专利名称：用于以天然气制乙烯的槽波导微波化学反应设备及制备方法
技术领域：
本发明是一种用谐振腔式槽波导微波化学反应设备，从天然气制乙烯的方法，属于微波技术中谐振腔式槽波导微波化学反应设备用于天然气制乙烯的技术领域。
背景技术：
乙烯是化学工业最重要的基础原料之一，也是世界上产量最大的化学产品之一。它是生产各种有机化工产品和合成材料的基础原料。
目前世界上工业生产乙烯的方法基本上是以轻质油或石脑油等原料经高温裂解制取。每年消耗大量石油，地球上的石油资源日渐匮乏。
全球已探明的天然气储量约为134*1012立方米，近来新发现的大型气田还在增加。如果用天然气替代石油来制造乙烯，将会大大缓解国家对石油需求的压力，也有利于天然气化学工业的发展。
干天然气中90％以上成份是甲烷，为了便于说明，从此处开始，一直到本专利结束，有时以甲烷来说明。
国内外在实验室研究中，用传统的加热方法，将甲烷转化成乙烯分为两类，一类是非直接法，另一类是直接法。非直接法包括，(1)甲烷经甲醇生成乙烯，这种方法的主要问题是，造气过程能耗高，(2)甲烷经合成气生成乙烯，该方法在如何抑制反应过程中甲烷的再生成问题有待解决。
直接法中最重要的方法是甲烷氧化偶联。1982年美国UCC公司的G.E.Keller和M.M.Bhasin两人首次发表了采用甲烷催化氧化偶联制乙烯的结果，此后国内外科学工作者主要集中在二方面开展研究，一是寻找优质的催化剂，二是改进反应器。Y.Jiang等人认为要使甲烷直接转化成乙烯在经济上变成可行，乙烯的单程产率应该大于40％这个阈值。但是时至今日，乙烯单程产率仍小于30％。
因此用传统的加热方法，从甲烷制乙烯在国际上还停留在实验研究阶段，尚未找到一个既有望实现工业化生产，又有优良经济效益的办法。
从甲烷生成乙烯的另一种方法是微波化学方法，包括等离子体化学方法。微波化学有两个显著优点一是大大加快化学反应速度，二是使一些传统热力学上难以发生的反应变得较易发生。甲烷是结构最为稳定的有机分子，它在无氧气氛下脱氢偶联制乙烯需在1400℃的高温下才能进行，但是用微波化学方法很容易使它分解生成乙烯，虽然国内外文献报导，已有人达到乙烯单程产率30％。已高于用传统加热方法所达到的单程产率指标。但是还是低于国际上公认的经济上可行的40％这个阈值。
现在的微波化学实验，主要还是在矩形波导或是在矩形波导构成的谐振腔内进行，没有跳出矩形波导这个老框框，用微波化学方法从甲烷(天然气)制乙烯仍旧存在以下几个难以克服的障碍1)微波化学反应用的谐振腔体积小；2)原料气甲烷(天然气)流量小；3)乙烯单程产率小于40％；因此，直到今天，技术背景就是不管是用常规加热方法从甲烷(天然气)制乙烯，还是用微波化学方法从甲烷(天然气)制乙烯，都没有突破腔体体积小，甲烷流量小和乙烯单程产率小，这“三小”的三大难关。这已经是国际公认的重大难题，是全世界多多少少科学家为之奋斗了几十年而没有解决的难题。
发明内容
技术问题本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适合于化学工业生产用的用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备及其制备方法，实现低成本、高效率的从天然气制乙烯。
技术方案本发明的用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备由槽波导、模式变换器及耦合孔板、可调短路活塞(或固定短路板)、化学反应器所组成；其中，以槽波导为主体，在槽波导的左侧设有模式变换器及耦合孔板，在槽波导的右侧设有可调短路活塞(或固定短路板)，化学反应器横向穿过槽波导。
这里所说的槽波导是指圆形槽波导，椭圆形槽波导，矩形槽波导，梯形槽波导，“V”型槽波导和横截面为任意形状的槽波导。在槽波导的二翼的金属平行平板的端部装有与工作波长有关的楔形的高功率匹配负载(可以是干负载，也可以是水负载)。槽波导的微波工作频率是指0.3GHz到22GHz的范围内。槽波导既可以工作在连续波也可以工作在脉冲波。
槽波导包括左金属平板、右金属平板、楔形匹配负载、绝缘条、截止波导；左金属平板与右金属平板形状对称，在左金属平板与右金属平板之间的两边分别设有绝缘条，在绝缘条的内侧设有楔形匹配负载，将其二者之间形成一个空间，在槽波导左、右金属平板端面的对称中心，沿着平板的长度方向设有一个通孔。
为了便于说明，从此处开始，一直到本专利结束，对于各种槽波导均以圆形槽波导为例来详细说明。
模式变换器是用来将微波源输入波导内的模式变换成槽波导内所需的模式。这可以制成一段变换器来完成，也可以制成多段变换器串接起来完成。耦合孔板是用来将微波源的能量耦合到谐振腔内。它可以放置在模式变换器的输入端或输出端，也可放在多段变换器之间。为完成上述二个功能，可以有多种方案组合。这里仅选其中一种作为例子说明如下。
模式变换器及耦合孔板。它包括第一变换器，法兰，第二变换器和耦合孔板。第一变换器是矩形波导变换到圆波导。第二变换器中包括第二变换器上绝缘条，第二变换器下绝缘条，第二变换器上楔形匹配负载，第二变换器下楔形匹配负载，第二变换器左金属平板，第二变换器右金属平板；其中第二变换器上绝缘条，第二变换器下绝缘条，第二变换器上楔形匹配负载，第二变换器下楔形匹配负载，第二变换器左金属平板，第二变换器右金属平板所组成的外形结构与槽波导相一致，与槽波导相连接的中心通孔为圆台形，在该圆台形的中心通孔的外侧连接有第一变换器，在第一变换器的外端连接有法兰，在法兰上设有耦合孔板。
短路活塞是谐振腔的重要部分。它有二种形式一种是可调短路活塞，另一种是固定的短路板，这里以可调谐短路活塞作为例子说明，可调短路活塞包括，第一短路活塞金属板、第二短路活塞金属板、第三短路活塞金属板、第一圆形绝缘垫圈，第二圆形绝缘垫圈，中空圆管，金属圆棒，套筒和金属平板；其中，第一短路活塞金属板、第二短路活塞金属板、第三短路活塞金属板、第一圆形绝缘垫圈、第二圆形绝缘垫圈相间隔设置，其中心固定在中空圆管的一端，中空圆管的另一端位于套筒中，套筒固定在金属平板的中央，中空圆管的中间为金属圆棒。
化学反应器包括低损耗材料制成的反应器，上端盖，下端盖，进气管，出气管，激励器，朗缪尔探针组成；其中，上端盖，进气管，下端盖，出气管分别位于化学反应器的两端，激励器，位于化学反应器内的中间，朗缪尔探针位于化学反应器内并固定在上端盖上。
用谐振腔式槽波导微波化学反应设备从天然气制备乙烯的方法1).采用一个大尺寸的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，它的工作频率在0.3GHz到22GHz范围内，微波源可以用连续波也可以用脉冲波，2).使谐振腔式槽波导微波化学反应设备处在谐振状态，使反应器处在真空状态，3).选择氢气作为辅助气体，4).将原料气天然气和辅助气体氢气的压力调整到1-20个大气压，使它们分别通过不同的流量计进入反应器，以测量各种气体的流量，5).选择原料气体天然气与辅助气体氢气流量的比例，即天然气氢为50∶1～1∶20，6).将原料气体天然气与辅助气体氢气在混合气柜内进行充分混合，通过原料进气管，上端盖流入谐振腔式槽波导微波化学反应设备的石英反应器内，7).使石英反应器内混合气的总气压在1*10-4大气压到20个大气压，使石英反应器内混合气的总气压略低于原料气体天然气与辅助气体氢气的气压，8).开启微波电源，根据辅助气体种类，流量比例，总的混合气体压力等因素，调节微波输出功率为几十瓦至几百千瓦，使石英反应器内的混合气体放电，生成微波等离子体，可以从朗缪尔探针和截止波导了解到放电情况，9).再微量调节微波输出功率，就可得到所需产物，在冷凝阱中可以收集到液态的所需产物乙烯。
本发明根据电磁场理论，微波技术、等离子体技术和化工原理设计而成。谐振腔式槽波导微波化学反应设备用于天然气制乙烯，如图1所示。它的工作原理是功率源产生的微波，经环行器，定向耦合器，耦合孔板，把微波能量输入到槽波导谐振腔，化学反应器的反应管沿着槽波导二翼贯通之，使谐振腔处于谐振状态。天然气从反应管一端流进谐振腔，在微波电磁场的作用下，自由电子获得能量与甲烷分子，氢分子，发生非弹性碰撞，产生更多的电子，新生的自由电子再获得能量，再撞击甲烷分子，氢分子，产生更多电子，发生电子繁流现象，自由电子像雪崩一样增加，直到气体击穿放电，生成宏观上保持电中性的等离子体。高能量电子通过非弹性碰撞使甲烷分子C-H键和氢分子H-H键断裂，生成许多化学性能活泼的自由基团。由它们的各种组合生成产物，由气相色谱仪显示产物的成分。生成的乙烯顺着化学反应管流出谐振腔，流入冷凝阱收集。
为了便于说明问题，本发明分二部分叙述(1)谐振腔式槽波导微波化学反应设备，如图2所示；(2)谐振腔式槽波导微波化学反应设备用于天然气制乙烯。详细说明如下1.谐振腔式槽波导微波化学反应设备(1)槽波导这里所说的槽波导是指圆形槽波导，椭圆形槽波导，矩形槽波导，梯形槽波导，“V”型槽波导和横截面为任意形状的槽波导。在槽波导的二翼的金属平行平板的端部装有与工作波长有关的楔形的高功率匹配负载(可以是干负载，也可以是水负载)。槽波导的微波工作频率是指0.3GHz到22GHz的范围内，世界各国允许的民用、工业用频率，例如0.434GHz，0.915GHz，2.45GHz，5.80GHz等等。槽波导既可以工作在连续波也可以工作在脉冲波。它既可以工作在低功率也可以工作在高功率。为了便于说明，以圆形槽波导为例来详细说明。
圆形槽波导采用上、下绝缘条隔开二块金属平板，在绝缘条内侧装有楔形的匹配负载(可以是干负载，也可以是水负载)，楔形的高度是电磁波工作半波长的整数倍。在二块金属平板端面的对称中心有一个沿着平板的长度方向直径为D0的圆形通孔所构成，如图2和BB视图所示。该圆孔的轴线方向就是电磁波传播方向，简称为轴线方向。高功率槽波导楔形匹配负载用石英玻璃吹制成所需的形状，有进、出水管，如图3所示。也可制成其它形式的匹配水负载。槽波导绝缘条用陶瓷等材料制成，示於图3。若用干负载也制成如图3的形状和尺寸。
在槽波导通孔的侧壁上，开一个等离子体光谱观察孔。孔外装有一段截止波导，使从小孔泄漏出来的微波能量小于国家标准。通过小孔要能看到石英反应管内的等离子体发出的光，可供测量等离子体的温度；或可供测量等离子体发出的光谱。
(2)模式变换器及耦合孔板为完成模式变换和耦合能量二个功能，可以有多种方案组合，这里仅选其中一种来说明。它由第一变换器，第二变换器，法兰和耦合孔板组成。第一变换器是矩形波导变换到圆波导。第二变换器是圆波导变换到圆形槽波导。第一变换器的一端是矩形波导截面，另一端是圆波导截面.它们之间是直线性过渡，即矩形周边上的每一点与圆周上的相应点之间用直线连接而构成的空间。第二变换器一端是圆波导截面，另一端是圆形槽波导截面。它们的直径不同。从圆截面一端的垂直中心线起以“V”字形张开，“V”字形的最大开口处，二点之间距离等于圆形槽波导二金属平板之间的距离。在圆形槽波导端的波导壁上设有连接孔。在矩形波导截面端装有矩形波导法兰，在法兰上设有耦合孔板.耦合孔可以是电感性的，也可以是电容性的。耦合孔形状可以是圆孔，矩形孔或者是其它形状。耦合孔板还与输入波导相连，把微波能量耦合进谐振腔。
(3)可调短路活塞短路活塞是谐振腔的重要组成部分。它有二种形式一种是可调短路活塞，另一种是固定的短路板。这里以可调谐短路活塞作为例子说明。
圆形槽波导一端接有模式变换器及耦合孔板，另一端装有可调谐短路活塞，构成谐振腔。可调短路活塞由形状与波导端面中空图形相同的金属平板构成，材料可以与波导材料相同，厚度为四分之一波长，金属平板与波导间有一间隙使两者不接触，短路活塞的金属平板可以由一块或多块组成。金属平板之间用厚度为四分之一波长的绝缘垫圈隔开。绝缘圈直径略小于槽波导通孔D0，绝缘圈材料可用陶瓷等，然后将它们固定在一根中空的圆管上。该中空圆管内放入金属圆棒，棒直径同中空圆管.圆管端面，圆棒端面与第一块金属平板处在同一平面内。该中空圆管贯穿一个套筒，该套筒穿过槽波导端面金属平板上对称中心的孔，并固定之。该中空圆管与机械调节机构连接，使短路活塞能在槽波导内平行移动。
(4)化学反应器化学反应器是微波与反应物质相互作用的地方，所以化学反应器必须处在圆形槽波导谐振腔的内部。它的材料可以由石英、陶瓷、低损耗玻璃，或在电磁场中损耗小的其它非金属固体材料制成，但最好是用透明的石英制成，有利于观察等离子体发出的光谱。化学反应器的形状可以是一根圆管，也可以根据需要制成其它各种形状，只要有利于化学反应的进行，只要在槽波导谐振腔内能放得下，只要设有原料的进气管和产物的出气管。
化学反应器内设有激励器。激励器可以是金属激励器，也可以是非金属的激励器(包括半导体的)，也可以是金属，非金属混合组成的激励器，适宜于做金属激励器的材料有钨、铁、镍、合金等。适宜于做非金属激励器的材料有石墨等。激励器的尺寸和形状与微波源的工作频率有关。
化学反应器内设有朗缪尔探针，用来测量等离子体的参量。探针可以是单根，双根或多根组成。例如双根的朗缪尔探针，插入等离子体，加上电压，测定流过探针的电流，可得到电流——电压特性曲线，从测量数据可求得等离子体密度，电子温度等许多参量。
探针的材料以能够耐高温的金属材料组成，探针一般放在槽波导的平板区域，以不影响微波放电和化学反应的顺利进行，但又能测量等离子体参量。
总之，由槽波导，模式变换器及耦合孔板，可调短路活塞(或固定短路板)，化学反应器等部分按图2组装成为谐振腔式槽波导微波化学反应设备。
2.谐振腔式槽波导微波化学反应设备用于甲烷(天然气)制乙烯(1)要有一个大尺寸的谐振腔式槽波导微波化学反应设备。它的工作频率在0.3GHz到22GHz范围内。微波源可以用连续波也可以用脉冲波，(2)使谐振腔式槽波导微波化学反应设备处在谐振状态，使反应器处在真空状态，(3)选择合适的辅助气体，这里选择氢气作为辅助气体，(4)将原料气甲烷(天然气)和辅助气体氢气的压力调整到1-20个大气压。使它们分别通过不同的流量计进入反应器，以测量各种气体的流量。
(5)选择原料气甲烷(天然气)和辅助气体氢气流量的比例为50∶1～1∶20。
(6)将原料气甲烷(天然气)和辅助气体氢气在混合气柜内进行充分混合，通过原料进气管，上端盖流入谐振腔式槽波导微波化学反应设备的石英反应管内。
(7)使石英反应管内混合气的总气压略低于原料气甲烷(天然气)和辅助气体氢气的气压，
(8)开启微波电源，调节微波输出功率，使石英反应管内的混合气体放电生成微波等离子体，这可以从朗缪尔探针和截止波导了解到放电情况。
(9)根据需要的产物，调节微波输出功率，就可得到所需产物，在冷凝阱中可以收集到液态的乙烯产物。
经过调整的谐振腔式槽波导微波化学反应设备的选用，微波功率的强、弱、气压的大、小、与甲烷气(天然气)相混合的气体的种类、(例如这里选用氢气)、甲烷气(天然气)与辅助气体氢气的流量的比例等因素是确保从甲烷(天然气)制乙烯达到高单程产率的关键因素。
工作原理在微波电磁场中的电子，获得能量。这种高能量的电子与气体分子发生非弹性碰撞时，就会引起甲烷分子和氢分子的电离，生成宏观上保持电中性的等离子体。高能量电子通过非弹性碰撞使甲烷分子C-H键和氢分子H-H键断裂，生成自由基团，这些自由基团的化学性能非常活泼，它们通过一定的方式重新结合，组成全新的物质如乙烯等。这就是从天然气(甲烷)转变成乙烯的原理，从这里看到，建立一个合适的，提供强电磁场能量的环境非常重要，本发明提供的谐振腔式槽波导微波化学反应设备就能很好地满足上述要求。
有益效果1、现在制乙烯以石油为原料，国际上由于长期开采，石油日趋匮乏。采用天然气替代石油制乙烯，开辟一条新的原料途径，大大缓解对石油需求的压力，全球天然气资源相对比较丰富。
2、在气源丰富的地区用本发明，投资小，启动快，成本低。促进以乙烯为原料的下游产品成本降低，大大提高国际市场的竞争能力。
3、环保产业。利用微波法从天然气制乙烯，从原料，生产过程和产物，没有产生有害物质。整个生产是一种洁净的生产方式。
4、有利于天然气化工工业的发展。
5、在微波技术领域与其它的波导结构相比，槽波导有大尺寸的优点，只有本发明可以应用于乙烯工业生产。
6、本发明不需要催化剂。
图1是谐振腔式槽波导微波化学反应设备用于天然气制乙烯方框图。
图2是谐振腔式槽波导微波化学反应设备正视图三视图及剖面图。
图3是谐振腔式槽波导微波化学反应设备侧视图。
图4是谐振腔式槽波导微波化学反应设备BB剖面图。
图5是谐振腔式槽波导微波化学反应设备CC剖面图。
图6是谐振腔式槽波导微波化学反应设备水平视图。
图7是谐振腔式槽波导微波化学反应设备AA剖面图。
图8是槽波导楔形匹配负载和绝缘条立体图。其中图8a为楔形匹配负载立体图，图8b为绝缘条立体图。
图9是模式变换器立体图。
以上的图中有槽波导1，左金属平板11，右金属平板12，楔形匹配负载13，绝缘条14，截止波导15。
模式变换器及耦合孔板2，第一变换器21，法兰22，第二变换器23，耦合孔板24，第二模式变换器上绝缘条231，第二模式变换器下绝缘条232，第二模式变换器上楔形匹配负载233，第二模式变换器下楔形匹配负载234，第二模式变换器左金属平板235，第二模式变换器右金属平板236。
可调短路活塞3，第一短路活塞金属板31，第二短路活塞金属板32，第三短路活塞金属板33，第一圆形绝缘垫圈34，第二圆形绝缘垫圈35，中空圆管36金属圆棒37，套筒38，金属平板39。
化学反应器4，反应器41，上端盖42，下端盖43，激励器44，朗缪尔探针45，进气管46，出气管47组成。
圆形槽波导通孔的直径D0，圆台形通孔外端直径为D1，化学反应器的直径D2，圆形槽波导长度L0，第一变换器的长度为L1，第二变换器的长度为L2，槽波导的总高度H，槽波导绝缘条高度为H1，槽波导楔形匹配负载底座高度为H2，楔形高度为H3，槽波导楔形匹配负载宽度为W1，槽波导平行平板之间的距离为W2。
具体实施例方式
为了便于说明问题，本发明实施分二部分叙述第一部分是谐振腔式槽波导微波化学反应设备实施，第二部分是谐振腔式槽波导微波化学反应设备用于天然气制乙烯实施，详细说明如下1.谐振腔式槽波导微波化学反应设备实施谐振腔式槽波导微波化学反应设备由槽波导1、模式变换器及耦合孔板2、可调短路活塞3、化学反应器4所组成；其中，以槽波导1为主体，在槽波导1的左侧设有模式变换器及耦合孔板2，在槽波导1的右侧设有可调短路活塞3，化学反应器4横向穿过槽波导1。
槽波导1包括左金属平板11、右金属平板12、楔形匹配负载13、绝缘条14、截止波导15；左金属平板11与右金属平板12形状对称，在左金属平板11与右金属平板12之间的两边分别设有绝缘条14，在绝缘条的内侧设有楔形匹配负载13，将其二者之间形成一个空间，在槽波导1的左、右金属平板端面的对称中心，沿着平板的长度方向设有一个通孔。
模式变换器及耦合孔板2包括第一变换器21，法兰22，第二变换器23，耦合孔板24.第一变换器21是矩形波导变换到圆波导.第二变换器23中包括第二变换器上绝缘条231，第二变换器下绝缘条232，第二变换器上楔形匹配负载233，第二变换器下楔形匹配负载234，第二变换器左金属平板235，第二变换器右金属平板236；其中第二变换器上绝缘条231，第二变换器下绝缘条232，第二变换器上楔形匹配负载233，第二变换器下楔形匹配负载234，第二变换器左金属平板235，第二变换器右金属平板236所组成的外形结构与槽波导相一致，与槽波导1相连接的中心通孔为圆台形，在该圆台形的中心通孔的外侧连接有第一变换器21，在第一变换器21的外端连接有法兰22，在法兰22上设有耦合孔板24。
可调短路活塞3包括，第一短路活塞金属板31、第二短路活塞金属板32、第三短路活塞金属板33、第一圆形绝缘垫圈34，第二圆形绝缘垫圈35，中空圆管36，金属圆棒37，套筒38和金属平板39；其中，第一短路活塞金属板31、第二短路活塞金属板32、第三短路活塞金属板33、第一圆形绝缘垫圈34、第二圆形绝缘垫圈35相间隔设置，其中心固定在中空圆管36的一端，中空圆管36的另一端位于套筒38中，套简38固定在金属平板39的中央，中空圆管36的中间为金属圆棒37。
化学反应器4包括低损耗材料制成的反应器41，上端盖42，下端盖43，激励器44，朗缪尔探针45，进气管46，出气管47组成；其中，上端盖42，进气管46，下端盖43，出气管47分别位于低损耗材料制成的反应器41的两端，激励器44，位于低损耗材料制成的反应器41内的中间，朗缪尔探针45位于低损耗材料制成的反应器41内并固定在上端盖42上。
(1)槽波导这里以圆形槽波导为例说明。制造有几种方案，例如用切削加工方法，也可以用板材压力机压制而成等等。这里为说明方便采用如下办法实现。本发明可用图2BB示图所示的方案实现，其中槽波导1的实施方法是取二块加工后尺寸相同的金属平板，材料可采用铜，黄铜，合金铝等良导体，平板长度可根据实际需要而定，只要加工工艺做得到。平板的高度H和宽度W与工作波长λ有关。H＝10λ-30λ，W＝0.35λ-1.26λ。金属平板二边的边缘用螺栓固定。在端面的上方和下方。以二平板接触的边界线为中心线，沿长度方向上，下各铣一条高为(H1+H2)＝0.15λ-1.5λ，宽为W1＝W2+2W3＝0.5λ-2.313λ的槽，槽长度同圆形槽波导长度L0。其中H1＝0.1λ-1λ，H2＝(1/2)H1，W2＝0.4λ-1.313λ，W3＝0.05λ-0.5λ，然后在端面对称中心沿长度方向镗一个通孔，孔的直径D0＝0.62λ-2.02λ将螺栓拆下，每块金属平板有槽的一侧，铣去W5＝(1/2)W2宽度。这样加工后的二块金属平板即为图2BB示图中的槽波导左金属平板11、右金属平板12。
槽波导1的楔形匹配负载13是用来吸收到达金属平板边缘的电磁波的关键部件，用来减少微波泄漏。楔形的高度是半波长的整数倍，H3＝0.5λ-3λ。整个楔形匹配负载装于绝缘条14内侧。上下绝缘条用来隔开槽波导左金属平板11和右金属平板12。它的长度与圆形槽波导长度相同。材料可用陶瓷等绝缘材料。绝缘条上开有孔，供化学反应器的进气口和出气口穿过，和供楔形匹配负载进水口和出水口穿过。当功率较小时，也可用楔形匹配干负载，尺寸形状同水负载，材料可用石墨等强吸收微波的材料制成。
图2中，H4＝0.05λ-0.5λ，W4＝0.45λ-1.364λ。
在槽波导1通孔的侧壁上，开一个等离子体光谱观察孔，孔径可取在0.05λ-0.1λ之间。孔外装有一段衰减值在100-200分贝的截止波导15，见图2AA示图.使从小孔泄漏出来的微波能量小于国家标准。通过小孔要能看到石英反应管41内等离子体发出的光，可供测量等离子体的温度；或可供测量等离子体发出的光谱。
(2)模式变换器及耦合孔板模式变换器及耦合孔板2见图2各示图。分二部分实施如下第一变换器21，先做一个蜡模，尺寸为矩形波导端尺寸按照微波源工作频率，选用相应的标准矩形波导尺寸，圆波导一端，圆直径为D1＝0.6λ-0.9λ。两端面之间相应点用直线相连接，用电铸波导技术制成铜波导，化去蜡模，表面光洁处理后，在矩形波导端装上法兰22，在圆波导端的底座上打孔，由螺钉与第二个变换器固定，整个第一个变换器的长度为L1＝1λ-3λ。第二变换器23，用二块铜，黄铜或合金铝等材料的金属平板，其长、宽、高分别为，长为L2＝1λ-3λ，二块金属平板总宽度为2W＝0.35λ-1.26λ，高为H＝10λ-30λ，在二块金属平板的边缘用螺栓固定，然后在端面的对称中心，加工一个圆台形通孔，一端直径为D1＝0.6λ-0.9λ，另一端的直径为圆形槽波导通孔的直径D0＝0.62λ-2.02λ，λ为波长，然后去掉螺栓，拆开成二块，每块金属平板有槽的一侧，切削去一个楔形，楔形的高等于金属平板的长度L2，楔形的底为矩形，矩形的长边等于金属平板的高H，矩形的短边为W5＝(1/2)W2＝0.2λ-0.656λ，切削平面要光滑。然后用陶瓷等绝缘材料，加工二个小陶瓷楔形，作为第二变换器上绝缘条231，第二变换器下绝缘条232。陶瓷楔形的高也等于金属平板的长L2，陶瓷楔形底也为矩形，矩形的长边为W2＝2W5，矩形的短边为H1＝0.1λ-1λ。第二变换器上绝缘条231内侧装有第二变换器上楔形匹配负载233，第二变换器下绝缘条232内侧装有第二变换器下楔形匹配负载234，，(可以是水负载，也可以是干负载)。类同于槽波导中的楔形匹配负载。楔形高度为H3.将上，下二个陶瓷绝缘条连同匹配负载放在已切削好的第二变换器左金属平板235和第二变换器右金属平板236之间，用螺栓固定。整个模式变换器2与圆形槽波导1连接。
耦合孔板24的外形尺寸与所选用标准矩形波导的法兰盘一样。厚度为0.005λ-0.1λ。在它的对称中心，若开有圆孔，则孔直径小于等于矩形波导的高；若开有矩形耦合孔，则矩形孔的宽边小于等于矩形波导宽边，孔的高度小于等于矩形波导高度，若耦合孔板在平行于宽边的方向开有窄缝隙，构成电容性膜片，若平行于矩形波导高度方向开有窄缝隙，构成电感性膜片。耦合孔形状可以是圆孔，矩形孔或者是其它形状。这些孔，隙的尺寸，可通过实际测量达到最佳。
(3)可调短路活塞可调短路活塞3由形状与槽波导1端面中空图形相同的金属板制成。第一短路活塞金属板31、第二短路活塞金属板32、第三短路活塞金属板33.材料是铜，黄铜或合金铝等材料，短路活塞金属板的厚度为四分之一波长，短路活塞金属板的中心有一通孔，使它能装在一根中空圆管36上，短路活塞金属板与波导之间有一间隙使两者不接触，短路活塞金属板之间用厚度为四分之一波长的第一圆形绝缘垫圈34，第二圆形绝缘垫圈35隔开，垫圈直径约为0.8倍槽波导通孔的直径D0，然后依次将第一短路活塞金属板31，第一圆形绝缘垫圈34，第二短路活塞金属板32，第二圆形绝缘垫圈35，第三短路活塞金属板33装上中空圆管36上，使短路活塞金属板与中空圆管36的外径呈紧配合状态，以不使短路活塞金属板任意晃动为宜，中空圆管36内放入金属圆棒37，棒直径同中空圆管，使圆棒端面，圆管端面与第一短路活塞金属板31处在同一平面内。
槽波导1端面装有一块金属平板39，此板的对称中心开有一孔，套筒38穿过此孔，并与金属平板39固定之。短路活塞组件的中空圆管36穿过此套筒38，呈滑配合状态，该中空圆管36与机械调节机构连接使短路活塞3能在槽波导1内平行移动。
(4)化学反应器低损耗材料制成的反应器41，材料可以是石英，高质量陶瓷或者其它不吸收微波的非金属材料。低损耗材料制成的反应器41形状可以是圆管形也可以是任意的形状，只要谐振腔内放得下，这里举一例说明化学反应器的实施。
低损耗材料制成的反应器41设计成圆管形，用石英管制成，它的直径D2小于槽波导1平行平板之间的距离W2，见图2BB示图。高度略高于槽波导1的总高度H，反应器41一端装有耐真空的上端盖42，原料进气管46与上端盖42相连；反应器41的另一端也装有耐真空的下端盖43，与产物的出气管47相连并与冷凝阱，真空泵以次相接。
在石英圆管反应器41内放置激励器44。激励器可以用铁、钨或其它耐高温的金属，也可以用石墨等非金属材料制成，激励器的形状可以制成任意形状，只要有利于气体放电，朗缪尔探针45位于低损耗材料制成的反应器41内，距槽波导1中心圆形通孔之上1λ-3λ处，并固定在上端盖42上现在把谐振腔式槽波导微波化学反应设备按图2和图1方式将各部分总装起来1)将各个零件去机油，清洗干净。
2)把短路活塞3各个零件第一短路活塞金属板31，第二短路活塞金属板32，第三短路活塞金属板33，第一圆形绝缘垫圈34，第二圆形绝缘垫圈35，中空圆管36，金属圆棒37，按图2，装配成一个组件。
3)把槽波导1的左金属平板11，右金属平板12，楔形匹配负载13，绝缘条14和短路活塞4组件按图2安排好，用螺栓固定好。注意绝缘条预留有圆管形化学反应器要穿过的相应的孔。
4)将第一模式变换器21与第二模式变换器23连接好，第二模式变换器23的另一端与槽波导1连接，第一模式变换器21的另一端与矩形波导法兰22固定，矩形波导法兰22另一端接耦合膜片24。
5)将带有套筒38的金属平板39用螺钉固定在槽波导1的另一端，此时要使短路活塞3的中空圆管36穿过金属平板39上的套筒38，并与机械调节装置相连，并使短路活塞3能在槽波导1中能不受阻碍地平行移动。
6)将激励器44放入反应器41内。
7)按图2所示，将反应器41穿过槽波导1的一翼，一直穿过去，从槽波导1的另一翼伸出，然后在反应器41一端装有耐真空的上端盖42，原料进气管46与上端盖42相连；反应器41的另一端也装有耐真空的下端盖43，与产物的出气管47相连。
8)按图1所示，上端盖42上的原料进气管46，经流量计与天然气管导相连(或与甲烷钢瓶相连)，下端盖43上的产物出气管47经冷凝阱与真空泵相连。
9)按图2所示，上端盖42上留有孔，插入朗缪尔探针45，插入到所希望的位置后，固定在上端盖42上并使其连接处不漏气。
10)按图2所示，在槽波导1的左金属平板11的观察孔外侧，接上截止波导15。
11)微波源经环行器，定向耦合器与耦合膜片24相连。定向耦合器的二个副臂上接有功率指示器。调节短路活塞使谐振腔处于谐振状态。
至此，从天然气制乙烯谐振腔式槽波导微波化学反应设备，全部连接妥当。已进入待命使用状态。
2.谐振腔式槽波导微波化学反应设备用于甲烷(天然气)制乙烯的实施(1)首先要有一个大尺寸的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，这是实现从甲烷(天然气)制乙烯并具有乙烯单程产率高的必要条件，它的工作频率在0.3GHz到22GHz范围内，微波源可以用连续波也可以用脉冲波。
(2)使谐振腔式槽波导微波化学反应设备处在谐振状态，使反应器41处在真空状态，(3)选择合适的辅助气体，这里选择氢气作为辅助气体，(4)将原料气甲烷(天然气)和辅助气体氢气的压力调整到1-20个大气压，使它们分别通过不同的流量计进入反应器，以测量各种气体的流量，(5)选择原料气体甲烷(天然气)与辅助气体氢气流量的比例，如甲烷/氢为50∶1～1∶20。
(6)将原料气体甲烷(天然气)与辅助气体氢气在混合气柜内进行充分混合，通过原料进气管46，上端盖42流入谐振腔式槽波导微波化学反应设备的石英反应管内.
(7)使反应管内的总气压在1*10-4大气压到20个大气压，但必须使石英反应管内混合气的总气压略低于原料气体甲烷(天然气)与辅助气体氢气的气压。
(8)开启微波电源.根据辅助气体种类，流量比例，总的混合气体压力等因素，调节微波输出功率，少则几十瓦多则几百千瓦，使石英反应管内的混合气体放电，生成微波等离子体.这可以从朗缪尔探针和截止波导了解到放电情况。
(9)根据需要的产物，再微量调节微波输出功率，就可得到所需产物.在冷凝阱中可以收集到液态的所需产物。
经过调整的谐振腔式槽波导微波化学反应设备的选用，微波功率的强，弱，气压的大，小，与甲烷(天然气)相混合的气体的种类，(例如这里选用氢气)，甲烷气(天然气)与氢气的流量的比例等因素是确保从天然气(甲烷)制乙烯达到高单程产率的关键因素。
以下是二个实验例子说明，即使在相同工作气压下，不同的输入功率(连续波)和不同的甲烷与氢气的比例，就会获得不同的产物。说明条件的变化对产物的影响很大。
实例1，从甲烷制乙烯甲烷∶氢气＝(23升/分钟)∶(1.5升/分钟)，工作气压＝1大气压，输入功率＝4.2KW(连续波)反应结果甲烷单程转化率99.58％乙烯单程产率98.53％，乙烯单程选择性98.945％实例2，从甲烷制乙烷甲烷∶氢气＝(23升/分钟)∶(0.7升/分钟)，工作气压＝1大气压，输入功率＝4.0KW(连续波)反应结果甲烷单程转化率96.5％乙烷单程产率96.4％乙烷单程选择性99.9％结论使用我们发明的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，给以不同的工作参数，如输入功率，甲烷与氢气的比例，工作气压等，可获得乙烯，也可获得乙烷。
权利要求
1.一种用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，其特征在于该反应设备由槽波导(1)、模式变换器及耦合孔板(2)、可调短路活塞(3)、化学反应器(4)所组成；其中，以槽波导(1)为主体，在槽波导(1)的左侧设有模式变换器及耦合孔板(2)，在槽波导(1)的右侧设有可调短路活塞(3)，化学反应器(4)横向穿过槽波导(1)。
2.根据权利要求1所述的用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，其特征在于槽波导(1)为圆形槽波导，或椭圆形槽波导，或矩形槽波导，或梯形槽波导，或“V”型槽波导或横截面为任意形状的槽波导，槽波导(1)的微波工作频率范围是0.3GHz到22GHz，槽波导(1)既可以工作在连续波，也可以工作在脉冲波。
3.根据权利要求1或2所述的用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，其特征在于槽波导(1)包括左金属平板(11)、右金属平板(12)、楔形匹配负载(13)、绝缘条(14)、截止波导(15)；左金属平板(11)与右金属平板(12)形状对称，在左金属平板(11)与右金属平板(12)之间的两边分别设有绝缘条(14)，在绝缘条(14)的内侧设有楔形匹配负载(13)，将其二者之间形成一个空间，在槽波导(1)的左金属平板(11)、右金属平板(12)端面的对称中心，沿着平板的长度方向设有一个通孔(16)。
4.根据权利要求1所述的用于以天然气制备乙烯谐振腔式槽波导微波化学反应设备，其特征在于模式变换器及耦合孔板(2)包括第一变换器(21)，法兰(22)，第二变换器(23)，耦合孔板(24)，第一变换器(21)是矩形波导变换到圆波导，第二变换器(23)中包括第二变换器上绝缘条(231)、第二变换器(23)下绝缘条(232)、第二变换器上楔形匹配负载(233)、第二变换器下楔形匹配负载(234)、第二变换器左金属平板(235)，第二变换器右金属平板(236)；其中第二变换器上绝缘条(231)、第二变换器下绝缘条(232)、第二变换器上楔形匹配负载(233)、第二变换器下楔形匹配负载(234)、第二变换器左金属平板(235)、第二变换器右金属平板(236)所组成的外形结构与槽波导相一致，与槽波导(1)相连接的中心通孔(237)为圆台形，在该圆台形的中心通孔(237)的外侧连接有第一变换器(21)，在第一变换器(21)的外端连接有法兰(22)，在法兰(22)上设有耦合孔板(24)。
5.根据权利要求1所述的用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，其特征在于可调短路活塞(3)包括第一短路活塞金属板(31)、第二短路活塞金属板(32)、第三短路活塞金属板(33)、第一圆形绝缘垫圈(34)、第二圆形绝缘垫圈(35)、中空圆管(36)、金属圆棒(37)、套筒(38)、金属平板(39)；其中，第一短路活塞金属板(31)、第二短路活塞金属板(32)、第三短路活塞金属板(33)、第一圆形绝缘垫圈(34)、第二圆形绝缘垫圈(35)相间隔设置，其中心固定在中空圆管(36)的一端，中空圆管(36)的另一端位于套筒(38)中，套筒(38)固定在金属平板(39)的中央，中空圆管(36)的中间为金属圆棒(37)；该可调短路活塞(3)还可制成一块固定短路板。
6.根据权利要求1所述的用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，其特征在于化学反应器(4)包括低损耗材料制成的反应器(41)、上端盖(42)、下端盖(43)、激励器(44)、朗缪尔探针(45)、进气管(46)、出气管(47)；其中，上端盖(42)、进气管(46)、下端盖(43)、出气管(47)分别位于低损耗材料制成的反应器(41)的两端，激励器(44)，位于低损耗材料制成的反应器(41)内的中间，朗缪尔探针(45)位于低损耗材料制成的反应器(41)内并固定在上端盖(42)上。
7.根据权利要求3所述的用于以天然气制备乙烯的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，其特征在于楔形匹配负载(13)，可以是干负载，也可以是水负载。
8.一种如权利要求1所述的用谐振腔式槽波导微波化学反应设备从天然气制备乙烯的方法，其特征在于以天然气制备乙烯的方法为1).采用一个大尺寸的谐振腔式槽波导微波化学反应设备，它的工作频率在0.3GHz到22GHz范围内，微波源可以用连续波也可以用脉冲波，2).使谐振腔式槽波导微波化学反应设备处在谐振状态，使反应器(41)处在真空状态，3).选择氢气作为辅助气体，4).将原料气天然气和辅助气体氢气的压力调整到1-20个大气压，使它们分别通过不同的流量计进入反应器，以测量各种气体的流量，5).选择原料气体天然气与辅助气体氢气流量的比例，即天然气∶氢为50∶1～1∶20，6).将原料气体天然气与辅助气体氢气在混合气柜内进行充分混合，通过原料进气管(46)，上端盖(42)流入谐振腔式槽波导微波化学反应设备的石英反应器(41)内，7).使石英反应器(41)内混合气的总气压在1*10-4大气压到20个大气压，使石英反应器(41)内混合气的总气压略低于原料气体天然气与辅助气体氢气的气压，8).开启微波电源，根据辅助气体种类，流量比例，总的混合气体压力等因素，调节微波输出功率为几十瓦至几百千瓦，使石英反应器(41)内的混合气体放电，生成微波等离子体，可以从朗缪尔探针(44)和截止波导了解到放电情况，9).再微量调节微波输出功率，就可得到所需产物，在冷凝阱中可以收集到液态的所需产物乙烯。
全文摘要
用于以天然气制乙烯的槽波导微波化学反应设备及制备方法是一种用谐振腔式槽波导微波化学反应设备，从天然气制乙烯的方法，该反应设备由槽波导(1)、模式变换器及耦合孔板(2)、可调短路活塞(3)、化学反应器(4)所组成；其中，以槽波导(1)为主体，在槽波导(1)的左侧设有模式变换器及耦合孔板(2)，在槽波导(1)的右侧设有可调短路活塞，化学反应器横向穿过槽波导。经过调整的谐振腔式槽波导微波化学反应设备的选用，微波功率的强、弱、气压的大、小、与甲烷气相混合的气体的种类(例如这里选用氢气)、甲烷(天然气)与辅助气体氢气的流量的比例等因素是确保从甲烷(天然气)制乙烯达到高单程产率的关键因素。
文档编号C07C11/04GK1803740SQ200610037890
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月20日 优先权日2006年1月20日
发明者杨鸿生, 孙德坤 申请人:杨鸿生, 孙德坤