用於以天然氣制乙烯的槽波導微波化學反應設備及製備方法
2023-05-02 20:39:06
專利名稱：用於以天然氣制乙烯的槽波導微波化學反應設備及製備方法
技術領域：
本發明是一種用諧振腔式槽波導微波化學反應設備，從天然氣制乙烯的方法，屬於微波技術中諧振腔式槽波導微波化學反應設備用於天然氣制乙烯的技術領域。
背景技術：
乙烯是化學工業最重要的基礎原料之一，也是世界上產量最大的化學產品之一。它是生產各種有機化工產品和合成材料的基礎原料。
目前世界上工業生產乙烯的方法基本上是以輕質油或石腦油等原料經高溫裂解製取。每年消耗大量石油，地球上的石油資源日漸匱乏。
全球已探明的天然氣儲量約為134*1012立方米，近來新發現的大型氣田還在增加。如果用天然氣替代石油來製造乙烯，將會大大緩解國家對石油需求的壓力，也有利於天然氣化學工業的發展。
幹天然氣中90％以上成份是甲烷，為了便於說明，從此處開始，一直到本專利結束，有時以甲烷來說明。
國內外在實驗室研究中，用傳統的加熱方法，將甲烷轉化成乙烯分為兩類，一類是非直接法，另一類是直接法。非直接法包括，(1)甲烷經甲醇生成乙烯，這種方法的主要問題是，造氣過程能耗高，(2)甲烷經合成氣生成乙烯，該方法在如何抑制反應過程中甲烷的再生成問題有待解決。
直接法中最重要的方法是甲烷氧化偶聯。1982年美國UCC公司的G.E.Keller和M.M.Bhasin兩人首次發表了採用甲烷催化氧化偶聯制乙烯的結果，此後國內外科學工作者主要集中在二方面開展研究，一是尋找優質的催化劑，二是改進反應器。Y.Jiang等人認為要使甲烷直接轉化成乙烯在經濟上變成可行，乙烯的單程產率應該大於40％這個閾值。但是時至今日，乙烯單程產率仍小於30％。
因此用傳統的加熱方法，從甲烷制乙烯在國際上還停留在實驗研究階段，尚未找到一個既有望實現工業化生產，又有優良經濟效益的辦法。
從甲烷生成乙烯的另一種方法是微波化學方法，包括等離子體化學方法。微波化學有兩個顯著優點一是大大加快化學反應速度，二是使一些傳統熱力學上難以發生的反應變得較易發生。甲烷是結構最為穩定的有機分子，它在無氧氣氛下脫氫偶聯制乙烯需在1400℃的高溫下才能進行，但是用微波化學方法很容易使它分解生成乙烯，雖然國內外文獻報導，已有人達到乙烯單程產率30％。已高於用傳統加熱方法所達到的單程產率指標。但是還是低於國際上公認的經濟上可行的40％這個閾值。
現在的微波化學實驗，主要還是在矩形波導或是在矩形波導構成的諧振腔內進行，沒有跳出矩形波導這個老框框，用微波化學方法從甲烷(天然氣)制乙烯仍舊存在以下幾個難以克服的障礙1)微波化學反應用的諧振腔體積小；2)原料氣甲烷(天然氣)流量小；3)乙烯單程產率小於40％；因此，直到今天，技術背景就是不管是用常規加熱方法從甲烷(天然氣)制乙烯，還是用微波化學方法從甲烷(天然氣)制乙烯，都沒有突破腔體體積小，甲烷流量小和乙烯單程產率小，這「三小」的三大難關。這已經是國際公認的重大難題，是全世界多多少少科學家為之奮鬥了幾十年而沒有解決的難題。
發明內容
技術問題本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種適合於化學工業生產用的用於以天然氣製備乙烯的諧振腔式槽波導微波化學反應設備及其製備方法，實現低成本、高效率的從天然氣制乙烯。
技術方案本發明的用於以天然氣製備乙烯的諧振腔式槽波導微波化學反應設備由槽波導、模式變換器及耦合孔板、可調短路活塞(或固定短路板)、化學反應器所組成；其中，以槽波導為主體，在槽波導的左側設有模式變換器及耦合孔板，在槽波導的右側設有可調短路活塞(或固定短路板)，化學反應器橫向穿過槽波導。
這裡所說的槽波導是指圓形槽波導，橢圓形槽波導，矩形槽波導，梯形槽波導，「V」型槽波導和橫截面為任意形狀的槽波導。在槽波導的二翼的金屬平行平板的端部裝有與工作波長有關的楔形的高功率匹配負載(可以是幹負載，也可以是水負載)。槽波導的微波工作頻率是指0.3GHz到22GHz的範圍內。槽波導既可以工作在連續波也可以工作在脈衝波。
槽波導包括左金屬平板、右金屬平板、楔形匹配負載、絕緣條、截止波導；左金屬平板與右金屬平板形狀對稱，在左金屬平板與右金屬平板之間的兩邊分別設有絕緣條，在絕緣條的內側設有楔形匹配負載，將其二者之間形成一個空間，在槽波導左、右金屬平板端面的對稱中心，沿著平板的長度方向設有一個通孔。
為了便於說明，從此處開始，一直到本專利結束，對於各種槽波導均以圓形槽波導為例來詳細說明。
模式變換器是用來將微波源輸入波導內的模式變換成槽波導內所需的模式。這可以製成一段變換器來完成，也可以製成多段變換器串接起來完成。耦合孔板是用來將微波源的能量耦合到諧振腔內。它可以放置在模式變換器的輸入端或輸出端，也可放在多段變換器之間。為完成上述二個功能，可以有多種方案組合。這裡僅選其中一種作為例子說明如下。
模式變換器及耦合孔板。它包括第一變換器，法蘭，第二變換器和耦合孔板。第一變換器是矩形波導變換到圓波導。第二變換器中包括第二變換器上絕緣條，第二變換器下絕緣條，第二變換器上楔形匹配負載，第二變換器下楔形匹配負載，第二變換器左金屬平板，第二變換器右金屬平板；其中第二變換器上絕緣條，第二變換器下絕緣條，第二變換器上楔形匹配負載，第二變換器下楔形匹配負載，第二變換器左金屬平板，第二變換器右金屬平板所組成的外形結構與槽波導相一致，與槽波導相連接的中心通孔為圓臺形，在該圓臺形的中心通孔的外側連接有第一變換器，在第一變換器的外端連接有法蘭，在法蘭上設有耦合孔板。
短路活塞是諧振腔的重要部分。它有二種形式一種是可調短路活塞，另一種是固定的短路板，這裡以可調諧短路活塞作為例子說明，可調短路活塞包括，第一短路活塞金屬板、第二短路活塞金屬板、第三短路活塞金屬板、第一圓形絕緣墊圈，第二圓形絕緣墊圈，中空圓管，金屬圓棒，套筒和金屬平板；其中，第一短路活塞金屬板、第二短路活塞金屬板、第三短路活塞金屬板、第一圓形絕緣墊圈、第二圓形絕緣墊圈相間隔設置，其中心固定在中空圓管的一端，中空圓管的另一端位於套筒中，套筒固定在金屬平板的中央，中空圓管的中間為金屬圓棒。
化學反應器包括低損耗材料製成的反應器，上端蓋，下端蓋，進氣管，出氣管，激勵器，朗繆爾探針組成；其中，上端蓋，進氣管，下端蓋，出氣管分別位於化學反應器的兩端，激勵器，位於化學反應器內的中間，朗繆爾探針位於化學反應器內並固定在上端蓋上。
用諧振腔式槽波導微波化學反應設備從天然氣製備乙烯的方法1).採用一個大尺寸的諧振腔式槽波導微波化學反應設備，它的工作頻率在0.3GHz到22GHz範圍內，微波源可以用連續波也可以用脈衝波，2).使諧振腔式槽波導微波化學反應設備處在諧振狀態，使反應器處在真空狀態，3).選擇氫氣作為輔助氣體，4).將原料氣天然氣和輔助氣體氫氣的壓力調整到1-20個大氣壓，使它們分別通過不同的流量計進入反應器，以測量各種氣體的流量，5).選擇原料氣體天然氣與輔助氣體氫氣流量的比例，即天然氣氫為50∶1～1∶20，6).將原料氣體天然氣與輔助氣體氫氣在混合氣櫃內進行充分混合，通過原料進氣管，上端蓋流入諧振腔式槽波導微波化學反應設備的石英反應器內，7).使石英反應器內混合氣的總氣壓在1*10-4大氣壓到20個大氣壓，使石英反應器內混合氣的總氣壓略低於原料氣體天然氣與輔助氣體氫氣的氣壓，8).開啟微波電源，根據輔助氣體種類，流量比例，總的混合氣體壓力等因素，調節微波輸出功率為幾十瓦至幾百千瓦，使石英反應器內的混合氣體放電，生成微波等離子體，可以從朗繆爾探針和截止波導了解到放電情況，9).再微量調節微波輸出功率，就可得到所需產物，在冷凝阱中可以收集到液態的所需產物乙烯。
本發明根據電磁場理論，微波技術、等離子體技術和化工原理設計而成。諧振腔式槽波導微波化學反應設備用於天然氣制乙烯，如圖1所示。它的工作原理是功率源產生的微波，經環行器，定向耦合器，耦合孔板，把微波能量輸入到槽波導諧振腔，化學反應器的反應管沿著槽波導二翼貫通之，使諧振腔處於諧振狀態。天然氣從反應管一端流進諧振腔，在微波電磁場的作用下，自由電子獲得能量與甲烷分子，氫分子，發生非彈性碰撞，產生更多的電子，新生的自由電子再獲得能量，再撞擊甲烷分子，氫分子，產生更多電子，發生電子繁流現象，自由電子像雪崩一樣增加，直到氣體擊穿放電，生成宏觀上保持電中性的等離子體。高能量電子通過非彈性碰撞使甲烷分子C-H鍵和氫分子H-H鍵斷裂，生成許多化學性能活潑的自由基團。由它們的各種組合生成產物，由氣相色譜儀顯示產物的成分。生成的乙烯順著化學反應管流出諧振腔，流入冷凝阱收集。
為了便於說明問題，本發明分二部分敘述(1)諧振腔式槽波導微波化學反應設備，如圖2所示；(2)諧振腔式槽波導微波化學反應設備用於天然氣制乙烯。詳細說明如下1.諧振腔式槽波導微波化學反應設備(1)槽波導這裡所說的槽波導是指圓形槽波導，橢圓形槽波導，矩形槽波導，梯形槽波導，「V」型槽波導和橫截面為任意形狀的槽波導。在槽波導的二翼的金屬平行平板的端部裝有與工作波長有關的楔形的高功率匹配負載(可以是幹負載，也可以是水負載)。槽波導的微波工作頻率是指0.3GHz到22GHz的範圍內，世界各國允許的民用、工業用頻率，例如0.434GHz，0.915GHz，2.45GHz，5.80GHz等等。槽波導既可以工作在連續波也可以工作在脈衝波。它既可以工作在低功率也可以工作在高功率。為了便於說明，以圓形槽波導為例來詳細說明。
圓形槽波導採用上、下絕緣條隔開二塊金屬平板，在絕緣條內側裝有楔形的匹配負載(可以是幹負載，也可以是水負載)，楔形的高度是電磁波工作半波長的整數倍。在二塊金屬平板端面的對稱中心有一個沿著平板的長度方向直徑為D0的圓形通孔所構成，如圖2和BB視圖所示。該圓孔的軸線方向就是電磁波傳播方向，簡稱為軸線方向。高功率槽波導楔形匹配負載用石英玻璃吹製成所需的形狀，有進、出水管，如圖3所示。也可製成其它形式的匹配水負載。槽波導絕緣條用陶瓷等材料製成，示於圖3。若用幹負載也製成如圖3的形狀和尺寸。
在槽波導通孔的側壁上，開一個等離子體光譜觀察孔。孔外裝有一段截止波導，使從小孔洩漏出來的微波能量小於國家標準。通過小孔要能看到石英反應管內的等離子體發出的光，可供測量等離子體的溫度；或可供測量等離子體發出的光譜。
(2)模式變換器及耦合孔板為完成模式變換和耦合能量二個功能，可以有多種方案組合，這裡僅選其中一種來說明。它由第一變換器，第二變換器，法蘭和耦合孔板組成。第一變換器是矩形波導變換到圓波導。第二變換器是圓波導變換到圓形槽波導。第一變換器的一端是矩形波導截面，另一端是圓波導截面.它們之間是直線性過渡，即矩形周邊上的每一點與圓周上的相應點之間用直線連接而構成的空間。第二變換器一端是圓波導截面，另一端是圓形槽波導截面。它們的直徑不同。從圓截面一端的垂直中心線起以「V」字形張開，「V」字形的最大開口處，二點之間距離等於圓形槽波導二金屬平板之間的距離。在圓形槽波導端的波導壁上設有連接孔。在矩形波導截面端裝有矩形波導法蘭，在法蘭上設有耦合孔板.耦合孔可以是電感性的，也可以是電容性的。耦合孔形狀可以是圓孔，矩形孔或者是其它形狀。耦合孔板還與輸入波導相連，把微波能量耦合進諧振腔。
(3)可調短路活塞短路活塞是諧振腔的重要組成部分。它有二種形式一種是可調短路活塞，另一種是固定的短路板。這裡以可調諧短路活塞作為例子說明。
圓形槽波導一端接有模式變換器及耦合孔板，另一端裝有可調諧短路活塞，構成諧振腔。可調短路活塞由形狀與波導端面中空圖形相同的金屬平板構成，材料可以與波導材料相同，厚度為四分之一波長，金屬平板與波導間有一間隙使兩者不接觸，短路活塞的金屬平板可以由一塊或多塊組成。金屬平板之間用厚度為四分之一波長的絕緣墊圈隔開。絕緣圈直徑略小於槽波導通孔D0，絕緣圈材料可用陶瓷等，然後將它們固定在一根中空的圓管上。該中空圓管內放入金屬圓棒，棒直徑同中空圓管.圓管端面，圓棒端面與第一塊金屬平板處在同一平面內。該中空圓管貫穿一個套筒，該套筒穿過槽波導端面金屬平板上對稱中心的孔，並固定之。該中空圓管與機械調節機構連接，使短路活塞能在槽波導內平行移動。
(4)化學反應器化學反應器是微波與反應物質相互作用的地方，所以化學反應器必須處在圓形槽波導諧振腔的內部。它的材料可以由石英、陶瓷、低損耗玻璃，或在電磁場中損耗小的其它非金屬固體材料製成，但最好是用透明的石英製成，有利於觀察等離子體發出的光譜。化學反應器的形狀可以是一根圓管，也可以根據需要製成其它各種形狀，只要有利於化學反應的進行，只要在槽波導諧振腔內能放得下，只要設有原料的進氣管和產物的出氣管。
化學反應器內設有激勵器。激勵器可以是金屬激勵器，也可以是非金屬的激勵器(包括半導體的)，也可以是金屬，非金屬混合組成的激勵器，適宜於做金屬激勵器的材料有鎢、鐵、鎳、合金等。適宜於做非金屬激勵器的材料有石墨等。激勵器的尺寸和形狀與微波源的工作頻率有關。
化學反應器內設有朗繆爾探針，用來測量等離子體的參量。探針可以是單根，雙根或多根組成。例如雙根的朗繆爾探針，插入等離子體，加上電壓，測定流過探針的電流，可得到電流——電壓特性曲線，從測量數據可求得等離子體密度，電子溫度等許多參量。
探針的材料以能夠耐高溫的金屬材料組成，探針一般放在槽波導的平板區域，以不影響微波放電和化學反應的順利進行，但又能測量等離子體參量。
總之，由槽波導，模式變換器及耦合孔板，可調短路活塞(或固定短路板)，化學反應器等部分按圖2組裝成為諧振腔式槽波導微波化學反應設備。
2.諧振腔式槽波導微波化學反應設備用於甲烷(天然氣)制乙烯(1)要有一個大尺寸的諧振腔式槽波導微波化學反應設備。它的工作頻率在0.3GHz到22GHz範圍內。微波源可以用連續波也可以用脈衝波，(2)使諧振腔式槽波導微波化學反應設備處在諧振狀態，使反應器處在真空狀態，(3)選擇合適的輔助氣體，這裡選擇氫氣作為輔助氣體，(4)將原料氣甲烷(天然氣)和輔助氣體氫氣的壓力調整到1-20個大氣壓。使它們分別通過不同的流量計進入反應器，以測量各種氣體的流量。
(5)選擇原料氣甲烷(天然氣)和輔助氣體氫氣流量的比例為50∶1～1∶20。
(6)將原料氣甲烷(天然氣)和輔助氣體氫氣在混合氣櫃內進行充分混合，通過原料進氣管，上端蓋流入諧振腔式槽波導微波化學反應設備的石英反應管內。
(7)使石英反應管內混合氣的總氣壓略低於原料氣甲烷(天然氣)和輔助氣體氫氣的氣壓，
(8)開啟微波電源，調節微波輸出功率，使石英反應管內的混合氣體放電生成微波等離子體，這可以從朗繆爾探針和截止波導了解到放電情況。
(9)根據需要的產物，調節微波輸出功率，就可得到所需產物，在冷凝阱中可以收集到液態的乙烯產物。
經過調整的諧振腔式槽波導微波化學反應設備的選用，微波功率的強、弱、氣壓的大、小、與甲烷氣(天然氣)相混合的氣體的種類、(例如這裡選用氫氣)、甲烷氣(天然氣)與輔助氣體氫氣的流量的比例等因素是確保從甲烷(天然氣)制乙烯達到高單程產率的關鍵因素。
工作原理在微波電磁場中的電子，獲得能量。這種高能量的電子與氣體分子發生非彈性碰撞時，就會引起甲烷分子和氫分子的電離，生成宏觀上保持電中性的等離子體。高能量電子通過非彈性碰撞使甲烷分子C-H鍵和氫分子H-H鍵斷裂，生成自由基團，這些自由基團的化學性能非常活潑，它們通過一定的方式重新結合，組成全新的物質如乙烯等。這就是從天然氣(甲烷)轉變成乙烯的原理，從這裡看到，建立一個合適的，提供強電磁場能量的環境非常重要，本發明提供的諧振腔式槽波導微波化學反應設備就能很好地滿足上述要求。
有益效果1、現在制乙烯以石油為原料，國際上由於長期開採，石油日趨匱乏。採用天然氣替代石油制乙烯，開闢一條新的原料途徑，大大緩解對石油需求的壓力，全球天然氣資源相對比較豐富。
2、在氣源豐富的地區用本發明，投資小，啟動快，成本低。促進以乙烯為原料的下遊產品成本降低，大大提高國際市場的競爭能力。
3、環保產業。利用微波法從天然氣制乙烯，從原料，生產過程和產物，沒有產生有害物質。整個生產是一種潔淨的生產方式。
4、有利於天然氣化工工業的發展。
5、在微波技術領域與其它的波導結構相比，槽波導有大尺寸的優點，只有本發明可以應用於乙烯工業生產。
6、本發明不需要催化劑。
圖1是諧振腔式槽波導微波化學反應設備用於天然氣制乙烯方框圖。
圖2是諧振腔式槽波導微波化學反應設備正視圖三視圖及剖面圖。
圖3是諧振腔式槽波導微波化學反應設備側視圖。
圖4是諧振腔式槽波導微波化學反應設備BB剖面圖。
圖5是諧振腔式槽波導微波化學反應設備CC剖面圖。
圖6是諧振腔式槽波導微波化學反應設備水平視圖。
圖7是諧振腔式槽波導微波化學反應設備AA剖面圖。
圖8是槽波導楔形匹配負載和絕緣條立體圖。其中圖8a為楔形匹配負載立體圖，圖8b為絕緣條立體圖。
圖9是模式變換器立體圖。
以上的圖中有槽波導1，左金屬平板11，右金屬平板12，楔形匹配負載13，絕緣條14，截止波導15。
模式變換器及耦合孔板2，第一變換器21，法蘭22，第二變換器23，耦合孔板24，第二模式變換器上絕緣條231，第二模式變換器下絕緣條232，第二模式變換器上楔形匹配負載233，第二模式變換器下楔形匹配負載234，第二模式變換器左金屬平板235，第二模式變換器右金屬平板236。
可調短路活塞3，第一短路活塞金屬板31，第二短路活塞金屬板32，第三短路活塞金屬板33，第一圓形絕緣墊圈34，第二圓形絕緣墊圈35，中空圓管36金屬圓棒37，套筒38，金屬平板39。
化學反應器4，反應器41，上端蓋42，下端蓋43，激勵器44，朗繆爾探針45，進氣管46，出氣管47組成。
圓形槽波導通孔的直徑D0，圓臺形通孔外端直徑為D1，化學反應器的直徑D2，圓形槽波導長度L0，第一變換器的長度為L1，第二變換器的長度為L2，槽波導的總高度H，槽波導絕緣條高度為H1，槽波導楔形匹配負載底座高度為H2，楔形高度為H3，槽波導楔形匹配負載寬度為W1，槽波導平行平板之間的距離為W2。
具體實施例方式
為了便於說明問題，本發明實施分二部分敘述第一部分是諧振腔式槽波導微波化學反應設備實施，第二部分是諧振腔式槽波導微波化學反應設備用於天然氣制乙烯實施，詳細說明如下1.諧振腔式槽波導微波化學反應設備實施諧振腔式槽波導微波化學反應設備由槽波導1、模式變換器及耦合孔板2、可調短路活塞3、化學反應器4所組成；其中，以槽波導1為主體，在槽波導1的左側設有模式變換器及耦合孔板2，在槽波導1的右側設有可調短路活塞3，化學反應器4橫向穿過槽波導1。
槽波導1包括左金屬平板11、右金屬平板12、楔形匹配負載13、絕緣條14、截止波導15；左金屬平板11與右金屬平板12形狀對稱，在左金屬平板11與右金屬平板12之間的兩邊分別設有絕緣條14，在絕緣條的內側設有楔形匹配負載13，將其二者之間形成一個空間，在槽波導1的左、右金屬平板端面的對稱中心，沿著平板的長度方向設有一個通孔。
模式變換器及耦合孔板2包括第一變換器21，法蘭22，第二變換器23，耦合孔板24.第一變換器21是矩形波導變換到圓波導.第二變換器23中包括第二變換器上絕緣條231，第二變換器下絕緣條232，第二變換器上楔形匹配負載233，第二變換器下楔形匹配負載234，第二變換器左金屬平板235，第二變換器右金屬平板236；其中第二變換器上絕緣條231，第二變換器下絕緣條232，第二變換器上楔形匹配負載233，第二變換器下楔形匹配負載234，第二變換器左金屬平板235，第二變換器右金屬平板236所組成的外形結構與槽波導相一致，與槽波導1相連接的中心通孔為圓臺形，在該圓臺形的中心通孔的外側連接有第一變換器21，在第一變換器21的外端連接有法蘭22，在法蘭22上設有耦合孔板24。
可調短路活塞3包括，第一短路活塞金屬板31、第二短路活塞金屬板32、第三短路活塞金屬板33、第一圓形絕緣墊圈34，第二圓形絕緣墊圈35，中空圓管36，金屬圓棒37，套筒38和金屬平板39；其中，第一短路活塞金屬板31、第二短路活塞金屬板32、第三短路活塞金屬板33、第一圓形絕緣墊圈34、第二圓形絕緣墊圈35相間隔設置，其中心固定在中空圓管36的一端，中空圓管36的另一端位於套筒38中，套簡38固定在金屬平板39的中央，中空圓管36的中間為金屬圓棒37。
化學反應器4包括低損耗材料製成的反應器41，上端蓋42，下端蓋43，激勵器44，朗繆爾探針45，進氣管46，出氣管47組成；其中，上端蓋42，進氣管46，下端蓋43，出氣管47分別位於低損耗材料製成的反應器41的兩端，激勵器44，位於低損耗材料製成的反應器41內的中間，朗繆爾探針45位於低損耗材料製成的反應器41內並固定在上端蓋42上。
(1)槽波導這裡以圓形槽波導為例說明。製造有幾種方案，例如用切削加工方法，也可以用板材壓力機壓制而成等等。這裡為說明方便採用如下辦法實現。本發明可用圖2BB示圖所示的方案實現，其中槽波導1的實施方法是取二塊加工後尺寸相同的金屬平板，材料可採用銅，黃銅，合金鋁等良導體，平板長度可根據實際需要而定，只要加工工藝做得到。平板的高度H和寬度W與工作波長λ有關。H＝10λ-30λ，W＝0.35λ-1.26λ。金屬平板二邊的邊緣用螺栓固定。在端面的上方和下方。以二平板接觸的邊界線為中心線，沿長度方向上，下各銑一條高為(H1+H2)＝0.15λ-1.5λ，寬為W1＝W2+2W3＝0.5λ-2.313λ的槽，槽長度同圓形槽波導長度L0。其中H1＝0.1λ-1λ，H2＝(1/2)H1，W2＝0.4λ-1.313λ，W3＝0.05λ-0.5λ，然後在端面對稱中心沿長度方向鏜一個通孔，孔的直徑D0＝0.62λ-2.02λ將螺栓拆下，每塊金屬平板有槽的一側，銑去W5＝(1/2)W2寬度。這樣加工後的二塊金屬平板即為圖2BB示圖中的槽波導左金屬平板11、右金屬平板12。
槽波導1的楔形匹配負載13是用來吸收到達金屬平板邊緣的電磁波的關鍵部件，用來減少微波洩漏。楔形的高度是半波長的整數倍，H3＝0.5λ-3λ。整個楔形匹配負載裝於絕緣條14內側。上下絕緣條用來隔開槽波導左金屬平板11和右金屬平板12。它的長度與圓形槽波導長度相同。材料可用陶瓷等絕緣材料。絕緣條上開有孔，供化學反應器的進氣口和出氣口穿過，和供楔形匹配負載進水口和出水口穿過。當功率較小時，也可用楔形匹配幹負載，尺寸形狀同水負載，材料可用石墨等強吸收微波的材料製成。
圖2中，H4＝0.05λ-0.5λ，W4＝0.45λ-1.364λ。
在槽波導1通孔的側壁上，開一個等離子體光譜觀察孔，孔徑可取在0.05λ-0.1λ之間。孔外裝有一段衰減值在100-200分貝的截止波導15，見圖2AA示圖.使從小孔洩漏出來的微波能量小於國家標準。通過小孔要能看到石英反應管41內等離子體發出的光，可供測量等離子體的溫度；或可供測量等離子體發出的光譜。
(2)模式變換器及耦合孔板模式變換器及耦合孔板2見圖2各示圖。分二部分實施如下第一變換器21，先做一個蠟模，尺寸為矩形波導端尺寸按照微波源工作頻率，選用相應的標準矩形波導尺寸，圓波導一端，圓直徑為D1＝0.6λ-0.9λ。兩端面之間相應點用直線相連接，用電鑄波導技術製成銅波導，化去蠟模，表面光潔處理後，在矩形波導端裝上法蘭22，在圓波導端的底座上打孔，由螺釘與第二個變換器固定，整個第一個變換器的長度為L1＝1λ-3λ。第二變換器23，用二塊銅，黃銅或合金鋁等材料的金屬平板，其長、寬、高分別為，長為L2＝1λ-3λ，二塊金屬平板總寬度為2W＝0.35λ-1.26λ，高為H＝10λ-30λ，在二塊金屬平板的邊緣用螺栓固定，然後在端面的對稱中心，加工一個圓臺形通孔，一端直徑為D1＝0.6λ-0.9λ，另一端的直徑為圓形槽波導通孔的直徑D0＝0.62λ-2.02λ，λ為波長，然後去掉螺栓，拆開成二塊，每塊金屬平板有槽的一側，切削去一個楔形，楔形的高等於金屬平板的長度L2，楔形的底為矩形，矩形的長邊等於金屬平板的高H，矩形的短邊為W5＝(1/2)W2＝0.2λ-0.656λ，切削平面要光滑。然後用陶瓷等絕緣材料，加工二個小陶瓷楔形，作為第二變換器上絕緣條231，第二變換器下絕緣條232。陶瓷楔形的高也等於金屬平板的長L2，陶瓷楔形底也為矩形，矩形的長邊為W2＝2W5，矩形的短邊為H1＝0.1λ-1λ。第二變換器上絕緣條231內側裝有第二變換器上楔形匹配負載233，第二變換器下絕緣條232內側裝有第二變換器下楔形匹配負載234，，(可以是水負載，也可以是幹負載)。類同於槽波導中的楔形匹配負載。楔形高度為H3.將上，下二個陶瓷絕緣條連同匹配負載放在已切削好的第二變換器左金屬平板235和第二變換器右金屬平板236之間，用螺栓固定。整個模式變換器2與圓形槽波導1連接。
耦合孔板24的外形尺寸與所選用標準矩形波導的法蘭盤一樣。厚度為0.005λ-0.1λ。在它的對稱中心，若開有圓孔，則孔直徑小於等於矩形波導的高；若開有矩形耦合孔，則矩形孔的寬邊小於等於矩形波導寬邊，孔的高度小於等於矩形波導高度，若耦合孔板在平行於寬邊的方向開有窄縫隙，構成電容性膜片，若平行於矩形波導高度方向開有窄縫隙，構成電感性膜片。耦合孔形狀可以是圓孔，矩形孔或者是其它形狀。這些孔，隙的尺寸，可通過實際測量達到最佳。
(3)可調短路活塞可調短路活塞3由形狀與槽波導1端面中空圖形相同的金屬板製成。第一短路活塞金屬板31、第二短路活塞金屬板32、第三短路活塞金屬板33.材料是銅，黃銅或合金鋁等材料，短路活塞金屬板的厚度為四分之一波長，短路活塞金屬板的中心有一通孔，使它能裝在一根中空圓管36上，短路活塞金屬板與波導之間有一間隙使兩者不接觸，短路活塞金屬板之間用厚度為四分之一波長的第一圓形絕緣墊圈34，第二圓形絕緣墊圈35隔開，墊圈直徑約為0.8倍槽波導通孔的直徑D0，然後依次將第一短路活塞金屬板31，第一圓形絕緣墊圈34，第二短路活塞金屬板32，第二圓形絕緣墊圈35，第三短路活塞金屬板33裝上中空圓管36上，使短路活塞金屬板與中空圓管36的外徑呈緊配合狀態，以不使短路活塞金屬板任意晃動為宜，中空圓管36內放入金屬圓棒37，棒直徑同中空圓管，使圓棒端面，圓管端面與第一短路活塞金屬板31處在同一平面內。
槽波導1端面裝有一塊金屬平板39，此板的對稱中心開有一孔，套筒38穿過此孔，並與金屬平板39固定之。短路活塞組件的中空圓管36穿過此套筒38，呈滑配合狀態，該中空圓管36與機械調節機構連接使短路活塞3能在槽波導1內平行移動。
(4)化學反應器低損耗材料製成的反應器41，材料可以是石英，高質量陶瓷或者其它不吸收微波的非金屬材料。低損耗材料製成的反應器41形狀可以是圓管形也可以是任意的形狀，只要諧振腔內放得下，這裡舉一例說明化學反應器的實施。
低損耗材料製成的反應器41設計成圓管形，用石英管制成，它的直徑D2小於槽波導1平行平板之間的距離W2，見圖2BB示圖。高度略高於槽波導1的總高度H，反應器41一端裝有耐真空的上端蓋42，原料進氣管46與上端蓋42相連；反應器41的另一端也裝有耐真空的下端蓋43，與產物的出氣管47相連並與冷凝阱，真空泵以次相接。
在石英圓管反應器41內放置激勵器44。激勵器可以用鐵、鎢或其它耐高溫的金屬，也可以用石墨等非金屬材料製成，激勵器的形狀可以製成任意形狀，只要有利於氣體放電，朗繆爾探針45位於低損耗材料製成的反應器41內，距槽波導1中心圓形通孔之上1λ-3λ處，並固定在上端蓋42上現在把諧振腔式槽波導微波化學反應設備按圖2和圖1方式將各部分總裝起來1)將各個零件去機油，清洗乾淨。
2)把短路活塞3各個零件第一短路活塞金屬板31，第二短路活塞金屬板32，第三短路活塞金屬板33，第一圓形絕緣墊圈34，第二圓形絕緣墊圈35，中空圓管36，金屬圓棒37，按圖2，裝配成一個組件。
3)把槽波導1的左金屬平板11，右金屬平板12，楔形匹配負載13，絕緣條14和短路活塞4組件按圖2安排好，用螺栓固定好。注意絕緣條預留有圓管形化學反應器要穿過的相應的孔。
4)將第一模式變換器21與第二模式變換器23連接好，第二模式變換器23的另一端與槽波導1連接，第一模式變換器21的另一端與矩形波導法蘭22固定，矩形波導法蘭22另一端接耦合膜片24。
5)將帶有套筒38的金屬平板39用螺釘固定在槽波導1的另一端，此時要使短路活塞3的中空圓管36穿過金屬平板39上的套筒38，並與機械調節裝置相連，並使短路活塞3能在槽波導1中能不受阻礙地平行移動。
6)將激勵器44放入反應器41內。
7)按圖2所示，將反應器41穿過槽波導1的一翼，一直穿過去，從槽波導1的另一翼伸出，然後在反應器41一端裝有耐真空的上端蓋42，原料進氣管46與上端蓋42相連；反應器41的另一端也裝有耐真空的下端蓋43，與產物的出氣管47相連。
8)按圖1所示，上端蓋42上的原料進氣管46，經流量計與天然氣管導相連(或與甲烷鋼瓶相連)，下端蓋43上的產物出氣管47經冷凝阱與真空泵相連。
9)按圖2所示，上端蓋42上留有孔，插入朗繆爾探針45，插入到所希望的位置後，固定在上端蓋42上並使其連接處不漏氣。
10)按圖2所示，在槽波導1的左金屬平板11的觀察孔外側，接上截止波導15。
11)微波源經環行器，定向耦合器與耦合膜片24相連。定向耦合器的二個副臂上接有功率指示器。調節短路活塞使諧振腔處於諧振狀態。
至此，從天然氣制乙烯諧振腔式槽波導微波化學反應設備，全部連接妥當。已進入待命使用狀態。
2.諧振腔式槽波導微波化學反應設備用於甲烷(天然氣)制乙烯的實施(1)首先要有一個大尺寸的諧振腔式槽波導微波化學反應設備，這是實現從甲烷(天然氣)制乙烯並具有乙烯單程產率高的必要條件，它的工作頻率在0.3GHz到22GHz範圍內，微波源可以用連續波也可以用脈衝波。
(2)使諧振腔式槽波導微波化學反應設備處在諧振狀態，使反應器41處在真空狀態，(3)選擇合適的輔助氣體，這裡選擇氫氣作為輔助氣體，(4)將原料氣甲烷(天然氣)和輔助氣體氫氣的壓力調整到1-20個大氣壓，使它們分別通過不同的流量計進入反應器，以測量各種氣體的流量，(5)選擇原料氣體甲烷(天然氣)與輔助氣體氫氣流量的比例，如甲烷/氫為50∶1～1∶20。
(6)將原料氣體甲烷(天然氣)與輔助氣體氫氣在混合氣櫃內進行充分混合，通過原料進氣管46，上端蓋42流入諧振腔式槽波導微波化學反應設備的石英反應管內.
(7)使反應管內的總氣壓在1*10-4大氣壓到20個大氣壓，但必須使石英反應管內混合氣的總氣壓略低於原料氣體甲烷(天然氣)與輔助氣體氫氣的氣壓。
(8)開啟微波電源.根據輔助氣體種類，流量比例，總的混合氣體壓力等因素，調節微波輸出功率，少則幾十瓦多則幾百千瓦，使石英反應管內的混合氣體放電，生成微波等離子體.這可以從朗繆爾探針和截止波導了解到放電情況。
(9)根據需要的產物，再微量調節微波輸出功率，就可得到所需產物.在冷凝阱中可以收集到液態的所需產物。
經過調整的諧振腔式槽波導微波化學反應設備的選用，微波功率的強，弱，氣壓的大，小，與甲烷(天然氣)相混合的氣體的種類，(例如這裡選用氫氣)，甲烷氣(天然氣)與氫氣的流量的比例等因素是確保從天然氣(甲烷)制乙烯達到高單程產率的關鍵因素。
以下是二個實驗例子說明，即使在相同工作氣壓下，不同的輸入功率(連續波)和不同的甲烷與氫氣的比例，就會獲得不同的產物。說明條件的變化對產物的影響很大。
實例1，從甲烷制乙烯甲烷∶氫氣＝(23升/分鐘)∶(1.5升/分鐘)，工作氣壓＝1大氣壓，輸入功率＝4.2KW(連續波)反應結果甲烷單程轉化率99.58％乙烯單程產率98.53％，乙烯單程選擇性98.945％實例2，從甲烷制乙烷甲烷∶氫氣＝(23升/分鐘)∶(0.7升/分鐘)，工作氣壓＝1大氣壓，輸入功率＝4.0KW(連續波)反應結果甲烷單程轉化率96.5％乙烷單程產率96.4％乙烷單程選擇性99.9％結論使用我們發明的諧振腔式槽波導微波化學反應設備，給以不同的工作參數，如輸入功率，甲烷與氫氣的比例，工作氣壓等，可獲得乙烯，也可獲得乙烷。
權利要求
1.一種用於以天然氣製備乙烯的諧振腔式槽波導微波化學反應設備，其特徵在於該反應設備由槽波導(1)、模式變換器及耦合孔板(2)、可調短路活塞(3)、化學反應器(4)所組成；其中，以槽波導(1)為主體，在槽波導(1)的左側設有模式變換器及耦合孔板(2)，在槽波導(1)的右側設有可調短路活塞(3)，化學反應器(4)橫向穿過槽波導(1)。
2.根據權利要求1所述的用於以天然氣製備乙烯的諧振腔式槽波導微波化學反應設備，其特徵在於槽波導(1)為圓形槽波導，或橢圓形槽波導，或矩形槽波導，或梯形槽波導，或「V」型槽波導或橫截面為任意形狀的槽波導，槽波導(1)的微波工作頻率範圍是0.3GHz到22GHz，槽波導(1)既可以工作在連續波，也可以工作在脈衝波。
3.根據權利要求1或2所述的用於以天然氣製備乙烯的諧振腔式槽波導微波化學反應設備，其特徵在於槽波導(1)包括左金屬平板(11)、右金屬平板(12)、楔形匹配負載(13)、絕緣條(14)、截止波導(15)；左金屬平板(11)與右金屬平板(12)形狀對稱，在左金屬平板(11)與右金屬平板(12)之間的兩邊分別設有絕緣條(14)，在絕緣條(14)的內側設有楔形匹配負載(13)，將其二者之間形成一個空間，在槽波導(1)的左金屬平板(11)、右金屬平板(12)端面的對稱中心，沿著平板的長度方向設有一個通孔(16)。
4.根據權利要求1所述的用於以天然氣製備乙烯諧振腔式槽波導微波化學反應設備，其特徵在於模式變換器及耦合孔板(2)包括第一變換器(21)，法蘭(22)，第二變換器(23)，耦合孔板(24)，第一變換器(21)是矩形波導變換到圓波導，第二變換器(23)中包括第二變換器上絕緣條(231)、第二變換器(23)下絕緣條(232)、第二變換器上楔形匹配負載(233)、第二變換器下楔形匹配負載(234)、第二變換器左金屬平板(235)，第二變換器右金屬平板(236)；其中第二變換器上絕緣條(231)、第二變換器下絕緣條(232)、第二變換器上楔形匹配負載(233)、第二變換器下楔形匹配負載(234)、第二變換器左金屬平板(235)、第二變換器右金屬平板(236)所組成的外形結構與槽波導相一致，與槽波導(1)相連接的中心通孔(237)為圓臺形，在該圓臺形的中心通孔(237)的外側連接有第一變換器(21)，在第一變換器(21)的外端連接有法蘭(22)，在法蘭(22)上設有耦合孔板(24)。
5.根據權利要求1所述的用於以天然氣製備乙烯的諧振腔式槽波導微波化學反應設備，其特徵在於可調短路活塞(3)包括第一短路活塞金屬板(31)、第二短路活塞金屬板(32)、第三短路活塞金屬板(33)、第一圓形絕緣墊圈(34)、第二圓形絕緣墊圈(35)、中空圓管(36)、金屬圓棒(37)、套筒(38)、金屬平板(39)；其中，第一短路活塞金屬板(31)、第二短路活塞金屬板(32)、第三短路活塞金屬板(33)、第一圓形絕緣墊圈(34)、第二圓形絕緣墊圈(35)相間隔設置，其中心固定在中空圓管(36)的一端，中空圓管(36)的另一端位於套筒(38)中，套筒(38)固定在金屬平板(39)的中央，中空圓管(36)的中間為金屬圓棒(37)；該可調短路活塞(3)還可製成一塊固定短路板。
6.根據權利要求1所述的用於以天然氣製備乙烯的諧振腔式槽波導微波化學反應設備，其特徵在於化學反應器(4)包括低損耗材料製成的反應器(41)、上端蓋(42)、下端蓋(43)、激勵器(44)、朗繆爾探針(45)、進氣管(46)、出氣管(47)；其中，上端蓋(42)、進氣管(46)、下端蓋(43)、出氣管(47)分別位於低損耗材料製成的反應器(41)的兩端，激勵器(44)，位於低損耗材料製成的反應器(41)內的中間，朗繆爾探針(45)位於低損耗材料製成的反應器(41)內並固定在上端蓋(42)上。
7.根據權利要求3所述的用於以天然氣製備乙烯的諧振腔式槽波導微波化學反應設備，其特徵在於楔形匹配負載(13)，可以是幹負載，也可以是水負載。
8.一種如權利要求1所述的用諧振腔式槽波導微波化學反應設備從天然氣製備乙烯的方法，其特徵在於以天然氣製備乙烯的方法為1).採用一個大尺寸的諧振腔式槽波導微波化學反應設備，它的工作頻率在0.3GHz到22GHz範圍內，微波源可以用連續波也可以用脈衝波，2).使諧振腔式槽波導微波化學反應設備處在諧振狀態，使反應器(41)處在真空狀態，3).選擇氫氣作為輔助氣體，4).將原料氣天然氣和輔助氣體氫氣的壓力調整到1-20個大氣壓，使它們分別通過不同的流量計進入反應器，以測量各種氣體的流量，5).選擇原料氣體天然氣與輔助氣體氫氣流量的比例，即天然氣∶氫為50∶1～1∶20，6).將原料氣體天然氣與輔助氣體氫氣在混合氣櫃內進行充分混合，通過原料進氣管(46)，上端蓋(42)流入諧振腔式槽波導微波化學反應設備的石英反應器(41)內，7).使石英反應器(41)內混合氣的總氣壓在1*10-4大氣壓到20個大氣壓，使石英反應器(41)內混合氣的總氣壓略低於原料氣體天然氣與輔助氣體氫氣的氣壓，8).開啟微波電源，根據輔助氣體種類，流量比例，總的混合氣體壓力等因素，調節微波輸出功率為幾十瓦至幾百千瓦，使石英反應器(41)內的混合氣體放電，生成微波等離子體，可以從朗繆爾探針(44)和截止波導了解到放電情況，9).再微量調節微波輸出功率，就可得到所需產物，在冷凝阱中可以收集到液態的所需產物乙烯。
全文摘要
用於以天然氣制乙烯的槽波導微波化學反應設備及製備方法是一種用諧振腔式槽波導微波化學反應設備，從天然氣制乙烯的方法，該反應設備由槽波導(1)、模式變換器及耦合孔板(2)、可調短路活塞(3)、化學反應器(4)所組成；其中，以槽波導(1)為主體，在槽波導(1)的左側設有模式變換器及耦合孔板(2)，在槽波導(1)的右側設有可調短路活塞，化學反應器橫向穿過槽波導。經過調整的諧振腔式槽波導微波化學反應設備的選用，微波功率的強、弱、氣壓的大、小、與甲烷氣相混合的氣體的種類(例如這裡選用氫氣)、甲烷(天然氣)與輔助氣體氫氣的流量的比例等因素是確保從甲烷(天然氣)制乙烯達到高單程產率的關鍵因素。
文檔編號C07C11/04GK1803740SQ200610037890
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月20日 優先權日2006年1月20日
發明者楊鴻生, 孫德坤 申請人:楊鴻生, 孫德坤