PL203765B1 - Przepust mikrofalowego zasilania reaktora wysokociśnieniowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przepust mikrofalowego zasilania reaktora wysokociśnieniowego przeznaczony do transmisji energii prądu szybkozmiennego z generatora mikrofalowego do wnętrza wysokociśnieniowej komory reaktora, w którym ta energia jest używana do nagrzewania i wzbudzania reagentów chemicznych celem doprowadzenia do przyspieszonych zmian fizycznych i chemicznych. Wysoka szczelność przepustów jest niezbędna zwłaszcza wtedy, gdy do komory reaktora mają być podawane pod ciśnieniem gazy małocząsteczkowe lub atomowe takie jak hel czy wodór.

Znane przepusty mikrofalowe są stosowane w urządzeniach mikrofalowych zamkniętych, zwłaszcza w reaktorach pracujących przy podwyższonych ciśnieniach i/lub podwyższonych temperaturach. W polskim zgłoszeniu patentowym nr P.293492 dotyczącym urządzenia do wysokociśnieniowego przeprowadzania próbek analitycznych do roztworu, ujawniony jest przepust, który łączy mikrofalowy element promieniujący osadzony na płytce łączącej połączonej poprzez pręt stanowiący przyłącze i linię transmisyjną z generatorem mikrofalowym. Pręt stanowiący przyłącze osadzony jest w obudowie urządzenia poprzez izolator. Podobne przepusty są stosowane w znanych reaktorach mikrofalowych przeznaczonych do syntez chemicznych pod ciśnieniem. Najczęściej są to przepusty współosiowe, nazywane przepustami z falą typu TEM (Transverse ElectroMagnetic Wave są to pola elektryczne i magnetyczne fali płaskiej, które nie mają składowej w kierunku rozchodzenia się fali), zapewniające możliwość zminimalizowania rozmiarów otworów, przez które energia fal radiowych i mikrofal jest transmitowana do wnętrza reaktora. Zakres ciśnień mineralizatorów i reaktorów mikrofalowych nie przekracza 250 barów i dlatego stosowane tam przepusty z falą TEM, to zwykle mechanicznie nieskomplikowane podpory dielektryczne wykonane w postaci pierścienia ze szkła, ceramiki lub tworzyw polimerowych. Znane są też przepusty mające kształt szczelin bądź otworów prostokątnych lub kołowych, które wymiarowo odpowiadają długości transmitowanych mikrofal. Znany przepust stosowany w urządzeniach wysokociśnieniowych pracujących w zakresie ciśnień poniżej 250 barów, stanowiący port wejściowy reaktora, jest rozbieralny i wykonany w postaci wkręcanego korka.

Istota przepustu według wynalazku polega na tym, że odcinek cylindrycznego przewodu, stanowiący przewód wewnętrzny linii współosiowej jest wyposażony w kołnierz, który szczelnie przylega do cylindrycznej podpory wykonanej z twardego dielektryka o wysokiej wytrzymałości mechanicznej, przez którą przechodzi przewód, przy czym geometryczna długość tej podpory jest równa wielokrotności połówek długości fali TEM, która przy częstotliwości dostarczanej przez zewnętrzne źródło mocy propaguje się wzdłuż linii współosiowej wypełnionej materiałem dielektryka, z którego wykonano podporę.

Korzystnie, kołnierz cylindryczny oparty jest na płaskiej powierzchni cylindrycznej podpory bez dodatkowej uszczelki lub uszczelniony względem tej powierzchni za pomocą polimerowej uszczelki, przy czym przewód jest mechanicznie napięty wzdłuż swojej osi za pomocą dodatkowej podpory dielektrycznej znajdującej się poza obszarem oddziaływania wysokiego ciśnienia.

Korzystnie, podpora umocowana szczelnie wewnątrz wnęki wydrążonej w korpusie metalowego korka posiada uszczelnienie wysokociśnieniowe względem ściany cylindra portu wejściowego w korpusie reaktora w postaci uszczelki i pierścienia antyekstruzyjnego lub korek utworzony z podpory osadzonej w korpusie metalowego korka i wykonany w postaci jednego elementu z dielektryka, posiada uszczelnienie wysokociśnieniowe względem ściany cylindra portu wejściowego w korpusie reaktora w postaci uszczelki i pierś cienia antyekstruzyjnego.

Zaletą przepustu według wynalazku jest połączenie w jednym zespole funkcji i elementów konstrukcji dielektrycznych wkładek-podpór przewodu środkowego w linii współosiowej charakterystycznych dla radiowych i mikrofalowych torów współosiowych, z funkcjami i elementami konstrukcyjnymi rozbieralnych korków do cylindrów wysokociśnieniowych stosowanych w technice ekstremalnie wysokich ciśnień. Możliwość wprowadzenia mikrofal przez przepust do wnętrza wysokociśnieniowego cylindra stwarza nadzieję na przeprowadzenie szeregu nowych reakcji chemicznych, które wymagają jednoczesnego użycia skrajnie wysokich ciśnień i energii elektromagnetycznej. Jednak dla zakresu ciśnień powyżej 250 barów wymaga to specjalnej konstrukcji przepustu mikrofalowego łączącego cechy wysokociśnieniowego korka oraz mikrofalowego toru transmisyjnego. W technice wysokich ciśnień wszystkie elementy konstrukcji wykonywane są z mechanicznie wytrzymałych stopów metali. Wprowadzenie energii mikrofal do wnętrza cylindra wysokociśnieniowego z przepustem okazało się możliwe poprzez zastąpienie elementów metalowych lub ich części innymi elementami o podobnych kształtach, lecz wykonanych z bezstratnego dielektryka o dostatecznie dobrej wytrzymałości mechanicznej. Dla zapewnienia wysokiej sprawności przekazu energii przez przepust z wkładką dielektryczPL 203 765 B1 ną konieczne jest uzyskanie dopasowania energetycznego polegającego na pełnej transmisji energii z generatora mocy mikrofalowej do obciążenia wewną trz reaktora. Najprostszym sposobem dopasowania jest zagwarantowanie ciągłości impedancji falowej.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przepust mikrofalowego zasilania reaktora wysokociśnieniowego, a fig. 2 - przepust z cylindryczną podporą dielektryczną osadzoną we wnęce wydrążonej w metalowym korku wysokociśnieniowym.

Przepust mikrofalowego zasilania reaktora wysokociśnieniowego w pierwszej postaci wynalazku (Fig. 1) ma dwie podpory dielektryczne 4, 5, z których pierwsza podpora dielektryczna 4 współpracuje z uszczelką 6 i pierścieniem antyekstruzyjnym 7, zaś druga dodatkowa podpora dielektryczna 5 służy do wstępnego naprężenia środkowego przewodu toru współosiowego względem pierwszej podpory 4 i metalowej oprawy 3 z zewnętrznym gwintem. Dodatkowa podpora dielektryczna 5 od dołu opiera się o przewód rurowy zamknięty na drugim końcu podkładką dielektryczną 11. Przewodnik centralny 8 posiada kołnierz 9 i z pierwszej strony opiera się na dielektryku pierwszej podpory 4, a z drugiej jest przykryty nakładką teflonową 13 z uszczelką polimerową o przekroju okrągłym 12, przy czym średnica i kształ t pierwszej podpory 4 są pasowane wraz z uszczelką 6 i pierś cieniem antyekstruzyjnym 7 do średnicy otworu w korpusie reaktora 2. Ponadto pomiędzy pierwszą podporą 4 i nakładką teflonową 13 jest umieszczona uszczelka polimerowa o przekroju okrągłym 12. Przepust mocowany jest do korpusu reaktora 2 za pomocą połączenia gwintowego 1, przy czym korpus reaktora 2 posiada ścianę o gruboś ci pozwalają cej na wykonanie połączenia gwintowego 1 oraz odpowiedni kanał cylindryczny 10 dla realizacji wymaganej wysokociśnieniowej przestrzeni reakcyjnej zamkniętej uszczelnieniem utworzonym pomiędzy tym kanałem 10 a tą częścią dielektrycznego przepustu, na której znajduje się uszczelka 6 i pierścień antyekstruzyjny 7.

Przepust mikrofalowego zasilania reaktora wysokociśnieniowego w drugiej postaci wynalazku (Fig. 2) różni się tym, że posiada cylindryczną podporę dielektryczną 4 wprasowaną lub/i wklejoną do wnęki wydrążonej w metalowym korku wysokociśnieniowym 14 tak, że uszczelnienie boczne względem komory cylindrycznej 10 reaktora realizowane jest za pomocą części metalowej korka wyposażonej w uszczelkę 6 i pierścień antyekstruzyjny 7.

Przepust według wynalazku stanowi połączenie funkcji podpory dielektrycznej 4,5, charakterystycznej dla radiowych i mikrofalowych linii współosiowych oraz funkcji rozbieralnego korka cylindrycznego, znanego z techniki ekstremalnie wysokich ciśnień i wyposażonego w uszczelkę 6 i uszczelkę 7 z zabezpieczeniem antyekstruzyjnym. W technice ekstremalnie wysokich ciś nień wszystkie elementy takiego korka wykonywane są ze stali specjalnych. Przepust według wynalazku składa się z elementów wykonanych z twardego materiału dielektrycznego, takiego jak np. szkło kwarcowe lub szafir, stanowiących podporę linii transmisyjnej współosiowej wkomponowanej w strukturę korka wysokociśnieniowego w taki sposób, że jednocześnie zapewnione są mechaniczna wytrzymałość na wysokie ciśnienie, szczelność gazowa oraz bezodbiciowa transmisja energii mikrofal uzyskanej dzięki doborowi właściwej długości wkładki dielektrycznej. Rozbieralność nowego przepustu, zagwarantowana jest przez połączenie gwintowane 1 wprowadzone pomiędzy korpusem reaktora 2 a metalową oprawą przepustu 3. Dzięki właściwemu doborowi grubości materiału metalowej oprawy przepustu siły działające wzdłuż gwintu tej oprawy mogą się rozłożyć równomiernie na całej długości gwintu. Dodatkowymi elementami uszczelnienia i izolowania powyżej opisanych konstrukcji wysokociśnieniowych przepustów mikrofalowych są nakładki teflonowe 13, uformowane stosownie do kształtu przepustu, oraz typowe uszczelki polimerowe o przekroju okrągłym 12.

Przy realizacji przepustu ważne jest zminimalizowanie strat energii na ciepło. Rodzi to sprzeczności, gdyż z punktu widzenia wysokich ciśnień przepust powinien być możliwie mały, zaś z punktu widzenia strat przewód centralny 8 doprowadzający energię do wnętrza reaktora powinien mieć dostatecznie dużą średnicę, np. d = 6 mm. Ponadto, jak wynika z praktyki, tylko takie solidne doprowadzenie może w dłuższym okresie czasu wytrzymać obciążenie mocą mikrofalową powyżej 1 kW. Przy średnicy przewodu d = 6 mm i wypełnieniu przepustu dielektrykiem w postaci szkła kwarcowego, o przenikalnoś ci względnej s = 4,5, dla uzyskania wymaganej standardowej impedancji równej 50 omów, średnica zewnętrzna D przepustu powinna wynosić 30 mm natomiast dla szafiru o przenikalności s=9,8, średnica 50-omowego przepustu wzrośnie do 43 mm. Tak duże średnice mogą stanowić istotne ograniczenie wytrzymałościowe konstrukcji limitując maksymalne ciśnienia robocze do ok. 250 barów. Dlatego w praktycznej realizacji przepustu, wymaganie zachowania ciągłości impedancji 50 omów odrzucono, jako nierealistyczne wybierając impedancje znacznie mniejsze, takie które odpowiadają doborowi średnicy przepustu korzystnemu wyłącznie z punktu widzenia wytrzymałości ci4

PL 203 765 B1 śnieniowej. Przykładowo dla przepustu szafirowego (s = 9,8) przy średnicach D = 15 mm i d = 6 mm impedancja Zo wyniesie zaledwie 17,5 omów. Przy połączeniu z typowym 50-omowym fiderem odbicie energii związane z niedopasowaniem impedancji wyniosłoby ponad 23%. Dlatego w celu uzyskania dobrego dopasowania energetycznego w przepuście wg wynalazku zastosowana została samokompensacja odbicia polegająca na takim doborze długości hx dielektrycznej podpory 4, aby odpowiadała ona całkowitej wielokrotności połówek fali mikrofalowej rozchodzącej się wzdłuż linii wypełnionej dielektrykiem. W takim przypadku dielektryk podpory 4 nie stanowi przeszkody w propagacji energii, gdyż odbicia fal od obydwu jego końców znoszą się. Oczywiście ten typ kompensacji może być dokonany tylko dla jednej częstotliwości roboczej.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Przepust mikrofalowego zasilania reaktora wysokociśnieniowego zawierający odcinek cylindrycznego przewodu elektrycznego stanowiącego przewód wewnętrzny oraz specjalną linię współosiową łączący wnętrze wysokociśnieniowego reaktora chemicznego z zewnętrznym źródłem zasilania mocą wysokiej częstotliwości lub mikrofal, znamienny tym, że odcinek cylindrycznego przewodu (8), stanowiący przewód wewnętrzny linii współosiowej jest wyposażony w kołnierz (9), który szczelnie przylega do cylindrycznej podpory (4) wykonanej z twardego dielektryka o wysokiej wytrzymałości mechanicznej, przez którą przechodzi przewód (8), przy czym geometryczna długość tej podpory (4) jest równa wielokrotności połówek długości fali TEM, która przy częstotliwości dostarczanej przez zewnętrzne źródło mocy propaguje wzdłuż linii współosiowej wypełnionej materiałem dielektryka z którego wykonano podporę (4).

2. Przepust według zastrz. 1, znamienny tym, że kołnierz (9) cylindryczny oparty jest na płaskiej powierzchni cylindrycznej podpory (4) bez dodatkowej uszczelki lub uszczelniony względem tej powierzchni za pomocą polimerowej uszczelki (12), przy czym przewód (8) jest mechanicznie napięty wzdłuż swojej osi za pomocą dodatkowej podpory dielektrycznej (5) znajdującej się poza obszarem oddziaływania wysokiego ciśnienia.

3. Przepust według zastrz. 1, znamienny tym, że podpora (4) umocowana szczelnie wewnątrz wnęki wydrążonej w korpusie metalowego korka (14) posiada uszczelnienie wysokociśnieniowe względem ściany cylindra portu wejściowego w korpusie reaktora (2) w postaci uszczelki (6) i pierścienia antyekstruzyjnego (7) lub korek utworzony z podpory (4) osadzonej w korpusie metalowego korka (14) i wykonany w postaci jednego elementu z dielektryka, posiada uszczelnienie wysokociśnieniowe względem ściany cylindra portu wejściowego w korpusie reaktora (2) w postaci uszczelki (6) i pierś cienia antyekstruzyjnego (7).