Устройство для выделения составляющих из основного материала

1 Область техники Данное изобретение относится в целом к устройствам для разделения материалов и в частности к устройствам, использующим электромагнитное излучение для выделения составляющих из основного материала. Предшествующий уровень техники Новейшие технологии нуждаются в эффективном (и рентабельном) выделении специфических составляющих из множества комбинированных материалов. Например, существует потребность в том, чтобы преобразовывать токсичные и/или опасные в исходном состоянии материалы в коммерчески полезную продукцию. Также существует большое количество участков, загрязненных токсичными и/или радиоактивными отходами. Несмотря на то, что определенные процессы очищения загрязненных участков известны, во многих из них используются растворители или другие химикалии, что часто усугубляет проблему вместо е решения. Не так давно радиочастоты применялись для нагревания жидких отходов с целью уменьшения их объемов и стабилизации в твердом состоянии. Такой процесс включает постепенное применение умеренных уровней энергии радиочастотного (РЧ) излучения, что позволяет осуществить плавление и стимулирует процесс выделения газов из жидкостей и твердых веществ. Другое находящееся сейчас в стадии реализации приложение применения энергии для выделения составляющих из основного материала относится к очистке минеральных руд. Хотя в целом основная концепция применения РЧ энергии для выделения составляющих из основного материала известна (т.н. минеральное рафинирование, патенты США 4894134 и 5024740), существует много проблем, которые мешают сделать затраты в этой области эффективными и вообще затрудняют коммерческую осуществимость РЧ метода. Например, существенные ограничения в применении гиротронной технологии представляют собой препятствие для обеспечения уровня мощности, необходимого для того, чтобы РЧ метод был бы коммерчески осуществимым. Существенные ограничения РЧ метода, которые прежде препятствовали его применению на широко распространенной коммерческой основе,будут объяснены ниже. Для того чтобы РЧ метод был коммерчески осуществимым, процесс выделения составляющих из основного материала должен быть эффективным по стоимости. Очень часто главным критерием того, является ли процесс эффективным по стоимости, является быстрота протекания процесса, т.е. скорость, с которой основной материал может быть обработан. Для РЧ нагревания существенно важно то, что энергия, поглощаемая основным материалом, прямо пропорциональна объему этого материала. С увели 001232 2 чением в единицу времени объема потока через разделяющее устройство, приложенная энергия также должна быть увеличена для сохранения прежнего качества разделения. Таким образом,возможность подведения энергии к основному материалу становится центральной проблемой и ограничивающим фактором, определяющим скорость, с которой составляющие могут быть выделены из основного материала. В подавляющем большинстве случаев, в которых составляющие должны быть отделены от основного материала, гиротрон или гирочастотный прибор является единственным практическим источником для создания необходимого энергетического уровня. На частотах свыше 30 ГГц мощность, доступная при помощи классического волновода резко падает. Гиротрон дает возможность получить высокую мощность на частоте миллиметровых волн. Из-за плавных очертаний гиротронного кольцевого волновода и других особенностей гиротрона, он является более эффективным, чем другие микроволновые приборы (MB). Мощность, доступная при помощи гиротрона, во много раз больше, чем мощность классического волновода на той же частоте. Кроме того, недавний прогресс в области технологии MB сделал возможным генерировать гармоническое излучение (ГИ) с уровнем мощности около 200 кВт на частоте 110 ГГц. Более того, по меньшей мере, один из производителей гиротронов экспериментирует с гиротроном, способным генерировать мощность ГИ примерно 1 МВт на частоте 110 ГГц. Хотя генерирование мощности РЧ излучения на уровне, упомянутом выше, устраняет одно из основных препятствий к тому, чтобы РЧ метод выделения составляющих был коммерчески применимым, это вызывает другие проблемы. Они буду объяснены на основании фиг. 1. Обратимся к фиг. 1, где представлен традиционный метод использования РЧ энергии для выделения составляющих материалов из основного материала. Обычно используется РЧ источник 10 (т.н. гиротронный клистрон, магнетрон и т.п.) для генерации РЧ энергии. Эта энергия через передающую линию 12, окно 14 и передающую линию 16 поступает в реакционную камеру 18. Внутри реакционной камеры 18 основной материал 20 отмеряется устройством подачи 22 и подвергается влиянию РЧ энергии. Такая реакция обычно вызывает сублимацию, в результате чего газ выделяется из основного материала 20 и выводится из реакционной камеры 18 с помощью отводного газового насоса 24. Линии передачи 12 и 16 образуют волновод, обеспечивающий передачу энергии от РЧ источника 10 к реакционной камере 18. Во многих случаях использования волновода окно не требуется. Однако в случаях, подобных тому,который изображен на фиг. 1, необходимо изолировать среду источника РЧ энергии 10 от сре 3 ды реакционной камеры. Основной целью такой изоляции является воспрепятствование перемещения любых газов или частиц, возникших в процессе сублимации, к источнику РЧ энергии 10. Если газы или частицы попадут в источник РЧ энергии, то может возникнуть электрическая дуга, которая может повредить или вывести из строя гиротрон. Традиционный метод предотвращения попадания нежелательных газов или частиц в источник РЧ энергии 10 заключается в использовании окна 14. В идеале, окно должно быть прозрачно (без потерь) для проникновения электромагнитных воли и одновременно герметично изолировать реакционную камеру 18 от источника РЧ энергии 10. Т.к. способность источников РЧ энергии генерировать все более и более высокие уровни энергии возросла, то возникли различные конструкции окон, противостоящие теплу, выделяемому внутри окна под действием электромагнитной энергии. Например, патент США 5450047 описывает улучшенное волноводное окно для использования в волноводе большой мощности. Также в статье под названием "Вакуумное окно для одного MB ГИ 110 ГГц гиротрона", авторы К.П. Мойлер,Дж.П. Доан и М. ДиМартино, опубликованной в Общем отчете по ядерной технике ГА-821741,описывается вакуумное окно, в котором в качестве диэлектрика используется охлаждаемый водой сапфир. Несмотря на достижения, сделанные в области применения окон вместе со все более мощными источниками РЧ энергии, технология генерирования РЧ энергии продвинулась до стадии, на которой окна являются ограничивающим фактором для достижения максимальной мощности, которая может быть получена в реакционной камере 18. Настоящее изобретение устраняет ограничения, связанные с существующей технологией окон (и их неспособностью пропускать высокие уровни мощности) путем устранения самой необходимости в окнах, одновременно оставляя герметичную изоляцию источника РЧ энергии от реакционной камеры. Таким образом, в результате осуществления данного изобретения,единственным фактором, который будет ограничивать максимальное количество энергии,подводимой к основному материалу, явится способность источника РЧ энергии выработать энергию и способность реакционной камеры принять и сфокусировать эту энергию. Сущность изобретения В одном аспекте, настоящее изобретение представляет собой устройство для выделения составляющих из основного материала и содержит источник для генерирования электромагнитного излучения, резонатор и реактор. Резонатор представляет собой объемный резонатор,соединнный с источником электромагнитного излучения. Реактор является реакционной камерой, которая, по крайней мере, частично распо 001232 4 ложена внутри объемного резонатора. Реактор скреплен с объемным резонатором так, что реакционная камера герметически изолирована от объемного резонатора. При таком расположении реактора внутри резонатора удельная плотность мощности, приходящаяся на единицу объема стенки реактора гораздо меньше, чем та,которая могла бы быть при наличии традиционного окна. Таким образом устройство по данному изобретению совершенно устраняет ограничения максимального уровня энергии, создаваемые традиционными окнами. Во втором аспекте данное изобретение представляет собой устройство для выделения составляющих из основного материала, включающее в себя первый и второй источники для генерации соответственно первой и второй электромагнитных волн. Первый и второй резонаторы снабжены соответственно первым и вторым объемными резонаторами, и первый и второй объемные резонаторы соединены соответственно с первым и вторым источниками магнитных волн. Реактор, который является реакционной камерой, частично расположен внутри первого и второго объемных резонаторов, где первый и второй объемные резонаторы скреплены с реактором так, что первый и второй объемные резонаторы герметически изолированы от реакционной камеры. Краткое описание чертежей Фиг. 1 представляет характерное для предшествующего уровня техники устройство для выделения составляющих из основного материала; фиг. 2 показывает первый вариант устройства согласно данному изобретению; фиг. 3 изображает предпочтительный вариант реализации реакционной камеры предложенного изобретения; фиг. 4 представляет вид сверху реакционной камеры, изображенной на фиг. 3; фиг. 5 изображает второй вариант устройства в соответствии с данным изобретением. Подробное описание предпочтительных вариантов реализации На фиг. 2 представлено устройство в соответствии с данным изобретением, содержащее источник РЧ энергии 10, который соединен с резонатором 30 при помощи линии передачи 12. В соответствии с хорошо известными в данной области технологиями, источник РЧ энергии 10 используется для генерации РЧ энергии, и эта энергия поступает в резонатор 30 посредством линии передачи 12. Предпочтительно, чтобы резонатор 30 был изготовлен из меди, нержавеющей стали или другого материала, хорошо отражающего РЧ энергию. Основной материал 20 помещен внутри верхнего бункера 25 и через отмеряющее устройство 22 поступает оттуда в реактор 21. Реактор 21 представлен в виде стенок реактора 19, которые создают реакционную камеру 18. Стенки реактора 19 могут быть изго 5 товлены из любого подходящего пиролитического материала, такого как нитрид бора, кварц,сапфир или алмаз. В некоторых случаях уровень мощности внутри объемного резонатора 34 может быть настолько большим, что это вынуждает усиливать стенки реактора 19. Если такое усиление необходимо, то на фиг. 3 и 4 представлен предпочтительный вариант его обеспечения. В этом предпочтительном варианте реакционная камера 18 включает в себя стенки реактора 19, которые окружены физической укрепляющей конструкцией, такой как металлическая сетка 36. Использование особенного материала для изготовления сетки 36 не так важно до тех пор, пока он обеспечивает соответствующую прочность для нейтрализации сил, воздействующих на стенки реактора 19 во время действия РЧ энергии внутри резонатора 30. Также из предшествующего уровня техники известно, что ячейки, образованные сеткой 36, должны быть соответствующего размера, чтобы дать возможность РЧ энергии проходить сквозь сетку (и попадать в реакционную камеру 18) и в то же время оказывать достаточную поддержку стенкам 19. Резонатор 30 представлен резонаторными стенками 32, которые формируют объемный резонатор 34. РЧ энергия попадает в объемный резонатор по линии передачи 12, выходит из него по линии передачи 13 и заканчивается в гасителе лучей 38. РЧ энергия, находящаяся внутри объемного резонатора 34, свободно проходит через стенки реактора 19 и воздействует на основной материал 20 в то время, когда он проходит через объемный резонатор 34. Как уже объяснялось выше, РЧ энергия воздействует с целью сублимации, испарения или иного выделения составляющих из основного материала. Если этот процесс разделения дает повышенное выделение газов, то эти газы отводятся из реакционной камеры 18 с помощью газоотводного насоса 24. Газоотводный насос 24 также используется для создания внутри реакционной камеры 18 вакуумного давления (т.е. давления ниже атмосферного). Важно отметить, что стенки реактора 19 непрерывны (продолжаются) на всем протяжении внутри объемного резонатора 34 и, таким образом, образуют герметичное соединение по отношению к линии передачи 12 и источнику 10. Таким образом, не существует пропускного канала, посредством которого основной материал 20 или любые составляющие, освобожденные из основного материала, могли бы выйти из реакционной камеры 18 и попасть в часть объемного резонатора 34, расположенную вне реакционной камеры 18. Таким образом, согласно устройству, представленному на фиг. 2, часть объемного резонатора 34, окруженная реакционной камерой 18, линия передачи 12 и источник РЧ энергии 10 недоступны как для основно 001232 6 го материала, так и для составляющих, выделенных из него. Из фиг. 2 видно, что поверхности стенок реактора 19, расположенные внутри объемного резонатора 34, гораздо больше по площади, чем поверхность гипотетического окна, которое могло бы быть использовано в этом процессе. За счет этой разницы в поверхностной области,данное изобретение позволяет использовать гораздо больший уровень мощности источника РЧ энергии 10, чем в ином случае. Предпочтительно, чтобы газоотводный насос 24 создавал вакуумное давление примерно 10-10 миллиметров ртутного столба. В данном предпочтительном варианте стенки реактора 19 окружены теплообменником 40, имеющим входное отверстие 42 и выходное отверстие 44. Теплообменник 40 представлен в виде непроницаемой камеры, окружающей определенные части стенок 19, заполненной диэлектрической охлаждающей средой (жидкостью или газом), такой, например, как ФЛЮОРИНЕРТ (FLUORINERT, производится предприятием MiningManufacturing Co., штат Миннесота, США) и отводящей образовавшееся тепло от стенок реактора 19. Теперь обратимся к фиг. 5, изображающей второй вариант настоящего изобретения, в котором три устройства, каждое из которых соответствует устройству, представленному на фиг. 2, расположены одно над другим для образования устройства непрерывной работы. Достоинством устройства, представленного на фиг. 5,является способность воздействовать на множество составляющих, которые должны быть выделены из основного материала. Например, основной материал 20 находится в верхнем контейнере 25 и определенно имеет примеси. Эти примеси должны быть удалены из основного материала под воздействием РЧ энергии на данной частоте и определенном уровне мощности. Источник РЧ энергии 46 установлен на первую определенную частоту и уровень мощности,которые подходят для сублимации первой примеси, которая будет удалена насосом 48. Известно, что вторая примесь сублимируется на второй определенной частоте и уровне мощности, и источник РЧ энергии 50 отрегулирован таким образом, чтобы вторая примесь сублимировалась и удалялась насосом 52, когда основной материал проходит через резонатор 51. Таким же образом третий источник РЧ энергии 54 установлен на третью определенную частоту и уровень мощности так, что третья примесь удаляется насосом 56, сублимируясь внутри объемного резонатора 55. Таким образом, устройство,представленное на фиг. 5, эффективно для удаления, по меньшей мере, трех примесей, содержащихся в основном материале 20 и также эффективно для выхода очищенного продукта 58. Из предшествующего уровня техники хорошо известно, что объемные резонаторы 47, 7 51, 55 должны быть электрически изолированы друг от друга для предотвращения перекрытия электромагнитной энергии между резонаторами. Способы предотвращения такого перекрытия энергии хорошо известны. Хотя приведенное выше описание изобретения сделано в отношении предпочтительных вариантов реализации, специалисты в данной области техники легко смогут понять в свете представленного описания, что в изобретение могут быть внесены многочисленные изменения, модификации и дополнения, не выходящие,однако, за рамки смысла и сути данного изобретения. Например, как здесь описано, газ, сублимированный или выпаренный из основного материала, рассматривается как примесь. Эта особенность может легко быть рассмотрена как достоинство и очевидно, что газ, выделенный из основного материала, может быть рассмотрен на практике как полезный субпродукт. Хотя здесь не было специально описано, но становится очевидно, что вводя газы в реакционную камеру 18, можно достигнуть определенных преимуществ, таких как усиление процессов сублимации/выпаривания, охлаждения реакционной камеры 18 и тому подобное. Следовательно,все подобные изменения, модификации и дополнения рассматриваются как входящие в рамки данного изобретения, определяемые формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для выделения составляющих из основного материала, содержащее- источник для создания электромагнитного излучения;- резонатор в виде объемного резонатора, в котором названный объемный резонатор соединен с названным источником электромагнитного излучения;- реактор в виде реакционной камеры, названный реактор, по меньшей мере, частично расположен внутри названного объемного резонатора, где упомянутая реакционная камера герметически изолирована от указанного объемного резонатора и где названный источник содержит гиротрон. 2. Устройство по п.1, в котором названный резонатор изготовлен из материалов, выбранных из группы, содержащей медь или нержавеющую сталь. 3. Устройство по п.1, в котором названный реактор изготовлен из нитрида бора. 4. Устройство по п.3, в котором названный реактор, изготовленный из нитрида бора, выполнен в форме круглого цилиндра. 5. Устройство по п.1, дополнительно содержащее теплообменник, соединенный с названным реактором. 6. Устройство по п.5, в котором названный теплообменник включает в себя внутреннюю 8 камеру для пропускания потока диэлектрической охлаждающей среды (жидкости или газа),расположенной в нем. 7. Устройство по п.1, дополнительно содержащее газоотводной насос, соединенный с названной реакционной камерой. 8. Устройство для выделения составляющих из основного материала, содержащее- первый источник для создания первой электромагнитной волны;- второй источник для создания второй электромагнитной волны;- первый резонатор в виде первого объемного резонатора, в котором названный первый объемный резонатор соединен с названым первым источником электромагнитных волн;- второй резонатор в виде второго объемного резонатора, в котором названный второй объемный резонатор соединен со вторым источником электромагнитных волн;- реактор в виде реакционной камеры, названный реактор, по меньшей мере, частично расположен внутри названных первого и второго объемных резонаторов, где названные первый и второй объемные резонаторы герметично изолированы от названной реакционной камеры. 9. Устройство по п.8, в котором, по меньшей мере, один из названных первого и второго источников содержит гиротрон. 10. Устройство по п.8, в котором, по меньшей мере, один из названных первого и второго резонатора изготовлены из материалов,выбранных из группы, включающей медь или нержавеющую сталь. 11. Устройство по п.8, в котором названный реактор изготовлен из нитрида бора. 12. Устройство по п.11, в котором названный реактор, изготовленный из нитрида бора,выполнен в форме круглого цилиндра. 13. Устройство по п.8, дополнительно содержащее теплообменник, соединенный с названным реактором. 14. Устройство по п.13, в котором названный теплообменник включает внутреннюю камеру для пропускания потока диэлектрической охлаждающей среды (жидкости или газа), расположенной в нем. 15. Устройство по п.8, дополнительно содержащее газоотводный насос, соединенный с названной реакционной камерой. 16. Устройство для выделения составляющих из основного материала, использующее электромагнитное излучение, включающее- резонатор в виде объемного резонатора, в котором названный объемный резонатор соединен с названным источником электромагнитного излучения;- реактор в виде реакционной камеры, причем названный реактор, по меньшей мере, частично расположен внутри названного объемного резонатора, где названная реакционная камера герметично изолирована от названного объем 9 ного резонатора и где названный реактор изготовлен из нитрида бора. 17. Устройство по п.16, где названному реактору, изготовленному из нитрида бора, придана форма круглого цилиндра. 18. Устройство по п.16, дополнительно содержащее теплообменник, соединенный с названным реактором. 10 19. Устройство по п.18, в котором названный теплообменник содержит внутреннюю камеру для пропускания потока диэлектрической охлаждающей среды (жидкости или газа), расположенной в нем. 20. Устройство по п.16, дополнительно содержащее газоотводный насос, соединенный с названной реакционной камерой.