.

Description

Gebiet der Erfindung

1. Mikrowellen stellen in chemische Reaktionen und Prozessen eine alternative Form des Energieeintrages dar. Die elektromagnetische Energiezufuhr ermöglicht bei meist akzeptabler Ausbeute und Selektivität im Vergleich zu konventionell thermisch erwärmten Stoffsystemen eine signifikante Verkürzung der Reaktionszeit.
2. Die ersten Grundlagen der Mikrowellentechnik wurden unmittelbar vor Beginn des zweiten Weltkrieges entwickelt. Ab 1970 kam es zur Anwendung von Mikrowellenstrahlung im Bereich der Lebensmittelindustrie. Im Laufe der achtziger Jahre kam die Anwendung im Labor- und Prozessbereich dazu. Die ersten chemischen Reaktionen im Sinne der organischen Synthesechemie stammen aus dem Jahr 1986.

Hintergrund der Erfindung

3. Die Nutzung von hochenergetischen Mikrowellen zur Unterstützung von physikalischen und chemischen Reaktionen wird immer häufiger eingesetzt. Mikrowellen werden verwendet um chemische und physikalische Reaktionen in Verfahren, Vorrichtungen und Systemen aufzuheizen, anzuregen oder zu zünden. Durch die lineare Kombination von Hochfrequenzen im elektromagnetischen Spektrum induzieren sie bestimmte Wirkungen auf die bestrahlten Materialien. Jedoch sind die chemische Reaktionen und Prozesse im Mikrowellenfeld weitaus stärker geräte- und substanzabhängig als rein thermisch durchgeführte Prozesse.
4. Weitere Nachteile bei mikrowellen-unterstützten Prozessen sind, dass ein elektromagnetischer Energieeintrag durch Grenzschichten den Wirkungsgrad verschlechtert und den Energiebedarf erhöht. Zudem muss insbesondere bei der Einkopplung der Mikrowellenenergie auf eine optimale Absorption der Energie in die Masse geachtet werden, damit eine optimale Absorption der Wellen im Material entsteht.
5. Viele endotherme Prozesse benötigen zur optimalen Reaktion eine Hochdruckumgebung. Erinnert sei hier an die Ammoniaksynthese nach Haber-Bosch und verschiedene Hydrierprozesse, aber auch an selbst/fremdgezündete Verbrennungsprozesse wie sie in Otto- und Dieselmotoren vorkommen. Diese Prozesse können ebenfalls durch Energieeintrag mittels Mikrowellen begünstigt werden, sofern es gelingt die Mikrowellenenergie verlustfrei in den Reaktionsraum einzubringen. Die Voraussetzung hierfür ist eine druckstabile Ausführung der hochfrequenten Energiezufuhr, die das elektromagnetische Feld durch spezielle Antennen in den Reaktionsraum, das Material und die Kavität einkoppeln, damit Leistungseinträge bis zu mehreren Tausend Watt/cm² erreicht werden können.
6. Weiterhin ist eine homogene oder auch inhomogene Ausrichtung der Mikrowellen notwendig um die Edukte gleichmäßig oder konzentriert zu bestrahlen. Aus diesem Grunde wurde an einer verbesserten Methode zur verlustarmen und druckstabilen Durchführung von hochfrequenten Mikrowellen geforscht und letztlich gefunden.

Beschreibung der Erfindung

7. Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung von hochfrequenten Mikrowellen in einen Hochdruckbehälter. Die Erfindung bezieht sich dabei auf eine Vorrichtung zur verlustarmen und druckstabilen Einkopplung von hochfrequenten Mikrowellen in einen Hochdruckbehälter.
8. Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung aus einem oder mehreren vertikal angeordneten Einzelstrahlern, die im Wesentlichen mit einem Ringstrahler (Ringantenne), einer Quarzglasscheibe zur Abdichtung, einem hornförmigen Hohlleiter und einem nicht abgebildeten Mikrowellengenerator mit entsprechendem Übertragungssystem ausgestattet sind. Um die Mikrowellenstrahlung in den Hochdruckbereich einzuleiten wurde das mikrowellentransparente Material Quarzglas in runder Bauform gewählt.
9. Wie bekannt sind Mikrowellen-Antennen eine Kombination aus einem Primärstrahler und einem Sekundärreflektor. Im Zuge der Erfindung wurde ein spezieller Ringstrahler entwickelt, der die Mikrowellenenergie zentrisch in eine vertikale Reaktionskammer einstrahlt. Der Durchmesser der Ringantenne, der Ausstrahlungsschlitze und der Quarzglasscheibe sind so aufeinander abgestimmt, dass im Zentrum des Reaktorbehälters eine maximale Feldstärke entsteht und ein HF-Rückfluss weitestgehend verhindert wird. Zusätzlich kann die Ringantenne im Innenbereich nochmals mit einem Quarzglasrohr abgedichtet werden, damit ein eventuell auftretender Materialeintritt in die Antenne vermieden wird.
10. Die in einem beliebigen Mikrowellengenerator erzeugten Mikrowellen werden durch einen hornförmigen Hohlleiter so geleitet, dass sie das berechnete Quarzglas passieren und danach in eine Ringantenne eingeleitet werden und von dieser ins Zentrum des Reaktors geleitet werden. Die vorgeschlagene Antenne ist auf eine variable Sendleistung von 1 Watt bis 25 Kilowatt konstruiert. Zur Vermeidung von Arc-Bildung und zum Explosionsschutz kann der Hohlleiter außerhalb der Quarzglasscheibe mit Schutzgas gefüllt werden.

Der Reaktionsbehälter verläuft durch die horizontal angebrachten Ringantennen, die in die Außenwandungen des Hochdruckbehälters implementiert werden. Der Überdruck im Hochdruckbehälter wird ermöglicht, indem dieser mit verschiedenen Gasen, Gasgemischen, Flüssigkeiten und/oder Feststoffen befüllt oder geflutet wird.

11. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine berechnete, druckstabile und verlustarme Mikrowelleneinkopplung, die durch die beigefügten Skizzen beschrieben wird. Dazu zeigt die , die vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung von hochfrequenten Mikrowellen in einen (nicht abgebildeten) Hochdruckreaktor, die aus mehreren Einzelstrahlern besteht. In der ist ein Aufbau eines Einzelstrahlers dargestellt und anhand dessen wird die Funktionsweise erklärt.
12. Die Antenne fungiert als geschlossenes und wellen-reflektierendes System und wird daher auch als Ringantenne (1) bezeichnet. Im Inneren des Systems herrscht eine Hochdruckatmosphäre und im äußeren Bereich ein entsprechend niedriger Druck, der Atmosphärendruck. Innerhalb des Hohlleiters ist zur Abdichtung des Druckunterschiedes eine Quarzglasscheibe (2), mit definierter Stärke zwischen zwei abgedichteten Fensterflanschen (3) eingesetzt. Ausgehend vom Sender werden die Mikrowellen durch einen hornförmigen Hohlleiter (4) geleitet, passieren die Quarzglasscheibe (7) und werden durch berechnete Ausstrahlungsschlitze (8) in die Reaktionskammer abgestrahlt. Da die eingebaute Quarzglasscheibe als dielektrischer Widerstand fungiert muss die Impedanz des Gesamtsystemes durch entsprechende Modifikationen innerhalb des Hohlleiters angepasst werden. Hierzu dienen die in der angeführten Metallteile, Splitter (5) und Impedanzanpassung (6). Mittels mehrerer Schrauben wird die Abdichtung zusammengehalten und mit O-Ringen (7) abgedichtet.

Claims

Die Vorrichtung zur Durchführung von hochfrequenten Mikrowellen in einen Hochdruckbehälter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem oder mehreren Einzelstrahlern besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelstrahler versehen ist mit mindestens: – einer Ringantenne (Ringstrahler) – einer Quarzglasscheibe eingesetzt in zwei Fensterflansche – einem hornförmigen Hohlleiter – und einem Mikrowellengenerator mit entsprechenden Übertragungssystem
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringantenne ein geschlossenes und wellen-reflektierendes Gebilde ist, die mehrere berechnete Ausstrahlungsschlitze, einen Splitter und eine Impedanzanpassung besitzt.
Vorrichtung nach zu mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas, von runder Bauform, in zwei Fensterflansche eingesetzt, die mehrere Schrauben zusammenhalten, und mit O-Ringen abgedichtet ist.
Vorrichtung nach zu mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Ringstrahler ein Hochdruck, insbesondere ein Druck von 2 bis 500 bar, bevorzugt ein Druck von 50 bis 200 bar, besonders bevorzugt ein Druck von 80 bis 140 bar herrscht bzw. die Vorrichtung in einem Druckbehälter implementiert wird.
Vorrichtung nach zu mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von 0,3 bis 10 GHz, bevorzugt 2 bis 6 GHz, besonders bevorzugt 2,45 GHz verwendet wird.
Vorrichtung nach zu mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der Mikrowellen eine Amplituden- und/oder Pulsweitenmodulation angewendet wird.
Vorrichtung nach zu mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringantenne zusätzlich im Innenbereich mit einem Quarzglasrohr gegen Eintritt von Verunreinigungen abgedichtet werden kann.
Vorrichtung nach zu mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter, der einen rechteckigen Querschnitt besitzt, zur Verhinderung von Arc-Bildung und zum Explosionsschutz mit Schutzgas gefüllt werden kann.
Vorrichtung zu mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung sowohl zur Einstrahlung von Energie in Hochdruckreaktoren oder zur Zündung von brennbaren Gas-/Luftgemischen, wie sie z. B. in Verbrennungsmaschinen vorkommen, einsetzbar ist.