RO116514B1 - Instalatie de tratament in camp de microunde - Google Patents

Abstract

Instalatia de tratament in camp de microunde cu control de mod este destinata studiilor pentru elaborarea tehnologiilor de tratament si tratamentelor pe volume mici de probe (maximum 500 ml). Domeniul vizat (neexclusiv) se refera la tratamente de sinteza si disociere chimica, extractii biologice, geologice sau de alta natura, precum si la tratamente de uscare sau concentrare de solutii. Caracteristica instalatiei o constituie excitarea de aceeasi sursa de microunde (1) a doua cavitati de tratament (4, 5), prin intermediul a doua fante reglabile (6a, 6b), comandate. Cele doua cavitati au moduri de rezonanta (distributie de putere) specifice, una coaxiala (5) cu un mod central [1, 0, 1] (23a), iar cealalta multimodala (4) pe mod maxim [3, 1, 3] (23b). Controlul fantelor de cuplare realizeaza o combinatie de tratament intr-o singura incinta sau in cascada in ambele incinte. Avantajul este dat de distributia cunoscuta (unimodala) de microunde, masurarea temperaturii, a presiunii si compararea cu tratamentul in cavitate multimodala.

Description

Instalația de tratament în câmp de microunde, cu control de mod, este destinată studiilor pentru elaborarea tehnologiilor de tratament și tratamentelor pe volume mici de probe (maximum 5OO ml). Domeniul vizat (neexclusiv) se referă la tratamente de sinteză și disociere chimică, extracții biologice, geologice sau de altă natură precum și tratamente de uscare sau concentrare de soluții.

Tratamentul în câmp de microunde este o alternativă de tratament cu aplicații multiple. Soluțiile abordate pentru tratamentul în câmp de microunde utilizează cavități multimodale în geometrii cilindrice sau rectangulare, destinate îndeosebi pentru tratamentul unui volum mare de material.

Caracteristica instalației o constituie excitarea din aceeași sursă de microunde a două cavități de tratament, prin intermediul a două fante reglabile comandate. Cele două cavități au moduri de rezonanță (distribuție de putere) specifice, una coaxială cu un mod central transversal electromagnetic TEM (1,0,1) în coordonate cilindrice, iar cealaltă multimodală pe mod electric sau magnetic de indici maximi (3, 1, 3), în coordonate carteziene. Viteza de tratament în câmp de microunde este ridicată, dacă materialul procesat se află în maxim de distribuție de putere de microunde. Distribuția de putere depinde de caracteristicile dielectrice ale materialului. Deoarece procesul de tratament este dinamic, proprietățile dielectrice ale materialelor procesate modificându-se cu temperatura, rezultă că distribuția de putere de microunde se modifică, în timpul procesului de tratament. Pentru cavitățile de tratament multimodale inconvenientul este remediat prin omogenizarea mecanică a câmpului. Cavitățile unimodale prezintă avantajul distribuției, într-un singur mod, a întregii puteri de microunde, iar cavitatea coaxială prezintă și avantajul localizării modului în axa de simetrie a cavității.

în aplicația prezentată, controlul selectiv al fantelor de cuplare realizează o combinație de tratament într-o singură incintă sau în cascadă, în ambele incinte. Avantajul este acela că oferă o distribuție cunoscută unimodală de câmp de microunde (coaxială), posibilitatea de măsurare a temperaturii și presiunii și posibilitatea de comparare cu tratamentul în cavitate multimodală cu utilizarea unui sistem omogenizator de câmp.

Se dau, în continuare, două exemple de realizare a invenției, în legătură cu fig.

1...3, care reprezintă:

- fig. 1, ansamblul de tratament;

- fig.2, ansamblul de tratament, în configurația de tratament 'în cascadă;

- fig.3, distribuția de densitate de putere de microunde, în cele două cavități.

în fig. 1, este prezentat ansamblul de tratament. Radiația de microunde generată de un magnetron 1 este distribuită de ghidul de undă 2 în cavitatea multimodală 4 pe mod maxim (3, 1, 3) și de ghidul 3 de excitare a cavității coaxiale 5 pe mod (1,0, 1). Distribuția de putere de microunde pe cele două căi este adaptată de fantele reglabile 6a, 6b. Adaptarea cavității coaxiale 5 la ghidul 3 se realizează din scurtcircuitul reglabil 8. Cavitatea coaxială 5 are un perete metalic exterior 11 prevăzut cu un capac demontabil 12. în interior se află un vas de teflon 10. Cuplajul cu ghidul de undă se realizează prin trecerea dielectrică 9 și miezul axial 17. Miezul axial are o deschidere spre exterior în care este introdus senzorul de măsură 15. Scurtcircuitul cavității coaxiale este realizat cu o garnitură conductoare exterioară 13 și o contrapiuliță 14. Piesa 7 este un dop conductor care este înlocuit în cazul tratamentelor în cascadă cu

RO 116514 Bl o piesă de trecere 7a (fig.2) în capacul cavității coaxiale, este prevăzută o trecere 16 pentru măsurarea presiunii sau introducerea probelor. Cavitatea multimodală 4 are un sistem de omogenizare de câmp de microunde, compus dintr-un platan rotitor 18 neomogen dielectric și un motor de antrenare 19.

în fig.2, este prezentat ansamblul instalației de tratament în configurația de 50 tratament 'în cascadă. Caracteristica acestui mod de tratament este dată de trecerea probelor fluide din cavitatea unimodală coaxială 5 în cavitatea multimodală 4. Piesa 7a este, în acest caz, o piesă de trecere, iar vasul de teflon 10a este pevăzut la bază cu conducte de trecere 20. în incinta multimodală se află vasul de tratament 21. Introducerea lichidului în acest mod de lucru se realizează prin orificiul 16, iar colectarea 55 lui prin trecerea axială 22 din platanul rotitor.

în fig. 3, este prezentată distribuția de densitate de putere de microunde în cele două cavități. Distribuția este realizată cu un traductor termografic.

în cavitatea coaxială traductorul 23a este amplasat în planul diametral al cavității. Imaginile obținute A, B, C, D se referă la următoarele situații: cavitatea coaxială 5 fără 6o vasul de teflon 10, respectiv imaginea A; cavitatea coaxială 5 cu vasul de teflon 10 (fig. 1 ] imaginea este obținută în interiorul vasului de teflon B; vasul de teflon 10 plin cu apă distilată, imaginea este obținută în interiorul vasului de teflon cu lichid C; vasul de teflon 10 parțial umplut cu apă distilată - imaginea este obținută în interiorul vasului de teflon cu lichid D. Se observă caracterul unimodal și modificarea distribuției în funcție de 65 modificarea substanței din interiorul cavității.

în cavitatea multimodală 4 detectorul termografic 23b este amplasat într-un plan transversal, situat deasupra fantei de excitare 6b. Imaginea obținută 23b arată că distribuția de densitate de putere este neomogen distribuită în nouă zone, corespunzătoare unei distribuții de tip (3, 1, 3), respectiv pe direcțiiile ΟΧ, ΟΥ, OZ. Zona 70 de distribuție pe direcția fantei de excitare are cea mai mare suprafață. Omogenizatorul de câmp 18, 19 nu a fost utilizat la realizarea acestei distribuții 23b de densitate de putere, iar cavitatea a fost fără vas 21 sau probă.

Instalația de tratament în câmp de microunde cu control de mod, prezentă în fig. 1 și 2, oferă posibilitatea efectuării de tratament în câmp de microunde de putere în trei 75 configurații dinstincte: tratament unimodal în cavitate coaxială 5, tratament multimodal în cavitate multimodală 4 cu omogenizator de câmp 18 și tratament în cascadă cu utilizarea ambelor cavități 4, 5. Această instalație de tratament este dedicată studiilor pentru elaborarea tehnologiilor de tratament și tratamentelor pe volume mici de probe (max. 500 ml). 8o

Tratamentul în câmp de microunde se bazează pe absorbția selectivă a energiei microundelor în substanță. Puterea de microunde absorbită de substanță P_a depinde atât de proprietățile dielectrice ale constituenților substanței (definite de permitivitatea dielectrică relativă e_r) cât și de geometria probei și amplasarea ei în incinta de microunde. Cazul cel mai complex este cel al unui amestec neomogen de n=1,2,...i... 85 constituienți foarte diferiți din punctul de vedere al proprietăților dielectrice.

(1)

RO 116514 Bl

Relația (1) prezintă pentru acest caz dependenta putem de microunde absorbite în substanță P_a în funcție de mărimile caracteristice:

permitivitatea dielectrică relativă a fiecărui constituent ε'_Γ (parte reală Re [e'_r] și imaginară Im [e'_r]].

- factorul de formă F,, dependent de geometria constituentului și proprietățile dielectrice,

- coeficientul de cuplaj K, al ficărui constituent al probei cu incinta de microunde care este o cavitate rezonanta.

Termenul P_o (x, y, z) reprezintă puterea incindentă iar dependența de coordonatele x, y, z în incinta de tratament arată că puterea de microunde are o distribuție caracteristică modului de rezonanță. Tratamentul este optim dacă proba se află în maximul distribuției de putere. Acest deziderat se realizează în aplicația de față prin două procedee: alegerea unui mod de rezonanță a cărui distribuție de putere să cuprindă întreg volumul de probă (distribuție unimodală) sau realizarea unei modificări continue a unei distribuții multimodale de putere prin omogenizare mecanică, metodă ce depinde de gradul de neomogenitate al probei.

Tratamentul în distribuție unimodală de microunde prezintă avantajul transferului maxim de energie în probă ceea ce conduce la viteză ridicată de procesare a materialului.

Dezavantajul metodei constă în volumul maxim de probă ce poate fi tratat, volum comparabil cu (Âg/4)³; Âg este lungimea de undă în incinta de tratament. Se recomandă pentru probe omogene. în figura 3 este prezentată distribuția densității de putere de microunde 23a în cavitatea coaxială în patru situații: cavitatea coaxială fără probă A, cavitatea coaxială cu un vas de teflon fără probă B, vasul de teflon umplut parțial D și complet C cu apă distilată. Se observă că prezența probei modifică distribuția de putere de microunde.

Cavitatea multimodală cu omogenizator de câmp permite tratamentul unui volum mare de probă. Se pretează pentru tratamente cu viteză redusă de variație a temperaturii.

De asemenea, probele pot prezenta neomogenități mari în constanta dielectrică. în fig. 3, este prezentată distribuția de putere de microunde 23b în cavitatea multimodală, fără probă și fără utilizarea omogenizatorului de câmp, într-o secțiune transversală superioară fantei de excitație. Se observă caracterul neomogen al distribuției, caracteristic modului (3, 1, 3) și distribuția preferențială a densității de putere în zona de excitație a cavității (arie mai mare a zonei de distribuție).

Tratamentul în cascadă permite combinarea avantajelor celor două metode și poate fi utilizat în reacții de sinteză bicomponente: un produs este procesat rapid în cavitatea unimodală, iar omogenizarea cu restul reactivului se realizează în cavitatea multimodală într-o procesare mai lentă.

Pentru procesare numai în cavitatea unimodală coaxială, fanta 6b (fig. 1 ] este complet închisă, iar fanta 6a (fig. 1) complet deschisă. Scurtcircuitul reglabil 8 este amplasat la Âg/4 de miezul axial 17, iar piesa 7 este un capac conductor. în acest caz Âg=178 mm. în miezul axial 17 se introduce un senzor de temperatură 15 (termocuplu, termistor sau joncțiune semiconductoare), care măsoară o temperatură de conducție proporțională cu temperatura materialului. în trecerea 16 poate fi montat un manometru

RO 116514 Bl

140 pentru monitorizarea presiunii în timpul tratamentului Controlul puterii de microunde transmise în probă se poate realiza din alimentarea generatorului de microunde 1, din deschiderea fantei 6a sau din scurtcircuitul reglabil 8. Modificarea pozițiilor inițiale pentru fantă 6a și scurtcircuit reglabil 8 determină scăderea puterii transmise.

Pentru procesarea probelor numai în cavitatea multimodală, fanta 6a este complet închisă, iar fanta 6b este complet deschisă. Piesa 7 este un dop conductor. Dacă proba este neomogenă (amestec solid-lichid, solid în bucăți de volume diferite] rotirea vasului cu proba 21, prin sistemul platan 18 motor de antrenare 19, realizează omogenizarea distribuției de densitate de putere de microunde. Pentru probe omogene (soluții lichide) omogenizarea poate fi realizată prin amplasarea probelor pe platanul rotitor 18 în mai multe vase (patru...opt), eventual de geometrii diferite sau într-un singur vas, dar în acest caz platanul 18 trebuie să conțină în structură neomogenități dielectrice.

Pentru tratamentul în cascadă (fig.2) cavitatea coaxială comunică cu cavitatea multimodală prin piesa de trecere 7a. Vasul de teflon 10a al cavității coaxiale este prevăzut cu canale de trecere 20. Aceste canale comunică cu vasul 21 aflat în cavitatea mltimodală. Introducerea probei (lichid, solid granular sau amestec] se face prin trecerea 16 a cavității coaxiale, iar colectarea probei se realizează prin trecerea 22 din axul plantanului rotitor. Pentru acest tip de tratament ambele fante 6a, 6b sunt deschise la maxim iar poziția scurtcircuitului 8 reglabil este la (1.1...1.3)Ag/4.

Revendicări

Claims (3)

1. Instalație de tratament în câmp de microunde, caracterizată prin aceea că, pentru a se asigura un control de mod, este alcătuită din două incinte de tratament excitate de un același generator de microunde (1), una dintre incinte fiind de tip multimod (4), în care radiația de microunde este distribuită de un ghid de undă (2), incinta multimod (4) fiind prevăzută cu un dop conductor (7), și un sistem de omogenizare a câmpului de microunde compus dintr-un platan rotitor (18), neomogen dielectric și un motor de antrenare (19). iar a doua incintă fiind de tip unimodal (5) în care radiația de microunde este distribuită printr-un ghid de undă de excitare (3), adaptat la cavitatea unimodală (5) printr-un scurtcircuit reglabil (8), incinta unimodală (5) fiind prevăzută cu un perete metalic exterior (11) și un capac demontabil (12), traversat de o trecere (16) pentru introducerea probelor și care poate servi și pentru măsurarea presiunii, în interiorul incintei (5) fiind plasat un vas de teflon (10), iar cuplajul peretelui (11) cu ghidul de excitație (3) realizându-se printr-o trecere dielectrică (9) și un miez axial (17), acesta din urmă având o deschidere spre exterior în care este introdus un senzor de măsură (15), scurtcircuitul incintei unimodale (5) fiind realizat cu o garnitură conductoare exterioară (13) și o contrapiuliță (14), iar modul de operare al instalației folosind cele două cavități independent și modul de operare folosind cele două cavități simultan sunt realizate cu ajutorul unor fante reglabile (6a, 6b), comandate independent.

145

150

155

160

165

170

175

RO 116514 Bl

2. Instalație conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, în cazul când cele două incinte funcționează în cascadă, dopul conductor (7) este înlocuit cu o piesă

180 de trecere (7a), iar un vas de teflon (10a) din incinta unimodală (5) este prevăzut, la bază, cu niște conducte de trecere (20), care asigură comunicarea cu un vas de tratament (21) din incinta multimodală (4), vas prevăzut în partea inferioară cu o trecere axială (22) în platanul rotitor (18).

3. Instalație conform revendicărilor 1 și 2, caracterizată prin aceea că incinta 185 unimodală (5) este de tip coaxial pe mod transversal electromagnetic TEM (1,0,1) în coordonate cilindrice, iar incinta multimodală (4) este pe mod maxim (3,1,3) în coordonate carteziene.