CN102773055A - 一种微波加热装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波加热装置及其应用，所述装置包括：微波反应器；以及微波发生及传输装置，该微波发生及传输装置按微波传导顺序包括：微波源、环形器、水负载、定向耦合器、三销钉自动调节器以及波导，在波导段，采用矩形波导转化为同轴传输的形式，以一探针从微波反应器侧壁探入反应器中央，而将微波溃入反应器中。本发明的装置，反应器内微波分布均匀，且装置密封性好，可将本发明的装置切实应用于任何利用微波进行加热的反应，例如应用于连续式油品加氢脱硫，能够缓和工艺条件，有效提高油品脱硫率，改善炼油的经济性。

Description

一种微波加热装置及其应用

技术领域

本发明是关于一种微波加热装置及其应用，特别是指一种利用微波加热的化学反应装置以及该装置的应用。

背景技术

微波具有波长短(1m～1mm)、频率高(300MHz～300GHz)、量子特性等明显特征。微波加热的基本原理是带电粒子的传导和电介质极化。离子传导机制是指介质内的离子在电磁场中产生迁移电流而产生热。电介质极化机制是指在电磁场作用下，极性分子从随机分布状态转向依据电磁场的极性排列取向。在微波高频电磁场的作用下，这些取向运动依随交变电磁的频率不断变化，造成分子的剧烈运动和碰撞摩擦，从而产生热量，导致电场能转化为介质内的热能。非极性分子由于内部电荷分布均匀则不被微波加热。微波加热具有穿透性、瞬时性和选择性加热的特点，且热量损失小、操作方便、清洁卫生无污染，已在生活生产中得到广泛应用。

传统的微波加热技术主要是用于加热食品，近年来，随着微波加热技术的发展，将微波加热技术应用于化工工业上的报道日益增多。

目前所报道的微波加热装置大多是利用一封闭腔体作为微波加热腔，可将微波源直接放置于加热腔壁上，或在加热腔壁上开设波导口，微波通过波导口向加热腔内辐射。一般来说，采用这种微波通过加热腔周壁向腔内辐射的方式，腔内微波场分布较不均匀，中间最强，边上弱，基本呈正弦分布。另外微波加热腔中的微波场分布还与微波输入到该腔体的方式和部位直接相关，这两个因素通常也会造成加热腔中微波场分布的不均匀性。这种不均匀性使得微波加热技术在需要进行均匀加热或需要严格控制反应温度的化学工业应用中受到了很大的限制。

CN 101473692A公开了一种能正常地均匀加热加热室的整个内部并且按照需要实现局部集中加热的微波加热装置。其中主要是利用至少一个旋转天线，通过控制装置控制旋转天线，以使其具有高辐射指向性的部分定向成朝向根据温度分布检测装置的检测结果而确定的方向上以对物体进行加热。

CN 1826026A公开了一种均匀辐射的微波加热装置，其中是使微波由波导阻抗变换器传输，并从波导口向外输出到对应的耦合腔中，被反射/散射后，从耦合腔一个侧壁的多个耦合孔均匀地向加热腔中输出多个微波束，从而无需旋转器件即可改善加热腔中微波能量分布不均匀的问题。

上述微波加热装置，尽管在一定程度上能改善微波腔内微波场分布不均匀问题，但改善程度有限，且上述微波加热装置主要是对食品进行加热，对于需要微波加热的化工工艺并不适用。

WO 2009/064501公开了一种微波促进的原油脱硫技术，其中是利用一箱体式微波加热反应器/微波腔体(CEM公司的微波设备以及改进的家用微波炉)，在加压氢气存在下，用微波能量照射原油和催化剂，进行加氢脱硫反应。然而，该技术存在以下问题：其中记载是通过搅拌的方式将原油和催化剂进行混合，但实际上很难在所述的腔体中将油、气和催化剂混合均匀，这种混合在实际操作过程中还容易堵塞管道；该方法中，加氢脱硫反应完成后需将催化剂与原油进行分离，通过重力沉降或者过滤，操作繁琐；另外，所述的微波装置为间歇反应器，供给体具有很多的限制。

CN 101560407A公开了一种石油液化气或汽油脱硫微波反应釜，其结构按微波传导顺序有微波源、微波耦合器、调配器、过渡波导、通风安全隔离器、隔离窗口和反应腔体；反应腔体在靠两端头的侧面分别带有入料口和出料口的圆筒形容器，靠近入料口的圆筒端头封闭，靠近出料口的圆筒端头经隔离窗口和密封圈与通风安全隔离器密封连接；所述的通风安全隔离器是一段圆波导，其侧面开通风孔。该文献中是将矩形波导转换为圆柱形波导，然后通过窗口将微波溃入。其中通过安全隔离器上开孔来达到避免可燃气体泄漏的目的(实际上是将泄漏的气体通过这些孔散发出去)，然而，如何防止氢气或者可燃油气不进入，该文献并未做出清楚说明，而氢气的泄漏对于油品加氢反应而言是绝对禁止的，存在安全隐患。

综上所述，上述现有技术报道的微波加热装置难以应用于规模化的工业生产，更不能用于实现需要反应物连续式输入输出微波加热腔的化学反应工艺。

发明内容

本发明的一个目的在于针对上述现有技术微波加热装置存在的问题，提供一种微波加热装置，微波腔内微波场分布均匀，且能够切实应用于规模化的化工工艺，并提高操作安全性。

本发明的另一目的在于提供所述微波加热装置的应用。

为达上述目的，本发明提供了一种微波加热装置，该装置包括：

微波反应器；以及

微波发生及传输装置，该微波发生及传输装置按微波传导顺序包括：微波源、环形器、水负载、定向耦合器、三销钉自动调节器以及波导，在波导段，采用矩形波导转化为同轴传输的形式，以一探针从微波反应器侧壁探入反应器中央，而将微波溃入反应器中。即，本发明中是将微波腔体做反应器。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置中，所述微波反应器的材质可以为不锈钢、铜、银或铝中的任一种或合金，例如可采用化工工艺中常用的高温高压反应釜改造而成。

本发明中，所述探针探入反应器的地方应采用不吸波材料进行密封。例如，在本发明的一具体实施方式中，采用不吸波材料如陶瓷、有机玻璃、石英玻璃等制成的帽状罩体(或称为陶瓷帽、玻璃帽)将探针探入反应器腔体内的探头部分罩起来并对反应器壁上探针探入的地方进行密封。密封的方式可以是采用所属领域中的各种密封方式，例如采用法兰密封和/或焊接密封等。

根据本发明的具体实施方案，所述探针探入反应器腔体内的长度一般是到反应器腔体的中央位置，微波从中央位置向腔体内发散。

本发明的微波加热装置，微波腔内微波分布均匀，且装置密封性好，可将本发明的装置切实应用于需要微波加热的化工工艺，能够缓和工艺条件，提高经济性。

在本发明的一具体实施例中，本发明所提供的微波加热装置为用于连续式微波油品加氢脱硫的装置，其中，所述微波反应器为用于完成微波加氢脱硫反应的固定床反应器，该反应器设置有反应物入口和产物出口，可分别与油品原料的加热装置和反应产物的后处理***相连。

根据本发明的具体实施方案，本发明的微波加热装置，还可进一步包括：

超压停车自动控制仪，其包括电接点压力表和继电器，当反应器腔体内压力超过设定压力值时，能自动切断微波电源。该超压停车自动控制仪还可根据具体情况对预热电源、泵电源等进行控制，进一步在配备磁控阀的基础上还能控制供给体的供应，例如用于油品加氢脱硫反应，当反应器内压力超过设定压力值时可切断氢气的供应。

需要说明的是，本发明的微波加热装置并不限于应用于油品的加氢脱硫反应，而是可以应用于任何的高温高压反应，反应温度可以高达800℃(在反应器材质例如不锈钢承受的温度范围内均可)、反应压力经测压可以达到10MPa。

即，另一方面，本发明还提供了所述的微波装置在用于实现利用微波进行加热的反应中的应用。

具体地，所述利用微波进行加热的反应可以是反应装置材质承受范围内的任何高温高压反应，例如可以是温度小于等于800℃、压力小于等于10MPa的反应。

利用本发明的微波加热装置，可实现在微波场作用下的连续式高温高压反应。例如，在本发明的一具体实施方案中，是将所述微波装置用于实现连续式油品加氢脱硫方法，该方法包括：

在反应器腔体内中段装填固定化加氢脱硫催化剂；

将油品原料与氢气混合，连续地输送入所述固定床反应器，使油品原料与加氢脱硫催化剂接触并在微波作用下发生加氢脱硫反应；更具体地，由于微波作用，反应条件与传统操作条件相比会缓和，例如，在微波作用下进行汽油油品加氢脱硫反应时，可控制反应器中的反应条件为：反应温度220～280℃，操作压力1.5～2.5MPa，重时空速1～4h^-1，氢油体积比100∶1～400∶1，微波功率1.2～2.2kW；

将上述加氢脱硫反应的生成物连续地引出反应器进行后处理。

根据本发明的具体实施方案，所述催化剂是装填在探针周围。

本发明中，未详细提及的设备结构可以参照所属领域的传统设备。例如，所述反应器可以为传统的工业高温高压反应釜，本发明的关键在于在反应器侧壁开口引入微波装置的探针，从而将微波引入该反应器腔体；所述的微波发生装置的微波源、环形器、水负载、定向耦合器、三销钉自动调节器以及波导等也可按照现有技术中的微波发生装置的构件进行设计，本发明的关键在于在波导段是采用矩形波导转化为同轴传输的形式，以一探针从反应器侧壁探入反应器腔体中央，而将微波引入反应器腔体。本发明中所用的超压停车自动控制仪、加氢脱硫***的反应产物后处理***等均可采用所属领域中的常规设备。

综上所述，本发明提供了一种微波加热装置及其应用，通过同轴传输，采用探针的方式将微波引入，能将微波技术切实应用于需要微波加热的化学反应，能够缓和工艺条件，且装置微波腔内微波场分布均匀，密封性好，操作安全性良好。

附图说明

图1为本发明的微波加热装置的结构示意图。其中：1-微波源、2-环形器、3-水负载、4-定向耦合器、5-三销钉自动调节器、6-波导、7-反应器。

图2为本发明的微波装置中探针探入反应器部分的结构示意图。其中，61-矩形波导、62-同轴波导、621-同轴波导外壳、622-探针、623-陶瓷帽。

图3为利用本发明的微波装置进行油品加氢脱硫方法的工艺流程图。其中：8-超压停车自动控制仪、9-冷凝器、10-高压分离器、11-低压分离器、12-背压阀、13-尾气吸收装置。

图4为根据本发明的一具体实施例应用微波加热装置时装置中催化剂床层的电场分布图。其中图片A为整体图，图片B、C、D分别是X方向、Y方向和Z方向的剖面图。从图中也可以看出微波场分布的均匀性。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

请参见图1所示，本发明的微波加热装置按微波传导顺序包括微波源1、环形器2、水负载3、定向耦合器4、三销钉自动调节器5、波导6；以及微波反应器7。再请参见图2所示的波导段部分的详细结构，其中，波导6包括矩形波导61以及同轴波导62，同轴波导62包括同轴设置的金属外壳621(圆筒状)以及探针622(细长的圆柱形)，采用矩形波导转化为同轴传输的形式，以探针622从反应器7侧壁探入反应器腔体中央，而将微波引入反应器腔体(即，将微波腔体做反应器)。该反应器材质为不锈钢，可以耐较高的温度(温度在不锈钢所能承受范围之内)，压力取决于反应器壁金属的厚度。在探针与反应器的密封处，可以将陶瓷帽和法兰盘做成一体，然后再用图中两侧的法兰(也就是采用三个法兰的形式)密封固定；也可以将陶瓷直接焊接或粘结在最左边的法兰盘上，通过两个法兰进行密封(如图2所示)。陶瓷帽本身不影响微波分布，其厚度尺寸使其能耐受操作压力即可。

请参见图3所示，该实施方式中，是将本发明的微波加热装置用于油品加氢脱硫，其中，微波反应器7用作加氢脱硫反应器，该用于油品加氢脱硫的***还包括：超压停车自动控制仪8、以及反应产物的后处理***(冷凝器9、高压分离器10、低压分离器11、背压阀12、尾气吸收装置13等)。

其中，超压停车自动控制仪8为安全控制设备，主要由电接点压力表和继电器等部件组成，当压力超过设定压力值时，可自动切断微波电源、预热电源、泵电源，在配备磁控阀的基础上可以切断氢气的供应，因此该自动控制仪很大程度上提高了实验操作的安全性。

利用该装置进行连续式微波油品加氢脱硫反应时，具体操作步骤为：

(1)装填催化剂：

催化剂床层填料顺序依次是：石英绵→瓷球→石英绵→石英砂→石英绵→催化剂→石英绵→石英砂→石英绵，密实后，装紫铜垫片拧紧法兰盘。

(2)检查气密性：

将反应器接入加氢微反装置，然后打开面板上的氢气阀，将质量流量计保护阀关闭，打开清洗阀通H2，调节减压阀和背压阀至反应压力，用可燃气体检漏仪检查整个气路是否漏气。

(3)催化剂预硫化：

预硫化过程中，应及时关闭高低压分离罐中间的阀，放掉低压分离罐中的液体；预硫化结束后，逐步降温，关泵、关氢气，将质量流量计保护阀关闭，然后慢慢打开放空阀，整个装置泄压。打开清洗阀，然后将放空阀关闭，反复冲洗管路3-5次，排尽管路中残留的二硫化碳。

(4)加氢脱硫反应：

打开循环水浴，打开氢气阀调节整个装置压力。待反应器测温显示比操作温度低20℃时，打开汽油进样阀，启动油泵，调节至所需流量；开启微波，调节至试验所需功率。待测温显示仪显示操作温度时，开始计时，平衡7小时，然后关闭高、低压分离罐中间的阀取样。以后每1小时取样一次，取样过程中见气为止，动作要迅速，共取2次。实验期间记录反应器出口、微波反射功率等，反应结束后，停泵，关氢气阀，关微波，关电源。

实施例1

选用Co-Mo/γ-Al₂O₃催化剂和某炼油厂的催化裂化汽油，其中总硫含量为340ppm，硫化物类型主要为：噻吩、C1噻吩、C2噻吩、和C3噻吩等。在重时空速2h^-1，反应压力2MPa，反应温度250℃，氢油比200∶1。分别考察了有微波作用(1.2kW)和无微波作用时的HDS情况。结果发现有微波时脱硫率为78.2％，而无微波时为52.6％，由此可见，在相同操作条件下，微波场的存在能显著提高FCC汽油加氢脱硫率。对FCC汽油加氢脱硫的进一步研究表明，有微波存在时，烯烃加氢程度较低，这正是微波的选择性加热的作用，正因为如此，加氢脱硫后研究发现其辛烷值不但没有降低，反而升高了一个单位(无微波作用的加氢脱硫工艺辛烷值为93.5，微波加氢脱硫工艺为94.6)。

图4显示了上述反应过程中装置中催化剂床层的电场分布图。其中图片A为整体图，图片B、C、D分别是X方向、Y方向和Z方向的剖面图。从图中也可以看出微波分布是均匀的，且无微波泄漏情况产生，操作安全可靠。

Claims (8)

1.一种微波加热装置，该装置包括：

微波反应器；以及

微波发生及传输装置，该微波发生及传输装置按微波传导顺序包括：微波源、环形器、水负载、定向耦合器、三销钉自动调节器以及波导，在波导段，采用矩形波导转化为同轴传输的形式，以一探针从微波反应器侧壁探入反应器中央，而将微波溃入反应器中。

2.根据权利要求1所述的微波加热装置，其中，所述微波反应器的材质为不锈钢、铜、银或铝中的任一种或合金，所述探针探入反应器的地方采用不吸波物质进行密封。

3.根据权利要求1所述的微波加热装置，该装置为用于连续式微波加热反应的装置，其中，所述微波反应器为用于完成微波加热反应的固定床反应器，该反应器设置有反应物入口和产物出口。

4.根据权利要求1或3所述的微波加热装置，该装置还包括：

超压停车自动控制仪，其包括电接点压力表和继电器，当反应器内压力超过设定压力值时，能自动切断微波电源。

5.权利要求1～4任一项所述的微波加热装置在用于实现利用微波进行加热的反应中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其中，所述利用微波进行加热的反应为温度小于等于800℃、压力小于等于10MPa的反应。

7.根据权利要求5所述的应用，其中，是将所述微波装置用于实现连续式油品加氢脱硫方法，该方法包括：

在反应器内中段装填固定化加氢脱硫催化剂；

将油品原料与氢气混合，连续地输送入所述固定床反应器，使油品原料与加氢脱硫催化剂接触并在微波作用下发生加氢脱硫反应；

将上述加氢脱硫反应的生成物连续地引出反应器进行后处理。

8.根据权利要求7所述的应用，其中，所述催化剂装填在探针周围。

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