[发明专利]微波化学处理

说明书

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。

相关申请

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。

技术领域

本发明涉及一种气体处理方法和一种气体处理系统。

背景技术

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。

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。

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(dutycycle)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。

发明内容

在本发明实施方案的方法中，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％。

在本发明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