采用rf能量升华或裂解烃类的设备的制作方法
【专利摘要】以谐振频率供应至反应室的高功率RF能量用于打断烃物质的共价键，而不用加热。RF信号发生器可通过四端口耦合器向谐振环供应RF能量。可调整通过谐振环的RF能量的相位，以获得整数倍的谐振波长。调整波长和强度以升华或裂解烃物质以产生有用的气体产品。
【专利说明】采用RF能量升华或裂解烃类的设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及升华和裂解烃类。尤其是，本发明涉及使用被环形谐振腔放大的射频(RF)能量升华和热解烃类。
【背景技术】
[0002]随着世界标准原油储量逐渐衰竭，对石油的持续需求导致油价上涨，已尝试使用日益增加的各种方式来处理各种形式的烃类。例如，已尝试用水蒸气、微波能量和RF能量加热地下含重油的地层。然而，这些尝试通常效率低或代价高。
[0003]升华或裂解诸如煤和页岩油的物质能产生有价值的产品，诸如天然气。升华本质上就是使物质从固相到其气相而不存在中间液相。另一方面，裂解涉及通过加热使氢键断裂从而使有机物质发生化学分解。这样的工艺可从升华或裂解的物质获得天然气而具有低的绿室气体排放。然而，现有技术中，升华或裂解诸如煤或页岩油这些物质所需要的能量比产生的能量更大。
[0004]裂解区别于其它工艺(燃烧和水解)，因为反应不涉及氧或水。有机物质的裂解一般会产生气体和液体产品并留下富碳固体残渣。在许多工业应用中，该工艺在压力和高于430°C的操作温度下操作。由于热解是吸热的，现有技术存在的问题是生物量物质不能接受足够的热量进行有效裂解且产品的质量较差。对于这种情况，使用启动反应提高用于烃物质的热量变得比较迫切。
[0005]当各种烃类的有机化学结构老化时，芳香度(定义为芳香碳与总碳的比)提高。这些芳香结构是加热工艺中预定断裂的碳链。为了生产天然气，这些大的复杂结构在反应中断裂，从而提高物质中有机部分的溶解度。一些这样的反应是(但不限于)裂化、烷基化、加氢和解聚。`
[0006]基于Cornell论文(Veshchrevich)所做的研究,谐振环能通过稱合输入处的波而放大RF功率。为了获得功率放大效应，环应放在试验频率的谐振状态。为了成功达到这种状态，环的长度必须等于耦合波的波导波长的整数值。波耦合通过环并且定向耦合器在环中产生功率增益。RF测试部件必须是谐振环的一部分。为了设立谐振环，需要两个类似设计的耦合器，并在两个耦合器之间设置耦合设备。两个耦合器间的耦合设备应使用具有强耦合的空腔，在此篇论文中是球形铜空腔。谐振环的其它部分由矩形波导构成。空腔提供宽带宽，对缝隙上的空腔频率有很强的依赖性。使用的ERL耦合器具有很宽的调谐范围以定位天线，从而使得调整天线很容易。
【发明内容】
[0007]本发明的采用RF能量升华或裂解煤、页岩油和其它烃类的设备包括谐振环，该谐振环包括相位调整器和反应室，反应室具有谐振空腔。此设备还包括具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口的耦合器。射频信号发生器在第一端口处与耦合器相连，并用以向谐振环供提供电力，仿真载荷在第四端口处与耦合器相连。在操作中，RF信号发生器产生的电流在第三端口处进入谐振环，行经反应室和相位调整器，并且在第二端口处离开谐振环。
[0008]本发明的其它方面从此公开是显然的。
【专利附图】
【附图说明】[0009]图1描述了本方法用RF能量升华/裂解的一个实施方案。
[0010]图2描述了与本方法图1中用RF能量升华/裂解相关的反应室。
[0011]图3描述了图1所述实施方案中环功率增益随环衰减的变化。
[0012]图4描述了图1所述实施方案中环功率增益随耦合因子的变化。
[0013]图5描述了图1所述实施方案中环衰减随耦合因子的变化。
【具体实施方式】
[0014]现在对本发明的技术方案进行更全面的描述，对本发明的一个或多个实施方案进行说明。本发明可用许多不同的方式进行具体说明，然而，不应将本发明限制在本文所述的实施方案中。当然，这些实施方案是本发明的实例，其全面的保护范围通过权利要求书的文
子表不O
[0015]图1描述了本发明设备10的一个实施方案，该设备用RF能量升华/裂解煤、页岩油和其它烃类。RF信号发生器12通过四端口耦合器14向谐振环32供应电力。为了本发明的目的，非特定功率范围的传输器用于向谐振环供应电力。RF信号发生器12在第一端口16处与四端口耦合器14相连。RF信号发生器12产生的电流26在第三端口 20处进入谐振环32并行经反应室34和相位调整器36，并且在第二端口 18处返回到四端口耦合器14。所有或一部分电流加上来自RF信号发生器12产生的电流26形成电流30，然后重复绕谐振环32的电路。功率表38可与介于第三端口 20和反应室34之间的谐振环32连接。
[0016]谐振空腔提供灵活的裂解/升华反应室，用于评估给定加热范围内最优的RF频率与RF功率以及第二偏置源(波长和强度)的关系。反应室34 (参见图2)的谐振空腔52中产生的RF排放等离子体产生可测量的气体产品。谐振环32会支持连续燃烧生产并能如下面所述进行调整。
[0017]谐振环32和相位调整器36的结构用于调整谐振环32的频率至反应室34的谐振频率以优化反应室34中的升华/裂解反应。相位调整器36可以调整流经谐振环32的电流30相位以获得整倍数的谐振波长。反应室34内的RF能量用于打断置于反应室34中烃分子的共价键，而不用加热。结果，反应室内的温度对升华和/或裂解来说是最优的。通过使RF信号发生器12与谐振环14构造同步，可获得高功率。在有助于本发明升华/裂解工艺中氢生产和脱除硫或使天然气生产最大化方面，调整是有帮助的。调整能提供升华所需的最优的较低温度和最小的能量消耗。
[0018]仿真载荷24是无源器件，其在第四端口 22处连接至四端口耦合器14。仿真载荷24用于吸收和消散升华/裂解工艺不用的能量。因此不是所有在第二端口 18处进入四端口耦合器14的电流都与来自信号发生器12的电流26混合作为可被转移至仿真载荷24的一些电流。优选地，从功效考虑，适当地调整四端口耦合器的大小以消散少量能量。
[0019]图2提供近距离观看反应室34，其脱离谐振环32单独显示。RF能量在第一连接部44处进入反应室34，在第二连接部46处离开。反应室34通过介电压力端口 40和42与谐振环32构造耦合。介电压力端口 40和42是RF能量可透过的窗口，但对于置于反应室34中升华/裂解的物质来说，介电压力端口 40和42使反应室34的谐振空腔52与谐振环隔离。反应室的结构不是特定的物质，可由一种或多种适合的物质组成。
[0020]RF能量用于打断进入反应室34的谐振空腔52中的烃类的共价键，并释放气体产品，气体产品在气体出口 50处离开反应室34。气相色谱仪(未示出)可在气体出口 50处或附近与气流相连以监控离开反应室34的气流成分并使工艺的调整更容易。压力和温度测量装置48与谐振空腔52功能接触。
[0021]可根据下式预测环绕谐振环32的等同组分波:
[0022]
【权利要求】
1.一种采用射频能量升华或裂解煤、页岩油和其它烃类的设备，所述设备包括: 谐振环，该谐振环包括相位调整器和反应室，该反应室具有谐振空腔； 耦合器，该耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述耦合器的第三端口与所述谐振环耦合； 电源，所述电源在所述第一端口处与所述耦合器连接并配置成向所述谐振环供应射频能量；以及 仿真载荷，所述仿真载荷在所述第四端口处与所述耦合器连接； 其中，所述电源产生的电流在所述第三端口处进入所述谐振环，行经所述反应室和所述相位调整器，并在所述第二端口处离开所述谐振环。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电源包括射频信号发生器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述谐振环进一步包括功率表。
4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括将所述反应室耦合至所述谐振环的介电压力端口。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反应室还包括气体端口。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，配置气相色谱仪，以监测离开所述反应室的气体端口的气流的成分。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反应室还包括配置成测量所述谐振空腔内的压力和温度的压力测量装置和温度测量装置。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述相位调整器配置成用于调整射频能量的波长，从而获得整数倍的谐振波长。
【文档编号】C10G1/00GK103764795SQ201280029436
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年6月11日 优先权日:2011年6月15日
【发明者】V·埃尔南德斯, L·帕通 申请人:哈里公司