CN114222626A - 用于微波热解系统的内部冷却的阻抗调谐器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内部冷却的微波短线调谐器组件,该组件具有短线柱,所述短线柱具有用于在运行时接收循环冷却流体的中空管道。用于热解反应器的微波短线调谐器组件被描述为包括至少一个伸入到波导管腔中的细长中空主体柱塞。所述柱塞的每个中空主体部分具有至少一个用于接收循环冷却流体的内部冷却管道并且适于在循环冷却流体进入柱塞、流经每个所述内部冷却管道和离开柱塞时被所述循环冷却流体冷却。每个柱塞具有用于调节柱塞在波导管腔内的位置的位置调节器件。
Description
技术领域
本发明涉及热解领域,并且更具体地涉及用于微波热解系统的联接器。
背景技术
诸如生物量和塑料等产品的热解通常在厌氧条件下,即在无氧的环境下通过添加热量在反应器中进行。通常有三种主要的反应产物:石油、天然气和炭黑。在大多数情况下,热解过程被调谐以最大化油产率,因为其作为化学品或燃料的来源通常具有最大的价值。
用于热解的常规加热源通常包括燃料气体的燃烧以产生火焰和热燃烧气体或电阻加热元件。在这种传统的热解系统中,反应器的外表面被加热,使得热量可以经由穿过包括侧壁或底部的反应器壁的热传导传递给待热解的产品。
然而,至少一些传统热解系统具有至少一些以下缺点。
至少一些传统热解系统提供低的油产率,因为待热解产品的加热速率相对较低,这导致低的油产率。这是因为产品的加热速率由容器壁的温度确定,即容器壁温度越高,产品加热速率越高。最大容器壁加热速率以及因此的产品的最终温度通常由容器的热惯性、热源功率、热损耗、容器壁合金的选择、表面积和传热系数决定。所有这些约束条件都限制了原料的加热速率。然而,选择能够承受高温的合金(比如InconelTM(铬镍铁合金)或钛)会增加系统的资本成本。
此外,低最终产品温度(即低反应温度)导致低反应速率并且还影响反应动力学。此外,由于反应器壁被加热到高于待热解产品的温度,产品在其离开反应器壁时经历温度升高,这可能导致产品的降解。
为了克服传统热解系统的至少一些上述缺陷,已经开发了微波热解系统。这种微波热解系统使用微波加热放置到反应器中的待热解产品。
微波是电磁波:垂直于磁场的移动电场。用于加热应用的微波通常具有2.45GHz(15kW以下的低功率)和915MHz(高达100kW的高功率)的频率,这些频率是固定的并且由国际法规确定。
微波热解系统相对于传统热解系统的一些主要优点包括导致高产品产率的高加热速率、导致高反应速率并改善动力学的高反应区域温度、快速温度调节以及允许避免热解反应的产品的降解的低环境温度。
然而,微波热解系统确实存在一些问题。这些问题之一涉及到将微波功率输送到反应器的手段。电力输送的一个挑战在于高强度电场的存在和化学反应器中污染物的存在。
通常微波热解系统包括用于将微波生成器生成的微波传播到将发生热解的反应器的微波波导管。通常的波导管是矩形管,其尺寸是根据微波波长/频率设定的,并且微波反应器的内部尺寸通常大于波导管的内部尺寸。因此,波导管内部的微波功率密度(体积小)通常比微波反应器中的大。
在反应器和波导管内的固定位置,将经历随时间振荡的电势和磁位。如果势能增加到介质击穿电压以上,就会形成电弧。电弧提高气体的温度并产生等离子体。等离子体是导电的,并且振荡电场维持电弧,该电弧向最高功率密度的方向,即向微波生成器的方向行进。当电弧向微波生成器行进时,它会损坏金属表面及其接触的边界,即电弧会在金属上产生尖锐的边缘。通过停止微波注入可以消除电弧。一旦微波注入恢复,由先前电弧产生的尖锐的边缘的存在产生高电场强度的点,这增加了超过介质击穿电压的风险并促进了另一电弧的产生。因此,电弧的产生继而导致电弧作用的更高的可能性。由于波导管内部的功率密度与微波反应器相比通常较高,波导管内部的电弧作用的风险高于在反应器中。因此,波导管环境必须控制得很好(清洁度、高击穿电压、无污染物、光滑表面、无尖锐的边缘等)。
热解通常伴随产生炭黑颗粒的副反应。这些颗粒是导电的、细小的固体颗粒。当悬浮在气体中时,炭黑颗粒的存在降低了气体击穿电压并促进了电弧作用。通过反应产生的其他气体和/或液体的存在也可能降低介质击穿电压。
金属表面上的污染物沉积也可能导致热点和电弧作用。例如,在固定的炭黑颗粒中,振荡电场将感应出电流。由于炭黑颗粒的电阻不为零,炭黑颗粒由于电阻损耗而变热。因此,金属表面上可能会产生热点,这会导致表面损坏、表面熔化、尖锐的边缘和/或电弧作用。
传统的微波热解系统使用具有矩形横截面形状的微波波导管。在比如矩形微波波导管中,最高电场强度位于波导管的长边缘的中间。这对应于TE10传输模式,其是矩形波导管的主要模式。在这种情况下,污染物的沉积可能导致金属上的热点、金属损坏、尖锐的边缘的产品和/或电弧作用。
此外,微波系统中的阻抗匹配通常需要最大化从微波生成器到反应器的传输功率并最小化反射功率。阻抗匹配通常使用虹膜或短线调谐器进行。虹膜是一个穿孔板,并且它的阻抗是根据孔的大小和几何结构。因为尺寸和几何结构都是固定的,所以虹膜的阻抗是固定的,并且在微波注入到反应器中期间可能不会实时改变。因此,虹膜是一种静态阻抗匹配系统。
短线调谐器是一种被构造为可调节的阻抗匹配系统。典型的短线调谐器由波导管区段组成,该波导管区段设置有柱形短线柱或柱塞,这些短线柱或柱塞沿着其长边缘垂直插入到波导管壁中。大多数传统的短线调谐器具有三个间隔开的通常设置在附接到波导管壁的外壳中的短线柱。插入到波导管中的深度可以变化,以改变调谐器的特性阻抗。大多数短线调谐器允许在微波注入期间实时改变每个单独短线柱的插入深度,从而调节阻抗匹配以最小化反射功率。因此,短线调谐器是一种动态阻抗匹配系统。
现有的短线调谐器设计用于匹配阻抗失配相对较低(电压驻波比(VSWR<10:1))的系统的阻抗。VSWR用于表征微波系统的阻抗失配:
其中Γ是反射系数。
典型的短线调谐器可以覆盖史密斯圆图中大约一半的可完全匹配频谱。总的目标是使用短线调谐器使史密斯圆图读数在中间,这表示微波的低反射。
典型地,短线调谐器可以在波导管内的水平和/或竖直位置被手动移位,以便调谐阻抗匹配。微波调谐器通常使用千分尺托架驱动器以用于竖直位移。一般来说,短线柱是通过螺杆驱动器来移位的。
自动短线调谐器经由通过计算机接口控制的致动器来操作短线柱的位移。
然而,当插入波导管内的微波场中时,短线柱受到电场和磁场的作用,这在短线柱表面上感应出电流。因为短线柱材料具有非零电阻(短线柱通常由铝或铜制成),所以在短线柱上会发生电阻热损耗。在波导管壁上也会发生一些电阻损耗,但与短线柱上的损耗相比,这些损耗可以忽略不计。
由于短线柱上的那些电阻损耗,短线柱升温并且他们的运行温度升高。随着短线柱温度升高,短线柱经历热膨胀,从而其长度和直径增加。由于热膨胀,短线柱可能会在短线柱外壳内被挤压,并且螺杆驱动器可能不再移入和移出调谐器。然后,系统失去了其改变调谐器阻抗的能力。此外,迫使短线柱移动或移出可能会对短线柱、短线柱外壳、螺杆驱动器和/或致动器造成机械损坏。
此外,当观察到更高水平的失配时,该现象恶化,并且传统系统开始进一步升温,甚至在短线调谐器组件的主体内产生反复的电弧作用。大多数现有调谐器要么没有控制短线柱温度的冷却机构,要么它们以在调谐器外壳中的液体(水、乙二醇)冷却回路为特点。在这两种情况下,作为主要热源的短线柱的温度不受控制,这将现有调谐器的使用限制在低阻抗失配应用(VSWR<10:1)。需要一种短线调谐器组件,其允许在高功率下(例如,在915MHz和2450MHz下为100kW)补偿微波生成器和反应器谐振腔之间的高阻抗失配(比如VSWR≥10)。
因此,需要一种改进的微波热解系统和短线调谐器组件,其克服了现有技术系统的至少一些上述缺点。
发明内容
根据一个广泛的方面,提供了一种内部冷却的微波短线调谐器组件,该组件具有短线柱,所述短线柱具有用于在运行时接收循环冷却流体的中空管道。用于热解反应器的微波短线调谐器组件被描述为包括至少一个伸入到波导管腔中的细长中空主体柱塞。所述柱塞的每个中空主体部分具有至少一个用于接收循环冷却流体的内部冷却管道并且适于在循环冷却流体进入柱塞、流经每个所述内部冷却管道和离开柱塞时被所述循环冷却流体冷却。每个柱塞具有用于调节柱塞在波导管腔内的位置的位置调节器件。
附图说明
结合附图,从以下详细描述中,本发明的进一步特征和优点将变得清晰明了,其中:
图1是根据实施例的包括微波热解反应器、联接器和短线调谐器的微波热解系统的剖视图;
图2是图1的短线调谐器组件的2的剖视图,所述横截面垂直于波导管的纵向轴线;
图3是图1的短线调谐器组件沿着短线调谐器组件的外侧的剖面侧视图;
图4是图1的短线调谐器组件沿着短线柱的纵向轴线的剖面侧视图;
图5是图4的局部视图;
图6是图1的短线调谐器组件的透视剖面侧视图。
具体实施方式
图1示出了例如在915MHz微波源上运行的微波热解系统10的实施例。系统10包括反应器或容器12、联接器14和短线调谐器16组件。应当理解,短线调谐器组件16可以直接或经由微波波导管连接到微波源或微波生成器(未示出)。反应器12被构造成用于在微波能量的作用下在其中进行化学和/或物理反应。
应当理解,反应器12、联接器14和短线调谐器组件16的形状、尺寸、入口和出口仅仅是示例并且可以变化。例如,虽然联接器14和短线调谐器组件16被示出为构造成基本上垂直于反应器12的纵向轴线连接,但是应当理解,其他实施例也是可能的。反应器12、联接器14和短线调谐器组件16的相对比例是为了说明的目的并且仅仅是示例性的。
在另一实施例(未示出)中,没有联接器14,换句话说,在反应器内限定的腔和短线调谐器组件16的矩形波导管之间没有物理接口。然而,缺少联接器可能使微波热解系统10不适于进行涉及需要包含在反应器12内的多相环境(固体、气体和/或液体)的化学反应。由于没有任何物理屏障,固体、气体和/或液体可能与微波相互作用而产生热点、电弧作用(热等离子体)和短线调谐器组件16的故障。由于短线调谐器经受高微波功率密度和高电场,电弧作用和热点产生的趋势很高。因此,安装合适的联接器14是优选的,以最小化短线调谐器组件16的电弧作用和故障。
在使用之前,联接器14通过适当的器件比如螺母和螺栓组装到反应器12上。在一种实施例中,联接器14相对于短线调谐器16具有加宽的直径,并且提供从矩形管状波导管形状到大致柱形形状的转换。
反应器12为要经历微波热解的材料提供了合适的入口和出口。材料水平填充线66的示例被示出。在一些实施例中,反应器12是密封的并且适于在真空或压力下工作。反应器壁18可以是双壁的或包套的,以允许反应器壁18的冷却或加热。
在所示实施例中,短线调谐器组件16用于阻抗匹配并将通过微波生成器(未示出)发射的微波引导至联接器14。联接器14用于将来自短线调谐器组件16的微波传播到反应器12中。反应器12被构造成在其中接收待热解的产品,该产品通过微波加热来加热。
现在将参照图1至6更详细地描述短线调谐器组件16。
如图所示,短线调谐器组件16包括包围在微波波导管内的波导管腔20,并且三个柱塞(短线柱)壳体22附接在该波导管上。锁定螺母24允许每个柱塞26固定在壳体22内的某个位置,并通过确保柱塞螺纹区段46和壳体螺杆区段48之间良好的电接触来防止微波的泄漏。第二锁定螺母32锁定第一锁定螺母34。虽然传统的设计具有大约1/8”的柱塞螺纹区段,但是图示的实施例提出了大约>1.0”的区段。
有利的是,柱塞26之间的轴向距离根据微波场的波长λ并且通常为λ/3。
典型地,柱塞26在波导管腔20中能够达到的深度通常不超过λ/4。
在一种实施例中,使用允许冷却流体在柱塞26内循环同时允许柱塞26旋转以进行调谐的双流旋转接头35使冷却流体在每个柱塞26内循环。柱塞26的旋转允许柱塞26在轴向位置从完全伸出的位置到大致位于波导管腔20的中间的位置的位移。
柱塞外壳36允许微波的容纳,并且柱塞26和柱塞外壳36之间的间隙允许微波的完全或接近完全的电阻塞(choking)。柱塞26是中空轴40,其冷却管道直径的比例大约为(λ/6)(其中λ是波长),以允许冷却流体在柱塞冷却管道38内循环。
在一种实施例中,柱塞26可以被设置一个以上的冷却管道,以便实现更多的冷却。
柱塞26由铸造或机械材料构成,比如包括钢、铜、铝、它们的任意合金或组合材料的金属。在一种实施例中,柱塞26可以涂覆有低电损耗材料,比如银。
柱塞冷却管道38连接到冷却流体入口42,并迫使冷却流体进入柱塞26的末端,并通过旋转接头35和流体出口44在柱塞的顶部离开。本领域技术人员将理解,冷却流体的流动方向也可以颠倒,并且每个柱塞26可以有利地串联连接到冷却流体流。
在一种实施例中,冷却流体在开放回路中循环,例如通过使用城市用水。在另一实施例中,冷却流体在闭合回路中循环,并连接到制冷交换器(未示出)。
在一种实施例中,为了防止柱塞26的边缘和柱塞外壳36之间的电弧作用,柱塞外壳36内的最小柱塞长度最初被设置为波导管的内部高度的大约四分之一并根据需要进行调节以实现适当的阻抗匹配。
因此,当观察到载荷和电源之间的阻抗失配时,本发明的短线调谐器系统用于补偿阻抗的复数部分。为此,柱塞26被插入波导管腔20并被调节进出波导管腔,以影响整个系统的阻抗,并确保阻抗的复分量接近0(史密斯圆图上的水平),以最大化微波反应器12中传输的功率。
因此,当观察到载荷和电源之间的阻抗失配时,短线调谐器组件、柱塞26可以被移位并调节到波导管的更深处。在一些实施例中,可能还需要添加如上所述的附加柱塞26,以进一步增加系统的电感。
已经观察到,由柱塞26中的感应电流引起的耗散(电阻)能量损失生成热量,并且所需的热量耗散的量与柱塞的深度成比例,因此当记录到高水平的失配时,更大量的热量被生成,因此需要更多的冷却。
为了将柱塞26保持在恒定的温度,选择在冷却管道38中流动通过中空轴40的冷却流体的量、流速和性质。
在一种实施例中,冷却流体由循环泵(未示出)持续循环,并由流速和/或温度传感器(未示出)监测,以将该数据传递给控制器(未示出)。冷却流体的流速和/或温度由控制器实时适当控制和调节。
在一种实施例中,控制器可操作地将流体源与冷却装置(未示出)链接,以用于在进入冷却管道38之前将流体的温度调节到期望的温度。在另一实施例中,控制器还可操作地将流体源链接到可变速循环泵(未示出)。因此,可以选择冷却流体的期望温度和流动速率,并且在优选实施例中实时调节,以便在短线调谐器16运行时冷却柱塞26。
在一种实施例中,每个柱塞26可以设置有多个循环冷却流体的冷却管道38。在相同或其他实施例中,冷却管道38的长度和直径可以被构造成朝向波导管腔20中的柱塞26的末端产生更多的冷却。在一些实施例中,冷却管道38可以流体连接在一起,从而可以存在单个入口和单个出口。
在一种实施例中,短线调谐器组件还包括至少一个用于经由测量柱塞26出口处的冷却流体来感测柱塞26的温度的温度传感器。在相同或另一实施例中,反应器12设置有至少一个用于感测温度控制流体的流量的流量传感器。应当理解,(多个)温度传感器和/或(多个)流量传感器可以安装在任何适当的位置,以分别测量温度控制流体的温度和/或流动速率。
为了允许柱塞的移入和移出,双流旋转接头35安装在每个柱塞26的末端,这允许柱塞在被循环冷却流体冷却的同时自由地拧入和拧出。
此外,当观察到高水平的阻抗失配时,柱塞26通常通过拧入到波导管腔20中并从外壳36出来而向内移动得更深。
为了进一步防止柱塞的端部和波导管腔的下端之间的电弧作用,本发明使用比传统布置具有更长直线区段的柱塞壳体22,以便至少保持壳体22和柱塞26之间的距离的至少大约五倍的区段。这用于确保微波电场完全或几乎完全被阻塞,并防止在波导管腔20中存在电场。如果没有这种延伸的重叠区段,柱塞可能会将微波泄漏到波导管腔中并产生不期望的电弧作用。
本发明的上述实施例仅仅是示例性的。因此,本发明的范围仅由所附权利要求的范围来限定。
Claims (12)
1.用于热解反应器的微波短线调谐器组件,包括:
至少一个伸入到波导管腔中的细长中空主体柱塞;
所述柱塞的每个所述中空主体具有至少一个用于接收循环冷却流体的内部冷却管道并适于在循环冷却流体进入所述柱塞、流经每个所述内部冷却管道和离开所述柱塞时被所述循环冷却流体冷却;以及
每个所述柱塞具有用于调节所述柱塞在所述波导管腔内的位置的位置调节器件。
2.根据权利要求1所述的微波短线调谐器组件,其中,所述循环冷却流体处于闭合回路中。
3.根据权利要求1所述的微波短线调谐器组件,其中,所述循环冷却流体处于开放回路中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的微波短线调谐器组件,其中,所述短线调谐器组件还包括用于监测和控制所述循环冷却流体的温度的器件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的微波短线调谐器组件,其中,所述组件还包括用于监测和控制所述循环冷却流体的流动速率的器件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的微波短线调谐器组件,其中,用于调节所述柱塞在所述波导管腔内的位置的所述柱塞调节器件被自动调节以用于微波阻抗匹配。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的微波短线调谐器组件,其中,细长中空主体柱塞的数量为三个或更多。
8.根据权利要求7所述的微波短线调谐器组件,其中,细长中空主体柱塞的数量为三个。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的微波短线调谐器组件,其中,所述细长中空主体柱塞内的冷却管道的直径约为(λ/6),其中λ是波长。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的微波短线调谐器组件,其中,每个柱塞之间的轴向距离约为(λ/3),其中λ是波长。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的微波短线调谐器组件,其中,每个所述柱塞设置有一个以上的冷却管道。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的微波短线调谐器组件,其中,冷却管道都连接到单个冷却流体回路。
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