專利名稱：使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微波化學反應裝置領域，特別涉及一種適于工業(yè)化生產(chǎn)，處于高溫、壓 力環(huán)境下工作的大容量微波化學反應器。
背景技術：
微波化學是研究在化學中應用微波的一門新興的前沿交叉學科，而微波化學反應裝 置是整個微波化學反應系統(tǒng)的關鍵，它的設計既要涉及到多學科的知識，也是一個復雜 的工程問題。
目前國內(nèi)外微波化學反應裝置已有很多種，但是絕大部分只能在常溫常壓下使用， 而且由于容積小，功率低等條件的限制，只適用于實驗室開展科研工作。有的微波化學 反應裝置雖然能使用在高溫和承壓條件下，但其容積仍然較小，不適應工業(yè)化生產(chǎn)。授
權公告號為CN 201108822Y的實用新型專利，雖然其發(fā)明目的是提供一種大功率、大容 積、高氣壓的微波化學反應裝置，但由于其微波傳輸系統(tǒng)由環(huán)行器、三銷釘調(diào)配器、匹 配負載和波導段組成，通過微波化學反應裝置中反應容器壁上設置的微波耦合窗將微波 饋入反應釜(反應容器)內(nèi)，由微波在反應容器內(nèi)自由傳播(與其它現(xiàn)有微波化學反應 裝置的微波傳輸系統(tǒng)無實質(zhì)性的區(qū)別)，因此難以使大容量(積)的化學反應容器內(nèi)獲 得均勻分布的微波場，從而導致系統(tǒng)待處理的物料內(nèi)存在嚴重的溫度不均勻的問題，影 響化學反應的效果。其原因在于微波在反應容器內(nèi)自由傳播的過程中，當傳輸了一段距 離(與容器半徑相比此段距離較小)后絕大部分微波能量被物料吸收，距離饋口較遠區(qū) 域的物料將得不到有效的微波輻射。此外，現(xiàn)有微波傳輸系統(tǒng)還存在下述問題化學反 應過程中，反應物體系的介電常數(shù)將發(fā)生變化，從而導致微波饋口處阻抗的變化，而采 用銷釘進行阻抗匹配無法有效跟蹤這種變化，因此會使微波能量的反射增加，造成微波 源功率輸出不穩(wěn)定甚至被損壞，為避免微波能量反射對微波源產(chǎn)生不利影響，通常使用 環(huán)形器等設備對微波源進行保護，這樣勢必增加微波反應裝置的制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應 裝置，以提高大容量化學反應容器內(nèi)微波場分布的均勻性，促進微波化學反應裝置的應用，尤其是在工業(yè)上的廣泛應用。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是1、對微波能量傳輸系統(tǒng)進行改進，微波能量傳輸 系統(tǒng)中設置介質(zhì)輻射器，介質(zhì)輻射器穿過反應容器壁伸入反應容器內(nèi)，通過介質(zhì)輻射器 將微波源所產(chǎn)生的微波能量傳輸?shù)轿锪现?，因而提高大容量化學反應容器內(nèi)微波場分布 的均勻性。2、對介質(zhì)輻射器的結(jié)構進行優(yōu)化設計，盡可能減小微波能量傳輸系統(tǒng)的反 射，保證微波能量的有效傳輸，同時降低微波能量反射對微波源產(chǎn)生不利影響，因而可 避免因使用大功率環(huán)形器等設備而造成的高昂成本。
本發(fā)明所述微波化學反應裝置，包括反應容器、微波源和微波能量傳輸系統(tǒng)。微波 能量傳輸系統(tǒng)包括介質(zhì)輻射器和波導，介質(zhì)輻射器穿過反應容器壁伸入反應容器內(nèi)，其 伸入反應容器內(nèi)的長度至少為1/4微波波長(但小于反應容器的內(nèi)腔尺寸)，介質(zhì)輻射器 與微波源通過波導相連。
根據(jù)微波化學反應裝置的功率和容積決定微波能量傳輸系統(tǒng)的套數(shù)，對于功率和容 積較小的微波化學反應裝置，微波能量傳輸系統(tǒng)可以是一套或兩套，對于大功率、大容 積微波化學反應裝置，可以設置多套相互獨立的微波能量傳輸系統(tǒng)。當微波能量傳輸系 統(tǒng)》兩套時，各套微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器在反應容器內(nèi)所處位置應使其與其 它所有微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器的能量耦合《一10dB (例如， 一個微波化學反 應裝置設置了三套微波能量傳輸系統(tǒng)，第一套微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器在反應 容器內(nèi)所處位置應使該介質(zhì)輻射器與第二、第三套微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器的
能量耦合《一10dB;第二套微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器在反應容器內(nèi)所處位置應
使該介質(zhì)輻射器與第一、第三套微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器的能量耦合《一
lOdB;第三套微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器在反應容器內(nèi)所處位置應使該介質(zhì)輻射
器與第一、第二套微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器的能量耦合《一10dB)，以有效減
小各微波能量傳輸系統(tǒng)間的互擾。
根據(jù)反應容器內(nèi)物料的特性決定伸入反應容器內(nèi)的介質(zhì)輻射器與物料是否接觸，對 于某些物料，介質(zhì)輻射器與其直接接觸可進一步提高物料中微波場分布的均勻性。
為了避免微波能量反射對微波源產(chǎn)生不利影響，并結(jié)合微波化學反應裝置的承壓條
件，本發(fā)明中的介質(zhì)輻射器有以下幾種結(jié)構
1、 介質(zhì)輻射器包括伸入微波化學反應裝置的反應容器內(nèi)進行微波能量輻射的輻射 段和對輻射段阻抗與波導阻抗進行匹配的阻抗變換段，輻射段與阻抗變換段既可以一體 化結(jié)構(即整體式結(jié)構)，又可以是組合式結(jié)構。
2、 介質(zhì)輻射器包括伸入微波化學反應裝置的反應容器內(nèi)進行微波能量傳輸?shù)妮椛?br> 5段、和對輻射段阻抗與波導阻抗進行匹配的阻抗變換段、與反應容器連接的緊固板，輻 射段與阻抗變換段既可以是一體化結(jié)構(即整體式結(jié)構)，又可以是組合式結(jié)構，所述 緊固板位于輻射段上，與輻射段為一體化結(jié)構(即整體式結(jié)構)。
3、 介質(zhì)輻射器包括伸入微波化學反應裝置的反應容器內(nèi)進行微波能量傳輸?shù)妮椛?段、和對輻射段阻抗與波導阻抗進行匹配的阻抗變換段和介質(zhì)擋板，所述介質(zhì)擋板位于 輻射段和阻抗變換段之間，輻射段、介質(zhì)擋板和阻抗變換段既可以是一體化結(jié)構(即整 體式結(jié)構)，又可以是組合式結(jié)構。
4、 介質(zhì)輻射器包括伸入微波化學反應裝置的反應容器內(nèi)進行微波能量傳輸?shù)妮椛?段、和對輻射段阻抗與波導阻抗進行匹配的阻抗變換段、與反應容器連接的緊固板和介 質(zhì)擋板，所述介質(zhì)擋板位于輻射段和阻抗變換段之間，輻射段、介質(zhì)擋板和阻抗變換段 既可以是一體化結(jié)構(即整體式結(jié)構)，又可以是組合式結(jié)構，所述緊固板位于輻射段 上，且與輻射段為一體化結(jié)構(即整體式結(jié)構)。
上述介質(zhì)輻射器中，阻抗變換段的縱截面為漸變形狀，以減小微波反射。 上述第1種和第2種結(jié)構的介質(zhì)輻射器用于常壓微波化學反應裝置，第3種和第4 種結(jié)構的介質(zhì)輻射器用于承壓微波化學反應裝置。介質(zhì)輻射器各部分的作用如下 輻射段的作用是將微波能量有效輻射到物料中。
阻抗變換段的作用是對輻射段的阻抗與波導的阻抗進行匹配，減小在傳輸過程中微 波能量的反射。
緊固板是一種連接構件，通過緊固板可實現(xiàn)輻射段與反應容器的連接，當組成輻射 器的輻射段、介質(zhì)擋板和阻抗變換段分開加工時，還可使輻射段與介質(zhì)擋板的銜接更緊 密。
介質(zhì)擋板的作用是當反應容器處于承壓狀態(tài)時，用以承受壓力，此外，當介質(zhì)輻射 器與波導連接時，還具有定位作用。
本發(fā)明所述介質(zhì)輻射器用損耗角正切(tanS)0.05的低介電損耗微波介質(zhì)材料制作， 所述低介電損耗材料為陶瓷或石英玻璃或聚四氟乙烯等。
本發(fā)明所述微波化學反應裝置，還具有以下結(jié)構設計
1、 反應容器內(nèi)壁上覆蓋有與物料不發(fā)生反應的低介電損耗材料。所述低介電損耗 材料為聚乙烯或陶瓷等。
2、 反應容器設置有攪拌器。
3、 反應容器設置有傳感器，所述傳感器的輸出端與控制系統(tǒng)的輸入端連接，控制
6系統(tǒng)對接收到的來自傳感器的信號進行處理并根據(jù)處理所得數(shù)據(jù)對微波化學反應裝置 的工作狀態(tài)進行控制。
本發(fā)明具有以下有益效果
1、 由于微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器穿過反應容器壁伸入反應容器內(nèi)，通過 介質(zhì)輻射器將微波源所產(chǎn)生的微波能量傳輸?shù)轿锪现校蚨商岣呋瘜W反應容器中物料 內(nèi)微波場分布的均勻性。
2、 當微波能量傳輸系統(tǒng)》兩套時，根據(jù)能量耦合理論對各套微波能量傳輸系統(tǒng)中 的介質(zhì)輻射器在反應容器內(nèi)的所處位置進行設計調(diào)整，有效地減小了各微波能量傳輸系 統(tǒng)間的互擾。
3、介質(zhì)輻射器的結(jié)構包括阻抗變換段，可避免微波能量反射對微波源產(chǎn)生的不利影
響，因而不再需要使用環(huán)形器等設備對微波源進行保護，有利于降低微波反應裝置的制 造成本。
4、本發(fā)明所述結(jié)構的微波化學反應裝置，其功率和容積及承壓能力可滿足工業(yè)化 生產(chǎn)的需要，有利于微波化學反應裝置的推廣應用。


圖1是本發(fā)明所述微波化學反應裝置中的介質(zhì)輻射器的第一種結(jié)構示意圖； 圖2是本發(fā)明所述微波化學反應裝置中的介質(zhì)輻射器的第二種結(jié)構示意圖； 圖3是本發(fā)明所述微波化學反應裝置中的介質(zhì)輻射器的第三種結(jié)構示意圖； 圖4是本發(fā)明所述微波化學反應裝置中的介質(zhì)輻射器的第四種結(jié)構示意圖； 圖5是本發(fā)明所述微波化學反應裝置中的微波傳輸系統(tǒng)與反應容器的一種組裝示意
圖，設置了一套微波傳輸系統(tǒng)；
圖6是本發(fā)明所述微波化學反應裝置中的微波傳輸系統(tǒng)與反應容器的又一種組裝示
意圖，設置了四套微波傳輸系統(tǒng)； 圖7是圖6的俯視圖8是本發(fā)明所述微波化學反應裝置的一種結(jié)構簡圖； 圖9是圖8中控制系統(tǒng)的結(jié)構框圖10是本發(fā)明所述微波化學反應裝置中的微波傳輸系統(tǒng)與反應容器的再一種組裝 示意圖，設置了三十套微波傳輸系統(tǒng)；
圖11是圖10中第1、 3、 5層微波傳輸系統(tǒng)的安裝示意圖； 圖12是圖10中第2、 4層微波傳輸系統(tǒng)的安裝示意圖。圖中，l一輻射段、2—阻抗變換段、3—緊固板、4一介質(zhì)擋板、5—反應容器、6 一反應容器法蘭盤、7—波導法蘭盤、8—波導、9一微波源、IO—介質(zhì)輻射器、11—安 裝環(huán)、12—攪拌器、13—溫度傳感器、14一液位計、15—壓力傳感器、16—進料口、 17 一出料管、18—底座、19一控制柜。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所述微波化學反應裝置的具體結(jié)構作進一步說明。 實施例l
本實施例中的微波化學反應裝置在常壓下工作，其反應容器5由不銹鋼制作，反應 容器的容積為30升，設置了一套微波傳輸系統(tǒng)，微波源功率lkW，微波頻率2450MHz。微 波傳輸系統(tǒng)包括介質(zhì)輻射器10和波導8。介質(zhì)輻射器10的結(jié)構如圖1所示，由輻射段l和 阻抗變換段2組成，輻射段l的縱截面為半橢圓與矩形的組合，阻抗變換段2的縱截面為 三角形，輻射段1和阻抗變換段2為一體化結(jié)構(整體式結(jié)構)，用石英玻璃制作。波導8 為BJ-22銅波導，其端部設置有用于連接的法蘭盤7。反應容器5、介質(zhì)輻射器IO、波導8 和微波源9的組裝方式如圖5所示輻射段l的半橢圓截面部段伸入反應容器5內(nèi)10cra，其 部分矩形截面部段位于反應容器所設置的法蘭盤6的內(nèi)孔中，通過粘結(jié)或靜配合的方式 與反應容器法蘭盤6固連，阻抗變換段2位于管狀波導8的內(nèi)孔中，波導8—端通過法蘭盤 7與反應容器法蘭盤6螺紋連接，其另一端接微波源9。
從圖5可以看出，輻射段1伸入到微波化學反應裝置的反應容器5內(nèi)，微波源9所 產(chǎn)生的微波能量通過波導8、阻抗變換段2、輻射段l傳輸?shù)轿锪现小?br> 實施例2
本實施例中的微波化學反應裝置在承壓(壓力1.5MPa)狀態(tài)工作，功率為12kW,工 作頻率2450MHz，其反應容器5由不銹鋼制作，容積為300升，內(nèi)徑為90厘米，設置了四 套相互獨立且結(jié)構相同的微波傳輸系統(tǒng)，各套微波傳輸系統(tǒng)均包括介質(zhì)輻射器10和波導 8。介質(zhì)輻射器10的結(jié)構如圖4所示，由輻射段l、阻抗變換段2、緊固板3和介質(zhì)擋板4組 成，緊固板3位于輻射段1上且與輻射段1為一體化結(jié)構，輻射段l、介質(zhì)擋板4、阻抗變 換段2分別制作，安裝時進行組合；輻射段l的縱截面為半橢圓與矩形的組合，阻抗變換 段2的縱截面為三角形，介質(zhì)擋板4為矩形板，緊固板l的外輪廓為矩形；輻射段l、緊固 板3、阻抗變換段2均由陶瓷制作，介質(zhì)擋板4材料為石英玻璃。波導8為BJ-22銅波導， 其端部設置有用于連接的法蘭盤7。四套微波傳輸系統(tǒng)在反應容器5上的安裝位置及各套 微波傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器IO、波導8和微波源9的組裝方式如圖6、圖7所示。各套微波傳輸系統(tǒng)間隔卯。安裝在反應容器5的側(cè)壁且位于同一高度，相鄰兩套微波傳 輸系統(tǒng)中，波導管的長軸相垂直(如圖7所示)。
輻射段l的半橢圓截面部段伸入反應容器5內(nèi)20cm，輻射段l上的緊固板3嵌入反應容 器5內(nèi)壁所設置的安裝環(huán)11中并用螺釘固定，輻射段l的部分矩形截面部段位于反應容器 法蘭盤6的內(nèi)孔中，阻抗變換段2位于管狀波導8的內(nèi)孔中并通過粘結(jié)或靜配合的方式與 波導8固連，介質(zhì)擋板4的兩端分別嵌入反應容器法蘭盤6、波導法蘭盤7所設置的裝有密 封圈的凹槽中，波導8—端通過法蘭盤7與反應容器法蘭盤6螺紋連接，其另一端接微波 源90
附圖8給出了微波化學反應裝置中的其它構件或部件及其安裝方式反應容器5內(nèi)壁 上覆蓋有與物料不發(fā)生反應的陶瓷材料；反應容器設置有帶高壓機封攪拌器12;反應容 器頂部設置有進料系統(tǒng)(包括進料口、進料閥門和輸送管道)，控制物料進入反應容器； 反應容器頂部預留有接口，用于安裝可視鏡，以觀察反應容器內(nèi)部情況；反應容器頂部 安裝有溫度傳感器13，將采集到的信號傳送至控制系統(tǒng)，用以進一步控制裝置的工作狀
態(tài)；反應容器頂部設置有壓力計15，用以探測反應容器內(nèi)的壓力情況；反應容器側(cè)壁設 有液位計14，用來采集反應容器內(nèi)液位信息；反應容器底部預留有接口，用以連接出料 系統(tǒng)，控制反應或處理后的物料排出反應容器；控制系統(tǒng)安裝在控制柜19中，其結(jié)構框 圖見圖9，控制系統(tǒng)對接收到的來自傳感器的信號進行處理并根據(jù)處理所得數(shù)據(jù)對微波 化學反應裝置的工作狀態(tài)進行控制；控制柜19上設有控制面板和數(shù)據(jù)顯示面板。 實施例3
本實施例中的微波化學反應裝置在承壓(壓力1.0MPa)狀態(tài)工作，功率為90kW，工 作頻率2450MHz,其反應容器5由不銹鋼制作，容積為2000升，設置了五層共30套相互獨 立且結(jié)構相同的微波傳輸系統(tǒng)。30套微波傳輸系統(tǒng)在反應容器5上的安裝位置及各套微 波傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器IO、波導8和微波源9的組裝方式如圖10、圖11和圖12所示。 安裝在反應容器5的側(cè)壁上的五層微波傳輸系統(tǒng)沿反應容器軸向的安裝間隔為30cm，位 于同一高度的各套微波傳輸系統(tǒng)間隔60°安裝，且位于同一高度的相鄰兩套微波傳輸系
統(tǒng)中，波導管的長軸相垂直。三十副介質(zhì)輻射器中的任一副與其它二十九副介質(zhì)輻射器 的能量耦合《一10dB。各套微波傳輸系統(tǒng)均包括介質(zhì)輻射器10和波導8。介質(zhì)輻射器IO 的結(jié)構如圖3所示，由輻射段l、阻抗變換段2和介質(zhì)擋板4組成，輻射段l、阻抗變換段2、 介質(zhì)擋板4為一體化結(jié)構，由石英玻璃材料制作；輻射段l的縱截面為半橢圓與矩形的組 合，阻抗變換段2的縱截面為三角形，介質(zhì)擋板4為矩形板。波導8為BJ-22銅波導，其端
9部設置有用于連接的法蘭盤7。波導8—端通過法蘭盤7與反應容器法蘭盤6螺紋連接，其 另一端接微波源IO。輻射段l的半橢圓截面部段伸入反應容器5內(nèi)22cm，輻射段l的部分 矩形截面部段位于反應容器法蘭盤6的內(nèi)孔中，通過粘結(jié)或靜配合的方式與反應容器法 蘭盤實現(xiàn)固連，阻抗變換段2位于管狀波導8的內(nèi)孔中，介質(zhì)擋板4的兩端分別嵌入反應 容器法蘭盤6、波導法蘭盤7所設置的裝有密封圈的凹槽中。
權利要求
1、一種使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，包括反應容器(5)、微波源(9)和微波能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于微波能量傳輸系統(tǒng)包括介質(zhì)輻射器(10)和波導(8)，介質(zhì)輻射器穿過反應容器壁伸入反應容器內(nèi)，介質(zhì)輻射器(10)與微波源(9)通過波導(8)相連。
2、 根據(jù)權利要求1所述的使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，其特征在于介質(zhì) 輻射器伸入反應容器內(nèi)的長度至少為1/4微波波長。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，其特征在于 微波能量傳輸系統(tǒng)為一套。
4、 根據(jù)權利要求1或2所述的使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，其特征在于 微波能量傳輸系統(tǒng)至少為相互獨立的兩套，各套微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器(10) 在反應容器(5)內(nèi)所處位置應使其與其它所有微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器的能 量耦合《一10dB。
5、 根據(jù)權利要求1或2所述的使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，其特征在于 伸入反應容器內(nèi)的介質(zhì)輻射器(10)與物料直接接觸。
6、 根據(jù)權利要求1或2所述的使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，其特征在于 介質(zhì)輻射器包括伸入反應容器內(nèi)進行微波能量傳輸?shù)妮椛涠?1)、對輻射段阻抗與波導 阻抗進行匹配的阻抗變換段(2),輻射段(1)與阻抗變換段(2)為一體化結(jié)構或組合 式結(jié)構。
7、 根據(jù)權利要求6所述的使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，其特征在于介質(zhì) 輻射器還包括介質(zhì)擋板(4),所述介質(zhì)擋板位于輻射段和阻抗變換段之間，輻射段、介 質(zhì)擋板和阻抗變換段為一體化結(jié)構或組合式結(jié)構。
8、 根據(jù)權利要求7所述的使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，其特征在于介質(zhì) 輻射器還包括用于與反應容器連接的緊固板(3)，所述緊固板G)位于輻射段(1)上， 且與輻射段為一體化結(jié)構，制作介質(zhì)輻射器的材料為損耗角正切<0.05的低介電損耗微波介質(zhì)材料。
9、 根據(jù)權利要求1或2所述的使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，其特征在于 反應容器內(nèi)壁上覆蓋有與反應物料不發(fā)生反應的材料。
10、根據(jù)權利要求1或2所述的使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，其特征在于 反應容器設置有傳感器，所述傳感器的輸出端與控制系統(tǒng)的輸入端連接，控制系統(tǒng)對接 收到的來自傳感器的信號進行處理并根據(jù)處理所得數(shù)據(jù)對微波化學反應裝置的工作狀 態(tài)進行控制。
全文摘要
一種使用介質(zhì)輻射器的微波化學反應裝置，包括反應容器和微波能量傳輸系統(tǒng)。微波能量傳輸系統(tǒng)包括介質(zhì)輻射器和波導，介質(zhì)輻射器穿過反應容器壁伸入反應容器內(nèi)，介質(zhì)輻射器與微波源通過波導相連。根據(jù)微波化學反應裝置的功率和容積決定微波能量傳輸系統(tǒng)的套數(shù)，對于功率和容積較小的微波化學反應裝置，微波能量傳輸系統(tǒng)可以是一套或兩套，對于大功率、大容積微波化學反應裝置，可以設置多套相互獨立的微波能量傳輸系統(tǒng)。當微波能量傳輸系統(tǒng)≥兩套時，各套微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器在反應容器內(nèi)所處位置應使其與其它所有微波能量傳輸系統(tǒng)中的介質(zhì)輻射器的能量耦合≤-10dB。
文檔編號B01J19/12GK101518722SQ20091005871
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權日2009年3月27日
發(fā)明者劉長軍, 偉 華, 楊曉慶, 翔 趙, 郭慶功, 閆麗萍, 星 陳, 黃卡瑪 申請人:四川大學