通過可調模式rf加熱天線陣列加熱材料的設備和方法
2023-09-18 20:08:25 1
專利名稱：通過可調模式rf加熱天線陣列加熱材料的設備和方法
技術領域：
本發明涉及材料的加熱，且更具體而言，涉及使用可以應用於工藝流程的射頻 (RF)能量進行加熱。具體而言，本公開涉及通過電耗散、磁耗散、電傳導和其中兩個或更多的組合，易受RF能量加熱影響的材料的RF加熱的有利方法。尤其是，本發明提供用於在從地質沉積提取之後的處理過程中加熱包含浙青礦石、油砂、油頁巖、浙青砂或重油的混合物的方法和設備。
背景技術：
浙青礦石、油砂、浙青砂和重油典型地發現為沙子或泥土與稠密且粘性的石油的自然發生混合物。近來，由於世界石油資源的枯竭、越來越高的石油價格以及需求的不斷增加，做出很多努力來提取和煉製這些類型的石油礦石以作為替代性石油資源。然而，因為浙青礦石、油砂、油頁巖、浙青砂和重油的高粘性，在提取標準原油中使用的鑽探和煉製方法典型地是不可用的。因此，浙青質礦石、油砂、油頁巖、浙青砂和重油典型地通過露天開採提取或者從井中提取，其中，需要去除的材料粘性通過使用蒸汽加熱或通過與溶劑組合而減小，使得材料可以從井中泵出。從這些沉積提取的材料是粘性的、固態或半固態的且在常溫下不易流動，使得運輸和處理困難且昂貴。這種材料典型地在處理過程中被加熱以將油砂、油頁巖、浙青砂或重油分離成更粘的浙青原油，且將浙青原油蒸餾、裂化或煉製為可用的石油產品。用於加熱浙青礦石、油砂、浙青砂和重油的常規方法具有很多缺點。例如，常規方法典型地向材料添加大量的水且需要大量能量。常規加熱方法不能均勻地或快速地加熱材料，這限制了浙青礦石、油砂、油頁巖、浙青砂和重油的處理。由於環境原因和效率/成本原因，減小或消除在處理浙青礦石、油砂、油頁巖、浙青砂和重油中使用的水的量且提供高效且環境友好並且適於浙青、油砂、油頁巖、浙青砂和重油的後挖掘處理的加熱方法將是有利的。RF加熱是通過暴露於RF能量而加熱。RF加熱的性質和適用性取決於若干因素。 RF能量被大多數材料接受，但是材料易受RF能量的加熱的影響的程度差別很大。材料的 RF加熱取決於RF電磁能量的頻率、RF能量的強度、與RF能量源的靠近程度、被加熱的材料的傳導率以及被加熱的材料是磁性還是非磁性的。RF加熱尚未代替加熱諸如浙青礦石、油砂、浙青砂和重油的石油礦石的常規方法。 RF加熱尚未更加廣泛地應用於石油礦石中的碳氫化合物材料的加熱的一個原因在於當暴露於RF能量時，它並不容易被加熱。石油礦石擁有低電介質耗散因子(ε 」)、低(或零) 磁耗散因子(μ 」)以及低或零傳導率。
發明內容
本發明的一個方面涉及一種通過RF天線陣列加熱易受RF加熱影響的材料的設備。該設備包括RF功率源，連接到天線陣列，該天線陣列具有通過偶極部分彼此連接的多個環形天線部分，其中環形部分和偶極部分形成磁近場和電近場，使得磁場強度與電場強度的比例大約為預定值。本發明的另一方面涉及一種通過RF加熱來加熱材料的方法，該方法包含判斷將加熱材料的RF電場強度與RF磁場強度的比例；提供天線陣列，該天線陣列具有通過偶極部分彼此連接的多個環形天線部分，其中環形部分和偶極部分形成接近比例的磁近場和電近場；連接天線陣列到RF功率源且將材料放置在天線陣列的磁或電近場內。
圖1說明偶極天線的近場電場和磁場。圖2說明環形天線的近場電場和磁場。圖3說明根據本發明用於通過RF天線陣列加熱材料的設備。圖4說明根據本發明配置成提供強近場磁場的RF天線陣列。圖5說明根據本發明配置成提供強近場電場的RF天線陣列。圖6說明圖3中示出的環繞管道的天線陣列，該管道內流動著易受通過天線陣列的RF加熱影響的材料。
具體實施例方式此後將參考附圖更完整地描述本發明，附圖中示出本發明的一個或多個實施例。 然而本發明可以以很多不同形式實施且不應理解為限制於此處提出的實施例。而是，這些實施例是本發明的示例，本發明具有權利要求的語言指示的完全的範圍。貫穿附圖，相似的附圖標記指示相似的元件。RF加熱發生在天線的無功近場區域中。該區域中的電場和磁場取決於發射RF能量的天線。圖1說明偶極天線12的近場區域電(E)和磁(H)場。天線12包含兩個分離且相對延伸的部分14和16，它們分別在位於其間的間隔處的連接處連接到RF能量。天線12 — 般是直的且沿著其長度傳導RF能量以在環繞天線12的近場中形成電場艮和E0以及磁場 ΗΦ。提供最強烈加熱的偶極天線12的近場是電場艮。圖2說明環形天線32的近場區域電(E)和磁(H)場。環形天線32在連接34和 36之間的天線32周圍傳導RF電流。環形天線32在環繞天線32的近場中形成電場Εφ以及磁場^和H0。提供最強烈加熱的環形天線32的近場是磁場扎。電場加熱呈現電介質耗散的材料且磁場加熱呈現磁耗散的材料。傳導材料通過磁場和電場可以感生的渦電流加熱。當天線形成的最強場是最高效加熱材料的場時，材料被 RF能量最高效地加熱。例如，諸如水且尤其是混合有氫氧化鈉的水的導電材料被RF磁場形成的渦電流加熱。不導電而是呈現電介質耗散的材料被RF電場加熱。當RF場是材料最易受加熱影響的那些RF場時，材料的RF加熱更加高效。來自地質形成物的碳氫化合物是不良導體且幾乎不被電介質和磁耗散加熱。包含這種碳氫化合物的混合物的RF加熱通過RF加熱混合物中的其他材料(這通過熱傳導加熱碳氫化合物)實現。這種混合物的RF加熱要求提供將高效加熱混合物中易受RF加熱影響的材料的RF場。這些材料可以包括其中碳氫化合物在地下形成物中混合的材料以及可以在處理中添加的材料。發明人擁有的未決申請案卷號20478US01和20483US01公開了通過將碳氫化合物與非常易受RF能量加熱影響的材料相混合且然後通過熱傳導加熱混合物中的碳氫化合物來加熱碳氫化合物。圖3示出根據本發明用於通過磁和電場加熱的材料的RF加熱的天線陣列50。天線陣列50從連接52延伸到連接M，在這些連接點，它連接到RF能量源84。天線陣列50 包含通過偶極部分62、66、72和76順序地彼此連接的一系列環形部分58、64、68、74和78。 偶極部分56將連接52連接到環形58且偶極部分82將環形78連接到連接M。天線陣列 50在連接52和M處連接到RF功率源84。天線陣列50形成一系列交替的偶極天線場和環形天線場。通過天線50形成的磁場和電場的優勢和強度由偶極部分56、62、66、72、76和82 的尺寸以及環形部分58、64、68、74和78的數目和尺寸確定。天線的磁場強度通過增加環形部分的直徑和數目而增加。天線的磁場強度通過提供更少的環形部分和更小直徑的環形部分而減小。電場強度通過提供更長的偶極部分而增加。對於根據本發明的天線陣列，磁和電近場強度的比例因此可以通過對天線配置通過偶極部分連接的所需數目和尺寸的的環形部分決定。圖4說明根據本發明用於通過磁場和電場加熱的材料的RF加熱的天線80。天線 80從連接52延伸到連接M，且包含通過偶極天線62、66、72和76彼此順序連接的一系列環形部分58、64、68、74和78。天線80具有與天線50相同數目的偶極部分和環形部分，但是由於具有更短的偶極部分和更大直徑的環形而不同於天線50。與天線50相比，天線80 形成更大和更高能量的磁場。對於加熱易受磁加熱或傳導加熱影響的材料，天線80將優於天線50。圖5說明根據本發明用於通過磁場和電場加熱的材料的RF加熱的天線86。天線 86從連接52延伸到連接M，且包含通過偶極部分62和66彼此順序連接的一系列環形部分58、64和68。天線86具有比天線50更少且更長的偶極部分以及更少且更小的環形部分。與天線50相比，天線86形成更小且更低能量的磁場和電場佔優的近場。對於加熱易受電介質加熱影響的材料，天線86將優於天線50。圖6說明環繞管道90的天線陣列50。易受RF加熱影響的可流動材料(未示出) 經過管道且位於天線陣列50形成的近場電和磁場內。根據本發明，天線陣列50通過環形部分的大小和數目以及偶極部分的長度來限定大小和配置，使得連接天線陣列50到RF功率源將產生天線陣列50的近場電和磁場，其將加熱管道90中流動的材料。
權利要求
1.一種用於通過RF天線陣列加熱易受RF加熱影響的材料的設備，包含 RF功率源，連接到RF功率源的天線陣列，該天線陣列具有通過偶極部分彼此連接的多個環形天線部分，其中環形部分和偶極部分形成磁近場和電近場，使得磁場強度與電場強度的比例大約為預定值。
2.一種通過RF能量加熱易受RF能量加熱影響的材料的方法，該方法包含 確定將加熱所述材料的RF電場強度與RF磁場強度的比例；提供天線陣列，該天線陣列具有通過偶極天線部分彼此連接的多個環形天線部分，其中環形部分和偶極天線部分形成接近所述比例的磁近場強度和電近場強度； 連接所述天線陣列到RF功率源；以及將所述材料放置在所述天線陣列的磁和電近場內。
全文摘要
一種通過RF天線陣列加熱易受RF加熱影響的材料的設備。該設備包括連接到天線陣列的RF功率源，該天線陣列具有通過偶極天線部分彼此連接的多個環形天線部分，其中環形部分和偶極部分形成磁近場和電近場，使得磁場強度與電場強度的比例大約為預定值。通過將材料放置在天線陣列的近場中且形成接近預定為高效加熱材料的比例的磁近場和電近場且連接天線陣列到RF功率源來加熱材料。
文檔編號H05B6/72GK102415211SQ201080017569
公開日2012年4月11日 申請日期2010年3月1日 優先權日2009年3月2日
發明者F·E·帕斯科 申請人:哈裡公司