ES2625692T3 - Método y sistema para inducir reacciones químicas por irradiación de rayos-X - Google Patents

Abstract

Un método para inducir reacciones químicas utilizando radiación de rayos-X, que comprende: (a) generar un volumen de irradiación de rayos-X (18) en el interior de un matraz de reacción (11) introduciendo una radiación de rayos-X en el interior del matraz de reacción (11); (b) introducir al menos un reactivo de materia prima (20) en el volumen de irradiación de rayos-X (18); (c) introducir al menos un reactivo, distinto que al menos un reactivo de materia prima, en el volumen de irradiación de rayos-X (18) a través de uno o más tubos de inyección (24) protegidos contra rayos-X, que se extienden dentro del volumen de irradiación de rayos-X (18); teniendo cada uno de uno o más tubos de inyección (24) protegidos contra rayos-X una vía principal protegida de rayos-X, que se extiende a lo largo de una mayoría de una longitud del volumen de irradiación de rayos-X y que tiene una pluralidad de aberturas de inyector (26); i) cada abertura del inyector (26) se extiende transversalmente hacia fuera desde la vía principal protegida contra rayos-X y se abre en el volumen de irradiación de rayos-X (18) para permitir que dicho al menos un reactivo (22a) llegue hasta el volumen de irradiación de rayos-X; ii) incluyendo dicha pluralidad de aberturas del inyector unas aberturas del inyector (26) que están espaciadas a lo largo de dicha vía principal protegida contra rayos-X para una mayoría de la longitud del volumen de irradiación de rayos-X (18); e (d) inducir que ocurran reacciones selectivas en dicho volumen de irradiación de rayos-X (18) a través del control de la fluencia y la energía de dicha radiación de rayos-X, para ionizar total o parcialmente, dentro de dicho volumen de irradiación de rayos-X, todo o parte del al menos un reactivo de materia prima (20), el al menos un reactivo distinto que el al menos un reactivo de materia prima (22a) y cualquier reactivo o reactivos intermedios creados posteriormente.

Description

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DESCRIPCION

Metodo y sistema para inducir reacciones qmmicas por irradiacion de rayos-X Campo de la invencion

La invencion se refiere a un metodo de induccion de reacciones qmmicas utilizando radiacion-X intensa para romper los enlaces moleculares existentes de una pluralidad de reactivos qmmicos y controlando la recombinacion o recombinaciones de los iones resultantes.

Antecedentes de la invencion

Se reconoce ampliamente que muchos metodos de induccion de reacciones qmmicas son “ineficientes” de energfa y en algunos casos son incapaces de crear un compuesto qmmico deseado. Los procesos qmmicos tipicos crean estados reactivos por el uso de varias combinaciones de presion positiva (positiva o negativa), temperatura y movimiento. La finalidad de esto es romper selectivamente enlaces moleculares y permitir recombinar productos qmmicos en diferentes estructuras moleculares preferenciales. Estas tecnicas son predominantemente el uso de uno o mas de:

1. Condiciones tecnicas controladas; es decir, calentamiento, refrigeracion, o ambos,

2. Presion controlada por encima o por debajo de la presion atmosferica ambiente,

3. Atmosferas controladas, y

4. Catalisis

No obstante, en muchos casos, estas condiciones del proceso tienen consecuencias indeseables. Los procesos pueden ser tambien ineficientes en energfa.

De acuerdo con ello, sena deseable poder eliminar o reducir la cantidad de cualquiera o de ambos componentes de la presion y la temperatura de regfmenes de procesamiento qmmico como un medio de reducir coste de capital e incrementar la eficiencia de induccion de reacciones qmmicas.

Breve sumario de la invencion

En un aspecto, se proporciona un metodo para inducir reacciones qmmicas utilizando radiacion de rayos-X generando un volumen de irradiacion dentro del interior de un matraz de reaccion introduciendo radiacion de rayos-X en el volumen. Se introducen dos o mas reactivos en el volumen de irradiacion. Con respecto a los dos o mas reactivos y cualquier reactivo o reactivos intermedios creados posteriormente, la extension agregada a la que los reactivos precedentes deban ionizarse hasta cualquier grado es controlada selectivamente, y el grado medio de ionizacion en el volumen de irradiacion, de parcial a total, de esta porcion de los reactivos precedentes que debe ionizarse es controlado selectivamente, a traves del control de la fluencia y la energfa de la radiacion de rayos-X, para inducir de esta manera que se produzcan reacciones selectivas de reactivos en el volumen de irradiacion.

Ventajosamente, el metodo anterior elimina o reduce la cantidad de uno o de ambos componentes de la presion y la temperatura de regfmenes de procesamiento qmmico para reducir el coste de capital e incrementar la eficiencia de la induccion de reacciones qmmicas.

En otro aspecto de la invencion, se puede utilizar un conjunto de tubos protegidos de rayos-X para introducir uno o mas reactivos en un matraz de procesamiento de reaccion que tiene un volumen principal. El conjunto de tubos incluye una trayectoria principal protegida de rayos-X y una pluralidad de trayectorias de inyectores protegidas de rayos-X que se extienden hacia fuera desde la trayectoria principal protegida. La trayectoria principal protegida incluye un tubo interior rodeado por un tubo exterior<, y una trayectoria intermedia protegida en un volumen entre el tubo interior y el tubo exterior, para proteger uno u otros mas reactivos contra radiacion-X antes de una etapa de radiacion de rayos-X del contenido del volumen principal, en el que un reactivo de materia prima reacciona con uno u otros mas reactivos en el volumen principal. Cara trayectoria de inyector protegida comprende un inserto de abertura del inyector que tiene una abertura para suministrar uno u otros mas reactivos en el volumen principal y para estan conectado de forma hermetica entre los tubos interiores y los tubos exteriores, que estan provistos, respectivamente, con orificios que permiten fluir alguno de uno u otros mas reactivos desde el tubo interior a traves del tubo inyector y dentro del volumen principal.

Con ventaja, el conjunto de tubos protegidos de rayos-X precedente previene la irradiacion prematura de reactivo, antes de ser inyectado en el volumen principal.

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Breve descripcion de los dibujos

Otras caractensticas y ventajas de la invencion seran evidentes a partir de la lectura de la siguiente descripcion detallada en combinacion con los siguientes dibujos, en los que los mismos numeros de referencia se refieren a las mismas partes:

La figura 1 es una vista esquematica simplificada, parcialmente en forma de bloques, de un sistema para practicar un ejemplo de un metodo reivindicado en un modo de procesamiento continuo, con entradas de alimentacion electrica omitidas para claridad y con caractensticas opcionales mostradas con lmeas imaginarias.

La figura 2 es una seccion transversal de un Procesador Qmmico Inductor de Reaccion (RCP), que se muestra esquematicamente, que incluye entradas de alimentacion electrica, como un componente del sistema de la figura 1, y se toma en las flechas marcadas como figura 2 en la figura 3.

La figura 3 es una vista extrema del lado de entrada del Procesador Qmmico Inductor de Reaccion (RCP), de la figura 2.

La figura 4A es una seccion en perspectiva de un conjunto de tubos inyectores 24 protegidos contra la reaccion de las figuras 1 a 3.

La figura 4B es una seccion transversal del tubo inyector protegido contra la radiacion de la figura 4A tomada en las flechas marcadas como figura 4B en la figura 4A.

La figura 4C es similar a la figura 4B, pero omite aberturas de inyeccion 26 y material de proteccion 61 en la figura 4B.

La figura 4D es una vista superior de un inserto de abertura de inyector 26 de las figuras 4A y 4B.

La figura 4E es una seccion transversal del inserto de abertura de inyector 26 de la figura 4D tomada en las flechas marcadas como figura 4E en la figura 4D.

La figura 4F es una vista de la seccion transversal de un conjunto de tubos inyectores de pared individual ejemplar con aberturas.

La figura 5 es un diagrama de tiempo de pulsos de rayos-X y de inyeccion de reactivo.

La figura 6 es una vista lateral fragmentaria, parcialmente en la seccion transversal, del Procesador Qmmico Inductor de Reaccion (RCP) de la figura 2, en el que los conjuntos de tubos 24 protegidos contra radiacion directa estan sustituidos con tubos de inyectores 71 protegidos contra radiacion configurados en espiral.

La figura 7 es similar a la figura 1, pero incluye un circuito de re-inyeccion de flujo de salida adicional.

La figura 8 es una vista esquematica simplificada, parcialmente en forma de bloque, de un Procesador Qmmico Inductor de Reaccion (RCP) para uso en un modo de procesamiento de lotes, con canales de alimentacion electrica omitidos por claridad.

La figura 9 es una vista en perspectiva simplificada de un Procesador Qmmico Inductor de Reaccion (RCP), con modificacion de mejora de la energfa.

Descripcion detallada de la invencion

Aqm se describe un metodo general de induccion de reacciones qmmicas utilizando una fuente de rayos-X impulsada intensa, tal como la fuente de rayos-X utilizada en el irradiador de rayos-X Flash (en adelante, “FXI”) descrito en la publicacion de patente US N° 2009/0285362 A1 del 19 de Noviembre de 2009 y en el documento WO 2009/140697 A1 del 19 de Noviembre de 2009 (en adelante, “publicacion de patente FXI”). En el contexto de la generacion de rayos-X, la palabra “pulso” connota un evento de una duracion de tiempo predeterminada, tfpicamente inferior a un segundo. En un ejemplo, que implica ionizacion total de reactivos, la fuente de rayos-X de pulsos crea un entorno reactivo disociando todos los enlaces moleculares en una corriente afluente de material a reaccionar utilizando rayos-X de alta energfa hasta 1,2 MeV de energfa. Esto provoca que el material se ionice altamente. A traves de la introduccion de productos qmmicos reactivos en el entorno reactivos se provocan selectivamente reacciones deseadas con material ionizado. La ionizacion del material a reaccionar utilizando rayos- X de alta energfa puede implicar ya ionizacion total o parcial del material.

El termino “ionizar” como se utiliza aqm a traves de toda la memoria descriptiva incluye ionizacion “total” asf como ionizacion “parcial”. El termino ionizacion “total” connota la retirada de todos los electrones de un atomo o molecula, mientras que el termino ionizacion “parcial” se refiere a la retirada de menos que todos los electrones de un atomo o molecula.

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Los reactivos qmmicos o bien se pueden anadir antes de entrar en el volumen de reaccion, o se puede introducir dentro del propio volumen de irradiacion. Un uso del metodo reivindicado consiste el resolver el problema de metales en descargas de residuos industriales convirtiendolos en compuestos inocuos. Como un ejemplo, una materia prima que contiene cromo hexavalente se puede hacer reaccionar con oxfgeno para formar dioxido de cromo, que es inerte y se precipitana desde la solucion.

El RCP 11 en la figura 1 incluye medios para anadir productos qmmicos en un volumen de irradiacion 18, tal como conjuntos de tubos inyectores 24 para hacer reaccionar los materiales presentes en esa region del dispositivo. Estos productos qmmicos pueden estar en forma gaseosa, lfquida, de plasma o solida cuando se introducen en el area de reaccion. Debe prestarse atencion a la solubilidad de estos compuestos, como sera rutinario para un tecnico ordinario en qmmica.

El RCP 11 requiere una fuente de alimentacion 38 de alta tension que pueda gestionar la carga del condensador para alimentar el catodo 46, que es un sumidero de corriente masivo y que proporciona una corriente de carga a un nivel suficiente para conseguir la tasa de repeticion deseada del RCP 11. Por lo tanto, tal fuente de alimentacion 38 debe tener un medio de acumulacion de energfa de condensador grande, de baja inductancia, y un medio de formacion de pulsos, y debe ser capaz de producir una tension de servicio requerida, que puede alcanzar hasta aproximadamente 1,22 millones de voltios de electrones. Fuentes de alimentacion adecuadas seran evidentes para los tecnicos ordinarios en la tecnica, a partir de publicaciones tales como la publicacion FXI. El termino “aproximadamente” como se utiliza aqm en la memoria descriptiva tiene en cuenta desviaciones experimentales menores, como se comprendera por un tecnico ordinario en la materia.

Otro objetivo del metodo reivindicado se extiende mas alla del tipo de aplicaciones de solucion contempladas por la publicacion FXI citada anteriormente, y en el campo de fabricacion primaria de productos qmmicos. Por lo tanto, el metodo reivindicado se puede utilizar para fabricar varios compuestos qmmicos. Con ventaja, el uso de radiacion-X para crear un estado reactivo es mas eficiente de energfa que los procesos existentes.

Los rayos-X a 1,22 MeV de energfa estan en un valor maximo preferido, en el que 1,22 MeV es aproximadamente 1,22 millones de voltios de electrones. El termino “aproximadamente” tiene en cuenta desviaciones experimentales menores, como se comprendera por un tecnico ordinario en la materia. Si se utiliza energfa sustancialmente por encima de ese valor, espedficamente por encima de 1,22 MeV, es probable que el material que es irradiado se vuelva reactivo permanentemente. Esto no es deseable en la mayona de los casos, a no ser que se trate de crear materiales radioactivos. Valores inferiores se pueden utilizar con exito. El valor 1,22 MeV es sustancialmente mas alto que la energfa de union maxima, que es 115,6 KeV en el caso de uranio, el elemento presente en la naturaleza con el pero atomico mas alto.

En un ejemplo, el metodo reivindicado se puede utilizar tambien para combinar o transmutar elementos transuranicos utilizando rayos-Y con una energfa que excede sustancialmente de 1,22 MeV.

Con referencia a la figura 1, se puede utilizar un sistema 10 para realizar un metodo ejemplar induciendo reacciones qmmicas utilizando radiacion de rayos-X. El sistema 10 incluye un Procesador Qmmico Inductor de Reaccion (RCP) 11 con un generador de rayo-X 12. El generador de rayos-X 12 genera electrones 14 que pasan a traves de una seccion de pared de un tubo interior 16, generando rayos-X intensos 17 que forman un volumen de irradiacion 18 que esta localizado dentro del tubo 16. El tubo interior 16 se refiere a veces en adelante como un “matraz de reaccion”. En la forma de realizacion ilustrada, tanto el generador de rayos-X 12 como los rayos-X 17 generados posteriormente por interaccion entre los electrones y la pared del tubo 16 rodean en drculo el volumen de irradiacion 18 dentro del tubo 16.

El sistema 10 introduce dos o mas reactivos en el volumen de irradiacion 18, incluyendo materia prima reactiva 20 y uno u otros mas reactivos, que se numeran 22a y 22b (mostrados con casillas de trazos), aunque el numero de otros reactivos no esta limitado a dos. En un ejemplo que implica ionizacion total de reactivos, el sistema 10 utiliza los rayos-X 17 mencionados para ionizar todos los reactivos y cualquier reactivo o reactivos intermedios creados posteriormente en el volumen de irradiacion 18, para inducir de esta manera que ocurran reacciones selectivas.

Con preferencia, el sistema 10 y otros sistemas que emplean la invencion reivindicada poseen la capacidad de controlar selectivamente el grado de ionizacion dentro del volumen de irradiacion 18, desde parcial hasta total, de la materia prima reactiva 20, otro reactivo o reactivos, tales como 22a y 22b, y cualquier reactivo o reactivos intermedios creados posteriormente, a traves del control de la fluencia y energfa de rayos-X 17, para inducir de esta manera que ocurran reacciones selectivas en el volumen de irradiacion. A continuacion se describen consideraciones de tamano para el RCP 11.

Como se utilizan aqm, todos los productos qmmicos que incluyen una materia prima se refieren como “reactivos”. Una “materia oprima” es el producto qmmico predominante o de partida, o reactivo, que se alimenta a un volumen de irradiacion como se entiende comunmente por tecnicos ordinarios en la materia. Los terminos “materia prima” y “materia prima reactiva” son intercambiables y son sinonimos. El termino reactivo connota tambien la inclusion de disolventes no-reactivos, diluyentes o portadores, etc. como es habitual en la tecnica. Uno o mas catalizadores 127 (figura 1) pueden estar implicados con preferencia en la promocion de tales reacciones.

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La proteccion de la radiacion de las superficies externas del RCP 11 se ha omitido por claridad en la figura 1. La necesidad de tal proteccion sera evidente para un tecnico ordinario en la materia, y se describe con mas detalle a continuacion. El unico componente protegido contra radiacion mostrado en la figura 1 es un conjunto de tubos inyectores 24 protegido, que se describe en detalle a continuacion.

Irradiacion y mezcla concurrentes de reactivos

Para permitir la irradiacion y la mezcla concurrentes, el sistema 10 de la figura 1 incorpora el hardware necesario para realizar las operaciones de inyeccion y de mezcla.

En la figura 1 se muestra al menos un conjunto de tubos de inyeccion 24 protegidos contra radiacion, con un diametro pequeno con relacion al diametro interior del RCP 11. El conjunto de tubos 24 esta instalado con preferencia utilizando un proceso de soldadura continua, en el que el conjunto de tubos de inyeccion protegidos contra radiacion pasa a traves de una pared lateral del tubo interior 16 en la region de la seccion interior 28. El conjunto de tubos 24 es fijado entonces posteriormente sobre una pared interior del RCP 11, con preferencia utilizado soldadura por puntos; no obstante, alternativas a la soldadura por puntos seran evidentes a los tecnicos ordinarios en la materia. Este conjunto de tubos de inyeccion 24 esta perforado y contiene una pluralidad de aberturas a lo largo de su longitud.

La finalidad de las aberturas en el conjunto de tubos de inyeccion 24 es efectuar inyeccion de un material reactivo dentro de la corriente de materia prima que fluye a traves del RCP 11 cilmdrico. Existe una caperuza extrema 66b (figura 2) que esta protegida para cerrar el extremo del tubo inyector para forzar los reactivos inyectados en una distribucion preferida a traves del volumen de irradiacion 18 para inyeccion en dicha reaccion. Uno o mas conjuntos de tubos de inyeccion 24 protegidos contra radiacion se pasan a traves de la pared de la seccion de entrada 28 inmediatamente antes del volumen de irradiacion 18. Si existen mas de un conjunto de tubos de inyeccion 24 protegidos contra radiacion, pueden ser conectados juntos fuera del sistema por un colector (no mostrado).

El conjunto de tubos de inyeccion 24 protegidos contra radiacion puede ser alimentado con reactivos desde un extremo como se muestra en la figura 1, en cuyo caso los tubos de inyeccion del conjunto 24 entran en el RCP 11 sobre el lado curso arriba mostrado a la izquierda; o los tubos de inyeccion del conjunto 24 pueden ser alimentados desde ambos extremos (no mostrados) para efectuar un caudal de inyeccion mas alto que es posible en un sistema de alimentacion de un extremo debido a las perdidas de presion estatica dentro de los tubos de inyeccion. Si los tubos de inyeccion del conjunto 24 son alimentados desde ambos extremos, es necesario supervisar el flujo de reactivo 22a a traves de todas las entradas de los tubos del conjunto 24, con preferencia por medio de un flujometro 30a, para asegurar la medicion exacta de los reactivos 22a que son inyectados en el volumen de irradiacion 18.

Las aberturas del conjunto de tubos de inyeccion 24 estan orientadas con preferencia para producir una cantidad maxima de mezcla turbulenta en el volumen de irradiacion 18. Existen muchas orientaciones admisibles para estas aberturas. La seleccion de la orientacion de determina por el reactivo espedfico que es inyectado y la materia prima 20 espedfica que es inyectada dentro. Es deseable tener el conjunto de tubos de inyeccion 24 localizado ffsicamente de tal manera que el proceso de inyeccion se inicie curso arriba del volumen de irradiacion 18 con el fin de proporcionar la mezcla correcta de productos qrnmicos al inicio de la irradiacion. La distribucion de las aberturas de inyeccion se puede adaptar para tener un caudal de inyeccion mas alto hacia el lado de entrada del volumen de radiacion 18 y un numero decreciente de aberturas mas abajo del volumen.

Pre-mezcla de reactivos antes de la irradiacion

La pre-mezcla de reactivos 20 y 22b, en un tiempo antes de la introduccion en el volumen de irradiacion 18 es apropiada cuando estos reactivos no reaccionan normalmente entre sf, a no ser que se ionicen como ocurrina en el volumen de irradiacion 18, o son sometidos a cualquiera o a todas las condiciones no-estandar de temperatura, presion o cataltticas. Este metodo permite un RCP 11 mas sencillo y de coste mas bajo como resultado de eliminar el conjunto de tubos de inyeccion 24 protegidos contra radiacion.

En casos donde es deseable mezclar los reactivos 20 y 22b, se utiliza una valvula de mezcla 32b para combinar los reactivos en una relacion apropiada, como sera facilmente evidente para un tecnico ordinario en la materia. La relacion instantanea se determina por el uso de datos de los flujometros 30b y 30c, que se conducen al ordenador central 34 donde son comparados con condiciones deseada del proceso programadas por el operador del sistema. El ordenador central 34 realiza un calculo sobre estos datos, que se utiliza entonces para generar una senal de salida en la lmea de control 36b para controlar la valvula de mezcla 32b.

Cualquier molecula dada de los reactivos individuales 20, 22a o 22b, o su producto combinado que forma el flujo de salida 40, sera irradiada mas de una vez durante el paso a traves del RCP 11. Con referencia al producto combinado que forma el flujo de salida 40, no es perjudicial para la qrnmica del producto combinado que pueda ser irradiado mas de una vez o durante un periodo de tiempo prolongado.

Un tecnico ordinario en la materia apreciara facilmente que tanto la mezcla concurrente como tambien la pre-mezcla se pueden utilizar de manera ventajosa con el RCP 11 cuando las circunstancias lo requieran.

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Sistema de control basado en realimentacion

Como en el caso con la mayona de las reacciones de procesos qmmicos, es esencial que se mantenga a relacion apropiada entre el reactivo de realimentacion 20 y otro(s) reactivo(s) 22a o 22b. Si se desea un medio dinamico de control de la relacion de mezcla, es preferible incluir un sistema de control basado en realimentacion que proporcione al menos dos funciones:

1. Medicion de la cantidad exacta de materia prima y de reactivo(s), y

2. Medios de control de la relacion de mezcla entre la materia prima y el/los reactivo(s).

Otro nivel de control sobre el proceso se puede realizar por medio de la medicion de la qmmica de salida del proceso. Esta etapa asegura que el flujo de salida 40, mostrado en la figura 1, tenga la qmmica deseada y no esten presentes compuestos indeseables.

Para asegurar la medicion de la cantidad exacta de reactivo de materia prima 20 y cualquier otro reactivo(s) 22a y 22b, se utilizan tecnicas de instrumentacion, tales como el uso de flujometros de masas, que son los mas exactos, y flujometros convencionales tales como los flujometros mostrados en la figura 1 como flujometros 30a-30d. Las salidas de estos flujometros 30a-30d como se indican por flechas son conducidas al ordenador central 34, que analiza los datos y determina si la relacion de mezcla es correcta. Si no, el ordenador central genera senales de salida sobre lmeas de control 36a y 36b que pueden ser proporcionales al grado de desequilibrio de la relacion y que controlan las valvulas de mezcla 32a y 32b para conseguir la relacion de mezcla correcta.

Existe un flujometro 30a para el reactivo 22a, un flujometro 30b para el reactivo 22b, un flujometro 30c para el reactivo de alimentacion 20, y un flujometro 30d que mide el flujo de salida 40. Cada uno de los flujometros incluye una valvula asociada, tales como 32a y 32b, mostradas en la figura 1, por ejemplo. No obstante, el flujometro 30d, como se muestra en la figura 1, que mide el flujo de salida, no tiene que incluir una valvula.

Los flujometros 30a-30d son capaces de proporcionar datos dinamicos para permitir el ajuste del proceso en tiempo real, para cumplir los requerimientos de caudales de flujo dinamicamente variables 20, 22a y 22b.

Algunas reacciones tienen el potencial de producir subproductos indeseables si la relacion de mezcla precedente no es correcta. Puesto que estos subproductos pueden ser toxicos, explosivos o peligrosos de otras maneras, una forma de realizacion preferida del metodo reivindicado incluye un medio para la medicion de la salida para determinar si se han formado subproductos indeseables. Los medios preferidos para realizar esta medicion es por el uso de un sensor qmmico 42: tal como un espectroscopio o un cromatografo. Se pueden utilizar muchas formas de instrumentos espectrograficos o cromatograficos con el metodo reivindicado. La tecnica preferida es el uso de un espectroscopio de masas para generar un analisis qmmico completo que incluye representacion de la cantidad de subproducto(s) indeseable(s) presente(s). Estos datos del analisis qmmico se utilizan por el ordenador central 34, ademas de los datos de los flujometros 30a-30d como se han descrito anteriormente, para ajustar con mayor precision el balance de la relacion entre el reactivo de alimentacion 20 y el/los otro(s) reactivo(s) 22a y 22b. Como sera rutina para los tecnicos ordinarios en la materia, se pueden utilizar otras tecnicas, o variaciones en el sistema de realimentacion, para determinar la qmmica del flujo de salida 40.

Las ventajas de la version anterior del sistema de control basado en realimentacion, incluyendo el sensor qmmico 42, incluyen una capacidad redundante para controlar la reaccion. Este metodo atenua las senales de correccion halladas en las lmeas de control 36a y 36b para reducir al mmimo cualquier sobre oscilacion en la relacion de mezcla, asegurando de esta manera una qmmica consistente y continua del flujo de salida 40. Adicionalmente, el sistema de control debe prevenir las sobre oscilaciones generadas en las senales de control en las lmeas de control 38a y 36b para evitar la liberacion potencialmente catastrofica de subproductos no deseados.

Qmmica basica del metodo reivindicado

Con referencia a la figura 1, el proceso basico del Procesador Qmmico Reactivo (RCP) 11 comprende la ionizacion total o parcial de todo o parte del reactivo de materia prima 20, y de todos los otros reactivos 22a y 22b, seguida por recombinacion de la mezcla resultante de especies atomicas en sus estados mas bajos de energfa. La mezcla resultante de especies atomicas produce un flujo de salida 40. Con referencia a la figura 1, en el RCP 11, el proceso qmmico reactivo incluye ionizacion total o parcial de todo o parte del reactivo de materia prima 20 y los otros productos qmmicos reactivos 22a y 22b, por ejemplo.

Cuando se expone a la radiacion, si se produce ionizacion “total”, se rompen todos los enlaces moleculares de los productos qmmicos reactivos, y se ionizan totalmente todos los atomos constituyentes, debido a la energfa de los protones que es con preferencia sustancialmente mayor que la energfa de los enlaces moleculares sobre cualquier elemento de la tabla periodica. En este ejemplo, los atomos libres son total o parcialmente ionizados por este proceso de irradiacion. El elemento con el numero atomico mas alto que ocurre naturalmente es uranio, con una energfa de enlace maxima de 115.6 KeV. Utilizando rayos-X con energfas hasta un millon de voltios de electrones (MeV), cualquier colision rompera cualquier enlace, reduciendo la energfa del foton de rayos-X en una cantidad que corresponde a la energfa requerida para romper un enlace. Puesto que la energfa del foton de rayos-X resultante es

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sustancialmente mas alta que la energfa de cualquier enlace atomico o molecular de los elementos que ocurren en la naturaleza, existira todav^a una cantidad sustancial de ene^a disponible para actividades secundarias de rotura de enlaces. El RCP 11 (figura 1) es capaz de producir haces de rayos-X de cientos de miles de amperios de fluencia, asegurando de esta manera una cantidad abundante de fotones para actividad de rotura de enlaces. Esta corriente de haz extraordinaria es debida al catodo espedfico utilizado en el metodo reivindicado, como se describe en la patente U. S. N° 4.670.894 por el presente inventor. Una vez en un estado ionizado, los constituyentes elementales se recombinaran en las moleculas de estado de minima energfa, como se determina por la mezcla de los elementos presentes en el momento. Puesto que existen aproximadamente 6.24 x 1018 electrones en un amperio, un pulso individual desde el RCP 11 podna introducir mas de 1023 fotones de rayos-X en el volumen de irradiacion de una manera altamente uniforme y dispersa.

Cuando los electrones chocan con el anodo, crean una region de radiacion-X de frenado. La palabra alemana “Bremsstrahlung” significa "braking radiation" radiacion de frenado y se crea cuando electrones con un potencial que excede de aproximadamente 23 KiloVoltios son detenidos o desacelerados repentinamente, en este caso por choque con el anodo. Tambien estan presentes un gran numero de electrones secundarios en el volumen de irradiacion. El volumen hueco interior del anodo del RCP 11, referido aqu como “volumen de irradiacion 18” contiene los reactivos a reaccionar.

Los fotones de radiacion de frenado chocan con atomos de material en el volumen interior del anodo, o volumen de irradiacion, y como resultado de tener energfa significativamente mas alta que el potencial de ionizacion de la cascara-K del atomo, ionizan todos los atomos presentes. En algunos casos, se realiza la ionizacion total. En otros casos, no se puede inducir de manera controlada la ionizacion “parcial” tan deseada. No solo el primer choque de un atomo por un foton de rayos-X causa ionizacion, sino que los fotones liberados consecuentemente que colisionan con atomos no ionizados todavfa, causan tambien ionizacion con tal que su nivel de energfa sea suficiente. La cascada de repoblacion de electrones resultante causa la liberacion de fotones a medida que se llena cada cascara de electrones del atomo. El exceso de electrones asegura que este proceso ocurra muy rapidamente. Puesto que la energfa de los fotones es sustancialmente mayor que la energfa de enlace de la cascara-K, se repite el proceso anterior.

El foton de rayos-X libera una cantidad precisa de energfa, que permite la determinacion del numero de eventos de ionizacion posibles debidos a un foton de rayos-X de radiacion de frenado individual. Pueden existir muchos eventos de ionizacion, hasta que eventualmente la energfa del foton sea demasiado baja para efectuar la ionizacion total, donde la ionizacion “parcial” puede ser suficiente en ciertas reacciones qrnmicas. Otra consecuencia posible de eventos es que el foton colisione con la superficie interior de la pared del anodo. Si el foton de rayos-X tiene suficiente energfa, la colision resultara tambien en la liberacion de radiacion de frenado y de electrones secundarios. Si o bien la radiacion de frenado o el electron secundario es de energfa mas alta que la energfa de enlace de la cascara-K del atomo en el volumen de irradiacion con el que colisionan, ocurrira la ionizacion total.

Estos procesos pueden continuar hasta que la energfa del foton de radiacion de frenado caiga hasta un valor por debajo del cual no pueda ionizar atomos en el volumen interior del anodo. La energfa de fotones puede caer tan bajo como 1.8 eV y todavfa ser efectiva si el atomo con el que colisiona es hidrogeno.

Ionizacion parcial

En algunas circunstancias, no es deseable ionizar totalmente los reactivos de materia prima y otros reactivos y la ionizacion parcial se puede emplear para provocar ciertas reacciones espedficas utilizando el metodo mencionado anteriormente. La ionizacion parcial por aplicacion selectiva de radiacion-X de una fluencia y energfa conocidas se puede utilizar, por la aplicacion de las ensenanzas de este metodo, o bien para reducir o elevar los pesos moleculares, y para ajustar de manera controlada las longitudes de las cadenas moleculares, por la seleccion apropiada de la fluencia y la energfa del haz de rayos-X, acoplada con consideraciones para volumen de irradiacion y rendimiento, como sera evidente para el tecnico ordinario en estas tecnicas.

Dependiendo de los requerimientos del proceso deseado, un tecnico ordinario en la materia puede inducir selectivamente o bien la ionizacion “parcial” o “total” de los reactivos de materia prima y de uno u otros mas reactivos. En algunas reacciones qrnmicas, puede ser apropiado permitir solo la ionizacion “parcial”. En otras reacciones, se puede requerir la ionizacion “total”.

El metodo reivindicado permite tambien la polimerizacion parcial de los reactivos. Esto puede ser deseable para permitir el control sobre el grado de polimerizacion, iniciando la polimerizacion por medio del uso del metodo reivindicado y entonces terminando la polimerizacion por medio del control selectivo de las caractensticas de la tension, la corriente y la forma de la onda del pulso para conseguir el espectro y el flujo de energfa de rayos-X deseada. Por lo tanto, el metodo reivindicado permite un mayor grado de control en el proceso de la polimerizacion parcial que los metodos conocidos anteriormente.

La polimerizacion parcial puede ser particularmente deseable en aplicaciones en las que se desea mayor viscosidad, tal como con agentes de revestimiento. En un ejemplo, los monomeros reactivos se pueden combinar para formar un

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producto final resultante, en el que una porcion del producto final es polimerizado, mientras que otras porciones permanecen no polimerizadas

Reduccion del peso molecular

El metodo reivindicado proporciona un medio para reducir el peso molecular de polfmeros por irradiacion, principalmente con rayos-X desde la fuente de rayos-X de pulsos. Ejemplos de esto incluyen el uso del metodo reivindicado para tratar las moleculas de hidrocarburos presentes en arenas de alquitran para reducir su peso molecular a traves de la escision de la cadena. La reduccion del peso molecular y, por lo tanto, de la longitud de la cadena molecular, reduce la viscosidad y permite amplias mejoras en la facilidad de separaciones. El metodo reivindicado se puede utilizar con preferencia para, uno o ambos, inyectar reactivos o colocar catalizadores en el volumen de irradiacion 18, que determinara el punto de escision de una cadena molecular o impartira otras caractensticas deseables al producto final. Es necesario reducir uniformemente el peso molecular, puesto que fracciones de peso molecular bajo tienden a plastificarse y fracciones restantes de peso molecular alto dan rigidez en polfmero. La combinacion anterior de propiedades que se obtienen como resultado de la distribucion de pesos moleculares es favorable y mejora la calidad del producto final resultante.

La irradiacion selectiva de rayos-X utiliza la naturaleza aleatoria de una reaccion de escision de la cadena con el fin de producir un rango amplio de pesos moleculares a partir de un grupo de polfmeros que constan de cadenas moleculares de tamanos similares. Esta ampliacion del rango de peso molecular incrementa la facilidad de procesamiento de tales polfmeros en productos acabados, manteniendo al mismo tiempo la mayona de sus propiedades ffsicas deseadas. Un ejemplo de un valor de usar la capacidad del metodo reivindicado para reducir el peso molecular esta en la expansion del rango de catalizadores utiles utilizados para producir polfmeros. Muchos catalizadores que son deseables por su velocidad de polimerizacion y su alta eficiencia no son utiles por que no pueden ser controlados y producen polfmeros que tienen un peso molecular demasiado alto para ser utiles. Un tratamiento posterior por irradiacion con el metodo reivindicado u otra fuente de irradiacion de fluencia y energfa comparables pueden reducir el peso molecular hasta el nivel deseado.

El metodo se puede utilizar para ionizar parcialmente los reactivos, ya sea para reducir finalmente el peso molecular de los reactivos o para incrementar de forma controlada la longitud/peso molecular de los reactivos. En un ejemplo, dos reactivos pueden ionizarse parcialmente, de tal manera que se recombinar para formar un producto final resultante con un peso molecular mas bajo que el peso molecular combinado de los reactivos. Alternativamente, dos reactivos son ionizados parcialmente de tal manera que se recombinan para formar un producto final resultante con una longitud/peso molecular mas alto controlable que uno de los reactivos o una combinacion de los reactivos. En este contexto, los reactivos se refieren de nuevo a un reactivo de materia prima y uno u otros mas reactivos.

El metodo reivindicado se puede utilizar con ventaja para reducir selectivamente el peso molecular de una o mas sustancias qrnmicas, ya sea temporalmente, como una etapa intermedia, o permanentemente.

Por ejemplo, el petroleo puede tener una densidad molecular alta. Es practica comun calentar continuamente petroleo para reducir su viscosidad, que es un metodo costoso e ineficiente de reducir la viscosidad de tales productos. Una vez que se detiene el calentamiento continuo, el petroleo se vuelve altamente viscoso. Por el contrario, el metodo reivindicado puede reducir selectivamente el peso molecular (y la viscosidad) de una sustancia de petroleo, de tal manera que la sustancia de petroleo se cambia permanentemente a una de un peso molecular selectivamente mas bajo.

Donde no se requiera la ionizacion total, la energfa del haz de irradiacion de rayos-X se puede reducir en energfa y fluencia para permitir la ionizacion parcial con la intencion de conseguir estados espedficos parcialmente ionizados seleccionados. Para conseguir tales estados de ionizacion parcial, en un ejemplo, puede ser necesario reducir el diametro del volumen de irradiacion 18 para que sustancialmente todo el reactivo de materia prima y otros reactivos sean ionizados hasta el estado deseado. En esta circunstancia, puede ser deseable incrementar la longitud del volumen de irradiacion 18.

Con respecto a la descripcion anterior sobre la reduccion del diametro del volumen de irradiacion 18, debena entenderse que en el caso de un volumen de irradiacion 18 totalmente ionizado, la energfa de la irradiacion de rayos-X (en voltios de electrones [eV]) esta regida por el volumen y el numero atomico medio del reactivo de materia prima y otros reactivos. Si esta energfa no es suficientemente alta, los rayos-X no tendran suficiente potencia para propagarse y pasar el centro axial del volumen de irradiacion 18.

Reconociendo este problema de suministro de cantidades exactas de potencia a areas espedficas dentro del volumen de irradiacion, y en los casos donde solo una fraccion del/de los reactivo(s) se desea ionizar, entonces resulta necesario ajustar el diametro del volumen de irradiacion 18 para asegurarse de que llega energfa suficiente hasta el centro axial, pero no alcanza un valor tan alto que la ionizacion ocurre mas alla del nivel deseado. Tales valores pueden ser realizados facilmente por un tecnico ordinario en la materia.

De manera similar, donde se desea la ionizacion de todos los reactivos, si la energfa de los protones de rayos-X es demasiado baja, los rayos-X no se propagaran hasta el centro axial del volumen de irradiacion 18, y alguna porcion del reactivo de materia prima y otros reactivos no seran ionizados suficientemente para conseguir la reaccion

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deseada. La presente memoria descriptiva ensena como controlar la reaccion hasta un punto donde estados moleculares seleccionados deseados se pueden conseguir de manera fiable con eficiencias mas altas y con menos carga del medio ambiente que con tecnologfa de la tecnica anterior.

Los polfmeros tales como polietileno de baja densidad (LDPE) tienen cadenas o estructuras repetidas de la misma unidad de monomero, mientras que otros polfmeros tienen cadenas mixtas de mas de una unidad de monomero. En un ejemplo, el uso del metodo reivindicado permite polimerizar parcialmente de forma selectiva polfmeros, con el fin de incrementar la elasticidad y flexibilidad de polfmeros ngidos, tales como LDPE (polietileno de baja densidad), sin necesidad de usar aditivos, tales como plastificantes. Otras aplicaciones para usar el metodo reivindicado en un modo de polimerizacion parcial seran evidentes para un tecnico ordinario en la materia.

Es bien conocido que las reacciones de polimerizacion en presencia de un catalizador se ejecutaran siempre hasta la maxima extension posible de polimerizacion. Este es un factor de limitacion significativo en la tecnica anterior. El metodo reivindicado permite la produccion de cadenas moleculares de moleculas de longitud intermedia controlable. Esta es una ventaja distintiva sobre las reacciones catalizadas convencionales, tales como en polimerizacion.

Incremento del peso molecular

El metodo reivindicado es capaz de incrementar el peso molecular utilizando tecnicas algo similares a la polimerizacion por irradiacion convencional, pero aprovechando la ventaja de la eficiencia incrementada del metodo reivindicado.

Condiciones y configuraciones del proceso

Aunque el RCP 11 (figura 1) es la forma de realizacion preferida del metodo reivindicado, se pueden utilizar otras fuentes de rayos-X de fluencia comparable. Existen otras configuraciones de fuentes de rayos-X que se pueden utilizar, si son capaces de generar corriente de haz suficiente para una aplicacion espedfica. El rendimiento que el sistema puede conseguir es directamente proporcional a la intensidad de la corriente del haz.

Para acomodar varios esquemas de radiacion, la fuente de rayos-X del RCP 11 puede ser:

1. Cilmdrica, como se ilustra en la figura 1

2. Plana, o

3. Arqueada.

Los productos qrnmicos reactivos (materia prima u otros reactivos) pueden estar en uno o mas de los estados:

1.

Gaseoso

2.

Lfquido,

3.

Solido, y

4.

Plasma.

Los reactivos qrnmicos (es decir, reactivos) se pueden introducir: o bien antes de que el/los material(es) a reaccionar entren en el volumen de reaccion, o se pueden introducir en el propio volumen de irradiacion, o en ambas etapas. Esto se determina por la naturaleza de las reacciones qrnmicas y los reactivos utilizados para la reaccion qrnmica que tiene lugar.

El/los material(es) a reaccionar puede(n) estar en cualquiera o combinacion de:

1. Gaseoso,

2. Lfquido,

3. Solido, y

4. Plasma.

El procesamiento puede tener lugar a varias presiones, tales como:

1. Presion atmosferica

2. Presion sub-atmosferica (vacfo parcial o alto vacfo)

3. Por encima de la presion atmosferica

El procesamiento puede tener lugar a varias temperaturas, tales como:

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1. Temperatura ambiente

2. Por encima de la temperatura ambiente, o

3. Temperatura sub-ambiente

Despues del proceso reactivo, se puede requerir la separacion de los productos resultantes. En algunos casos, se formaran precipitado.

El metodo reivindicado se puede usar de manera ventajosa en combinacion con uno cualquiera o ambos catalizadores y atmosferas controladas, ademas de las condiciones del proceso descritas anteriormente.

El nivel de radiacion para el proceso reactivo debena estar entre 1,8 voltios de electrones (eV) y 1,22 millones de eV. Se reconoce que el uranio tiene el enlace mas allf que existe en la naturaleza en 115,6 KeV. No obstante, existen enlaces de energfa mas baja. La energfa de enlace para hidrogeno es 1,892 eV. La tension operativa maxima preferida es aproximadamente 1,22 millones de voltios de electrones (MeV). La razon de esto es que con una energfa ligeramente mas alta, 1,22 MeV, se cruza el umbral de produccion de parejas y los materiales se pueden volver radioactivos. Esto es indeseable, en general, excepto en algunas situaciones, tales como transmutacion de materiales radioactivos existentes y residuos radioactivos. La estructura del RCP se puede fabricar para operacion a tension de hasta y mas de 10 millones de voltios, si se requiere.

Reaccion ejemplar

Una reaccion ejemplar implica una corriente residual que contiene una cantidad sustancial de sodio en forma de sulfato de sodio diluido con agua. La liberacion de este material al medio ambiente es normalmente ilegal, por lo que es deseable realizar una reaccion para convertir el sulfato de sodio en una forma mas adecuada para uno o ambos desecho y descarga. Si el sulfato de sodio esta totalmente ionizado, un problema potencial es que se liberara sodio libre en presencia de agua, causando potencialmente de esta manera una reaccion explosiva, dependiendo de las varias concentraciones.

No obstante, en un ejemplo, el metodo reivindicado resuelve este problema proporcionando un medio seguro para descomponer el sulfato de sodio de una manera economica. En este ejemplo, se proporciona la radiacion de ionizacion en un nivel de energfa hasta ligeramente por debajo de 1,22 MeV. Este es en varios ordenes de magnitud mas alto que el requerido para ionizar totalmente sulfato de sodio. La cantidad de corriente del haz requerida se determina por las dimensiones del volumen de irradiacion y la tasa de produccion a traves del volumen de irradiacion 18. La corriente minima del haz se determina por el numero de las moleculas presentes en el volumen de irradiacion 18 del RCP 11 en cualquier instante dado.

Tradicionalmente, en reacciones qmmicas, cualquiera o una combinacion de temperatura, presion, catalizadores y reactivos consumibles se utilizan para inducir o incrementar la tasa de reactividad de tales reacciones. En el caso del metodo reivindicado, la temperatura es irrelevante por la siguiente razon. Como una medida de energfa, los voltios de electrones igualan directamente a la temperatura. Un foton de MeV lleva una temperatura equivalente a mas de 1 billon de grados C. Puesto que este nivel de energfa excede cualquier temperatura que pueda alcanzarse por tecnicas de calentamiento convencional, como se utilizan normalmente en la industria qmmica, la temperatura deja de ser un factor en el aumento o disminucion de las tasas de reaccion cuando se contempla a la vista del metodo reivindicado. Los experimentos realizados por el presente inventor han mostrado que e, este tipo de sistema, sobre el rango de presion de 10"2 Torr (1,33 Pascales) hasta 100 psig (619.000 Pascales), no se observo ningun cambio significativo en la tasa de reactividad.

En la reaccion ejemplar, en el volumen de reaccion 18 del RCP 11, la radiacion de rayos-X descompone en primer lugar el sulfato de sodio en sodio, azufre y oxfgeno y al mismo tiempo descompone el agua en hidrogeno y oxfgeno. Con la adicion de cloro, esta mezcla se recombinara en acido sulfurico diluido, cloruro de sodio, y agua como sigue:

2Na2SO4 + 4Cl + 2H2O > 2H2SO4 + 4NaCl

En esta reaccion, el cloruro de sodio (NaCl) se combinara con agua (H2O) y las cantidades por encima del nivel de saturacion formaran un precipitado. Es importante indicar que esta reaccion no tendra lugar si se ajustase la mezcla de cloro en el sulfato de sodio. Pero, en la presencia de radiacion de energfa suficientemente alta, donde los constituyentes de esta reaccion se ionizaran totalmente cuando se desea y entonces se recombinaran, estaran en su estado deseado de energfa mas baja.

Controlando la cantidad de cloro inyectado en esta reaccion, es posible alcanzar un equilibrio, donde todo el sodio es ligado a una cantidad molar correspondiente de cloro. El exceso de cloro no es deseable, ya que sena ventilado como un gas toxico, mientras que una cantidad insuficiente de cloro dana como resultado una perdida de control del proceso de union del cloro. Por lo tanto, la produccion de un precipitado de cloro de sodio es preferible.

En el ejemplo anterior, la cantidad de cloro inyectado puede ser controlada utilizando el sistema de control basado en realimentacion descrito anteriormente, que incluina un sensor 42 de productos qmmicos, tal como un

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espectroscopio o cromatografo capaz de detectar la presencia de gas cloro libre. La presencia de gas cloro libre indicana que se ha inyectado demasiado cloro. Esto provocana que el procesador de realimentacion redujera el nivel de la inyeccion de cloro hasta justo por debajo del punto, en el que se libera cloro libre. Esto representa la relacion de inyeccion optima de cloro en la solucion de sulfato de sodio.

En el ejemplo anterior, los productos finales de la reaccion son acido sulfurico y cloruro de sodio, que es sal de mesa comun. El acido sulfurico es diluido inmediatamente por las cantidades excesivas de agua presente en la corriente residual. Si su concentracion se elevase hasta un nivel inaceptable, la solucion se puede separar o neutralizar para reducir el pH hasta neutral. El cloruro de sodio se mezclara con agua libre hasta que forma una solucion saturada, en cuyo punto el cloruro de sodio se precipitara fuera de la solucion.

Sera evidente para un tecnico ordinario en la materia que este proceso se puede aplicar facilmente a muchas otras reacciones qmmicas y la reaccion dada aqm es meramente ejemplar.

Reacciones mas complejas, incluyendo aquellas que tienen intermedios, son comprendidas con la misma facilidad por el metodo reivindicado. La escala de tiempo, en la que ocurren estas reacciones qmmicas, es sustancialmente mas corta que un pulso de radiacion de rayos-X, permitiendo de esta manera que ocurran reacciones multiples secuencialmente dentro de la duracion de tal pulso.

Aparato de generacion de rayos-X

La figura 2 muestra un Procesador Qmmico Inductor de Reaccion (RCP) 11. Un RCP 11 utiliza una fuente de rayos- X del tipo de transmision en combinacion con sistemas de medicion, control e inyeccion de reactivo, tal como se ha descrito anteriormente en combinacion con la figura 1. La fuente de rayos-X del RCP 11 tiene una pistola de electrones. Como se muestra en la figura 2, el RCP 11 comprende con preferencia un catodo de emision de campo fno 46 y una rejilla 48. Las condiciones operativas pata tal fuente de emision de campo fno debenan estar a temperaturas por debajo del punto de inicio de la emision termo ionica, aproximadamente a 1600 grados Fahrenheit o aproximadamente 871,1 grados Celsius. Por encima de una temperatura de aproximadamente 871,1 grados Celsius, la fuente de emision de campo de catodo fno se convierte en un emisor termo ionico y tal temperatura operativa volvena inoperativa la fuente de rayos-X.

Tal pistola de electrones puede conseguir una densidad de la corriente maxima teorica de aproximadamente 80.000 Amps/cm2 en el modo de pulsos, que permite ultimamente niveles altos de radiacion debido a la fluencia alta creada por la gran cantidad de electrones utilizados para crear el haz de rayos-X. En aplicaciones practicas, el catodo 46 nunca se carga hasta su maximo teorico, sino mas bien hasta algun valor menor. Por ejemplo, el RCP 11 puede conseguir energfas altas de fotones de rayos-X de tipicamente 0,1 - 5 MeV, y una corriente alta del haz que puede variar tfpicamente desde kiloamperios hasta muchos megamperios. El sistema puede operar a niveles de corriente mas bajos, que dependen de los requerimientos de fluencia de la reaccion espedfica.

Con referencia a la figura 2, en funcionamiento, el catodo 46 se carga por la fuente de alimentacion 38 de la figura 1, o alguna otra fuente de alimentacion que cumple los requerimientos de tension, corriente, tiempo de subida y tasa de repeticion de los pulsos. Una resistencia de polarizacion (no mostrada) esta conectada entre el catodo 46 y la rejilla 48 y se utiliza para crear una tension sobre la rejilla 48, de manera que el tubo esta normalmente en una condicion de desconexion (no conductora). Cuando se aplica una senal de control del potencial de tierra a la rejilla 48, la rejilla libera el control del catodo 46 y el catodo se descarga. Los electrones 14 viajan entonces desde el catodo 46 hasta el anodo 50. Cuando chocan con el anodo 50, crean radiacion de frenado de radiacion-X 17. Cuando inciden en el anodo 50, una mezcla de radiacion-X 17 y electrones secundarios (no mostrados) son liberados desde una superficie de emision de rayos-X 50b del anodo 50 de una manera isotropica. Para controlar el espectro de radiacion de frenado y la profundidad de penetracion de electrones incidentes 14, se controla el espesor del anodo 50 con relacion a la tension del catodo. El espesor del anodo en la region del volumen de irradiacion 18 es controlado con preferencia con respecto a la profundidad de penetracion de los electrones incidentes, de manera que la preponderancia de la energfa transmitida desde una superficie receptora de electrones 50a del anodo 50, a traves del anodo 50, hasta un volumen de irradiacion 18 mas alla del anodo 50, esta en la forma de radiacion-X 17. Por lo tanto, como se muestra, el anodo 50 tiene tfpicamente una seccion de pared mas fina en la region del volumen de irradiacion 18, comparada con la seccion de entrada 28 y la seccion de salida 29, como se muestra en la figura 2, para conseguir un grado de control sobre el espectro de radiacion de frenado transmitido deseado.

La tension del catodo es suministrada a traves de la alimentacion de vacfo 52 aislada electricamente, y la tension de la rejilla se suministra a traves de la alimentacion de vacfo 54 aislada electricamente de la rejilla. Ambas alimentaciones 52 y 54 estan aisladas electricamente y selladas a alto vacfo, y penetran la proteccion de la radiacion biologica 56 y la carcasa 58.

Existen varias condiciones cnticas que deben cumplirse cuando se disena una rejilla para un RCP 11. Estas son:

1. El espaciamiento entre la rejilla y el catodo debe ser constante a traves de la longitud de la rejilla. Esto se realiza normalmente colocando la rejilla a alta tension y construyendola con una estructura ngida.

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2. El numero de elementos en la rejilla debe ser suficientemente alto para asegurar un campo electrico constante y uniforme en la region de la rejilla-catodo.

3. No existe aristas vivas o rebabas en ninguna parte de la estructura de rejilla; los elementos individuales pueden ser redondos, liso o de formas elfpticas de alta relacion de aspecto.

Con preferencia, todos los bordes estan totalmente redondeados. En este contexto, totalmente redondeado significa que el borde en cuestion tiene un radio igual a la mitad del espesor del material. La implementacion real de estas reglas de diseno se determina por el tamano de la rejilla a construir.

Sera evidente para un tecnico ordinario en la materia que se pueden utilizar otras fuentes de radiacion en lugar de una fuente de rayos-X de emision de campo de catodo fno. Una alternativa al uso de un RCP 11 configurado como una fuente de rayos-X de emision de campo de catodo fno consiste en utilizar una pluralidad de fuentes de rayos-X convencionales para sustituir la fuente de rayos-X de emision de campo de catodo fno mencionada anteriormente. Tambien es posible usar una fuente de radioisotopos nucleares.

Subsistema de inyeccion protegido contra radiacion

Con referencia de nuevo a la figura 1, para preservar la estructura molecular de reactivo 22a antes de la inyeccion, es necesario proporcionar un medio de inyeccion protegido contra radiacion-X. Esto previene la disociacion prematura, o la ionizacion parcial prematura, del reactivo 22a inyectado antes de la introduccion del reactivo de materia prima 20 en el volumen de irradiacion 18 o la introduccion del reactivo 22a en una u otros mas reactivos o ambas. Como se muestra en las figuras 1-4E, los requerimientos para un medio de inyeccion protegido se cumplen con preferencia proporcionando tubos concentricos 60a y 60b con un material de proteccion contra radiacion de rayos-X, tfpicamente plomo u otros elementos de numero atomico alto, que llenan el espacio intersticial entre los tubos; tal conjunto se muestra en 24 en las figuras 1 y 2. Los tubos 60a y 60b son tfpicamente de acero inoxidable o de algun otro material no-reactivo, que es compatible con, y no esta afectado por, los reactivos 20, 22a y 22b o por el entorno de radiacion en el volumen de irradiacion 18.

Cuando se considera el diseno de proteccion para el tubo inyector 24 protegido contra radiacion, es deseable considerar la atenuacion de rayos-X proporcionada por las paredes interior y exterior del tubo 60a y 60b, aunque en muchos casos, su contribucion a la proteccion general puede ser minima.

La figura 3 muestra una vista extrema del RCP 11 de la figura 2, en la que una pluralidad de conjuntos de tubos inyectores 24 protegidos contra radiacion estan dispuestos de manera uniforme alrededor de un eje central comun de RCP 11 y estan localizados en la region exterior del volumen de radiacion 18. La vista de la figura 3 muestra el extremo de entrada del RCP 11, que corresponde al lado izquierdo de la figura 2.

Las figuras 4A-4E muestran detalles de la construccion del conjunto de tubos inyectores 24 protegidos contra radiacion. La figura 4A muestra una serie de aberturas 25 en el tubo interior 60a, en el tubo exterior 60b y en los materiales de proteccion 61 intermedios, con insertos de aberturas de inyector 26 instalados en la aberturas 25. Como se muestra en la figura 4E, cada inserto de abertura de inyector 26 tiene una abertura de suministro de reactivo 27 para el suministro de reactivo. Los tubos 60a y 60b estan formados de material no-reactivo, tal como acero inoxidable- Debenan utilizarse materiales no reactivos para fabricar el conjunto de tubos inyectores 24, ya que los materiales reactivos contaminanan la reaccion. Con referencia a las figuras 4B y 4C, las aberturas para los insertos de aberturas del inyector 26 se pueden formar perforando taladros a traves de ambos tubos 60a y 60b, en alineacion axial concentrica entre sf y enroscando las aberturas en esos tubos. En un ejemplo, los insertos de aberturas del inyector 26 se fabrican tfpicamente del mismo material no-reactivo que los tubos 60a y 60b. Los insertos de aberturas del inyector 26 se instalan, respectivamente, a traves de taladros roscados en el interior y en el exterior 25a y 25b de la abertura 25 (figura 4B) en los tubos interior y exterior. Un metodo preferido de fabricacion de insertos de aberturas del inyector 26 y se sellado de los mismos a ambos tubos interior y exterior 60a y 60b se describe a continuacion.

Como se muestra en la figura 4B, cada taladro roscado 25a sobre el tubo interior 60a tiene una rosca conica 63a de paso fino. Cada taladro roscado 25b en el tubo exterior 60b tiene una rosca 63b de paso fino similar, pero en este caso es una rosca de pared recta. Cada pareja de taladros roscados interior y exterior 25a y 25b recibe un inserto de abertura de inyector 26 respectivo. Como se muestra en la figura 4E, el inserto de abertura de inyector 26 tiene roscas 62a y 62b formadas sobre su superficie exterior. La rosca 62a del inserto de apertura de inyector, que coincide con la rosca 63a en el tubo interior 60a puede ser una rosca de pared recta del mismo paso, mientras que la rosca 62b que se acopla con la rosca 63b de tubo exterior puede ser conica, como se muestra en las figuras 4B y 4E.

La finalidad del inserto 26 de abertura de inyector de rosca doble es crear al mismo tiempo juntas de estanqueidad con ambos tubos 60a y 60b amarrando las roscas macho 62a y 62b respectivas del inserto 26 de la abertura del inyector en roscas hembra 63a y 63b correspondientes de los tubos interior y exterior 60a y 60b. Las roscas conicas son preferibles por que la estanqueidad que consiguen es comparable con la estanqueidad que se consigue con juntas de estanqueidad de roscas de tubos conicas convencionales (por ejemplo, U.S. National Pipe Thread [NPT]), como se utilizan normalmente en fontanena y otros sistemas. En la fabricacion del inserto de abertura del inyector,

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es importante controlar el punto de partida de las operaciones de roscado para todas las roscas implicadas- Esto para asegurar que se puede obtener una obturacion optima.

Como se muestra mejor en las figuras 4D y 4E, una ranura en el extremo exterior de del inserto de abertura de inyector 26 mencionado anteriormente proporciona acceso para un destornillador de hoja plana o llave de tuercas para apretar el inserto de abertura del inyector 26 y realizar la estanqueidad mencionada anteriormente. Una llave dinamometrica se utiliza con preferencia para asegurarse de que se utiliza la fuerza de apriete correcta para optimizar adicionalmente las condiciones de sellado. Se pueden utilizar sellantes de roscas y compuestos de bloqueo de roscas, si son compatibles con los reactivos 20, 22a y 22b y otras condiciones del proceso.

Con referencia a las figuras 4B y 4E, como alternativas al uso de roscas rectas 62a, 63b y roscas conicas 62b y 63a, se pueden utilizar otras combinaciones de roscas rectas y conicas o roscas de paso variable para proporcionar la estanqueidad requerida entre el tubo interior 60a y el tubo exterior 60b y el inserto de apertura del inyector 26. Como alternativas en general al uso de roscas, los insertos de abertura de inyector 26 se pueden estanar o soldar a los tubos interior y exterior 60a y 60b, utilizando tecnicas bien conocidas.

En la figura 2, los extremos mostrados a la derecha de los tubos interior 60a y exterior 60b se acoplan con caperuzas extremas selladas 66a y 66b que afslan el material 61 de proteccion contra radiacion-X de los reactivos 20, 22a y 22b. Como se ha mencionado anteriormente, el material 61 de proteccion contra radiacion-X puede comprender plomo u otros elementos de numero atomico alto. Cada una de las caperuzas 66a y 66b se sueldan con preferencia TIG a tubos interior 60a y exterior 60b respectivos, donde TIG es una abreviatura de gas inerte volframio.

Una vez que los tubos interior 60a y exterior 60b estan conectados por los insertos de abertura del inyector 26, la etapa siguiente en la fabricacion del conjunto de tubos de inyector 24 protegidos contra radiacion es la adicion del material 61 de proteccion contra rayos-X. El conjunto resultante es orientado verticalmente y material de proteccion fundido es vertido lentamente en el espacio intersticial entre los tubos 60a y 60b, llenando completamente al espacio intersticial. Durante este proceso, es deseable utilizar calentamiento secundario de los tubos e insertos de abertura del inyector para asegurar que el material de proteccion fundido permanece fundido hasta que el espacio intersticial esta completamente lleno. Ademas, es deseable aplicar un vacfo bajo al espacio intersticial para asegurar que no existen burbujas o huecos en el material de proteccion 61, como se realiza normalmente en procesos de fundicion cnticos. Puede utilizarse con ventaja vibracion para asegurarse de que no existen huecos en los materiales de proteccion 61.

El conjunto resultante 24 se termina con la adicion de una caperuza extrema 70 (figura 2) sobre un extremo interior de los tubos Interior 60a y exterior 60b, con un taladro para permitir el paso a traves del tubo interior. La caperuza extrema 70 anterior sella el material 61 de proteccion contra rayos-X en el conjunto de inyector.

El conjunto de inyector 24 protegido contra radiacion completado es soldado con preferencia por puntos a la pared interior del anodo 50 RCP (figura 2), aunque otros medios de fijacion seran evidentes para los tecnicos ordinarios en la materia.

El tamano y la localizacion de los insertos de abertura del inyector 26 se determina por el patron de inyeccion deseado. Por ejemplo, puede ser deseable compensar la presion decreciente dentro del tubo interior 60a a medida que la distancia dentro del tubo se extiende desde una entrada. Tal compensacion asegurana una inyeccion mas uniforme de reactivo desde cada unidad de longitud del tubo. La compensacion puede adoptar la forma de un area agregada cada vez mayor proporcionada por insertos de inyector de salida 26 a lo largo de la longitud del conjunto de tubo 24. Por ejemplo, el numero de los insertos de inyector de salida 26 por unidad d longitud a lo largo del conjunto de tubos 24 se puede incrementar o se pueden incrementar los tamanos respectivos de los insertos de inyector de salida 26 a lo largo del conjunto de tubo 24, o ambos. Alternativamente, o ademas de la tecnica anterior, un conjunto de tubos 24 podna introducir reactivo en sus dos extremos para compensar la presion decreciente dentro del tubo interior 60a. Esto requerina con preferencia el uso de un divisor de 2 orificios (no mostrado) en la lmea de suministro de reactivo 22a para permitir un flujometro individual 30a.

Con referencia de nuevo a la figura 1, es necesario proporcionar un medio para intercalar la inyeccion de reactivos 20 y 22b, y 22a, a traves del conjunto de tubos de inyector 24 protegidos contra radiacion y la aplicacion de pulsos de irradiacion de rayos-X. Para realizar esto, la figura 5 muestra un pulso 72 de inyeccion de reactivo respectivo que precede a cada pulso 74 de rayos-X respectivo, asegurando que existe tiempo para que los reactivos 20, 22a y 22b inyectados se entremezclen con preferencia totalmente antes del pulso 74 de rayos-X en el RCP 11. La anchura del pulso 72 de inyeccion de reactivo es ajustable, como se muestra por flechas 73 de doble punta, para facilitar el proceso anterior. La anchura del pulso 72 de inyeccion de reactivo es ajustable, mientras que la anchura del pulso 74 de rayos-X es fija.

Las relaciones de la anchura del pulso mencionadas anteriormente previenen la disociacion prematura del reactivo 22a inyectado. La forma de realizacion preferida utiliza pulsos no-solapados de reactivo y radiacion-X, como se muestra en la figura 5, para permitir un tiempo maximo de entremezcla de reactivos antes de la disociacion y la reaccion o reacciones siguientes deseadas.

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En los pulsos de radiacion de rayos-X como se acaban de describir, la irradiacion de rayos X se puede suministrar como rafagas de pulsos de rayos-X mas que como un pulso individual. Esto se realiza para incrementar la eficiencia electrica del RCP 11.

En algunas circunstancias, particularmente donde se utiliza ionizacion parcial, el tubo inyector 24 protegido contra radiacion se puede modificar para que sea un tubo individual 24a de pared solida como se muestra en la figura 4F, donde el espesor y la composicion de la pared se seleccionan proteccion de rayos-X apropiada del reactivo o reactivos que se inyectan desde el tubo inyector modificado dentro del volumen de irradiacion 18. Debena prestarse consideracion a la reactividad qmmica potencial del tubo modificado con los reactivos o materia prima. La seleccion de un espesor de pared y de una composicion adecuados sera evidente para los tecnicos ordinarios en la materia.

Cuando se selecciona un tubo inyector 24a de pared individual, no se requieren ya los insertos de abertura del inyector 26 del conjunto de tubos 24. La figura 4F muestra un ejemplo de un tubo inyector 24 de pared individual que tiene un espesor de pared 31. En este ejemplo, el tubo incluye una pluralidad de aberturas 37 y una caperuza extrema 33. El material y el espesor de la pared se seleccionan para proporcionar proteccion para reactivos inyectados. Cuando no se puede obtener proteccion adecuada con un tubo de pared individual, entonces debena utilizarse el diseno de pared doble 24 (por ejemplo, figuras 4A-4E) con material de proteccion intermedio 61.

Mezcla mejorada de reactivos

Como se muestra en la figura 6, los conjuntos de tubos inyectores protegidos contra la radiacion, mostrados anteriormente como 24 in las figuras 1-4E o como 24a en la figura 4F, se muestran ahora en una configuracion es espiral, numerada como 71, y son de construccion similar a los conjuntos de tubos inyectores 24 o 24a protegidos contra radiacion, excepto que son de una configuracion en espiral en lugar que recta como se muestra en las figuras 1, 2 y 4F. La finalidad de la configuracion en espiral es impartir un flujo en espiral al reactivo 22a inyectado. Tal flujo en espiral mejora la mezcla del reactivo 22a con el reactivo de materia prima 20. Otros tipos de estructuras en espiral, tales como aletas en espiral (no mostradas), para impartir un movimiento en espiral al reactivo de materia prima 20 y a cualquiera o a ambos reactivos 22a y 22b son admisibles, como se apreciara facilmente por tecnicos ordinarios en la materia.

Bucle de reinyeccion de flujo de salida

La figura 7 muestra un sistema 100, que vana del sistema 10 de la figura 1 por que incluye un bucle de reinyeccion de flujo de salida 102 y lmeas de control asociadas. Por lo tanto, solo se describen aqrn el bucle de inyeccion de flujo de salida 102 y las lmeas de control asociadas; estas partes adicionales se muestran con ligeras ligeramente mas gruesas que las partes similares en el resto de la figura, que corresponde a la figura 1, para facilitar la distincion de las partes anadidas.

Con referencia a la figura 7, en algunos procesos, es deseable hacer recircular alguna parte de la salida 40 del RCP 11 de retorno a la entrada primaria 104 del RCP 11. El bucle de reinyeccion de flujo de salida 102 incluye un tubo de recirculacion 106, cuyo contenido es controlado por la valvula de extraccion 108 de flujo de salida y por dos valvulas de mezcla de reinyeccion 110 de flujo de salida. La razon para tener dos valvulas 108 y 110 es para aislamiento y para prevenir que cualquier flujo de salida 40 se estanque en el bucle de reinyeccion 102. Estas valvulas 108 y 110 operan normalmente de forma sincronizada para prevenir la condicion de estancamiento anterior. El bucle de reinyeccion 106 incluye un flujometro 112, cuyos datos de salida son enviados al ordenador central 34. La reinyeccion puede realizarse o bien a traves de la entrada primaria 104 a traves de la valvula 110 o a traves de uno o mas conjuntos de tubos de inyeccion 24 protegidos contra radiacion o alguna combinacion de los mismos. Las modificaciones anteriores pueden requerir algun cambio menor en la fontanena del sistema 10, ya que tales modificaciones pueden ser realizadas facilmente por tecnicos ordinarios en la materia.

El bucle de recirculacion 106 contiene tambien una valvula de purga 114, que esta localizada con preferencia ffsicamente directamente adyacente a la valvula de extraccion de flujo de salida 108. La finalidad de la valvula de purga 114 anterior es permitir que el bucle de reinyeccion de flujo de salida 102 sea limpiado de cualquier contenido. Esto se realiza cerrando la valvula de extraccion de flujo de salida 108, abriendo la valvula de purga 114, inyectando un gas comprimido adecuado a traves del orificio de entrada 114a para soplar cualquier contenido fuera del bucle de reinyeccion de flujo de salida 102 y finalmente cerrando las valvulas de reinyeccion de flujo de salida 110 para completar el ciclo de purga. El gas comprimido utilizado para la purga es seleccionado para que no sea reactivo con cualquier producto qmmico presente en el bucle de reinyeccion 106. Todo el ciclo de purga es controlado por el ordenador central 34 y ocurre tipicamente a la terminacion de una secuencia de procesamiento.

Procesamiento por lotes

El RCP 11 puede utilizarse tambien como un dispositivo de procesamiento por lotes, en contraste con la version de flujo continuo descrita anteriormente orientando con preferencia verticalmente un RCP 11 para conseguir la orientacion mostrada en 116 en la figura 8, y proporcionando las siguientes modificaciones. En esta configuracion, todo el RCP 116 se convierte en el matraz de reaccion sellando el fondo del tubo 117 con una placa de fondo conica 118 para eliminar el material que fluye a traves del RCP 116. La placa de fondo 118 tiene con preferencia una configuracion conica poco profunda, con un orificio de salida 119 localizado en su vertice que apunta hacia abajo

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para facilitar el drenaje del RCP 116 de procesamiento por lotes. El orificio de salida 119 tiene normalmente una valvula 122, que se muestra esquematicamente como un cilindro. La juntura entre el orificio de salida 119 y la valvula 122 esta disenada con preferencia para reducir al mmimo el volumen para la acumulacion de material no reaccionado, y esta en el volumen de irradiacion 124, para asegurarse de que todos los materiales en el RCP 116 de procesamiento por lotes han reaccionado correctamente. EL RCP 116 de procesamiento por lotes puede drenarse tambien por aspiracion desde su orificio de entrada 121.

Es preferible tener el extremo de entrada del conjunto de tubos inyectores 24 protegidos contra radiacion en el fondo del matraz de reaccion resultante, como se muestra en la figura 8. El matraz de reaccion esta configurado para que los reactivos y los productos de reaccion no realicen movimientos netos a traves del volumen de irradiacion a lo largo de un eje. Las vfas de entrada 128 y 130 y la via de salida 129 corresponden a las vfas con la misma numeracion en la figura 1 y, por lo tanto, la descripcion de los componentes asociados con esas vfas se encuentra en la descripcion anterior de la figura 1.

El RCP 116 incluye una seccion de entrada 123, un volumen de irradiacion 124, y una seccion de salida 125. Uno u otros mas reactivos, tales como el reactivo 22a entran a traves del conjunto de tubos inyectores 24 en el numero de referencia 130.

El RCP 116 de procesamiento por lotes puede estar configurado opcionalmente con un sistema de lavado inferior (no mostrado) para permitir la limpieza de las superficies interiores entre lotes. Esto es particularmente importante si se ejecuta mas de un proceso en la misma pieza de equipo.

Mejora del almacenamiento de energfa del RCP

La figura 9 muestra un Procesador Qmmico Inductor de Reaccion (RCP) 11 mejorado con un condensador acumulador de energfa 120 integrado directamente en su estructura. El condensador 120 esta previsto para asegurar que el RCP 11 es capaz de obtener una cantidad de energfa suficiente en su volumen de irradiacion 18 (figuras 1 y 2) en un periodo de tiempo muy corto. Dado que la electricidad viaja a o cerca de la velocidad de la luz, lo que equivale aproximadamente a un pie (30,48 cm) por nanosegundo, y el tiempo disponible para hacer esto es solo algunos nanosegundos, esta claro que el condensador acumulador de energfa 120 debena estar proximo a la pistola de electrones de la fuente de rayos-X del RCP 11.

Esta cuestion de suministro de energfa muy rapidamente es abordada en el RCP 11 de la figura 2 anadiendo un condensador coaxial a la superficie exterior del catodo 46, como se muestra en las figuras 2 y 5. La superficie externa del catodo 46 ofrece un medio de conexion de baja inductancia muy grande para el condensador. Toda la superficie interior del primer arrollamiento del condensador 120 esta unida electrica, qmmica y mecanicamente para estar en contacto electrico mtimo con el catodo 46. El condensador es enrollado entonces alrededor del catodo 46 hasta que tiene un diametro apropiado para proporcionar la capacitancia requerida para almacenar la cantidad deseada de energfa.

Debena indicarse que el espacio entre electrodos catodo - rejilla es un condensador por sf mismo y almacena una cantidad considerable de energfa. Una estructura de tres pulgadas (75 mm) de diametro formada por la yuxtaposicion del catodo 46 y la rejilla 48 almacena aproximadamente 200 picofaradios por pie (30,48 cm). Un dispositivo de dos pies (61 cm) de diametro almacenana aproximadamente 1,6 nanofaradios por pie (30,48 cm) si opera a 500.000 voltios y almacenana aproximadamente 4 kilojulios por pie el espacio entre electrodos catodo - rejilla. La energfa se determina por la ecuacion bien conocida:

J = CV2/2

Proteccion contra radiacion biologica externa

Como sera evidente para los tecnicos ordinarios en la materia a partir de la presente memoria descriptiva, se puede necesitar una proteccion adecuada contra radiacion biologica externa 56 (figura 2), cuando se practica el metodo reivindicado. El diseno de tal proteccion puede seguir practicas bien establecidas en instalaciones de radiacion medicas. Tfpicamente, se utilizana una proteccion de plomo de 0,25 pulgadas (6,35 mm) por 100 KeV, mas un factor de seguridad opcional tipicamente de 30 por ciento de espesor adicional. Aunque el espesor adicional atribuible al factor de seguridad no es necesario, asegura que el nivel de radiacion emitida desde este dispositivo este siempre sustancialmente por debajo de los lfmites de radiacion de fondo. La geometna del aparato utilizado en la invencion es normalmente un diseno largo, de alta relacion de aspecto, puesto que tal diseno proporciona atropamiento maximo de la radiacion que emerge generalmente sobre el eje.

Sera evidente para un tecnico ordinario en la material que se requiere proteccion 56 contra radiacion biologica alrededor de todo el exterior del RCP 11 (figura 1) para fines de seguridad biologica. No obstante, como se ha descrito anteriormente, varias formas de realizacion de la presente invencion requieren uno o mas conjuntos de tubos de inyector 24 protegidos contra radiacion para introducir reactivos 22a en el volumen de irradiacion 18 (figura 1) para permitir que estos reactivos esten protegidos de irradiacion y de las consecuencias negativas resultantes de la ionizacion prematura.

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En la practica general, la proteccion de la radiacion no esta limitada al plomo. Se utiliza una amplia gama de materiales como proteccion contra radiacion y se pueden utilizar practicas estandar con respecto a la seleccion de materiales de proteccion. Si se selecciona plomo como material de proteccion. Para cumplir con varias regulaciones internacionales con respecto al uso de este material, debe encapsularse dentro de un cerramiento impermeable para mantenerlo fuera de contacto con el medio ambiente. Materiales tales como fibra de vidrio y aluminio son materiales adecuados para esta aplicacion. Debido a que tales materiales de encapsulacion estan localizados fuera de la proteccion, no se deterioran como resultado de la exposicion a la radiacion. En algunos casos, donde el espacio no es una consideracion, se pueden utilizar materiales de proteccion tales como hormigones y cementos. Esto es muy util para sistemas muy grandes, como se utilizanan en aplicaciones industriales y municipales.

Modo continuo

Aunque se prefiere el modo de operacion por pulsos para la fuente de rayos-X del RCP 11, la fuente de rayos-X puede accionarse en el modo continuo modificando el regimen nominal de la carga de la corriente del catodo. En el modo de pulsos, el catodo 46 puede ser accionado con carga de corriente de hasta 75.000 Amps/cm2 En el modo continuo, la carga de la corriente del catodo debena estar limitada a no mas de aproximadamente 400 Amps/cm2. Aqu el termino “carga de corriente” se refiere a una carga de corriente maxima practica del catodo, mas que a la carga maxima teorica del catodo. Hay que indicar que el mismo sistema puede funcionar en cualquier modo cambiando la corriente de salida de la fuente de alimentacion.

Los reactivos pueden asistir en la refrigeracion del anodo 50 del aparato de generacion de rayos-X en cualquier modo.

El metodo reivindicado se puede utilizar en muchas aplicaciones, incluyendo, pero no limitadas a:

1. Fabricacion de productos qmmicos

2. Evacuacion de residuos del medio ambiente

3. Procesamiento de residuos radioactivos, y

4. Destruccion de armas qmmicas

Una caractenstica unica del metodo reivindicado es su universalidad. Se puede utilizar en combinaciones de solidos, lfquidos, gases y plasmas, virtualmente sin modificaciones. Solo el equipo, bombas y similares auxiliares de manipulacion del material son diferentes y espedficos del estado del material a procesar. Estas unidades se pueden fabricar pequenas, con taladros internos sustancialmente inferiores a 1 pulgada (25,4 mm), por una parte, y sobre 10 pies (3 metros) en el diametro interior, por otra parte. La construccion de acero inoxidable nominal (aunque se pueden utilizar otros materiales) permite un dispositivo robusto de alta resistencia que es bien adecuado para entornos industriales.

La lista siguiente de numeros de referencia del dibujo se proporciona para conveniencia del lector.

Lista de numeros de referencia

10. Sistema

11. Procesador Qrnmico de Induccion de la Reaccion (RCP) para modo de procesamiento continuo

14. Electrones

16. Tubo de entrada

17. Rayos-X

18. Volumen de irradiacion

20. Reactivo de material prima

22. Otros reactivos 22a & 22b

24. Conjuntos de tubos de inyeccion 24 & 24a protegidos contra radiacion

25. Taladros roscados interior y exterior 25a y 25b, respectivamente

26. Insertos de abertura del inyector

27. Abertura de suministro de reactivo

28. Seccion de entrada

5

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35

29. Seccion de salida

30. Flujometros 30a-30d

31. Espesor de pared

32. Valvulas de mezcla 32a y 32b

33. Caperuza extrema

34. Ordenador central

36. Lmeas de control 36a y 36b

37. Aberturas

38. Fuente de alimentacion de alta tension

40. Flujo de salida

42. Sensor de productos qmmicos, tal como espectroscopio o cromatografo 46. Catodo

48. Rejilla

49. Resistencia de polarizacion

50. Anodo; superficie receptora de electrones 50a; superficie emisora de rayos-X 50b 52. Catodo aislado electricamente con alimentacion de vacfo

54. Rejilla aislada electricamente con alimentacion de vacfo 56. Proteccion contra radiacion biologica

58. Carcasa

60. Tubo interior 60a y tubo exterior 60b

61. Material de proteccion

62. Rosca 62a (rosca de pared recta para coincidir con rosca 63a de tubo interior rosca 62b (rosca conica para coincidir con 63b del tubo exterior)

63. Rosca 63a (conica interior) y rosca 63b (recta exterior)

64. Ranura

66. Caperuzas extremas 66a y 66b

70. Caperuza extrema

71. Tubos de inyeccion en espiral

72. Pulso de inyeccion de reactivo

74. Pulso de rayos-X

76. Condensador acumulador de energfa

100. Sistema

102. Bucle de reinyeccion

104. Entrada primaria

106. Tubo de recirculacion

108. Valvula de mezcla de reinyeccion del flujo de salida

112. Flujometro

114. Valvula de purga; orificio de entrada de gas comprimido 114a

116. Procesador Qmmico de Induccion de la Reaccion (RCP) para modo de procesamiento por lotes

117. Tubo

118. Placa inferior

5

119. Orificio de salida

120. Condensador acumulador de energfa

121 Orificio de entrada

122 Valvula

123 Seccion de entrada

10

124 Volumen de irradiacion

125 Seccion de salida

126 Tubo de salida

127 Catalizador

128 Via de entrada

15

129 Via de salida

130 Via de entrada

Aunque la invencion se ha descrito con respecto a formas de realizacion espedficas a modo de ilustracion, se les ocurriran muchas modificaciones y cambios a los tecnicos en la materia. Tal tecnico comprendera que aunque las reacciones qmmicas pueden requerir ionizacion total o parcial de reactivos, cierto porcentaje de lo que se llama aqu 20 reactivo no necesita ser reaccionado, como puede suceder probablemente en el arranque inicial del proceso. Por lo tanto, se comprendera que las reivindicaciones anexas estan destinadas a cubrir todas estas modificaciones y variaciones que caen dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (34)

1. 5

   10

   15

   20

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   35

   40

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   50

   REIVINDICACIONES

   1. - Un metodo para inducir reacciones qmmicas utilizando radiacion de rayos-X, que comprende:

   (a) generar un volumen de irradiacion de rayos-X (18) en el interior de un matraz de reaccion (11) introduciendo una radiacion de rayos-X en el interior del matraz de reaccion (11);

   (b) introducir al menos un reactivo de materia prima (20) en el volumen de irradiacion de rayos-X (18);

   (c) introducir al menos un reactivo, distinto que al menos un reactivo de materia prima, en el volumen de irradiacion de rayos-X (18) a traves de uno o mas tubos de inyeccion (24) protegidos contra rayos-X, que se extienden dentro del volumen de irradiacion de rayos-X (18); teniendo cada uno de uno o mas tubos de inyeccion (24) protegidos contra rayos-X una via principal protegida de rayos-X, que se extiende a lo largo de una mayona de una longitud del volumen de irradiacion de rayos-X y que tiene una pluralidad de aberturas de inyector (26);

   i) cada abertura del inyector (26) se extiende transversalmente hacia fuera desde la via principal protegida contra rayos-X y se abre en el volumen de irradiacion de rayos-X (18) para permitir que dicho al menos un reactivo (22a) llegue hasta el volumen de irradiacion de rayos-X;

   ii) incluyendo dicha pluralidad de aberturas del inyector unas aberturas del inyector (26) que estan espaciadas a lo largo de dicha via principal protegida contra rayos-X para una mayona de la longitud del volumen de irradiacion de rayos-X (18); e

   (d) inducir que ocurran reacciones selectivas en dicho volumen de irradiacion de rayos-X (18) a traves del control de la fluencia y la energfa de dicha radiacion de rayos-X, para ionizar total o parcialmente, dentro de dicho volumen de irradiacion de rayos-X, todo o parte del al menos un reactivo de materia prima (20), el al menos un reactivo distinto que el al menos un reactivo de materia prima (22a) y cualquier reactivo o reactivos intermedios creados posteriormente.
2. 2. - El metodo de la reivindicacion 1, en el que la generacion del volumen de irradiacion de rayos-X (18) dentro del interior del matraz de reaccion (11) se realiza introduciendo radiacion de rayos-X en el interior del matraz de reaccion (11) a traves de una fuente de rayos-X (46, 48, 50 y 58) de emision de campo de catodo fno.
3. 3. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que dicha induccion para que ocurran reacciones selectivas en dicho volumen de irradiacion de rayos-X comprende controlar la fluencia y energfa de dicha radiacion de rayos-X para ionizar totalmente todo o parte del al menos un reactivo de materia prima (20), el al menos un reactivo (22a) y cualquier reactivo o reactivos intermedios creados posteriormente.
4. 4. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que dicha induccion para que ocurran reacciones selectivas en dicho volumen de irradiacion de rayos-X comprende controlar la fluencia y energfa de dicha radiacion de rayos-X para ionizar parcialmente todo o parte del al menos un reactivo de materia prima (20), el al menos un reactivo (22a) y cualquier reactivo o reactivos intermedios creados posteriormente.
5. 5. - El metodo de la reivindicacion 4, en el que se realiza un producto final resultante con un peso molecular menor que el al menos un reactivo de materia prima (20).
6. 6. - El metodo de la reivindicacion 4, en el que se realiza un producto final resultante con uno o ambos de una longitud y peso molecular mayores que el reactivo de materia prima (20).
7. 7. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, que comprende, ademas, controlar la introduccion del al menos un reactivo de materia prima (20) y el al menos un reactivo (22a) con el fin de inducir que ocurran reacciones selectivas, en el que dicho control comprende medir en tiempo real los caudales respectivos de introduccion de dicho al menos un reactivo de alimentacion (20) y el al menos un reactivo (22a) en el volumen de irradiacion de rayos-X (18) y ajustar en tiempo real dichos caudales de introduccion segun sea necesario para conseguir una qmmica del producto final deseado para un producto final resultante.
8. 8. - El metodo de la reivindicacion 7, en el que dicho control comprende medir el flujo volumetrico de salida que sale del volumen de irradiacion de rayos-X (18) e identificar la composicion qmmica de dicho producto final y, en respuesta, controlar en tiempo real los caudales respectivos de introduccion de dicho al menos un reactivo de realimentacion (20) y dicho al menos un reactivo (22a) en el volumen de irradiacion de rayos-X (18) para conseguir una qmmica del producto final deseado para el producto final.
9. 9. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que:

   (a) el matraz de reaccion (11) esta formado como un tubo que se extiende a lo largo de un eje; y

   (b) dicha generacion de un volumen de irradiacion de rayos-X (18) se realiza por una fuente de rayos-X, que rodea en cfrculo una seccion de irradiacion del tubo y dirige radiacion de rayos-X dentro de la seccion de irradiacion del tubo.

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10. 10. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que:

    (a) cada tubo inyector (24) protegido contra rayos-X comprende un tubo de pared doble que tiene un tubo interior (60a) rodeado por un tubo exterior (60b) con un material de proteccion intermedio (61) colocado entre ellos; y

    (b) la proteccion contra radiacion de rayos-X para el al menos un reactivo (22a) inyectado a traves del mismo resulta a partir del material de proteccion intermedio (61) y cualquier proteccion proporcionada por cualquiera de los tubos interior y exterior (60a y 60b).
11. 11. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que cada tubo (24) protegido contra rayos-X es un tubo de inyector (24a) de una pared.
12. 12. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que:

    (a) el matraz de reaccion (11) esta configurado para operar en un modo de procesamiento continuo;

    (b) el volumen de irradiacion de rayos-X (18) se extiende a lo largo de un eje;

    (c) el al menos un reactivo (22a) introducido en el volumen de irradiacion de rayos-X (18) a traves de uno o mas tubos protegidos contra rayos-X es introducido en una corriente del al menos un reactivo de materia prima (20) que fluye a lo largo de dicho eje en el volumen de radiacion de rayos-X.
13. 13. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que

    (a) el matraz de reaccion (11) esta configurado para operar en un modo de procesamiento continuo;

    (b) dicha introduccion de al menos un reactivo de materia prima (20) comprende introducir al menos un reactivo de materia prima (20) en el volumen de irradiacion de rayos-X (18) desde una localizacion curso arriba del volumen de radiacion de rayos-X (18) para formar una corriente del al menos un reactivo de materia prima (20) que fluye a traves del matraz de reaccion (11); y

    (c) dicha introduccion de al menos un reactivo (22a) a traves de uno o mas tubos de inyector (24) protegidos contra rayos-X se realiza a traves de inyeccion por pulsos (72) del al menos un reactivo (22a) en dicha corriente curso arriba del al menos un reactivo de materia prima (20) curso arriba del volumen de irradiacion de rayos-X (18), de tal manera que se provoca cierto nivel de entremezcla con dicho al menos un reactivo de materia prima (20) curso arriba del volumen de irradiacion de rayos-X (18);

    (d) siendo suministrada dicha radiacion de rayos-X en pulsos (74) intercalados con pulsos de dicha inyeccion por pulsos (72).
14. 14. - El metodo de la reivindicacion 13, en el que dichos pulsos (74) de radiacion de rayos-X no solapan dichos pulsos de dicha inyeccion por pulsos (72) de dicho al menos un reactivo (22a).
15. 15. - El metodo de la reivindicacion 13, en el que dichos uno o mas tubos inyectores (24) protegidos contra rayos-X estan configurados de una manera en espiral (71) a lo largo de una direccion a traves del volumen de irradiacion de rayos-X (18) para mejorar la entremezcla del al menos un reactivo (22a) con el al menos un reactivo de materia prima (20).
16. 16. - El metodo de la reivindicacion 13, en el que dicha introduccion de al menos un reactivo de materia prima (20) comprende mezclar continuamente una pluralidad de reactivos del al menos un reactivo de materia prima (20) sustancialmente antes de ser introducidos en el volumen de irradiacion de rayos-X (18).
17. 17. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que dicha introduccion de al menos un reactivo de materia prima (20) comprende mezclar continuamente una pluralidad de reactivos del al menos un reactivo de materia prima (20) sustancialmente antes de ser introducidos en el volumen de irradiacion de rayos-X (18).
18. 18. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que:

    (a) el matraz de reaccion (11) esta configurado para operar en un modo de procesamiento continuo; y

    (b) una porcion de un flujo de salida desde el volumen de irradiacion de rayos-X (18) es inyectada en una entrada del volumen de irradiacion de rayos-X (18).
19. 19. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que dicha radiacion de rayos-X esta en un rango desde 1,8 voltios de electrones hasta 1,2 millones de voltios de electrones.
20. 20. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que:

    a) dicha generacion de un volumen de irradiacion de rayos-X (18) se realiza por una fuente de rayos-X; y

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    45

    b) dicha fuente de rayos-X es por impulsos.
21. 21. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que: cada uno del al menos un reactivo (20) y el al menos un reactivo (22a) consta de gas, lfquido, solido como polvo, plasma o combinaciones de ellos.
22. 22. - El metodo de la reivindicacion 8, en el que la medicion del flujo volumetrico de salida incluye determinar si se han formado subproductos indeseables.
23. 23. - El metodo de la reivindicacion 22, en el que la determinacion utiliza un sensor qmmico (42).
24. 24. - Un sistema que comprende una combinacion de un matraz de reaccion (11) que tiene un volumen de irradiacion de rayos-X (18) para recibir al menos un reactivo de materia prima (20) y un tubo inyector (24) protegido contra rayos-X que se extiende dentro del volumen de irradiacion de rayos-X (18) para introducir al menos un reactivo (22a), distinto al reactivo de materia prima, en el volumen de irradiacion de rayos-X (18), en el que el tubo inyector (24) protegido contra rayos-X tiene una via principal protegida contra rayos-X que se extiende a lo largo de una mayona de una longitud del volumen de irradiacion de rayos-X (18) y que tiene una pluralidad de aberturas de inyector (26); extendiendose cada abertura de inyector (26) transversalmente hacia fuera de la via principal protegida contra rayos-X, y se abre en el volumen de irradiacion de rayos-X (18) para permitir que dicho al menos un reactivo (22a) llegue hasta el volumen de irradiacion de rayos-X (18) e incluyendo dicha pluralidad de aberturas de inyector unas aberturas de inyector que estan espaciadas a lo largo de dicha via principal protegida contra rayos-X para una mayona de la longitud del volumen de irradiacion de rayos-X.
25. 25. - El sistema de la reivindicacion 32, en el que cada inserto de abertura de inyector (26) respectivo esta sellado incluyendo una rosca macho exterior (62b) para coincidir con una rosca hembra exterior (63b) en un taladro roscado (25b) del tubo exterior y una rosca macho interior (62a) para coincidir con una rosca hembra interior (63a) en un taladro roscado (25a) del tubo interior.
26. 26. - El sistema de la reivindicacion 25, en el que:

    (a) la rosca macho interior (62a) es de pared recta para coincidir, respectivamente, con la rosca hembra interior (63a), que es conica; y

    (b) la rosca macho exterior (62b) es conica para coincidir, respectivamente, con la rosca hembra exterior (63b), que es de pared recta.
27. 27. - El sistema de la reivindicacion 32, en el que la proteccion contra radiacion de rayos-X, para el al menos un reactivo (22a), resulta a partir del material de proteccion intermedio (61) y cualquier proteccion proporcionada por cualquiera de los tubos interior (60a) y exterior (60b).
28. 28. - El sistema de la reivindicacion 32, en el que cada uno de los tubos interior (60a) y exterior (60b) incluye una caperuza extrema sellada (66a, 66b) para aislar el material de proteccion intermedio (61) del al menos un reactivo (22a) introducido en el tubo inyector (24) protegido contra rayos-X.
29. 29. - El sistema de la reivindicacion 24, en el que el tubo inyector (24) protegido contra rayos-X, despues de penetrar a traves de una pared lateral del matraz de reaccion (11), es instalado sobre el matraz de reaccion (11) utilizando un proceso de soldadura continua y entonces es instalado posteriormente sobre una pared interior del matraz de reaccion (11) utilizando soldadura por puntos.
30. 30. - El sistema de la reivindicacion 24, en el que el tubo inyector (24) protegido contra rayos-X es de una configuracion recta.
31. 31. - El sistema de la reivindicacion 24, en el que el tubo inyector (24) protegido contra rayos-X es de una configuracion en espiral (71).
32. 32. - El sistema de la reivindicacion 24, en el que la via protegida contra rayos-X incluye:

    a) un tubo interior (60a);

    b) un tubo exterior (60b) que rodea el tubo interior (60a); y

    c) un material de proteccion intermedio (61) contenido en un volumen entre el tubo interior (60a) y el tubo exterior (60b); y

    d) cada una de las aberturas de inyector (26) comprende un inserto de abertura de inyector (26) respectiva conectada con efecto de sellado entre tubos interior (60a) y exterior (60b).
33. 33. - El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que:

    a) el matraz de reaccion (11) esta configurado para operar en un modo de procesamiento por lotes; y

    b) el matraz de reaccion (11) tiene una entrada (121) de matraz de reaccion para recibir dicho al menos un reactivo de materia prima (20) y una salida (126) de matraz de reaccion, dispuesta a una altura menor que la entrada (121) de matraz de reaccion, para retirar el contenido del matraz de reaccion (11).
34. 34.- El metodo de la reivindicacion 33, en el que:

    5 a) cada uno de los tubos de inyector (24) protegido contra rayos-X tiene un extremo de entrada (130) del tubo inyector en el fondo del matraz de reaccion (11); y

    b) cada uno de uno o mas tubos inyectores (24) protegidos contra radiacion se extiende desde extremo de entrada (130) del tubo inyector y a traves del volumen de irradiacion de rayos-X (18) hacia la entrada (121) del matraz de reaccion.

    10 35.- El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que cada uno de una pluralidad de uno o mas tubos inyectores (24)

    protegidos contra rayos-Y esta dispuesto simetricamente alrededor de un eje longitudinal del matraz de reaccion (11).