[发明专利]用于处理具有多个电磁发生器的加工体积的方法和设备

说明书

本申请是2008年9月19日提交的共同未决的美国申请12/234,503的部分后续，在此援引该申请的内容作为参考。 

技术领域

本发明大体上涉及物质的加工或反应。本发明在促进诸如断裂大分子中的化学键的化学加工或反应的电磁能量的使用上具有特别的应用，并将结合这些应用描述本发明，但是也可考虑其它应用。断裂化学键的一个例子是断裂长碳氢链中的化学键，从而产生链较短且重量较轻的碳氢化合物。这样的加工可以例如将高粘度的石油分解为低粘度，从而可以使石油更易于输运通过管道。 

背景技术

基于石油的物质是世界经济的基础，对基于石油的燃料和基于石油的产物的需求日益增加。随着需求的增加，需要有效且经济地加工基于石油的物质以满足此需求。因此，不但能够加工来自地底的基于石油的原料，还可以循环消费产物以重新获取那些基于石油的物质将是有益的。 

全球范围的石油消耗被估计为每天超过七百万桶，并且这个数量仍在增长。因此需要充足的石油供应。沥青砂、油砂和油页岩包含大量的石油；然而，从这些物质的石油提取价格昂贵并且耗时。 

将重油从油砂中抽出是很困难的。一般地，必须将高达30％体积的溶剂或稀释液加入到这样的石油，以使石油稀薄到能够通过管道抽出。这给现行价格的每桶石油增加了差不多15％的成本。因此，经济地断裂一些分子键以使石油不那么粘稠的能力将对来自油砂的有用产物的回收有显著的影响。另一个变得越来越重要的问题是有毒废物的处理。一般地使废物无害需要断裂废物中的化学键并在可能的情况下接着加入其它物质以形成新键。 

在现有技术中，已知在连接有电磁发生器的谐振电磁结构中，可以激活 加工或反应体积。该结构一般是多模式的(即，多空间模式)。微波炉是这种设备的一个实例。 

谐振结构还可以是单模式的结构，其中在单空间模式中单频是谐振的。单模式谐振结构比多模式谐振结构小，并且不能加工同样的功率输入。在多种应用中都期望在加工或反应体积中产生等离子体，一般在单模式谐振结构中比较容易产生稳定的等离子体并保持与发生器及其输送系统的匹配。 

在连接到多个电磁发生器的多模式谐振结构中可以激活反应或加工体积也是已知的。例如，美国专利No.7,227,097描述了一种使用多个连接到公共的多模式谐振结构的发生器的系统，其中在公共的谐振腔中产生等离子体。这种构造具有允许更高输入功率的优点，但是多模式腔对离子体波动太过敏感。在这种构造中匹配和保持电磁发生器与它们各自的输运系统也很困难。还存在更多的由于等离子体不稳定性的多个发生器的交叉耦合。现有技术参考文献也提供了用于单模式谐振结构的多个发生器输入，但是在单模式构造中需要每个发生器都具有相同的频率和相位，并且谐振结构将限制可以提供的功率的大小。 

在某些情况下，必须使用很高的频率，例如微波。来自输入电能的微波能量的产生(大致为300MHz至300GHz)一般仅有约50％至70％的效率。相比之下，较低比率频率的产生(大致为455KHz至300MHz)能量转换效率高达95％。 

在某些加工或反应中，有必要使用微波能量。例如，在某些应用中，有必要用微波频率形成等离子体，但是用可以更有效率产生的较低频率来进一步加热等离子体是很有利的。另外，一般地在微波谐振结构中等离子体沿着加工室或反应室的长度不是均匀加热的。 

因此，需要更有效率地对加工体积进行加工的改进的方法与设备。更明确地，需要沿着反应室的长度均匀地激活等离子体，并需要利用较低比率的频率能量转换。 

发明内容

为了满足上面所述的需求，本发明公开了一种用于加工具有多个电磁发生器的加工或反应体积的方法与设备。在本发明中通过在谐振结构中使用更 高阶的微波模式以及通过利用允许较低频率RF辐射的附加使用的独特结构来实现目的。 

与用矩形波导管作为谐振腔的现有技术(Hammer，6,683,272 B2，2004年1月27日)相比，本发明使用圆形谐振结构。本发明公开了允许将多种频率应用到反应或加工体积的独特物理结构，同时包括静态场和各种频率的交变场。此外，圆形形状的应用实现了比矩形形状高的内部功率。本发明还公开了一种通过给结构提供声震动以在操作期间从谐振结构壁除去反应或加工产物的方法。 

在形成等离子体的情况中，具有适当的横向电(用TElmn表示)谐振器模式的圆形形状的使用将等离子体限制在反应室或加工室的轴线，因此通过提供相对于电场横向的磁场和通过附加地提供射频场来实现反应或加工体积的更有效率的加热。此外，可以加入静态螺线管场以帮助将等离子体限制在谐振器的轴线。