EP2544509A1 - Mikrowellenreaktor zur mikrowellenunterstützten Erwärmung eines Mediums - Google Patents

Mikrowellenreaktor zur mikrowellenunterstützten Erwärmung eines Mediums Download PDF

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EP2544509A1
EP2544509A1 EP12175027A EP12175027A EP2544509A1 EP 2544509 A1 EP2544509 A1 EP 2544509A1 EP 12175027 A EP12175027 A EP 12175027A EP 12175027 A EP12175027 A EP 12175027A EP 2544509 A1 EP2544509 A1 EP 2544509A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hollow cylinder
microwave reactor
waveguide
microwaves
axis
Prior art date
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Granted
Application number
EP12175027A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2544509B1 (de
Inventor
Ronald Krippendorf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik Katasorb GmbH
Original Assignee
Jenoptik Katasorb GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Jenoptik Katasorb GmbH filed Critical Jenoptik Katasorb GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of EP2544509B1 publication Critical patent/EP2544509B1/de
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64Heating using microwaves
    • H05B6/80Apparatus for specific applications
    • H05B6/806Apparatus for specific applications for laboratory use

Definitions

  • the invention relates to a microwave reactor for microwave-assisted heating of a medium.
  • microwave radiation with frequencies between 300 MHz and 300 GHz.
  • a combination of static reflections of the microwaves at the walls of a housing bounding an interior space and a dynamic reflection of the microwaves by means of at least one mode stirrer is disclosed in US Pat DE 103 29 411 B4 disclosed.
  • the interior space is formed as a highly modern resonator, wherein the resonator diameter is at least five times, but better at least ten times larger than the wavelength of the microwaves.
  • microwaves are coupled via at least one pair of waveguides.
  • the waveguide axes of a pair of waveguides are always aligned at an acute angle to each other and meet a common mode stirrer which extends over almost the entire interior length and which is twisted about its longitudinal axis.
  • the microwaves are reflected at varying angular positions both on the rotating mode stirrer and on the walls, whereby a substantially homogeneous distribution of the microwaves in the interior is achieved.
  • a closed against the interior cavity here it is an autoclave, are introduced, in which are to be heated by the microwaves and thermally processed media.
  • the process control can be controlled by both in the autoclave and in the resonator existing measurement and control signal lines.
  • the microwave reactor consists of a housing enclosing an interior of a microwave-reflective material; a plurality of waveguides, each having a waveguide axis, each communicating with an end-side outlet opening via an opening in the housing with the interior in combination; a first hollow cylinder of a microwave-transparent material filled with a catalyst, which is arranged in the interior so that between the first hollow cylinder, along its hollow cylinder axis, and the housing there is a free space in which two mode stirrers are arranged, and the first Hollow cylinder for carrying a medium frontally with a media supply port and with a media discharge opening, which are provided in the housing in communication.
  • the catalyst of this microwave reactor can be heated very quickly and over its circumference by means of the microwaves. However, the amounts of medium which are heated per unit time and can be removed from pollutants limited to
  • the invention has for its object to show a new way, by means of an energy-efficient heating of media can be achieved.
  • the object is in a microwave reactor for microwave-assisted heating of a medium, consisting of an interior enclosing, housing of microwave-reflective material; a plurality of waveguides, each having a waveguide axis, each communicating with an end-side outlet opening via an opening in the housing with the interior in combination; a first hollow cylinder made of a material transparent to microwaves, which is arranged in the interior so that between the first hollow cylinder, along its hollow cylinder axis, and the housing a free space is present and the first hollow cylinder for carrying a medium frontally with a media supply port and with a Media discharge opening, which are provided in the housing, is in communication, solved.
  • the microwave reactor is characterized in that the housing is a second hollow cylinder which is arranged coaxially around the first hollow cylinder.
  • at least a first and a second waveguide is arranged on the housing.
  • Each of the waveguides has a waveguide axis and a coupling axis.
  • the microwaves are out of the respective waveguide along the coupling axes and coupled into the interior.
  • the waveguides are arranged on the housing such that the coupling axes lie in a plane perpendicular to the hollow cylinder axis and are directed into the intermediate space.
  • the coupling-in axes can run in such a way that they are not directed onto the first hollow cylinder. It is thereby achieved that only a small and unavoidable portion of the injected microwaves impinges directly on the first hollow cylinder and a larger proportion impinges by reflections on an inner wall of the housing to other areas of the first hollow cylinder, wherein different lengths of travel and angle of incidence of the microwaves on the inner wall and on the first hollow cylinder, a spatially uniform distribution of the microwaves and the absorption of the energy transmitted by the microwave energy in the plane takes place.
  • a more uniform distribution of the microwaves is achieved in a further embodiment of the microwave reactor according to the invention characterized in that the coupling axes are indeed directed to the first hollow cylinder, but this is not vertical.
  • a coupling-in axis is considered perpendicular when directed onto the first hollow cylinder, the coupling-in axis intersects the hollow-cylinder axis. It is also considered to be perpendicular if an angle of less than 5 ° is enclosed by the coupling axis and a straight line that intersects the hollow cylinder axis and extends in the plane.
  • the waveguides are preferably arranged at equal angular distances from each other in the plane (for example, two waveguides are 180 °, four waveguides 90 ° offset from one another in the plane).
  • solid, liquid or gaseous substances and mixtures understood that are to be heated by means of microwaves are hereinafter solid, liquid or gaseous substances and mixtures understood that are to be heated by means of microwaves. Combinations of solid, liquid and gaseous media can also be heated.
  • solid media to heat they are preferably transportable, z. B. they are present as a fine-grained powder. It is for example possible that a powdered medium is transported by means of a transport medium.
  • a transport medium may be, for example, an inert gas (eg a noble gas), a gas mixture or a liquid (suspension).
  • the medium passed through the first hollow cylinder may be absorbent even to the microwaves, absorbing substances, e.g. As absorbent particles, or be heated by heat conduction and heat transfer from other absorbent media or by the first hollow cylinder in communication (eg., In or arranged on this) media or body.
  • a microwave-absorbing solid or a body of this substance, for.
  • a catalyst be present in the hollow cylinder, which is flowed through by a medium.
  • the media may be guided in separate compartments of the hollow cylinder.
  • the coupling axis of a waveguide coincides with the waveguide axis when the microwaves are coupled out at a front end of the waveguide. If, however, the front end of the waveguide is closed and the microwaves are coupled, for example, by one or more laterally present in the waveguide slots, soft Einkoppelachse and waveguide axis from each other.
  • the walls of the housing as well as the waveguides consist of a microwave reflecting material, such as steel sheet.
  • the microwave reactor according to the invention is designed so that the coupling axes of all arranged in the plane waveguide are arranged pointing with a same sense of direction about the hollow cylinder axis.
  • a circulation of a portion of the coupled microwaves is effected around the first hollow cylinder.
  • the coupling axes may have the same or different coupling angles.
  • the respective coupling angle is determined by the angle between the coupling axis and a straight line which extends in the plane through the passage point of the coupling axis through the inner wall of the housing and an intersection with the hollow cylinder axis.
  • the coupling-in angle can be adjustable before or during the operation of the microwave reactor. An adjustment of the coupling-in angle can take place once or continuously on the basis of measured data or other known or detected operating parameters.
  • the first hollow cylinder is filled with a catalyst that can be heated by microwaves.
  • the catalyst is then, for example, a solid medium.
  • any material can be used which can be heated by the microwaves and has catalyst properties.
  • the microwave heated material may also be associated with other catalytically active materials that can not be heated by microwaves (catalyst on a support material).
  • the catalyst may preferably fill the first hollow cylinder in the form of a bed, but it is also porous or provided with flow channels and adapted to the first hollow cylinder moldings used.
  • the outlet openings of the Waveguides of the planes can be arranged one above the other along a vertically extending hollow cylinder axis, with a horizontally extending hollow cylinder axis corresponding to each other.
  • the outlet openings of adjacently arranged planes can be offset from each other about the hollow cylinder axis.
  • a waveguide has a number of outlet openings. These are preferably formed as slots, whereby a harmful back reflection of microwaves in the waveguide is greatly reduced.
  • outlet openings adjacently arranged planes are offset from each other so that the outlet openings of the planes come to lie spirally along the hollow cylinder axis or are alternately arranged between at least two possible arrangements. These possibilities can also be combined.
  • a mutual offset of the outlet openings in the planes as well as a displacement of the outlet openings between the planes are preferably chosen so that the local formation of structural interferences (so-called "hot spots") but also of destructive interference of the microwaves are largely avoided.
  • the planes with waveguides are arranged from the media supply opening in the direction of the media discharge opening with increasing distances between successive planes. Such an arrangement of the planes makes it possible to heat a medium near the media feed opening more than near the media discharge opening.
  • the medium entering the media supply opening is advantageously heated by heat conduction from the catalyst by means of such a configuration. Due to the heated medium, a part of the absorbed heat is transported by heat transport through the first hollow cylinder and transferred by heat conduction back to the catalyst. Such an execution allows a uniform heating of the catalyst along the hollow cylinder axis.
  • a further advantageous embodiment of the microwave reactor is when the power of the coupled microwaves per level can be regulated.
  • the heating behavior of the catalyst and the medium is very precisely adjustable.
  • the microwave sources of each level are advantageously adjustable.
  • the first hollow cylinder can be designed differently. It may be designed to extend from the media supply opening to the media discharge opening, wherein the first hollow cylinder is completely or partially filled inside by the catalyst.
  • the first hollow cylinder is coaxial with the hollow cylinder axis of a pipe, so that the catalyst is present in a circular ring around the pipe.
  • the first hollow cylinder is connected via one of its end faces to the media supply opening and to the media discharge opening and is sealed at its other end face for the medium.
  • the media feed opening and the media discharge opening are separated from one another by a tube which is aligned coaxially with the hollow cylinder axis and which is shorter than a hollow cylinder length of the first hollow cylinder so that the media discharge opening and the media feed opening are arranged coaxially to the hollow cylinder axis in a feed plane extending perpendicularly to the hollow cylinder axis ,
  • the microwave reactor according to the invention comprises a plurality of first hollow cylinder, which are arranged axially to the hollow cylinder axis.
  • the inner wall of the housing in each plane at least two protrusions, in each of which at least one outlet opening of a waveguide is present.
  • the waveguides can attach tangentially to the housing and to openings in the housing such that microwaves can be introduced into the interior via outlet openings arranged laterally in the waveguides.
  • a further embodiment of the invention is given by the fact that the waveguide axes of the at least two waveguides are parallel to the hollow cylinder axis and each waveguide in each plane or in some planes in each case at least one outlet opening, through which microwaves are coupled into the interior.
  • a waveguide arises after coupling of microwaves in the waveguide with appropriate dimensioning thereof a standing wave of microwaves.
  • the outlet openings are each present at a multiple of lambda / 2 of the wavelength of the microwaves used.
  • a match of the outlet openings with a multiple of lambda / 2 of the microwaves used can be achieved structurally by the design of the respective waveguide.
  • means are provided with which a standing wave of the microwaves generated in the respective waveguide can be changed is that a coupling out of microwaves through the outlet openings is made possible.
  • Such means may for example be realized by an adjusting device by means of which the length of the waveguide is adjustable.
  • the selection of the materials for the individual components of the microwave reactor according to the invention takes place with regard to the intended application and as a function of the wavelengths or wavelength ranges of the microwaves used and the size of the energies to be coupled into the microreactor.
  • the material of the components is further selected to eliminate or at least reduce undesirable chemical reactions as much as possible.
  • the dimensioning of the device is essentially determined by the requirements of the media feedthrough and the microwave-assisted catalytic conversion, namely both a sufficiently high throughput rate of the medium and a sufficiently long residence time for as complete as possible material conversion of the medium.
  • components of the microwave reactor can be associated with seals as well as with fasteners.
  • edges are rounded and other components such.
  • fasteners are flush or recessed flush with the surrounding surfaces.
  • a controller may be present, which is in communication with and can control, for example, the microwave sources, a pump moving the medium, and transformation means.
  • sensors connected to the controller in and on the microwave reactor can be present, by means of which, for example, temperatures and radiation energies are detected.
  • the controller may be connected to means for analysis by which the material Composition of the supplied medium and / or the achieved material conversion are detected qualitatively and / or quantitatively. This information can be used as actual data for the controller z. B. serve in a target-actual comparison.
  • microwaves are coupled into the interior via the waveguides and their outlet openings.
  • the microwaves propagate as a wavefront along the waveguide axis, wherein the wavefront also forms spatially about the waveguide axis due to diffraction effects from the respective outlet opening, whereby the gap in the region of the plane in which the microwaves are coupled, with microwaves and their energy becomes.
  • the microwaves When microwaves hit a wall of the enclosure, the microwaves are reflected. On the other hand, if the microwaves hit the first hollow cylinder, a portion of the incident microwaves penetrates the first hollow cylinder and is largely absorbed by the medium. If a catalyst is present, it can be heated by the microwaves by their at least partial absorption. The respective non-reflected portion of the microwaves circulates, essentially, in the plane around the hollow cylinder axis, until the microwaves have absorbed through the medium or otherwise released their energy.
  • the invention can find in plants and processes where media are to be heated directly or indirectly.
  • the invention can be used to thermally separate or fractionate mixtures.
  • mixtures of hydrocarbons may be, for example, petroleum, crude oil or oil sludge.
  • a thermal separation can purely physical, z. B. taking advantage of different volatilities (different vapor pressures) of the substances involved, take place.
  • a first embodiment of a microwave reactor 1 is shown with its essential components.
  • the microwave reactor 1 has a housing 2 (shown in longitudinal section) made of sheet steel with a hollow, cylindrical inner shape and an inner wall 2.1, through which a cylindrical and closed at the end faces of the housing 2 through walls 2.2 and 2.3 interior 3 is formed and comprises, a first hollow cylinder 4 with a hollow cylinder length 4.2 along a hollow cylinder axis 4.1 and a first waveguide 7.1 and a second waveguide 7.2, which are arranged in a plane orthogonal to the hollow cylinder axis 4.1 extending plane 10.
  • the first waveguide 7.1 is directed away from the viewer in the interior 3
  • the second waveguide 7.2 is directed to the viewer.
  • the plane 10 is close (in the first embodiment about one sixth of the hollow cylinder length 4.2) of a media feed opening 12, which is covered with a perforated plate 14 made of alloy steel.
  • the hollow cylinder axis 4.1 coincides with a longitudinal axis of the interior 3 extending symmetry axis (not shown) of the housing 2 together.
  • the first hollow cylinder 4 has an outer diameter which is smaller than an inner diameter of the inner wall 2.1 of the housing 2, so that a second hollow cylinder 5 coaxially around the first hollow cylinder 4 is formed by the coaxial with the hollow cylinder axis 4.1 extending inner wall 2.1 of the housing 2 and between the first hollow cylinder 4 and the second hollow cylinder 5 over the hollow cylinder length 4.2 of the first hollow cylinder 4, a gap 6 is present.
  • the first hollow cylinder 4 is made of quartz glass, is transmissive for microwaves and extends in the middle of the housing 2 through the interior 3 along the hollow cylinder axis 4.1 and with the hollow cylinder length 4.2 of a Media supply port 12 in the wall 2.2 to a media discharge opening 13 in the wall 2.3.
  • the first hollow cylinder 4 may consist in other embodiments of the invention of other microwaves transmissive glasses, plastics or composite materials.
  • the catalyst 11 may be a metal oxide, a mixed metal oxide, e.g. Based on perovskite or spinel structure, or another catalytically active and microwave absorbing material.
  • the first hollow cylinder 4 is filled with the catalyst 11 so that a passage of a liquid or gaseous medium through the first hollow cylinder 4 from the media supply port 12 to the media discharge port 13 is possible.
  • the front side of the first hollow cylinder 4 is completed by a perforated plate 14 made of alloy steel, which is designed so that microwaves are prevented from escaping from the interior 3, but a medium to be supplied can easily pass through the perforated plates 14.
  • a medium to be supplied can easily pass through the perforated plates 14.
  • each piping 15 are scheduled for the supply and removal of the medium.
  • the medium is in the embodiment with carbon monoxide and volatile hydrocarbons enriched air.
  • gaseous eg inert carrier gases, exhaust gases
  • liquid media eg water or aqueous solutions
  • other gaseous, liquid or solid substances eg water or aqueous solutions
  • the diameter d of the first hollow cylinder 4 is not greater than twice the empirically determined penetration depth of the microwaves into the catalyst 11.
  • the minimum dimensions of the inner space 3 are determined by the diameter d of the first hollow cylinder 4 and a minimum required distance of the entire peripheral surface of the first hollow cylinder 4 from the inner wall 2.1. Due to the minimum distance from the inner wall 2.1, a largely homogeneous spatial distribution of the microwaves is supported.
  • the first waveguide 7.1 and the second waveguide 7.2 each have a three-pin tuner 22 in a region located outside the housing 2 (see FIG Fig. 2 ) as a transformation device and are each connected to a microwave source 19.
  • the Dreitorstuners 22 By appropriate operation of the Dreitors 22, the electromagnetic properties of the microwaves can be adjusted and adapted to the operating conditions of the microwave reactor 1.
  • a controller 17 is provided, through which the microwave sources 19 and at least one pump 20 for conveying the medium can be controlled.
  • a sensor 18 for detecting the pollutant content (amount and / or concentration of carbon monoxide and volatile hydrocarbons) of the medium is arranged in the first hollow cylinder 4 and signal-conducting connected to the controller 17.
  • All microwave or medium-conducting components of the microwave reactor 1 are provided at their contact points to other components with suitable seals 21 (whose position is only indicated by way of example).
  • Fig. 2 and 3 is in each case a cross section in the plane 10 of a microwave reactor 1 according to Fig. 1 shown.
  • the housing 2 has two openings 2.4 in the plane 10. At the one opening 2.4, an outlet opening 9 of the first waveguide 7.1 is attached, at the other opening 2.4, the outlet opening 9 of the second waveguide 7.2 (waveguide 7).
  • the first waveguide 7.1 and the second waveguide 7.2 are offset by 180 ° to each other so arranged on the housing 2, that a first waveguide axis 8.1 of the first waveguide 7.1 and a second waveguide axis 8.2 of the second waveguide 7.2 (waveguide axes 8) in the hollow cylinder axis 4.1 vertical Level 10 lie and are directed with a same sense of direction and under the same coupling angle ⁇ in the plane 10 to the hollow cylinder axis 4.1 in the space 6.
  • the first waveguide axis 8.1 coincides with a first coupling axis 16.1
  • the second waveguide axis 8.2 coincides with a second coupling axis 16.2.
  • the coupling angle ⁇ is measured between the respective waveguide axis 8.1 or 8.2 and a straight line lying in the plane 10 and passing through an intersection with the hollow cylinder axis 4.1 and that point at which the waveguide axis 8.1 and 8.2 at the same height with an imaginary Puncture or passage point of the waveguide axis 8.1 and 8.2 through the inner wall 2.1.
  • the coupling angle ⁇ is selected so that the first and the second waveguide axis 8.1 and 8.2 (and thus also the first and the second coupling axis 16.1 and 16.2) do not impinge on the first hollow cylinder 4.
  • the outlet openings 9 are made flush with the inner wall 2.1.
  • Fig. 3 is the Einkoppelwinkel ⁇ with about 45 ° selected so that the first and the second waveguide axis 8.1 and 8.2 (and thus also the first and the second coupling axis 16.1 and 16.2) not perpendicular, but at an acute angle to the surface of the first hollow cylinder 4 hit.
  • a third embodiment of the microwave reactor 1 according to Fig. 4 corresponds to the design as to Fig. 1 and 2 described, in addition, however, along the hollow cylinder axis 4.1 three equally spaced planes 10.1 to 10.3 are provided, in each of which two waveguides 7 are arranged.
  • the planes 10.1 to 10.3 are arranged closer to the media supply opening 12 than to the media discharge opening 13.
  • the waveguides 7 of a second plane 10.2 are compared with the waveguides 7 of a first plane 10.1 offset by 90 ° about the hollow cylinder axis 4.1, while the waveguide 7 of a third level 10.3 is again arranged as the waveguide 7 in the first plane 10.1.
  • the waveguide 7 of all three levels 10.1 to 10.3 are arranged with the same coupling angle ⁇ and the same sense of direction (only indicated) to the hollow cylinder axis 4.1.
  • each waveguide 7 communicates with a respective microwave source 19, through which the microwaves to be coupled are provided for the waveguide 7 (shown only for a waveguide 7).
  • Each microwave source 19 is signal-connected to the controller 17.
  • the microwave sources 19 can be controlled by the controller 17 per level 10.1 to 10.3.
  • microwave reactor 1 may be distinguished by the fact that the number of planes 10 and / or the distances between the planes 10 and / or the number of waveguides 7 per level 10 and / or their Einkoppelwinkel ⁇ and / or their sense of direction are chosen differently , The mentioned parameters can also vary between the individual levels 10. Also can be supplied by only one microwave source 19 per level 10 more waveguide 7.
  • a fourth, in Fig. 5 shown embodiment of the microwave reactor 1 are a plurality of first hollow cylinder 4 symmetrical and coaxial with each other and arranged about the axis of symmetry, the first hollow cylinder 4 are spaced apart and each have the same diameter d, which are tuned to the penetration depth of the microwaves in the first hollow cylinder 4 and thereby allowing rapid heating of the catalyst 11 by the microwaves.
  • first hollow cylinders 4 are shown schematically and not in line with one another.
  • the first plurality of hollow cylinders 4 are regarded as compartments of a single first hollow cylinder 4.
  • the existing three levels 10.1 to 10.3 are arranged closer to the media supply openings 12 than to the media discharge openings 13, which are designed here according to the position and the diameter d of the first hollow cylinder 4.
  • first hollow cylinder 4 are arranged coaxially with each other and the first hollow cylinder 4 have different diameters d.
  • execution is the first hollow cylinder 4 over its entire hollow cylinder length 4.2 axially traversed by one, closed at its end faces open tube 23 whose outer diameter is smaller than an inner diameter of the first hollow cylinder 4.
  • the catalyst 11th A space enclosed by the open tube 23 is filled with air. While the heating of the catalyst 11 by the microwaves takes place from the outside, the air in the open tube 23 is heated by heat transfer. The air supplied heat energy is distributed by heat transfer in the open tube 23 and contributes to the heating of the catalyst 11 at.
  • a sixth embodiment of the microwave reactor 1 extends the first hollow cylinder 4, starting from the media supply port 12 in the wall 2.2 along the hollow cylinder axis 4.1 in the interior 3, wherein its protruding into the interior 3 end face is sealed for the medium. Also protrudes from the wall 2.2 coaxially the open tube 23 whose length is less than the hollow cylinder length 4.2 and whose outer diameter is smaller than the inner diameter of the first hollow cylinder 4, in the first hollow cylinder 4.
  • the open tube 23 communicates with the media discharge opening 13 in Connection. Between the open tube 23 and the hollow cylinder 4 is the catalyst 11.
  • the media supply opening 12 and the media discharge opening 13 are both in the wall 2.2.
  • the media discharge port 13 is surrounded by the media supply port 12.
  • Media supply opening 12 and media discharge opening 13 are closed by a common perforated plate 14 in the wall 2.2.
  • the medium flows through the media feed opening 12 into the first hollow cylinder 4 and through the catalyst 11.
  • the medium is also heated by the heated catalyst 11.
  • the medium is deflected and flows through the open tube 23 to the media discharge opening 13, wherein the heated medium releases a portion of its heat energy to the catalyst 11.
  • an inert substance may also be present in the first hollow cylinder 4 and / or the catalyst 11 may be dispensed with.
  • the medium may also flow freely through the first hollow cylinder or cylinders 4. The medium itself can be absorbent for microwaves and heated.
  • the operation of the microwave reactor 1 is based on the Fig. 1 be explained.
  • the conveyed by the pump 20 medium enters through the perforated plate 14 in the media supply port 12 into the first hollow cylinder 4 and flows through the catalyst therein 11.
  • the microwaves provided by the microwave source 19 are through the first waveguide 7.1 and the second waveguide 7.2 along its First and second waveguide axes 8.1 and 8.2 coupled in the plane 10 in the gap 6.
  • the microwaves coupled to the first and second outlet openings 9.1 and 9.2 propagate as wavefront along the first waveguide axis 8.1 or the second waveguide axis 8.2, wherein the wavefront due to diffraction effects from the respective first and second outlet openings 9.1 and 9.2 spatially around the Waveguide axes 8.1 and 8.2 spreads.
  • this wavefront strikes along the respective coupling axes 16.1 and 16.2 in each case on one of the first and the second outlet opening 9.1 and 9.2 facing region of the first hollow cylinder 4 and is substantially absorbed by the catalyst 11 there.
  • the remaining portion of the wavefront impinges on the inner wall 2.1, from where it is reflected back into the interior 3 and guided around the hollow cylinder axis 4.1.
  • a proportion of the microwaves is reflected diffusely, whereby the gap 6 in the region of the plane 10 is homogeneously filled by microwaves.
  • the reflected microwaves can strike the first hollow cylinder 4 from a plurality of directions and at different angular positions, whereby a uniform heating of the catalyst 11 is achieved.
  • the coupling angle ⁇ the heating behavior of the catalyst 11 is controlled influenced.
  • the medium flowing through the catalyst 11 absorbs part of the heat energy of the catalytic converter 11 and heats the catalyst 11 as it flows through the first hollow cylinder 4 in the direction of the media discharge opening 13.
  • the first hollow cylinder 4 is reduced by diffusely reflected microwaves from the media supply opening 12 to the media discharge opening 13 Intensity hit and the catalyst 11 is heated.
  • the medium After flowing through the first hollow cylinder 4, the medium leaves the first hollow cylinder 4 through the perforated plate 14 in the media discharge opening 13.
  • the pulse frequencies and the wavelengths of the microwaves and the dimensions of the microwave reactor 1 are coordinated so that both constructive and destructive interference between the already coupled and rotating microwaves on the one hand and the coupled at the first and second outlet openings 9.1 and 9.2 microwaves on the other hand are largely avoided ,
  • the properties of the coupled-in microwaves are adapted to the respective operating conditions.
  • the occurrence of pollutants in the medium can be detected by sensors 18 and the microwave sources 19 are controlled and regulated by the controller 17, whereby a rapid response of the microwave reactor 1 to different, especially discontinuous pollutant levels (amount, concentration) is achieved in the medium ,
  • a seventh embodiment of the invention as in Fig. 8 shown, two waveguide 7, a first waveguide 7.1 and a second waveguide 7.2, arranged on the housing 2 so that their waveguide axes 8.1, 8.2 parallel to the hollow cylinder axis 4.1.
  • Each of the waveguides 7 has 10 outlet openings 9 per level, which are arranged so that microwaves can be coupled into the interior 3 through them.
  • the first and second coupling axes 16.1, 16.2 are orthogonal in each plane 10 on the first or on the second waveguide axis 8.1, 8.2.
  • the individual outlet openings 9 are arranged along the respective waveguide axes 8.1, 8.2 so that they each have a distance from one another which corresponds to a multiple of lambda / 2 of the coupled into the waveguide 7 microwaves.
  • each of the waveguides 7 is designed so that the said condition is fulfilled under standard conditions.
  • an adjusting device 24 is provided, which consists of a plate 24.1, which corresponds approximately to the inner dimensions of the waveguide 7 and is arranged in this, and a set screw 24.2. By turning the screw 24.2, the plate 24.1 can be moved in the direction of the waveguide axes 8.1, 8.2 and thus the standing wave can be adjusted by changing the effective length of the waveguide 7.
  • a crude oil passed through the first hollow cylinder 4 as a liquid medium is heated to thermally fractionate it.
  • FIG. 9 an eighth embodiment is shown in a cross section.
  • the inner wall 2.1 is in each case bulged on two opposite sides and in a plane 10.
  • the bulges each have a circular arc shape and are bounded on one side by a perpendicular to the hollow cylinder axis 4.1 facing wall 2.5.
  • the wall 2.5 is in each case the outlet openings 9, of which the first coupling axis 16.1 and the second coupling axis 16.2, which are congruent with the waveguide axes 8.1 and 8.2, has perpendicular to the bulge.
  • a ninth embodiment is given that, in principle, the embodiment according to Fig. 9
  • the bulges each have a circular arc-shaped portion and a wall 2.5, which extends from one end of the circular arc-shaped portion to the inner wall 2.1 and not perpendicular to the hollow cylinder axis 4.1, but on the gap 6 points.
  • the first coupling axis 16.1 and the second coupling axis 16.2, which are congruent with the waveguide axes 8.1 and 8.2, are directed into the intermediate space 6 and not perpendicular to the first hollow cylinder 4.
  • more than two bulges may be present in a plane 10. There may also be several levels 10 bulges.
  • the waveguide 7.1, 7.2 tangentially to the housing 2 set so that laterally arranged in the waveguides 7 slot-shaped outlet openings 9 in the areas of openings 2.4 of the inner wall 2.1 of the housing. 2 come to lie, microwaves in the interior 3 can be coupled.
  • the coupling axes 16.1, 16.2 are perpendicular (only one outlet opening 9 shown) on the waveguide axes 8.1, 8.2.
  • the waveguides 7.1, 7.2 are arranged differently with respect to the alignment of their waveguide axes 8.1, 8.2.
  • the first coupling axis 16.1 is directed at a coupling angle ⁇ (not shown) of less than 90 ° into the intermediate space 6, while the second coupling axis 16.2 is directed at a coupling angle ⁇ (likewise not shown) of approximately 90 ° into the intermediate space 6.
  • both coupling axes 16.1, 16.2 do not impinge perpendicularly on the first hollow cylinder 4.
  • the microwave reactor 1 can be used in all areas in which substances transported in a medium are to be heated and / or catalytically converted. In addition to cleaning (eg by oxidation and / or reduction) of media, such as the reaction of pollutants in the air, aerosols or dusts, this can also be the processing of media and / or the substances transported therein.
  • the microwave reactor 1 according to the invention can be operated with a high efficiency with regard to the energies used as well as with regard to the quantities of substance reacted per unit of energy. Particularly advantageous is the microwave reactor 1 at discontinuously occurring pollutant contents of the medium used.
  • the microwave reactor 1 can be used for heating and fractionating hydrocarbon mixtures, in particular crude oil, crude oil and / or oil sludges.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenreaktor (1) zur mikrowellenunterstützten Erwärmung eines Mediums, bestehend aus einem, einen Innenraum (3) umschließenden, Gehäuse (2); mehreren Hohlleitern (7), die jeweils mit einer stirnseitigen Austrittsöffnung (9) über jeweils eine Öffnung (2.4) im Gehäuse (2) mit dem Innenraum (3) in Verbindung stehen; einem ersten Hohlzylinder (4) aus einem für Mikrowellen transparenten Material, der im Innenraum (3) so angeordnet ist, dass zwischen dem ersten Hohlzylinder (4) und dem Gehäuse (2) ein freier Zwischenraum (6) vorhanden ist und der erste Hohlzylinder (4) zur Durchführung eines Mediums stirnseitig mit einer Medienzuführungsöffnung (12) und mit einer Medienabführungsöffnung (13), die im Gehäuse (2) vorgesehen sind, in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen zweiten Hohlzylinder (5) darstellt, der koaxial um den ersten Hohlzylinder (4) angeordnet ist, und dass mindestens ein erster Hohlleiter (7.1), so am Gehäuse (2) angeordnet ist, dass die Einkoppelachsen (16.1, 16.2) der Hohlleiter (7.1, 7.2), entlang derer Mikrowellen aus den Hohlleitern (7.1, 7.2) ausgekoppelt und in den Innenraum (3) eingekoppelt werden, in einer zur Hohlzylinderachse (4.1) senkrechten Ebene (10) liegen und in den Zwischenraum (6) gerichtet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenreaktor zur mikrowellenunterstützten Erwärmung eines Mediums.
  • Bei einer Reihe von gewerblichen oder industriellen Prozessen sowie beim Betrieb von technischen und chemischen Anlagen besteht das Erfordernis, feste, flüssige oder gasförmige Medien zu erwärmen, um diese einer Prozessierung zugänglich zu machen. Dabei ist es bekannt, die Medien vorzuwärmen.
  • Werden das oder die Medien durch Wärmeleitung und Wärmetransport vorgewärmt, benötigt dieses Vorgehen lange Zeiten (bis zu einer Stunde) um die Medien auf eine erforderliche Betriebstemperatur zu erwärmen. Insbesondere bei diskontinuierlich ablaufenden Prozessierungen ergibt sich daher die wenig energieeffiziente Notwendigkeit, das Medium oder die Medien dauerhaft auf Betriebstemperatur zu halten.
  • Eine Möglichkeit, ein Medium bei Bedarf innerhalb kurzer Zeit auf Betriebstemperatur zu bringen, ist die Verwendung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Mikrowellenstrahlung (fortan: Mikrowellen) mit Frequenzen zwischen 300 MHz und 300 GHz.
  • Ein die Gestaltung einer Heizkammer (fortan: Innenraum) betreffender Ansatz wird in der DE 43 13 806 A1 beschrieben. In dem Innenraum sind zusätzliche Reflexionswandungen aus für Mikrowellen reflektierendem Material vorhanden, die so geformt und zueinander ausgerichtet sind, dass in den Innenraum eingekoppelte Mikrowellen im Wesentlichen nur zwischen diesen Reflexionswandungen statisch reflektiert werden. Durch den Innenraum und in den Bereich der umlaufend reflektierten Mikrowellen werden kontinuierlich oder diskontinuierlich zu erwärmende Körper bewegt. Die Lösung gemäß der DE 43 13 806 A1 erlaubt eine recht homogene Verteilung von Mikrowellen zwischen den Reflexionswandungen. Allerdings ist auch hier eine verhältnismäßig große Abmessung des Innenraums nötig, um die Reflexionswandungen unterbringen zu können und um die Ausbildung einer homogenen Verteilung durch eine alleinige Reflexion an den Reflexionswandungen überhaupt erst zu ermöglichen.
  • Eine Kombination von statischen Reflexionen der Mikrowellen an den, einen Innenraum begrenzenden, Wänden eines Gehäuses und einer dynamischen Reflexion der Mikrowellen mittels mindestens einem Modenrührer, ist in der DE 103 29 411 B4 offenbart. Der Innenraum ist als ein hochmodiger Resonator ausgebildet, wobei der Resonatordurchmesser mindestens fünfmal, besser aber wenigstens zehnmal größer als die Wellenlänge der Mikrowellen ist. In den Innenraum, der einfach, aber nie rund gestaltet ist, werden Mikrowellen über mindestens ein Paar Hohlleiter eingekoppelt. Die Hohlleiterachsen eines Paares von Hohlleitern sind immer in einem spitzen Winkel zueinander verlaufend ausgerichtet und treffen auf einen gemeinsamen Modenrührer, der sich über nahezu die gesamte Innenraumlänge erstreckt und der um seine Längsachse tordiert ist. Die Mikrowellen werden unter wechselnden Winkellagen sowohl an dem rotierenden Modenrührer als auch an den Wänden reflektiert, wodurch eine weitgehend homogene Verteilung der Mikrowellen in dem Innenraum erreicht wird.
  • In den Innenraum kann ein gegen den Innenraum abgeschlossener Hohlraum, hier ist es ein Autoklav, eingebracht werden, in dem sich durch die Mikrowellen zu erwärmende und thermisch zu prozessierende Medien befinden. Die Prozessführung kann durch sowohl im Autoklaven als auch im Resonator vorhandene mess- und regeltechnische Signalleitungen gesteuert werden.
  • Durch die Anmelderin selbst ist ein Mikrowellenreaktor zur mikrowellenunterstützten katalytischen Stoffumsetzung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums bekannt ( DE 20 2010 005 946.1 ). Der Mikrowellenreaktor besteht aus einem, einen Innenraum umschließenden, Gehäuse aus für Mikrowellen reflektierendem Material; mehreren Hohlleitern mit je einer Hohlleiterachse, die jeweils mit einer stirnseitigen Austrittsöffnung über jeweils eine Öffnung im Gehäuse mit dem Innenraum in Verbindung stehen; einem mit einem Katalysator gefüllten ersten Hohlzylinder aus einem für Mikrowellen transparenten Material, der im Innenraum so angeordnet ist, dass zwischen dem ersten Hohlzylinder, entlang seiner Hohlzylinderachse, und dem Gehäuse ein freier Zwischenraum vorhanden ist, in dem zwei Modenrührer angeordnet sind, und der erste Hohlzylinder zur Durchführung eines Mediums stirnseitig mit einer Medienzuführungsöffnung und mit einer Medienabführungsöffnung, die im Gehäuse vorgesehen sind, in Verbindung steht. Der Katalysator dieses Mikrowellenreaktors ist sehr schnell und über seinen Umfang mittels der Mikrowellen erwärmbar. Allerdings sind die Mengen an Medium, die je Zeiteinheit erwärmt und von Schadstoffen befreit werden können auf etwa 100 m3/h beschränkt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit aufzuzeigen, mittels der eine energieeffiziente Erwärmung von Medien erreicht werden kann.
  • Die Aufgabe wird in einem Mikrowellenreaktor zur mikrowellenunterstützten Erwärmung eines Mediums, bestehend aus einem, einen Innenraum umschließenden, Gehäuse aus für Mikrowellen reflektierendem Material; mehreren Hohlleitern mit je einer Hohlleiterachse, die jeweils mit einer stirnseitigen Austrittsöffnung über jeweils eine Öffnung im Gehäuse mit dem Innenraum in Verbindung stehen; einem ersten Hohlzylinder aus einem für Mikrowellen transparenten Material, der im Innenraum so angeordnet ist, dass zwischen dem ersten Hohlzylinder, entlang seiner Hohlzylinderachse, und dem Gehäuse ein freier Zwischenraum vorhanden ist und der erste Hohlzylinder zur Durchführung eines Mediums stirnseitig mit einer Medienzuführungsöffnung und mit einer Medienabführungsöffnung, die im Gehäuse vorgesehen sind, in Verbindung steht, gelöst. Der Mikrowellenreaktor ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen zweiten Hohlzylinder darstellt, der koaxial um den ersten Hohlzylinder angeordnet ist. Außerdem ist mindestens ein erster und ein zweiter Hohlleiter am Gehäuse angeordnet. Jeder der Hohlleiter weist eine Hohlleiterachse und eine Einkoppelachse auf. Die Mikrowellen werden entlang der Einkoppelachsen aus dem jeweiligen Hohlleiter aus- und in den Innenraum eingekoppelt. Die Hohlleiter sind so am Gehäuse angeordnet, dass die Einkoppelachsen in einer zur Hohlzylinderachse senkrechten Ebene liegen und in den Zwischenraum gerichtet sind.
  • Die Einkoppelachsen können in einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors so verlaufen, dass diese nicht auf den ersten Hohlzylinder gerichtet sind. Dadurch ist erreicht, dass lediglich ein geringer und unvermeidlicher Anteil der eingekoppelten Mikrowellen direkt auf den ersten Hohlzylinder auftrifft und ein größerer Anteil durch Reflexionen an einer Innenwand des Gehäuses auf andere Bereiche des ersten Hohlzylinders auftrifft, wobei durch unterschiedlich lange Laufwege und Auftreffwinkel der Mikrowellen an der Innenwand und auf dem ersten Hohlzylinder eine räumlich gleichmäßige Verteilung der Mikrowellen und der Absorption der durch die Mikrowellen übertragenen Energie in der Ebene erfolgt.
  • Eine gleichmäßigere Verteilung der Mikrowellen ist in einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors dadurch erreicht, dass die Einkoppelachsen zwar auf den ersten Hohlzylinder gerichtet sind, dies aber nicht senkrecht erfolgt.
  • Dabei gilt im Sinne der Beschreibung eine Einkoppelachse als senkrecht, wenn auf den ersten Hohlzylinder gerichtet, die Einkoppelachse die Hohlzylinderachse schneidet. Als senkrecht wird auch angesehen, wenn durch die Einkoppelachse und einer die Hohlzylinderachse schneidende und in der Ebene verlaufende Gerade ein Winkel von weniger als 5° eingeschlossen ist. Durch eine solche Anordnung ist erreicht, dass ein Teil der eingekoppelten Mikrowellen an dem Hohlzylinder vorbei läuft oder, insbesondere bei flachen Auftreffwinkeln der Mikrowellen auf der Oberfläche des Hohlzylinders, reflektiert wird. Eine Erwärmung des Mediums lediglich über Bereiche des Umfangs des Hohlzylinders in der Ebene ist somit vermieden.
  • Sowohl bei Ausführungen des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors, bei denen die Einkoppelachsen nicht auf den ersten Hohlzylinder gerichtet sind als auch bei den Ausführungen, bei denen keine senkrecht auf den ersten Hohlzylinder gerichtete Einkoppelachsen vorhanden sind, ist es angestrebt, dass ein Anteil der eingekoppelten Mikrowellen um den ersten Hohlzylinder umlaufend geleitet werden und von unterschiedlichen Positionen und unter unterschiedlichen Auftreffbedingungen (Auftreffwinkel, Energiegehalt) den ersten Hohlzylinder erreichen. Durch eine solche erfindungswesentliche Gestaltung ist eine gleichmäßigere und effiziente Erwärmung des Mediums ermöglicht.
  • Die Hohlleiter sind vorzugsweise mit gleichen Winkelabständen zueinander in der Ebene angeordnet (z. B. liegen zwei Hohlleiter um 180°, vier Hohlleiter um je 90° zueinander versetzt in der Ebene).
  • Unter einem zu erwärmenden Medium werden nachfolgend feste, flüssige oder gasförmige Stoffe und Stoffgemische verstanden, die mittels der Mikrowellen erwärmt werden sollen. Es können auch Kombinationen von festen, flüssigen und gasförmigen Medien erwärmt werden. Sind feste Medien zu erwärmen, so sind diese vorzugsweise transportfähig, z. B. liegen diese als feinkörniges Pulver vor. Es ist beispielsweise möglich, dass ein pulverförmiges Medium mittels eines Transportmediums transportiert ist. Ein Transportmedium kann beispielsweise ein inertes Gas (z. B. ein Edelgas), ein Gasgemisch oder eine Flüssigkeit sein (Suspension).
  • Das durch den ersten Hohlzylinder durchgeführte Medium kann selbst für die Mikrowellen absorbierend sein, absorbierende Stoffe, z. B. absorbierende Partikel, enthalten oder durch Wärmeleitung sowie Wärmetransport seitens weiterer absorbierender Medien oder durch mit dem ersten Hohlzylinder in Verbindung stehenden (z. B. in oder an diesem angeordnet) Medien oder Körper erwärmbar sein.
  • Beispielsweise kann ein für Mikrowellen absorbierender fester Stoff, oder ein Körper aus diesem Stoff, z. B. ein Katalysator, in dem Hohlzylinder vorhanden sein, der von einem Medium durchströmt ist.
  • In weiteren Ausführungen des Mikrowellenreaktors können die Medien in voneinander getrennten Kompartimenten des Hohlzylinders geführt sein.
  • In einfachen Ausführungen des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors fällt die Einkoppelachse eines Hohlleiters mit der Hohlleiterachse dann zusammen, wenn die Mikrowellen an einem stirnseitigen Ende des Hohlleiters ausgekoppelt werden. Ist dagegen das stirnseitige Ende des Hohlleiters verschlossen und werden die Mikrowellen beispielsweise durch einen oder mehrere seitlich in dem Hohlleiter vorhandene Schlitze ausgekoppelt, weichen Einkoppelachse und Hohlleiterachse voneinander ab.
  • Die Wände des Gehäuses sowie die Hohlleiter bestehen aus einem die Mikrowellen reflektierendem Material, wie beispielsweise Stahlblech.
  • Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Mikrowellenreaktor so gestaltet, dass die Einkoppelachsen aller in der Ebene angeordneten Hohlleiter mit einem gleichen Richtungssinn um die Hohlzylinderachse weisend angeordnet sind. Mit einer solchen Anordnung wird ein Umlauf eines Teils der eingekoppelten Mikrowellen um den ersten Hohlzylinder bewirkt. Außerdem ist dadurch die Wahrscheinlichkeit stark reduziert, dass Mikrowellen durch die Austrittsöffnungen der Hohlleiter hindurch in die Hohlleiter zurück reflektiert werden.
  • Die Einkoppelachsen können gleiche oder voneinander verschiedene Einkoppelwinkel aufweisen. Dabei ist der jeweilige Einkoppelwinkel durch den Winkel zwischen Einkoppelachse und einer Geraden bestimmt, die in der Ebene durch den Durchgangspunkt der Einkoppelachse durch die Innenwand des Gehäuses und einen Schnittpunkt mit der Hohlzylinderachse verläuft. In weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors können die Einkoppelwinkel vor oder während des Betriebs des Mikrowellenreaktors einstellbar sein. Eine Einstellung der Einkoppelwinkel kann aufgrund von Messdaten oder anderen bekannten oder erfassten Betriebsparametern einmalig oder fortlaufend erfolgen.
  • In einer für viele Anwendungen vorteilhaften Ausführung des Mikrowellenreaktors ist der erste Hohlzylinder mit einem durch Mikrowellen erwärmbaren Katalysator gefüllt. Der Katalysator ist dann ein beispielsweise festes Medium.
  • Als Katalysator kann jedes Material eingesetzt werden, welches durch die Mikrowellen erwärmt werden kann und Katalysatoreigenschaften aufweist. In weiteren Ausführungen kann das durch Mikrowellen erwärmte Material auch mit weiteren katalytisch aktiven Materialien verbunden sein, die sich nicht durch Mikrowellen erwärmen lassen (Katalysator auf einem Trägermaterial).
  • Der Katalysator kann den ersten Hohlzylinder vorzugsweise in Form einer Schüttung ausfüllen, es sind aber auch poröse oder mit Strömungskanälen versehene und an den ersten Hohlzylinder angepasste Formkörper verwendbar.
  • Um eine gleichmäßige und schnelle Erwärmung des Mediums zu erreichen, können mehrere Ebenen mit Hohlleitern vorhanden sein. Die Austrittsöffnungen der Hohlleiter der Ebenen können entlang einer vertikal verlaufenden Hohlzylinderachse übereinander, bei einer horizontal verlaufenden Hohlzylinderachse entsprechend nebeneinander, angeordnet sein. In einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors können die Austrittsöffnungen benachbart angeordneter Ebenen zueinander um die Hohlzylinderachse versetzt sein.
  • Es ist in weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors möglich, dass ein Hohlleiter eine Anzahl von Austrittsöffnungen aufweist. Diese sind vorzugsweise als Schlitze ausgebildet, wodurch eine schädliche Rückreflexion von Mikrowellen in den Hohlleiter stark reduziert wird.
  • Dabei ist es möglich, dass die Austrittsöffnungen benachbart angeordneter Ebenen zueinander so versetzt sind, dass die Austrittsöffnungen der Ebenen spiralig entlang der Hohlzylinderachse zu liegen kommen oder aber zwischen mindestens zwei möglichen Anordnungen alternierend angeordnet sind. Diese Möglichkeiten können auch kombiniert sein.
  • Ein gegenseitiger Versatz der Austrittsöffnungen in den Ebenen als auch ein Versatz der Austrittsöffnungen zwischen den Ebenen sind vorzugsweise so gewählt, dass die lokale Ausbildung von konstruktiven Interferenzen (sog. "hot-spots") aber auch von destruktiven Interferenzen der Mikrowellen weitgehend vermieden werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors sind die Ebenen mit Hohlleitern von der Medienzuführungsöffnung in Richtung der Medienabführungsöffnung mit zunehmenden Abständen zwischen aufeinander folgenden Ebenen angeordnet. Durch eine derartige Anordnung der Ebenen ist es möglich, ein Medium nahe der Medienzuführungsöffnung stärker zu erwärmen als nahe der Medienabführungsöffnung.
  • Ist ein Katalysator verwendet, wird vorteilhaft das an der Medienzuführungsöffnung eintretende Medium mittels einer solchen Ausgestaltung durch Wärmeleitung von dem Katalysator erwärmt. Durch das erwärmte Medium wird durch Wärmetransport ein Teil der aufgenommenen Wärme durch den ersten Hohlzylinder transportiert und durch Wärmeleitung wieder auf den Katalysator übertragen. Eine solche Ausführung erlaubt eine gleichmäßige Erwärmung des Katalysators entlang der Hohlzylinderachse.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Mikrowellenreaktors ist, wenn die Leistung der eingekoppelten Mikrowellen je Ebene regelbar ist. Auf diese Weise ist das Erwärmungsverhalten des Katalysators und des Mediums sehr präzise einstellbar. Dazu sind vorteilhaft die Mikrowellenquellen jeder Ebene regelbar. Ferner können Transformationseinrichtungen, z. B. Dreistifttuner an den Hohlleitern, zur Beeinflussung der Eigenschaften der Mikrowellen angeordnet sein.
  • Der erste Hohlzylinder kann verschieden gestaltet sein. Er kann sich von der Medienzuführungsöffnung zur Medienabführungsöffnung erstreckend ausgeführt sein, wobei der erste Hohlzylinder innen ganz oder teilweise von dem Katalysator ausgefüllt ist.
  • In einer zweiten Ausführung ist der erste Hohlzylinder koaxial zur Hohlzylinderachse von einem Rohr durchzogen, so dass der Katalysator in einem Kreisring um das Rohr vorhanden ist.
  • Im Bereich der Medienzuführungsöffnung und Medienabführungsöffnung können Mittel, in einer einfachen Ausführung z. B. eine Lochplatte aus Stahlblech, vorhanden sein, durch die ein Austreten von Mikrowellen aus dem Mikrowellenreaktor verhindert wird.
  • In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors steht der erste Hohlzylinder über eine seiner Stirnseiten mit der Medienzuführungsöffnung und mit der Medienabführungsöffnung in Verbindung und ist an seiner anderen Stirnseite für das Medium dicht verschlossen. Die Medienzuführungsöffnung und die Medienabführungsöffnung sind durch ein koaxial zu der Hohlzylinderachse ausgerichtetes Rohr, welches kürzer als eine Hohlzylinderlänge des ersten Hohlzylinders ist, voneinander getrennt, so dass die Medienabführungsöffnung und die Medienzuführungsöffnung in einer sich senkrecht zur Hohlzylinderachse erstreckenden Zuführungsebene koaxial zur Hohlzylinderachse liegend, angeordnet sind.
  • Es ist ferner möglich, dass der erfindungsgemäße Mikrowellenreaktor mehrere erste Hohlzylinder aufweist, welche axial zur Hohlzylinderachse angeordnet sind.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors weist die Innenwand des Gehäuses in jeder Ebene mindestens zwei Ausbuchtungen auf, in denen jeweils mindestens eine Austrittsöffnung eines Hohlleiters vorhanden ist. Durch eine solche Gestaltung wird eine vereinfachte Herstellung der Anbindung der Hohlleiter an das Gehäuse ermöglicht. Zugleich ist die Gefahr einer Rückreflexion von Mikrowellen in die Hohlleiter gering.
  • Ferner ist es möglich, dass die Hohlleiter tangential an das Gehäuse und an Öffnungen in dem Gehäuse ansetzen, dass über seitlich in den Hohlleitern angeordnete Austrittsöffnungen, Mikrowellen in den Innenraum einkoppelbar sind.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die Hohlleiterachsen der mindestens zwei Hohlleiter parallel zur Hohlzylinderachse verlaufen und jeder Hohlleiter in jeder Ebene oder in einigen Ebenen jeweils mindestens eine Austrittsöffnung aufweist, durch welche Mikrowellen in den Innenraum einkoppelbar sind.
  • In einem Hohlleiter entsteht nach Einkopplung von Mikrowellen in den Hohlleiter bei entsprechender Dimensionierung desselben eine stehende Welle der Mikrowellen. Um eine effektive Auskopplung der Mikrowellen aus dem Hohlleiter und eine Einkopplung durch die Austrittsöffnungen in den Innenraum zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Austrittsöffnungen jeweils bei einem Vielfachen von Lambda/2 der Wellenlänge der verwendeten Mikrowellen vorhanden sind.
  • Eine Übereinstimmung der Austrittsöffnungen mit einem Vielfachen von Lambda/2 der verwendeten Mikrowellen kann konstruktiv durch die Gestaltung des jeweiligen Hohlleiters erreicht werden.
  • Es ist jedoch von Vorteil, wenn zusätzlich Mittel vorhanden sind, mit denen eine in dem jeweiligen Hohlleiter erzeugte stehende Welle der Mikrowellen so veränderbar ist, dass eine Auskopplung von Mikrowellen durch die Austrittsöffnungen ermöglicht wird. Solche Mittel können beispielsweise durch eine Stellvorrichtung realisiert sein, mittels der die Länge des Hohlleiters einstellbar ist.
  • Die Auswahl der Materialien für die einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors erfolgt im Hinblick auf die vorgesehene Anwendung und in Abhängigkeit von den Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen der verwendeten Mikrowellen sowie der Größe der in den Mikroreaktor einzukoppelnden Energien. Das Material der Komponenten wird weiterhin so gewählt, dass unerwünschte chemische Reaktionen ausgeschlossen oder zumindest so weit als möglich reduziert werden. Die Dimensionierung der Vorrichtung wird im Wesentlichen durch die Erfordernisse der Mediendurchführung und der mikrowellenunterstützten katalytischen Stoffumsetzung, nämlich sowohl einer genügend hohen Durchsatzrate des Mediums als auch einer ausreichend langen Verweildauer zur möglichst vollständigen Stoffumsetzung des Mediums, bestimmt.
  • Es ist ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegend, dass Komponenten des Mikrowellenreaktors mit Dichtungen sowie mit Befestigungselementen in Verbindung stehen können.
  • Um unerwünschte Wirkungen der Mikrowellen, wie beispielsweise Antennenwirkungen von in den Innenraum hinein ragender Komponenten des Mikrowellenreaktors weitestgehend zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn deren Kanten abgerundet werden und weitere Komponenten, wie z. B. Befestigungselemente, bündig mit den umgebenden Oberflächen abschließend oder versenkt angeordnet sind.
  • Neben den beschriebenen Komponenten des Mikrowellenreaktors kann eine Steuerung vorhanden sein, die beispielsweise mit den Mikrowellenquellen, einer das Medium bewegende Pumpe und Transformationseinrichtungen in Verbindung steht und diese ansteuern kann. Weiterhin können in und an dem Mikrowellenreaktor mit der Steuerung verbundene Sensoren vorhanden sein, durch die beispielsweise Temperaturen und Strahlungsenergien erfasst werden. Außerdem kann die Steuerung mit Einrichtungen zur Analyse verbunden sein, durch welche die stoffliche Zusammensetzung des zuzuführenden Mediums und/oder die erreichte Stoffumsetzung qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden. Diese Informationen können als Ist-Daten für die Steuerung z. B. in einem Soll-Ist-Vergleich dienen.
  • Während eines Betriebes eines erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors werden über die Hohlleiter und deren Austrittsöffnungen Mikrowellen in den Innenraum eingekoppelt. Die Mikrowellen breiten sich als Wellenfront entlang der Hohlleiterachse aus, wobei sich die Wellenfront aufgrund von Beugungseffekten ab der jeweiligen Austrittsöffnung auch räumlich um die Hohlleiterachse ausbildet, wodurch der Zwischenraum im Bereich der Ebene, in der die Mikrowellen eingekoppelt sind, mit Mikrowellen und deren Energie erfüllt wird.
  • Treffen Mikrowellen auf eine Wand des Gehäuses, werden die Mikrowellen reflektiert. Treffen die Mikrowellen dagegen auf den ersten Hohlzylinder, durchdringt ein Anteil der auftreffenden Mikrowellen den ersten Hohlzylinder und wird weitgehend von dem Medium absorbiert. Ist ein Katalysator vorhanden, kann dieser von den Mikrowellen durch deren mindestens teilweise Absorption erwärmt werden. Der jeweils nicht reflektierte Anteil der Mikrowellen läuft, im Wesentlichen, in der Ebene um die Hohlzylinderachse um, bis die Mikrowellen durch das Medium absorbiert oder in sonstiger Weise ihre Energie abgegeben haben.
  • Eine Verwendung kann die Erfindung in Anlagen und Verfahren finden, bei denen Medien direkt oder indirekt zu erwärmen sind. Vorteilhaft kann die Erfindung dazu verwendet werden, Stoffgemische thermisch aufzutrennen oder zu fraktionieren. Es ist beispielsweise möglich, Gemische von Kohlenwasserstoffen zu fraktionieren. Solche Gemische können beispielsweise Erdöl, Rohöl oder Ölschlämme sein. Eine thermische Auftrennung kann rein physikalisch, z. B. unter Ausnutzung verschiedener Flüchtigkeiten (unterschiedliche Dampfdrücke) der beteiligten Stoffe, erfolgen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert.
  • Die Abbildungen zeigen in
  • Fig. 1:
    eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors im Teilschnitt;
    Fig. 2:
    eine Darstellung eines Querschnittes einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors mit nicht auf einen ersten Hohlzylinder gerichteten Einkoppelachsen;
    Fig. 3:
    eine Darstellung eines Querschnittes einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors mit nicht senkrecht auf einen ersten Hohlzylinder gerichteten Einkoppelachsen;
    Fig. 4:
    eine dritte Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors mit Hohlleitern in drei Ebenen im Teilschnitt;
    Fig. 5:
    eine vierte Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors mit mehreren ersten Hohlzylindern im Teilschnitt;
    Fig. 6:
    eine fünfte Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors mit einem durchgehenden Rohr in dem ersten Hohlzylinder im Längsschnitt;
    Fig. 7:
    eine sechste Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors mit einem verkürzten Rohr in dem ersten Hohlzylinder im Längsschnitt;
    Fig. 8:
    eine siebente Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors mit parallel der Hohlzylinderachse verlaufenden Hohlleitern;
    Fig. 9:
    einen Querschnitt durch eine achte Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors auf Höhe einer Ebene mit Ausbuchtungen des Gehäuses mit nicht auf den ersten Hohlzylinder gerichteten Einkoppelachsen,
    Fig. 10:
    einen Querschnitt durch eine neunte Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors auf Höhe einer Ebene mit Ausbuchtungen des Gehäuses mit auf den ersten Hohlzylinder gerichteten Einkoppelachsen, und
    Fig. 11:
    eine Darstellung eines Querschnittes einer zehnten Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors.
  • In Fig.1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors 1 mit seinen wesentlichen Komponenten gezeigt. Der Mikrowellenreaktor 1 weist ein Gehäuse 2 (im Längsschnitt gezeigt) aus Stahlblech mit einer hohlen, zylindrischen Innenform und einer Innenwand 2.1 auf, durch die ein zylindrischer und an den Stirnseiten des Gehäuses 2 durch Wände 2.2 und 2.3 abgeschlossener Innenraum 3 gebildet und umfasst ist, einen ersten Hohlzylinder 4 mit einer Hohlzylinderlänge 4.2 entlang einer Hohlzylinderachse 4.1 sowie einen ersten Hohlleiter 7.1 und einen zweiten Hohlleiter 7.2, die in einer sich orthogonal zur Hohlzylinderachse 4.1 erstreckenden Ebene 10 angeordnet sind. Der erste Hohlleiter 7.1 ist vom Betrachter weg in den Innenraum 3 gerichtet, der zweite Hohlleiter 7.2 ist auf den Betrachter gerichtet. Die Ebene 10 befindet sich nahe (im ersten Ausführungsbeispiel etwa bei einem Sechstel der Hohlzylinderlänge 4.2) einer Medienzuführungsöffnung 12, welche mit einer Lochplatte 14 aus legiertem Stahlblech überdeckt ist.
  • Die Hohlzylinderachse 4.1 fällt mit einer in Längsrichtung des Innenraums 3 verlaufenden Symmetrieachse (nicht gezeigt) des Gehäuses 2 zusammen. Der erste Hohlzylinder 4 besitzt einen Außendurchmesser, der geringer als ein Innendurchmesser der Innenwand 2.1 des Gehäuses 2 ist, so dass durch die koaxial zur Hohlzylinderachse 4.1 verlaufende Innenwand 2.1 des Gehäuses 2 ein zweiter Hohlzylinder 5 koaxial um den ersten Hohlzylinder 4 gebildet ist und zwischen dem ersten Hohlzylinder 4 und dem zweiten Hohlzylinder 5 über die Hohlzylinderlänge 4.2 des ersten Hohlzylinders 4 ein Zwischenraum 6 vorhanden ist.
  • Der erste Hohlzylinder 4 besteht aus Quarzglas, ist für Mikrowellen transmissiv und erstreckt sich in der Mitte des Gehäuses 2 durch den Innenraum 3 entlang der Hohlzylinderachse 4.1 und mit der Hohlzylinderlänge 4.2 von einer Medienzuführungsöffnung 12 in der Wand 2.2 zu einer Medienabführungsöffnung 13 in der Wand 2.3. Der erste Hohlzylinder 4 kann in weiteren Ausführungen der Erfindung aus anderen für Mikrowellen transmissiven Gläsern, Kunststoffen oder Materialverbünden bestehen.
  • Im Inneren des ersten Hohlzylinders 4 befindet sich eine Schüttung eines Katalysators 11 aus einem Mikrowellen absorbierenden Material. Der Katalysator 11 kann ein Metalloxid, ein Metallmischoxid, z. B. auf Basis von Perowskit- oder Spinellstruktur, oder ein anderes katalytisch aktives und Mikrowellen absorbierendes Material sein.
  • Der erste Hohlzylinder 4 ist mit dem Katalysator 11 so gefüllt, das ein Durchtreten eines flüssigen oder gasförmigen Mediums durch den ersten Hohlzylinder 4 von der Medienzuführungsöffnung 12 zu der Medienabführungsöffnung 13 möglich ist.
  • Stirnseitig wird der erste Hohlzylinder 4 von je einer Lochplatte 14 aus legiertem Stahlblech abgeschlossen, die so gestaltet ist, dass Mikrowellen an einem Austritt aus dem Innenraum 3 gehindert werden, ein zuzuführendes Medium aber leicht durch die Lochplatten 14 durchtreten kann. An den Lochplatten 14 sind jeweils Rohrleitungen 15 zur Zufuhr bzw. Abfuhr des Mediums angesetzt. Das Medium ist im Ausführungsbeispiel mit Kohlenmonoxid und flüchtigen Kohlenwasserstoffen angereicherte Luft. Es können jedoch auch andere gasförmige (z. B. inerte Trägergase, Abgase) oder flüssige Medien (z. B. Wasser oder wässrige Lösungen) mit anderen gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen sowie Mischungen dieser (Aerosole, Stäube) erwärmt und umgesetzt werden.
  • Der Durchmesser d des ersten Hohlzylinders 4 ist nicht größer als die doppelte, empirisch festgestellte Eindringtiefe der Mikrowellen in den Katalysator 11 gewählt. Die minimalen Abmessungen des Innenraums 3 sind durch den Durchmesser d des ersten Hohlzylinders 4 und einen minimal erforderlichen Abstand der gesamten Umfangsfläche des ersten Hohlzylinders 4 von der Innenwand 2.1 bestimmt. Durch den minimalen Abstand von der Innenwand 2.1 ist eine weitgehend homogene räumliche Verteilung der Mikrowellen unterstützt.
  • Der erste Hohlleiter 7.1 und der zweite Hohlleiter 7.2 weisen in einem außerhalb des Gehäuses 2 befindlichen Bereich jeweils einen Dreistifttuner 22 (siehe Fig. 2) als Transformationseinrichtung auf und sind mit jeweils einer Mikrowellenquelle 19 verbunden. Durch entsprechende Betätigung des Dreistifttuners 22 können die elektromagnetischen Eigenschaften der Mikrowellen eingestellt und an die Betriebsbedingungen des Mikrowellenreaktors 1 angepasst werden.
  • Ferner ist eine Steuerung 17 vorhanden, durch welche die Mikrowellenquellen 19 und mindestens eine Pumpe 20 zur Förderung des Mediums steuerbar sind. Ein Sensor 18 zur Erfassung des Schadstoffgehaltes (Menge und/oder Konzentration des Kohlenmonoxids und der flüchtigen Kohlenwasserstoffen) des Mediums ist in dem ersten Hohlzylinder 4 angeordnet und signalleitend mit der Steuerung 17 verbunden.
  • Alle mikrowellen- oder mediumleitende Komponenten des Mikrowellenreaktors 1 sind an ihren Kontaktstellen zu jeweils anderen Komponenten mit geeigneten Dichtungen 21 (deren Lage nur beispielhaft angedeutet ist) versehen.
  • In den Fig. 2 und 3 ist jeweils ein Querschnitt in der Ebene 10 eines Mikrowellenreaktors 1 gemäß Fig. 1 gezeigt.
  • Das Gehäuse 2 weist in der Ebene 10 zwei Öffnungen 2.4 auf. An der einen Öffnung 2.4 ist eine Austrittsöffnung 9 des ersten Hohlleiters 7.1 angesetzt, an der anderen Öffnung 2.4 die Austrittsöffnung 9 des zweiten Hohlleiters 7.2 (Hohlleiter 7).
  • Der erste Hohlleiter 7.1 und der zweite Hohlleiter 7.2 sind um 180° zueinander versetzt so am Gehäuse 2 angeordnet, dass sich eine erste Hohlleiterachse 8.1 des ersten Hohlleiters 7.1 und eine zweite Hohlleiterachse 8.2 des zweiten Hohlleiters 7.2 (Hohlleiterachsen 8) in der zur Hohlzylinderachse 4.1 senkrechten Ebene 10 liegen und mit einem gleichen Richtungssinn und unter gleichem Einkoppelwinkel α in der Ebene 10 um die Hohlzylinderachse 4.1 in den Zwischenraum 6 gerichtet sind. Die erste Hohlleiterachse 8.1 fällt mit einer ersten Einkoppelachse 16.1, die zweite Hohlleiterachse 8.2 fällt mit einer zweiten Einkoppelachse 16.2 zusammen.
  • Der Einkoppelwinkel α ist zwischen der betreffenden Hohlleiterachse 8.1 bzw. 8.2 sowie einer Geraden gemessen, die in der Ebene 10 liegt und durch einen Schnittpunkt mit der Hohlzylinderachse 4.1 sowie denjenigen Punkt verläuft, an dem die Hohlleiterachse 8.1 bzw. 8.2 auf gleicher Höhe mit einem gedachten Durchstoßoder Durchgangspunkt der Hohlleiterachse 8.1 bzw. 8.2 durch die Innenwand 2.1 ist. Der Einkoppelwinkel α ist so gewählt, dass die erste und die zweite Hohlleiterachse 8.1 und 8.2 (und damit auch die erste und die zweite Einkoppelachse 16.1 und 16.2) nicht auf den ersten Hohlzylinder 4 auftreffen. Die Austrittsöffnungen 9 sind bündig mit der Innenwand 2.1 ausgeführt.
  • In der zweiten Ausführung gemäß Fig. 3 ist der Einkoppelwinkel α mit etwa 45° so gewählt, dass die erste und die zweite Hohlleiterachse 8.1 und 8.2 (und damit auch die erste und die zweite Einkoppelachse 16.1 und 16.2) nicht senkrecht, sondern in einem spitzen Winkel, auf die Oberfläche des ersten Hohlzylinders 4 auftreffen.
  • Eine dritte Ausgestaltung des Mikrowellenreaktors 1 gemäß Fig. 4 entspricht der Ausgestaltung wie zu Fig. 1 und 2 beschrieben, zusätzlich sind jedoch entlang der Hohlzylinderachse 4.1 drei gleichmäßig voneinander beabstandete Ebenen 10.1 bis 10.3 vorhanden, in denen jeweils zwei Hohlleiter 7 angeordnet sind. Die Ebenen 10.1 bis 10.3 sind näher an der Medienzuführungsöffnung 12 als an der Medienabführungsöffnung 13 angeordnet. Die Hohlleiter 7 einer zweiten Ebene 10.2 sind gegenüber den Hohlleitern 7 einer ersten Ebene 10.1 um 90° um die Hohlzylinderachse 4.1 versetzt, während die Hohlleiter 7 einer dritten Ebene 10.3 wieder wie die Hohlleiter 7 in der ersten Ebene 10.1 angeordnet ist. Die Hohlleiter 7 aller drei Ebenen 10.1 bis 10.3 sind mit gleichem Einkoppelwinkel α und gleichem Richtungssinn (nur angedeutet gezeigt) um die Hohlzylinderachse 4.1 angeordnet.
  • Wie bereits in Fig. 1 gezeigt, steht jeder Hohlleiter 7 mit je einer Mikrowellenquelle 19 in Verbindung, durch welche die einzukoppelnden Mikrowellen für die Hohlleiter 7 bereitgestellt sind (nur für einen Hohlleiter 7 gezeigt). Jede Mikrowellenquelle 19 ist mit der Steuerung 17 signalleitend verbunden. Die Mikrowellenquellen 19 sind je Ebene 10.1 bis 10.3 durch die Steuerung 17 ansteuerbar.
  • Weitere Ausführungen des Mikrowellenreaktors 1 können sich dadurch auszeichnen, dass die Anzahl der Ebenen 10 und/oder die Abstände zwischen den Ebenen 10 und/oder die Anzahl der Hohlleiter 7 je Ebene 10 und/oder deren Einkoppelwinkel α und/oder deren Richtungssinn anders gewählt sind. Die genannten Parameter können auch zwischen den einzelnen Ebenen 10 variieren. Auch können je Ebene 10 mehrere Hohlleiter 7 durch nur eine Mikrowellenquelle 19 versorgt sein.
  • In einer vierten, in Fig. 5 gezeigten, Ausführung des Mikrowellenreaktors 1 sind mehrere erste Hohlzylinder 4 symmetrisch und koaxial zueinander und um die Symmetrieachse angeordnet, wobei die ersten Hohlzylinder 4 voneinander beabstandet sind und jeweils gleiche Durchmesser d aufweisen, die auf die Eindringtiefe der Mikrowellen in die ersten Hohlzylinder 4 abgestimmt sind und dadurch eine schnelle Erwärmung des Katalysators 11 durch die Mikrowellen erlauben. Der Übersicht halber sind nur drei erste Hohlzylinder 4 schematisch und nicht lagetreu gezeigt. Die mehreren ersten Hohlzylinder 4 werden als Kompartimente eines einzigen ersten Hohlzylinders 4 aufgefasst.
    Die vorhandenen drei Ebenen 10.1 bis 10.3 sind näher an den Medienzuführungsöffnungen 12 als an den Medienabführungsöffnungen 13 angeordnet, welche hier entsprechend der Lage und des Durchmessers d der ersten Hohlzylinder 4 gestaltet sind.
  • Es ist auch möglich, dass in weiteren Ausführungen mehrere erste Hohlzylinder 4 koaxial zueinander angeordnet sind und die ersten Hohlzylinder 4 voneinander verschiedene Durchmesser d aufweisen.
  • In einer fünften, in Fig. 6 gezeigten, Ausführung ist der erste Hohlzylinder 4 über seine gesamte Hohlzylinderlänge 4.2 axial von einem, an seinen Stirnseiten abgeschlossenen offenes Rohr 23 durchzogen, dessen Außendurchmesser geringer als ein Innendurchmesser des ersten Hohlzylinders 4 ist. Zwischen dem offenen Rohr 23 und dem ersten Hohlzylinder 4 befindet sich der Katalysator 11.
    Ein von dem offenen Rohr 23 umfangener Raum ist luftgefüllt. Während die Erwärmung des Katalysators 11 durch die Mikrowellen von außen erfolgt, wird die Luft in dem offenen Rohr 23 durch Wärmeübertragung erwärmt. Die so der Luft zugeführte Wärmeenergie wird durch Wärmetransport in dem offenen Rohr 23 verteilt und trägt zur Erwärmung des Katalysators 11 bei.
  • In einer sechsten Ausführung des Mikrowellenreaktors 1 gemäß Fig. 7 erstreckt sich der erste Hohlzylinder 4 ausgehend von der Medienzuführungsöffnung 12 in der Wand 2.2 entlang der Hohlzylinderachse 4.1 in den Innenraum 3, wobei seine in den Innenraum 3 ragende Stirnseite für das Medium dicht verschlossen ist. Ebenfalls von der Wand 2.2 aus ragt koaxial das offene Rohr 23, dessen Länge geringer ist als die Hohlzylinderlänge 4.2 und dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des ersten Hohlzylinders 4, in den ersten Hohlzylinder 4. Das offene Rohr 23 steht mit der Medienabführungsöffnung 13 in Verbindung. Zwischen dem offenen Rohr 23 und dem Hohlzylinder 4 befindet sich der Katalysator 11. Die Medienzuführungsöffnung 12 und die Medienabführungsöffnung 13 liegen beide in der Wand 2.2. Die Medienabführungsöffnung 13 ist durch die Medienzuführungsöffnung 12 umfangen. Medienzuführungsöffnung 12 und Medienabführungsöffnung 13 sind durch eine gemeinsame Lochplatte 14 in der Wand 2.2 verschlossen.
  • Das Medium strömt durch die Medienzuführungsöffnung 12 in den ersten Hohlzylinder 4 und durch den Katalysator 11. Dabei wird das Medium durch den erwärmten Katalysator 11 ebenfalls erwärmt. Am Ende des offenen Rohrs 23 wird das Medium umgelenkt und strömt durch das offene Rohr 23 zur Medienabführungsöffnung 13, wobei das erwärmte Medium einen Teil seiner Wärmeenergie an den Katalysator 11 abgibt.
  • In allen Ausführungsbeispielen kann statt des Katalysators 11 auch ein inerter Stoff in dem ersten Hohlzylinder 4 vorhanden sein und/oder auf den Katalysator 11 verzichtet sein, Das Medium kann in weiteren Ausführungen auch frei durch den oder die ersten Hohlzylinder 4 strömen. Das Medium kann selbst absorbierend für Mikrowellen sein und erwärmt werden.
  • Die Funktionsweise des Mikrowellenreaktors 1 soll anhand der Fig. 1 erläutert werden.
  • Das mittels der Pumpe 20 geförderte Medium tritt durch die Lochplatte 14 in der Medienzuführungsöffnung 12 in den ersten Hohlzylinder 4 ein und durchströmt den darin befindlichen Katalysator 11. Die von der Mikrowellenquelle 19 bereitgestellten Mikrowellen werden durch den ersten Hohlleiter 7.1 und den zweiten Hohlleiter 7.2 entlang ihrer ersten bzw. zweiten Hohlleiterachsen 8.1 bzw. 8.2 in der Ebene 10 in den Zwischenraum 6 eingekoppelt. Die an den ersten und zweiten Austrittsöffnungen 9.1 und 9.2 eingekoppelten Mikrowellen breiten sich als Wellenfront entlang der ersten Hohlleiterachse 8.1 bzw. der zweiten Hohlleiterachse 8.2 aus, wobei sich die Wellenfront aufgrund von Beugungseffekten ab der jeweiligen ersten und zweiten Austrittsöffnung 9.1 und 9.2 auch räumlich um die Hohlleiterachsen 8.1 und 8.2 ausbreitet. Ein Anteil dieser Wellenfront trifft entlang der jeweiligen Einkoppelachsen 16.1 und 16.2 jeweils auf einen der ersten bzw. der zweiten Austrittsöffnung 9.1 und 9.2 zugewandten Bereich des ersten Hohlzylinders 4 und wird dort im Wesentlichen von dem Katalysator 11 absorbiert. Der verbleibende Anteil der Wellenfront trifft auf die Innenwand 2.1, von wo er in den Innenraum 3 zurück reflektiert und um die Hohlzylinderachse 4.1 geführt wird. Dabei wird jeweils ein Anteil der Mikrowellen diffus reflektiert, wodurch der Zwischenraum 6 im Bereich der Ebene 10 homogen von Mikrowellen erfüllt ist. Die reflektierten Mikrowellen können den ersten Hohlzylinder 4 aus einer Vielzahl von Richtungen und unter verschiedenen Winkellagen treffen, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung des Katalysators 11 erreicht ist. Durch die Wahl des Einkoppelwinkels α ist das Erwärmungsverhalten des Katalysators 11 gesteuert beeinflussbar.
  • Durch die Anordnung der Hohlleiter 7 in räumlicher Nähe zu der Medienzuführungsöffnung 12 wird der Katalysator 11 dort zuerst und am stärksten erwärmt. Das den Katalysator 11 durchströmende Medium nimmt einen Teil der Wärmeenergie des Katalysators 11 auf und erwärmt beim Durchströmen des ersten Hohlzylinders 4 in Richtung der Medienabführungsöffnung 13 den Katalysator 11. Der erste Hohlzylinder 4 wird durch diffus reflektierte Mikrowellen mit von der Medienzuführungsöffnung 12 zur Medienabführungsöffnung 13 abnehmenden Intensität getroffen und der Katalysator 11 erwärmt.
  • Nach dem Durchströmen des ersten Hohlzylinders 4 verlässt das Medium den ersten Hohlzylinder 4 durch die Lochplatte 14 in der Medienabführungsöffnung 13.
  • Die Impulsfrequenzen und die Wellenlängen der Mikrowellen sowie die Abmaße des Mikrowellenreaktors 1 sind so aufeinander abgestimmt, dass sowohl konstruktive als auch destruktive Interferenzen zwischen den bereits eingekoppelten und umlaufenden Mikrowellen einerseits und den an den ersten und zweiten Austrittsöffnungen 9.1 und 9.2 eingekoppelten Mikrowellen andererseits weitgehend vermieden werden.
  • Mittels der Steuerung 17 werden die Eigenschaften der eingekoppelten Mikrowellen an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst. So kann das Auftreten von Schadstoffen in dem Medium durch Sensoren 18 detektiert und die Mikrowellenquellen 19 durch die Steuerung 17 angesteuert und geregelt werden, wodurch ein schnelles Ansprechen des Mikrowellenreaktors 1 auf unterschiedliche, insbesondere diskontinuierlich auftretende Schadstoffgehalte (Menge, Konzentration) in dem Medium erreicht wird.
  • In einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind, wie in Fig. 8 gezeigt, zwei Hohlleiter 7, ein erster Hohlleiter 7.1 und ein zweiter Hohlleiter 7.2, an dem Gehäuse 2 so angeordnet, dass deren Hohlleiterachsen 8.1, 8.2 parallel zur Hohlzylinderachse 4.1 verlaufen. Jeder der Hohlleiter 7 weist je Ebene 10 Austrittsöffnungen 9 auf, die so angeordnet sind, dass durch sie Mikrowellen in den Innenraum 3 eingekoppelt werden können. Die ersten und zweiten Einkoppelachsen 16.1, 16.2 (jeweils mit den Darstellungen der Ebenen 10 zusammenfallend und nur einmal beispielhaft angegeben) stehen in jeder Ebene 10 orthogonal auf der ersten bzw. auf der zweiten Hohlleiterachse 8.1, 8.2. Die einzelnen Austrittsöffnungen 9 sind entlang der jeweiligen Hohlleiterachsen 8.1, 8.2 so angeordnet, dass diese je einen Abstand voneinander aufweisen, der einem Vielfachen von Lambda/2 der in den Hohlleiter 7 eingekoppelten Mikrowellen entspricht.
  • In dem ersten Hohlleiter 7.1 und dem zweiten Hohlleiter 7.2 bildet sich durch die eingekoppelten Mikrowellen um die Hohlleiterachsen 8.1, 8.2 jeweils eine stehende Welle aus. Für eine effektive Auskopplung der Mikrowellen durch die Austrittsöffnungen 9 ist es nötig, die stehende Welle so einzustellen, dass Maxima der stehenden Welle an den Austrittsöffnungen 9 anliegen. Jeder der Hohlleiter 7 ist so konstruiert, dass die genannte Bedingung unter Standardbedingungen erfüllt ist. Zur Nachjustierung der stehenden Wellen ist am Ende jedes Hohlleiters 7 eine Stellvorrichtung 24 vorhanden, die aus einer Platte 24.1, die etwa den Innenabmaßen des Hohlleiters 7 entspricht und in diesem angeordnet ist, und einer Stellschraube 24.2 besteht. Durch Drehen der Stellschraube 24.2 kann die Platte 24.1 in Richtung der Hohlleiterachsen 8.1, 8.2 verschoben und damit die stehende Welle durch eine Veränderung der effektiven Länge des Hohlleiters 7 eingestellt werden.
  • In der gezeigten Ausführung der Erfindung wird ein durch den ersten Hohlzylinder 4 als flüssiges Medium geführtes Rohöl erwärmt, um dieses thermisch zu fraktionieren.
  • In Fig. 9 ist ein achtes Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt gezeigt. Die Innenwand 2.1 ist an zwei sich gegenüberliegenden Seiten und in einer Ebene 10 jeweils ausgebuchtet. Die Ausbuchtungen besitzen je eine kreisbogenförmige Form und sind an einer Seite jeweils durch eine senkrecht zur Hohlzylinderachse 4.1 weisende Wand 2.5 begrenzt. In der Wand 2.5 befindet sich jeweils die Austrittsöffnungen 9, von der die erste Einkoppelachse 16.1 bzw. die zweite Einkoppelachse 16.2, die deckungsgleich mit den Hohlleiterachsen 8.1 bzw. 8.2 liegen, senkrecht in die Ausbuchtung weist.
  • In Fig. 10 ist ein neuntes Ausführungsbeispiel angegeben, dass im Prinzip dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 entspricht, jedoch besitzen die Ausbuchtungen je einen kreisbogenförmigen Abschnitt und eine Wand 2.5, die von einem Ende des kreisbogenförmigen Abschnitts zur Innenwand 2.1 verläuft und dabei nicht senkrecht zur Hohlzylinderachse 4.1, sondern auf den Zwischenraum 6 weist. Die erste Einkoppelachse 16.1 bzw. die zweite Einkoppelachse 16.2, die deckungsgleich mit den Hohlleiterachsen 8.1 bzw. 8.2 liegen, sind in den Zwischenraum 6 und nicht senkrecht auf den ersten Hohlzylinder 4 gerichtet.
  • In weiteren Ausführungen des Mikrowellenreaktors 1 können in einer Ebene 10 mehr als zwei Ausbuchtungen vorhanden sein. Es können ferner mehrere Ebenen 10 Ausbuchtungen aufweisen.
  • Es ist, wie in Fig. 11 gezeigt, in einem zehnten Ausführungsbeispiel des Mikrowellenreaktors 1 auch möglich, dass die Hohlleiter 7.1, 7.2 tangential an das Gehäuse 2 so ansetzen, dass über seitlich in den Hohlleitern 7 angeordnete schlitzförmige Austrittsöffnungen 9, die in Bereichen von Öffnungen 2.4 der Innenwand 2.1 des Gehäuses 2 zu liegen kommen, Mikrowellen in den Innenraum 3 einkoppelbar sind. Die Einkoppelachsen 16.1, 16.2 stehen senkrecht (nur für jeweils eine Austrittsöffnung 9 gezeigt) auf den Hohlleiterachsen 8.1, 8.2. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 sind die Hohlleiter 7.1, 7.2 hinsichtlich der Ausrichtung ihrer Hohlleiterachsen 8.1, 8.2 unterschiedlich angeordnet. Die erste Einkoppelachse 16.1 ist unter einem Einkoppelwinkel α (nicht gezeigt) von weniger als 90° in den Zwischenraum 6 gerichtet, während die zweite Einkoppelachse 16.2 unter einem Einkoppelwinkel α (ebenfalls nicht gezeigt) von etwa 90° in den Zwischenraum 6 gerichtet ist. Beide Einkoppelachsen 16.1, 16.2 treffen jedoch nicht senkrecht auf dem ersten Hohlzylinder 4 auf.
  • In weiteren Ausführungen des Mikrowellenreaktors 1 können andere Anzahlen von Hohlleitern 7, Austrittsöffnungen 9 und Kombinationen von Einkoppelwinkeln α realisiert sein.
  • Der Mikrowellenreaktor 1 kann in allen Bereichen eingesetzt werden, in denen in einem Medium transportierte Stoffe erwärmt und/oder katalytisch umgesetzt werden sollen. Dies können neben Reinigungen (z. B. durch Oxidation und/oder Reduktion) von Medien, wie die Umsetzung von Schadstoffen in der Luft, Aerosolen oder Stäuben, auch die Prozessierung von Medien und/oder den darin transportierten Stoffen sein. Der erfindungsgemäße Mikrowellenreaktor 1 kann mit einer hohen Effizienz hinsichtlich der aufgewendeten Energien als auch hinsichtlich der pro Energieeinheit umgesetzten Stoffmengen betrieben werden. Besonders vorteilhaft ist der Mikrowellenreaktor 1 bei diskontinuierlich auftretenden Schadstoffgehalten des Mediums, einsetzbar.
    Ferner kann der Mikrowellenreaktor 1 zur Erwärmung und Fraktionierung von Kohlenwasserstoffgemischen, insbesondere von Rohöl, Erdöl und/oder Ölschlämmen eingesetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Mikrowellenreaktor
    2
    Gehäuse
    2.1
    Innenwand
    2.2
    Wand
    2.3
    Wand
    2.4
    Öffnung
    2.5
    Wand
    3
    Innenraum
    4
    erster Hohlzylinder
    4.1
    Hohlzylinderachse
    4.2
    Hohlzylinderlänge
    5
    zweiter Hohlzylinder
    6
    Zwischenraum
    7
    Hohlleiter
    7.1
    erster Hohlleiter
    7.2
    zweiter Hohlleiter
    8
    Hohlleiterachse
    8.1
    erste Hohlleiterachse
    8.2
    zweite Hohlleiterachse
    9
    Austrittsöffnung
    9.1
    erste Austrittsöffnung
    9.2
    zweite Austrittsöffnung
    10
    Ebene
    10.1
    erste Ebene
    10.2
    zweite Ebene
    10.3
    dritte Ebene
    11
    Katalysator
    12
    Medienzuführungsöffnung
    13
    Medienabführungsöffnung
    14
    Lochplatte
    15
    Rohrleitung
    16.1
    erste Einkoppelachse
    16.2
    zweite Einkoppelachse
    17
    Steuerung
    18
    Sensor
    19
    Mikrowellenquelle
    20
    Pumpe
    21
    Dichtung
    22
    Dreistifttuner
    23
    offenes Rohr
    24
    Stellvorrichtung
    24.1
    Platte
    24.2
    Stellschraube
    d
    Durchmesser
    α
    Einkoppelwinkel

Claims (18)

  1. Mikrowellenreaktor (1) zur mikrowellenunterstützten Erwärmung eines Mediums, bestehend aus einem, einen Innenraum (3) umschließenden, Gehäuse (2) aus für Mikrowellen reflektierendem Material; mehreren Hohlleitern (7) mit je einer Hohlleiterachse (8), die jeweils mit einer stirnseitigen Austrittsöffnung (9) über jeweils eine Öffnung (2.4) im Gehäuse (2) mit dem Innenraum (3) in Verbindung stehen; einem ersten Hohlzylinder (4) aus einem für Mikrowellen transparenten Material, der im Innenraum (3) so angeordnet ist, dass zwischen dem ersten Hohlzylinder (4), entlang seiner Hohlzylinderachse (4.1), und dem Gehäuse (2) ein freier Zwischenraum (6) vorhanden ist und der erste Hohlzylinder (4) zur Durchführung eines Mediums stirnseitig mit einer Medienzuführungsöffnung (12) und mit einer Medienabführungsöffnung (13), die im Gehäuse (2) vorgesehen sind, in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
    - dass das Gehäuse (2) einen zweiten Hohlzylinder (5) darstellt, der koaxial um den ersten Hohlzylinder (4) angeordnet ist,
    - dass mindestens ein erster Hohlleiter (7.1), aufweisend eine erste Hohlleiterachse (8.1) und eine erste Einkoppelachse (16.1), und ein zweiter Hohlleiter (7.2), aufweisend eine zweite Hohlleiterachse (8.2) und eine zweite Einkoppelachse (16.2), so am Gehäuse (2) angeordnet sind, dass die Einkoppelachsen (16.1, 16.2), entlang derer Mikrowellen aus den Hohlleitern (7.1, 7.2) ausgekoppelt und in den Innenraum (3) eingekoppelt werden, in einer zur Hohlzylinderachse (4.1) senkrechten Ebene (10) liegen und in den Zwischenraum (6) gerichtet sind.
  2. Mikrowellenreaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hohlleiter (7) so am Gehäuse (2) angeordnet sind, dass deren Einkoppelachsen (16.1, 16.2) nicht auf den ersten Hohlzylinder (4) gerichtet sind.
  3. Mikrowellenreaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hohlleiter (7) so am Gehäuse (2) angeordnet sind, dass deren Einkoppelachsen (16.1, 16.2) nicht senkrecht auf den ersten Hohlzylinder (4) gerichtet sind.
  4. Mikrowellenreaktor (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelachsen (16.1, 16.2) aller in der Ebene (10) angeordneter Hohlleiter (7) mit einem gleichen Richtungssinn um die Hohlzylinderachse (4.1) weisend angeordnet sind.
  5. Mikrowellenreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Ebenen (10.1, 10.2, 10.3) mit Hohlleitern (7) vorhanden sind.
  6. Mikrowellenreaktor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Austrittsöffnungen (9) benachbart angeordneter Ebenen (10.1, 10.2, 10.3) zueinander um die Hohlzylinderachse (4.1) versetzt sind.
  7. Mikrowellenreaktor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ebenen (10.1, 10.2, 10.3) mit Hohlleitern (7) von der Medienzuführungsöffnung (12) in Richtung der Medienabführungsöffnung (13) mit zunehmenden Abständen zwischen aufeinander folgenden Ebenen (10.1, 10.2, 10.3) angeordnet sind.
  8. Mikrowellenreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Leistung der eingekoppelten Mikrowellen je Ebene (10.1, 10.2, 10.3) regelbar ist.
  9. Mikrowellenreaktor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste Hohlzylinder (4) mit einem durch Mikrowellen erwärmbaren Katalysator (11) gefüllt ist.
  10. Mikrowellenreaktor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste Hohlzylinder (4) koaxial zur Hohlzylinderachse (4.1) von einem offenen Rohr (23) durchzogen ist, so dass der Katalysator (11) in einem Kreisring um das offene Rohr (23) vorhanden ist.
  11. Mikrowellenreaktor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste Hohlzylinder (4) über eine seiner Stirnseiten mit der Medienzuführungsöffnung (12) und mit der Medienabführungsöffnung (13) in Verbindung steht und an seiner anderen Stirnseite für das Medium dicht verschlossen ist und die Medienzuführungsöffnung (12) und die Medienabführungsöffnung (13) durch ein koaxial zu der Hohlzylinderachse (4.1) ausgerichtetes offenes Rohr (23), welches kürzer als eine Hohlzylinderlänge (4.2) des ersten Hohlzylinders (4) ist, voneinander getrennt sind, so dass die Medienabführungsöffnung (13) und die Medienzuführungsöffnung (12) in einer sich senkrecht zur Hohlzylinderachse (4.1) erstreckenden Zuführungsebene koaxial zur Hohlzylinderachse (4.1) liegend, angeordnet sind.
  12. Mikrowellenreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere erste Hohlzylinder (4) axial zur Hohlzylinderachse (4.1) angeordnet sind.
  13. Mikrowellenreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Innenwand (2.1) des Gehäuses (2) in jeder Ebene (10.1, 10.2, 10.3) mindestens zwei Ausbuchtungen aufweist, in denen jeweils mindestens eine Austrittsöffnung (9) eines Hohlleiters (7) vorhanden ist.
  14. Mikrowellenreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hohlleiterachsen (8.1, 8.2) der mindestens zwei Hohlleiter (7) parallel zur Hohlzylinderachse (4.1) verlaufen und jeder Hohlleiter (7) in jeder Ebene (10.1, 10.2, 10.3) jeweils mindestens eine Austrittsöffnung (9) aufweist, durch welche Mikrowellen in den Innenraum (3) einkoppelbar sind.
  15. Mikrowellenreaktor (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Austrittsöffnungen (9) entlang der Hohlleiterachse (8.1, 8.2) so angeordnet sind, dass die Austrittsöffnungen (9) jeweils bei einem Vielfachen von Lambda/2 der verwendeten Mikrowellen vorhanden sind.
  16. Mikrowellenreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlleiter (7) tangential an das Gehäuse (2) und an die Öffnungen (2.4) in dem Gehäuse (2) angesetzt sind und Mikrowellen über seitlich in den Hohlleitern (7) angeordnete Austrittsöffnungen (9) in den Innenraum (3) einkoppelbar sind.
  17. Mikrowellenreaktor (1) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet,
    dass Mittel vorhanden sind, mit denen eine in dem jeweiligen Hohlleiter (7) erzeugte stehende Welle der Mikrowellen so veränderbar ist, dass eine Auskopplung von Mikrowellen durch die Austrittsöffnungen (9) ermöglicht wird.
  18. Verwendung eines Mikrowellenreaktors (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Fraktionierung von Gemischen von Kohlenwasserstoffen.
EP12175027.7A 2011-07-04 2012-07-04 Mikrowellenreaktor zur mikrowellenunterstützten Erwärmung eines Mediums Not-in-force EP2544509B1 (de)

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