多源内外腔微波加热反应釜、分子筛微波加热合成系统及方法
【技术领域】
[0001]发明涉及一种分子筛微波合成工业化生产系统及其微波加热釜，具体涉及一种多源内外腔分子筛微波加热反应釜、分子筛连续性生产微波合成系统及方法。
【背景技术】
[0002]β沸石分子筛是石油炼化工业的核心催化剂材料，它是以硅氧四面体和铝氧四面体为基本结构单元，通过氧原子形成的氧桥将基本单元连接构成的一类具有笼形或孔道的规则结构的硅铝酸盐晶体。它在加氢、裂化、异构化、烷基化、烯烃水合、脱蜡和光催化等石油炼制和石油化工过程的众多催化反应中表现出优异的催化性能。
[0003]目前，全球石油领域主要沸石分子筛的年销售额约13亿美元，占全球催化剂的18.5%。传统类固相分子筛水浴合成方法存在粘稠度大，受热不均匀，晶化过程时间长，温度高，能耗大，合成成本高等缺陷，阻碍了该产品的推广应用。
[0004]微波能应用技术的发展就是在某些方面要改造传统工业技术，提高设备效率与产品性能。微波类固相法工艺是一种新的技术，与传统的β沸石分子筛水浴合成过程相比，微波类固相法无溶剂，辐射体加热，升温快，对加热介质有选择性，使许多无机、有机反应在微波辐射条件下，能够以超常规的速度完成，转晶率高。合成反应过程中，物料处在微波场下，极性分子高速振动，振动的激烈程度与分子偶极矩相关。偶极矩越大，吸收电磁波的能量愈迅速，分子活性愈加剧，反应物分子的碰撞频率增加，同时温升加快，导致合成反应的机会大大增强。而水浴合成法，热能是由表层逐步送入内层物料，时间长、不均匀、能耗大。微波法克服了温度梯度造成的固体团聚和颗粒不均的缺陷，初期大量成核，诱导期短，获得纯相及大小尺寸相当的完美晶体，提高了转晶速度。另外微波作用在密闭容器中，温度升高，反应釜的压力增大，促进了转晶反应。与传统的水浴合成法相比，微波类固相法工艺属于绿色化工合成技术，优势明显。
[0005]在利用微波技术开展微波合成类固相β沸石分子筛的实验后，初步试验表明微波法合成沸石分子筛的方法在晶化时间、结晶纯度、转晶速度和微观结构等方面均优于传统水浴方法，如转晶时间从60h缩短为1h左右，温度从170°C降至140°C，甚至更低，微波法产出的分子筛样品通过XRD检测后与标准比对，结晶纯度达标。但目前微波加热合成分子筛的研究多局限于微波炉10ml左右的合成反应实验，实用意义小；未见微波中大型设备用于实际生产中。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供一种多微波源内外腔微波加热反应釜及分子筛微波加热合成系统，能够实现对分子筛的密闭连续性工业化生产，且保证反应物料内受热均匀，分子筛结晶纯度高。
[0007]所述的多源内外腔微波加热反应釜包括:内腔体、外腔体和微波源；所述内腔体安装在外腔体内部，作为物料加热釜；所述外腔体为金属材质，内腔体为透波的非金属材质，所述内腔体与外腔体共同形成微波谐振腔；在外腔体的腔壁上设置一个以上波导馈口，用于连接微波功率源。
[0008]在所述波导馈口处设置有陶瓷密封窗。在所述外腔体上设置有进气口，空气压缩栗通过进气口对外腔体充气。
[0009]所述的分子筛微波加热合成系统包括:进料斗、微波加热反应釜、保温结晶反应釜和微波功率源；所述微波加热反应釜包括非金属材质的内腔体和金属材质的外腔体；在所述外腔体的腔壁上设置一个以上波导馈口，用于连接微波功率源。
[0010]该系统的整体连接关系为:所述进料斗固定安装在微波加热反应釜的顶部，进料斗与微波反应釜之间的通道上设置有阀门；所述微波加热反应釜的底部与所述保温结晶反应釜的进料口相连；在所述微波加热反应釜底部出料口与其和保温反应釜连接部位之间、保温结晶反应釜顶部进料口与其和微波加热反应釜连接部位之间均设置有阀门。
[0011]为维持结晶过程所需的温度恒定，在所述保温结晶反应釜的腔壁上设置有保温层和电伴热装置。
[0012]作为该分子筛微波加热合成系统的一种优选方式，该分子筛微波加热合成系统进一步包括控制单元和监测单元，所述监测单元包括设置在所述微波加热反应釜、保温结晶反应釜内的温度传感器；所述阀门均为电动阀门，所述进料斗为自动进料斗，所述电动阀门、自动进料斗和微波功率源受控于所述控制单元。
[0013]作为该分子筛微波加热合成系统的一种优选方式，将单个所述分子筛微波加热合成系统作为一个单元模块，两个以上单元模块通过一个控制单元控制。
[0014]作为该分子筛微波加热合成系统的一种优选方式，所述微波加热反应爸中，外腔体内部设置两个以上内腔体，每个内腔体都有独立的与之配合进料斗和保温结晶反应釜。
[0015]采用该分子筛微波加热合成系统进行分子筛微波加热合成过程为:初始时，微波加热反应釜进料口处的阀门、微波加热反应釜出料口处的阀门以及保温结晶反应釜进料口处的阀门均处于关闭状态；
[0016]步骤一:打开微波加热反应釜进料口出的阀门，向微波加热反应釜的反应腔内装填分子筛合成原料，装填完成后，关闭微波加热反应釜进料口出的阀门；通过微波功率源微波将反应腔内的分子筛合成原料加热至设定温度；
[0017]步骤二:打开微波加热反应釜出料口处的阀门和保温结晶反应釜进料口处的阀门，使反应腔内加热后的高温分子筛合成原料落入保温反应釜内；
[0018]步骤三:当反应腔内的分子筛合成原料全部落入保温结晶反应釜后，关闭微波反应釜出料口处的阀门和保温反应釜进料口处的阀门，返回至步骤一；直至保温结晶反应釜内加热后的高温分子筛合成原料达到设定容量后，更换保温结晶反应釜。
[0019]有益效果:
[0020](I)微波加热反应釜采用多源内外腔结构，多个微波源可实现多种模式互补和矢量叠加，形成相对均匀的功率分布强度，有利于实现微波加热反应釜内均匀场加热，从而解决反应腔体内部受热均匀性的工程化难题；同时内外腔结构保证了多模谐振腔功率密度高的优势。
[0021](2)整个微波加热合成分子筛系统采用“小釜加热，大釜保温结晶”的生产方式，通过进料斗与微波加热釜、微波加热釜与保温反应釜之间的阀门交替启闭，实现密闭连续性生产，提高生产效率，降低能耗与污染。
[0022](3)多微波源正交优化放置，能够降低微波腔中谐波的相干性，提高合成效率。
[0023](4)该系统可作为一个单元模块组成生产阵列，通过集中控制实现量产，以满足工业化生产的要求。
【附图说明】
[0024]图1为实施例1中该沸石分子筛微波合成系统的结构示意图；
[0025]图2为实施例2中微波加热反应釜的俯视图；
[0026]图3为实施例3中微波加热反应釜的俯视图；
[0027]图4为多个沸石分子筛微波合成系统形成生产阵列的结构示意图；
[0028]图5为多个微波加热反应釜共用外腔体的布局示意图；
[0029]图6为该分子筛微波加热合成系统的功能模块框图。
[0030]其中，1-进料斗，2-外腔体，3-内腔体、4-波导馈口、5-电动压力蝶阀、6_保温结晶反应釜、7-空气压缩栗
【具体实施方式】
[0031 ] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0032]本实施例提供一种用于对β沸石分子筛进行微波加热合成的系统，采用多微波源辐射小加热釜模式，有利于实现物料均匀受热，满足微波法连续合成生产分子筛的工艺要求。
[0033]实施例1:
[0034]该分子筛微波合成系统的结构如图1所示，包括:进料斗1、微波加热反应釜、微波功率源、控制单元、保温结晶反应釜6和多个电动压力蝶阀5。所述进料斗I为自动进料斗。
[0035]其中微波加热反应釜是完成微波能量与介质(分子筛合成原料)相互耦合的核心部件，所述微波加热反应釜采用内外腔结构，外腔体2为空心的金属矩形结构，腔壁材料可选用添加(2?3% )Μο的不锈钢316L，该材料具有耐酸碱腐蚀性能，耐大气腐蚀性和高温强度好的特点，而且腔壁损耗较小。外腔体2内部固定内腔体3，所述内腔体3为空心的陶瓷圆柱体，内腔体3采用电子陶瓷，热损耗低，内腔体3内装填分子筛合成原料。外腔体2与内腔体3共同形成微波腔，通过微波腔内的微波功率场加热内腔体3内的分子筛合成原料。该种结构形式的微波加热反应釜功率密度相对高，且能承压、耐高温等；内腔壁能量损耗小，将微波能量高效耦合至待加热物料。
[0036]为使微波场均匀化分布，实现均匀加热的目的，采用多端口馈能，图1中设定四个微波功率源，由此在所述金属矩形腔的四个侧面上分别设置有用于连接微波功率源的波导馈口，馈口采用标准波导，四个微波源正交放置。多个微波源激励时，利用其空间分布的位置不同，实现模式互补，矢量叠加，达到均匀加热目的。为防止微波腔内波导打火，并对内腔体3起到加固作用，在波导馈口处设置陶瓷密封窗，以便于微波腔内充压缩空气，在外腔体2上设置进气口与压力球阀，空气压缩栗通过进气管对微波腔进行充气。
[0037]所述保温结晶反应釜用于加热后的分子筛合成原料的结晶，保温反应釜的腔壁上设置有保温层和电伴热装置，以维持大釜结晶的过程所需的温度恒定。
[0038]该系统的整体连接关系如图1所示:所述进料斗I通过支座固定安装在微波加热反应釜的顶部，用于向微波加热反应釜内添加分子筛合成原料，进料斗I与微波加热反应釜之间的通道为进