微波化学处理制造技术

方法和系统包括通过波导供给脉冲微波辐射，其中所述微波辐射在沿着波导的方向上传播。波导内的压力为至少0.1个大气压。在沿着波导的长度的第一位置处提供供给气体，大部分供给气体在微波辐射传播的方向上流动。在供给气体中产生等离子体，并且在自第一位置下游的第二位置处将处理气体添加到波导当中。大部分处理气体以大于5slm的速率在微波传播的方向上流动。通过控制脉冲微波辐射的脉冲频率和脉冲微波辐射的占空比中的至少一者来控制等离子体的平均能量，以将处理气体转化成分离的组分。分。分。

Microwave chemical treatment

【技术实现步骤摘要】
微波化学处理
[0001]本申请是申请号为201780074839.1、申请日为2017年10月23日、专利技术名称为“微波化学处理”的专利技术专利申请的分案申请。
[0002]相关申请
[0003]本申请要求2016年11月15日提交且标题为“Microwave Chemical Processing”的第15/351,858号美国非临时专利申请的优先权，该申请以全文引用的方式并入本文。


[0004]本专利技术涉及一种气体处理方法和一种气体处理系统。

技术介绍

[0005]在气体的工业化学处理中使用微波等离子体。这通常是通过如下方式实现的，即，使要反应的气体流过细长的容器，同时将微波辐射耦合到容器当中以产生等离子体。等离子体将气体分子裂解成组成物质。微波化学处理系统是有效的，因为微波等离子体在低离子能量下以相对高的功率耦合效率工作，并且能够支持各种气体反应，如甲烷转化成氢和碳颗粒，二氧化碳转化成氧和碳，以及用其它层涂覆颗粒及其它籽晶材料以进行官能化，和复杂层状材料及聚集体处理。
[0006]用于化学气体处理的典型系统包括处理气体流过的石英反应室和通过波导与反应室耦合的微波磁控管源。输入微波辐射可以是连续波或者是脉冲的。设计系统以控制微波辐射有效耦合到反应室当中，并且控制反应室内的气流，以提高流动气体的能量吸收。通常系统包括位于微波波导与石英反应室相交处的楔形物，以将电场集中于小区域内，并且波导导电壁不暴露于要处理的气体。
[0007]化学处理的一个实例是微波处理甲烷以产生氢。甲烷可以被等离子体裂解成CH
X
自由基和H
‑
原子。当以连续模式运行这类系统时，H
‑
原子密度主要由直接与微波功率密度有关的气体温度控制，并且在一些情况下由扩散过程控制。CH
X
自由基密度同样也由气体温度和H
‑
原子浓度控制。或者，当以脉冲模式运行这类系统时，H
‑
原子和CH
X
自由基的产生由脉冲内功率密度及其相关的较高等离子体动能控制，所述等离子体动能控制气体温度和热解离。通常，在等离子体关闭的时间期间，H
‑
原子复合并且被消耗掉。采用短占空比(duty cycle)来增加脉冲内功率以获得恒定时间平均功率，并采用短关闭等离子体时间来限制H
‑
原子复合。因此，脉冲系统比连续波系统更有效地(即，使用更低的时间平均输入功率)将甲烷裂解成氢及其它烃自由基。

技术实现思路

[0008]在本专利技术实施方案的方法中，通过具有一定长度的波导供给脉冲微波辐射，其中微波辐射在沿着波导的方向上传播。波导内的压力为至少0.1个大气压。在沿着波导的长度的第一位置处将供给气体提供到波导当中，其中大部分供给气体在微波辐射传播的方向上流动。在波导的至少一部分长度上的供给气体中产生等离子体，并且在自第一位置下游的
第二位置处将处理气体添加到波导当中。大部分处理气体以大于5slm的速率在微波传播的方向上流动。通过控制以下中的至少一者来控制等离子体的平均能量，以将处理气体转化成分离的组分：i)脉冲微波辐射的脉冲频率，其中脉冲频率大于500Hz；和ii)脉冲微波辐射的占空比，其中占空比小于90％。
[0009]在本专利技术实施方案的气体处理系统中，所述系统包括波导，所述波导具有第一气体入口、第一气体入口下游的第二气体入口和一定的长度。第一入口被配置成接收供给气体，且第二入口被配置成接收处理气体。脉冲微波辐射源与波导耦合以在供给气体中产生等离子体，其中微波辐射在沿着波导的长度方向上传播以与处理气体反应。微波辐射源被配置成以500Hz至1000kHz的频率和小于90％的占空比开启和关闭脉冲微波辐射。大部分供给气体流和大部分处理气体流平行于微波传播的方向。处理气体的流量大于5slm，且波导被配置成适应至少0.1个大气压的压力。
附图说明
[0010]图1是常规微波化学处理系统的垂直截面图。
[0011]图2是根据本公开的一些实施方案的微波气体处理系统的垂直截面图。
[0012]图3是根据本公开的进一步实施方案的微波气体处理系统的垂直截面图。
[0013]图4是根据本公开的实施方案在反应室内等离子体温度的时间变化的曲线图。
[0014]图5是在反应室内等离子体温度的时间变化的曲线图，其中脉冲周期短于图4的脉冲周期。
[0015]图6是根据本公开的实施方案具有前驱气体输入的微波气体处理系统的垂直截面图。
[0016]图7是根据本公开的实施方案具有长丝(filament)的微波气体处理系统的垂直截面图。
[0017]图8是根据本公开的实施方案的微波气体处理系统的垂直截面图，其中描绘了电子源和电极。
[0018]图9是根据本公开的实施方案的气体微波处理方法的示例流程图。
具体实施方式
[0019]现在将参考所公开的专利技术的实施方案，其一个或多个实施例在附图中示出。每个实施例是当作对本专利技术技术的解释提供的，不作为对本专利技术技术的限制。实际上，本领域技术人员将显而易见的是，在不偏离本专利技术技术的范围的情况下，可以对其进行修改和变动。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可与另一实施方案一起使用以产生更进一步的实施方案。因此，本专利技术主题旨在涵盖所附权利要求及其等同方案范围内的所有这类修改和变动。
[0020]本公开涉及烃气体的微波等离子体化学处理。更具体地，本公开涉及采用各种技术的烃气体的微波等离子体化学处理，包括采用微波辐射的脉冲以控制等离子体的能量。控制等离子体能量的能力使得能够在烃气体向特定的分离组分转化中选择一种或多种反应途径。脉冲微波辐射可用于控制等离子体的能量，因为在等离子体点燃时产生的短寿命高能量物质可在每个新脉冲开始时重新产生。等离子体能量被控制成具有比常规技术更低
的平均离子能量，但处于足够高的水平，以使得在高气体流量和高压力下能够发生目标化学反应。
[0021]已经开发了使用脉冲微波辐射的微波等离子体化学处理系统，其控制等离子体的能量，并具有超过90％的非常高的裂解效率。然而，这些常规系统采用每分钟1标准升(slm)以下的低流速，并且等离子体内的气体体积小，其结果是生产率低且生产成本高。这些常规系统在采用高频微波脉冲(例如，高于大约100Hz)时不能增加气体流速和等离子体内的气体体积，因为当采用气体的大体积和高流量时，等离子体不能足够快地点燃以跟上脉冲。
[0022]微波气体处理系统
[0023]在本公开中，微波等离子体可在供给气体和/或处理气体中产生，并且等离子体中的能量足以由处理气体分子形成分离的组分。在一些实施方案中，微波辐射源与反应室耦合，等离子体沿着反应室长度的第一部分产生，且处理气体沿着反应室长度的第二部分分离成组分。在一些实施方案中，微波辐射直接耦合到等离子体当中，而不是如在常规方法中那样通过电介质壁耦合。
[0024]图1示出了常规的微波化学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体处理系统，包括：波导，其具有第一气体入口、在所述第一气体入口下游的第二气体入口和一定的长度，其中所述第一气体入口被配置成接收供给气体流，且所述第二气体入口被配置成接收处理气体流；和脉冲微波辐射源，其与所述波导耦合以提供微波辐射并在所述波导的至少一部分长度上产生等离子体，所述微波辐射在沿着所述波导的长度方向上传播以与所述处理气体反应，其中：所述微波辐射源被配置成以500Hz至1000kHz的频率和小于90％的占空比开启和关闭脉冲所述微波辐射；和具有相反电荷的一对电极，所述电极在波导在所述波导的相反侧。2.如权利要求1所述的气体处理系统，其中所述波导在所述第二气体入口所在的位置处具有0.75英寸x 3.4英寸的截面尺寸，且所述微波辐射具有2.45GHz的微波频率。3.如权利要求1所述的气体处理系统，进一步包括在所述第一气体入口下游的所述波导中的金属长丝，所述金属长丝用来降低用于产生所述等离子体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：MW斯托韦尔，
申请(专利权)人：利腾股份有限公司，
类型：发明
国别省市：