Procedimiento de tratamiento de un gas y dispositivo para llevar a cabo dicho procedimiento.

Un procedimiento de tratamiento de un gas, comprendiendo el procedimiento:

• emplear un tanque alargado con un espacio interior de simetría cilíndrica, en el que el tanque alargado: i) sobresale a través de una cámara de microondas,

ii) la pared de la parte del tanque alargado que no está en contacto con la cámara de microondas es opaca a la radiación de microondas,

iii) la pared de la parte del tanque alargado que penetra en la cámara de microondas es transparente a la radiación de microondas,

iv) el tanque alargado tiene en un primer extremo del tanque un canal cilíndrico alargado coaxial de salida con un diámetro interior, D, igual o menor que un factor de 1/16 de la longitud de onda de un campo aplicado de microondas dentro de la cámara de microondas, y una longitud, E, igual o menor que un factor de (n + 1/8), n ε {0, 1, 2, 3}, de la longitud de onda de un campo aplicado de microondas dentro de la cámara de microondas, y

v) el tanque alargado está cerrado en un segundo extremo frente al primer extremo por medio de una pared inferior,

• inyectar el gas a tratar, de modo que forme un primer flujo turbulento que discurre por la pared interior del espacio interior del tanque y luego se refleje desde la pared inferior en el segundo extremo para formar un segundo flujo turbulento del gas a tratar que discurre a lo largo del eje central del tanque desde la pared inferior del tanque y que sale por el canal de salida en el primer extremo, y

• formar una microonda estacionaria en la cámara de microondas alineada para formar una cresta ondulatoria en el eje central del tanque en el área del tanque en la que es transparente a la energía de las microondas capaz de excitar al menos una porción del gas en el segundo vórtice para formar un plasma no térmico de microondas.

Procedimiento de tratamiento de un gas y dispositivo para llevar a cabo dicho procedimiento La presente invención versa sobre un procedimiento de tratamiento de un gas y sobre un dispositivo para llevar a cabo dicho procedimiento. De forma más específica, la presente invención versa sobre un procedimiento y un dispositivo para tratar un gas mediante su exposición a plasmas no térmicos de microondas.

Antecedentes Los plasmas, que son gases más o menos ionizados, son fluidos eléctricamente conductores que pueden tener un amplio intervalo de densidades energéticas y de temperaturas de los electrones. Así, los plasmas han encontrado amplios usos en procedimientos industriales que implican el agrietamiento, la disociación y la deposición, así como el pulido por gas. Ejemplos de procesos industriales que emplean plasmas incluyen, concretamente, una deposición en películas delgadas, química plasmática, tareas de pulverización por plasma y materiales a granel, síntesis de materiales, soldadura, fusión, etc.

Habitualmente, se miden las propiedades del plasma en términos de densidad (electrones por metro cúbico) y de temperatura de los electrones (que pueden ser medidas en K o electronvoltios) , siendo esta una medida directa del grado de ionización; es decir, la proporción de los átomos que han perdido un electrón. La densidad y la temperatura del plasma pueden variar considerablemente; la densidad desde 10-3 hasta 10+30 partículas por metro cúbico, y la temperatura desde 0 K hasta 10+8 K. La vida útil del plasma también es una medida importante y también puede tener un intervalo muy amplio, normalmente entre 10-12 y 10+17 segundos. Por lo tanto, puede verse que el término "plasma" puede representar una gama sumamente amplia de condiciones y, para cualquier aplicación particular, es importante especificar el tipo de plasma que se usa.

Se sabe que existen diversas formas de plasma, catalogadas, en general, por sus características de energía: plasmas térmicos y plasmas no térmicos.

Plasmas térmicos (PT)

Los plasmas térmicos tienen electrones y partículas pesadas (iones y neutrales) a la misma temperatura; es decir, se encuentran en equilibrio térmico. Los plasmas térmicos son producidos fácilmente, por ejemplo mediante arco eléctrico, y, por ello, son fácilmente escalables, desde algunas decenas de vatios hasta varios megavatios. Normalmente, requieren una aportación elevada de energía para un resultado dado de reacción, ya que se calienta toda la masa de plasma, con pérdidas térmicas asociadas y problemas de gestión y de contención.

El efecto de los plasmas térmicos es simplemente aumentar el contenido de energía total y la temperatura media ponderada de los productos del tratamiento. En consecuencia, se establece una nueva composición de equilibrio de los componentes según la aportación energética del plasma, cuyo efecto en este caso es cuantitativamente idéntico al efecto de una aportación de energía térmica del mismo valor.

Plasmas no térmicos (PNT)

Los plasmas no térmicos no se encuentran en equilibrio termodinámico; por lo tanto, el efecto del plasma tiene como resultado una composición termodinámicamente no en equilibrio de los productos del tratamiento. Normalmente, la temperatura de los iones en los PNT es distinta de la temperatura de los electrones, siendo "más calientes" los electrones que las partículas pesadas. Por esta razón, los PNT también son denominados "plasma frío" o "plasma no en equilibrio" en la literatura.

Se pueden producir PNT utilizando varias técnicas, incluyendo la descarga eléctrica en plasmas acoplados capacitiva e inductivamente al vacío (descarga de barrera) , así como procedimientos electromagnéticos de radiofrecuencia (RF) y microondas.

Aunque los plasmas térmicos pueden operar a cualquier presión, los PNT prefieren operar en condiciones de presión baja o cercana al vacío; algunas formas solo operan a presión reducida, mientras que otras, tales como los plasmas producidos por microondas pueden operar a presión elevada (atmosférica) .

Los PNT a baja presión son relativamente fáciles de crear a volúmenes mayores y de iniciar, dado que se minimiza el efecto atenuador de las partículas pesadas circundantes; sin embargo, la densidad del plasma también está limitada, limitando así su valor comercial (los tiempos de residencia necesitan ser mayores) . Los PNT de alta presión que operan casi a presión atmosférica, o por encima de la misma, son atenuados continuamente por la proximidad de las partículas pesadas (átomos) circundantes y, por lo tanto, requieren mayor energía de formación. Sin embargo, un plasma de alta intensidad tiene como resultado un reactor de plasma más versátil y viable comercialmente, dado que el tiempo de residencia es breve y es posible una operación continua. Así, son deseables plasmas intensos no en equilibrio, de energía elevada y alta presión, que pueden obtenerse por medio de plasmas no térmicos de microondas.

Plasmas no térmicos de microondas Los PNT de microondas son particularmente eficaces para la química plasmática debido a que requieren una aportación de energía relativamente baja para formar plasmas muy reactivos debido a pérdidas térmicas reducidas y a efectos catalíticos intensos de las elevadas temperaturas de los electrones. Además, los PNT no producen ninguna contaminación por el electrodo cuando son creados mediante diseños de tobera sin electrodos.

Los PNT de microondas son notablemente difíciles de producir en volúmenes homogéneos, a diferencia de los sistemas de descarga de barrera, que pueden estar diseñados en áreas más grandes; sin embargo, los PNT de microondas son más eficaces en términos de acoplamiento energético, pero están restringidos por el tamaño de la fuente de microondas (magnetrón) . Los magnetrones que operan con una potencia que supera 1 kW en el intervalo de frecuencias de GHz pueden mantener las descargas de microondas de estado estacionario a la presión atmosférica. A presiones reducidas e intermedias, el plasma está en fuerte desequilibrio: la temperatura del componente neutral (Tg = 300 K) es menor que la temperatura electrónica (Te ~ 1-2 eV) .

La mayoría de las aplicaciones químicas de plasma a gran escala requiere una potencia elevada y una alta presión para una productividad elevada del reactor. También es importante tener un grado elevado de desequilibrio, con una temperatura y una densidad elevadas de los electrones para soportar procedimientos químicos selectivos. Por lo tanto, es necesario tener una descarga potente que genere plasma no en equilibrio para aplicaciones químicas tanto con una eficacia como una selectividad elevadas.

Técnica anterior Se sabe distribuir la energía de las microondas formadas en un magnetrón u otra fuente de energía de microondas en varios generadores de plasma. Cada generador de plasma emplea la porción de la energía de las microondas que es transferida al generador para generar una corriente de plasma inducida por microondas.

El documento EP 0 461 683 A2 da a conocer un aparato para un tratamiento por plasma, capaz de trabajar mediante tratamiento por plasma material de resina irradiando las superficies de las piezas con un plasma de descarga de microondas en el interior de una cámara de reacción al vacío, que comprende varias tuberías tubulares largas de irradiación de plasma, cada una de las cuales está dotada en la longitud de la misma de numerosos agujeros pequeños para inyectar plasma, y al menos una tubería recta de irradiación de plasma dispuesta con la abertura de su extremo libre hacia una sección a la que es difícil que fluya el plasma. Hay al menos una segunda tubería de irradiación de plasma ubicada de forma amovible en una posición opcional dentro de la cámara de reacción.

El documento WO 2007/086875 da a conocer un sistema S de tratamiento de piezas que está dotado de una unidad PU de generación de plasma que incluye un generador de microondas para generar microondas de 2, 45 GHz, un guiaondas para hacer que se desplacen las microondas y un generador de plasma montado en una superficie del guiaondas orientado hacia una pieza W; y un transportador C de piezas para transportar la pieza W para que pase por el generador de plasma. El generador de plasma incluye desplegadas varias toberas de generación de plasma para recibir las microondas, que generan un gas convertido en plasma basado en la recepción de energía eléctrica y la descarga del gas generado. Se proyecta hacia la pieza W el gas convertido en plasma en el generador de plasma mientras la pieza W es transportada por medio del transportador C de piezas. Es posible tanto el tratamiento sucesivo por plasma de varias piezas como... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de tratamiento de un gas, comprendiendo el procedimiento:

emplear un tanque alargado con un espacio interior de simetría cilíndrica, en el que el tanque alargado:

i) sobresale a través de una cámara de microondas, 5 ii) la pared de la parte del tanque alargado que no está en contacto con la cámara de microondas es opaca a la radiación de microondas, iii) la pared de la parte del tanque alargado que penetra en la cámara de microondas es transparente a la radiación de microondas, iv) el tanque alargado tiene en un primer extremo del tanque un canal cilíndrico alargado coaxial de salida con un diámetro interior, D, igual o menor que un factor de 1/16 de la longitud de onda de un campo aplicado de microondas dentro de la cámara de microondas, y una longitud, E, igual o menor que un factor de (n + 1/8) , n {0, 1, 2, 3}, de la longitud de onda de un campo aplicado de microondas dentro de la cámara de microondas, y v) el tanque alargado está cerrado en un segundo extremo frente al primer extremo por medio de una pared inferior, inyectar el gas a tratar, de modo que forme un primer flujo turbulento que discurre por la pared interior del espacio interior del tanque y luego se refleje desde la pared inferior en el segundo extremo para formar un segundo flujo turbulento del gas a tratar que discurre a lo largo del eje central del tanque desde la pared inferior del tanque y que sale por el canal de salida en el primer extremo, y formar una microonda estacionaria en la cámara de microondas alineada para formar una cresta ondulatoria en el eje central del tanque en el área del tanque en la que es transparente a la energía de las microondas capaz de excitar al menos una porción del gas en el segundo vórtice para formar un plasma no térmico de microondas.

2. El procedimiento según la reivindicación 1 en el que se emplea un tanque alargado en el que la anchura, W, del espacio interior del tanque alargado está en uno de los intervalos siguientes: desde un factor de (n+1/32) hasta (n+1/8) , desde un factor de (n+1/16) hasta (n+1/8) , o desde un factor de (n+1/12) hasta (n+1/8) , n {0, 1, 2, 3}, de la longitud de onda de la microonda estacionaria dentro de la cámara de microondas, y la longitud, L, del espacio interior del tanque alargado está en uno de los intervalos siguientes: desde un factor de (n+1/16) hasta (n+1/4) , desde un factor de (n+1/8) hasta (n+1/4) , o desde un factor de (n+1/6) hasta (n+1/4) , n {0, 1, 2, 3}, de la longitud de onda de la microonda estacionaria dentro de la cámara de microondas.

3. El procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2 en el que, en lugar de inyectar en el primer extremo del tanque alargado el gas a tratar, se inyecta en una posición en la proximidad del segundo extremo del tanque alargado, de modo que forme un primer flujo turbulento que discurre por la pared interior del espacio interior del tanque y luego se refleje desde la parte distal del primer extremo del tanque para formar un segundo flujo turbulento que discurre coaxialmente dentro del primer flujo turbulento y luego se refleja desde la pared inferior en el segundo extremo para formar un tercer flujo turbulento coaxial que discurre a lo largo del eje central del tanque desde la pared inferior del tanque y que sale por el canal de salida en el primer extremo.

4. El procedimiento según las reivindicaciones 1, 2 o 3 en el que el gas a tratar es uno de: gas natural, metano, etano, propano o butano.

5. Un dispositivo para tratar un gas según el procedimiento de las reivindicaciones 1 y 2, comprendiendo el dispositivo:

una cámara (107, 207) de microondas que permite formar una microonda estacionaria dentro de la cámara 45 y una fuente de radiación de microondas que es un magnetrón coaxial alimentado con una energía entre 0, 1 kW y 500 kW, y que genera radiación de microondas con una frecuencia en el intervalo de 0, 6 GHz a 10 GHz, estando acoplada la cámara a la fuente, y un tanque alargado (100, 200) con un espacio interior (102, 202) de simetría cilíndrica, en el que el tanque alargado sobresale a través de la cámara de microondas, de modo que el eje central longitudinal 50 del tanque esté orientado de forma sustancialmente normal a la dirección de propagación de una microonda estacionaria en la cámara de microondas, la pared (108, 208) de la parte del tanque alargado que penetra en la cámara de microondas es transparente a la radiación de microondas, y el tanque alargado está cerrado en un segundo extremo (104, 204) en un segundo extremo frente a un 55 primer extremo (103, 203) por medio de una pared inferior, 11

el tanque alargado tiene en el primer extremo un canal cilíndrico alargado coaxial (105, 205) de salida con un diámetro interior, D, igual o menor que un factor de 1/16 de la longitud de onda de un campo aplicado de microondas dentro de la cámara de microondas, y una longitud, E, igual o menor que un factor de (n + 1/8) , n {0, 1, 2, 3}, de la longitud de onda de un campo aplicado de microondas dentro de la cámara de microondas, y el tanque alargado penetra a través de la cámara de microondas en una posición tal que la microonda estacionaria dentro de la cámara de microondas tenga una cresta ondulatoria en el eje central longitudinal del tanque alargado, caracterizado porque la pared de la parte del tanque alargado que no está en contacto con la cámara de microondas es opaca a la radiación de microondas, y el tanque alargado tiene una entrada (106) para la inyección del gas a tratar situada en una posición en la proximidad del primer extremo del tanque, y que inyecta el gas de modo que forme un primer flujo turbulento que discurre por la pared interior del espacio interior del tanque hasta la pared inferior del segundo extremo, y luego se refleje desde la pared inferior para formar un segundo flujo turbulento del gas que discurre a lo largo del eje central longitudinal del tanque desde la pared inferior del tanque y que sale por el canal de salida en el primer extremo.

6. El dispositivo según la reivindicación 5 para tratar un gas según el procedimiento de la reivindicación 3 en el que el tanque alargado tiene:

una entrada (206) para la inyección del gas a tratar situada en una posición en la proximidad del segundo extremo (204) en lugar del primer extremo (203) del tanque, y un segmento curvado (210) de pared que forma un semitubo anular orientado hacia el segundo extremo (204) situado en la sección periférica del tanque alargado en el primer extremo (203) , de modo que el gas inyectado forme un primer flujo turbulento que discurre por la pared interior del espacio interior del tanque hasta el segmento curvado de pared que forma un segundo flujo turbulento del gas que discurre hacia el segundo extremo (204) del tanque alargado, en el que se refleja una vez más, formando un tercer flujo turbulento que discurre a lo largo del eje central longitudinal del tanque desde la pared inferior (204) del tanque y que sale por el canal (205) de salida en el primer extremo (203) .

7. El dispositivo según las reivindicaciones 5 o 6 en el que la anchura, W, del espacio interior del tanque alargado está en uno de los intervalos siguientes: desde un factor de (n+1/32) hasta (n+1/8) , desde un factor de (n+1/16) hasta (n+1/8) , o desde un factor de (n+1/12) hasta (n+1/8) , n {0, 1, 2, 3}, de la longitud de onda de la microonda estacionaria dentro de la cámara de microondas, y la longitud, L, del espacio interior del tanque alargado está en uno de los intervalos siguientes: desde un factor de (n+1/16) hasta (n+1/4) , desde un factor de (n+1/8) hasta (n+1/4) , o desde un factor de (n+1/6) hasta (n+1/4) , n {0, 1, 2, 3}, de la longitud de onda de la microonda estacionaria dentro de la cámara de microondas.

8. El dispositivo según las reivindicaciones 5, 6 o 7 en el que la fuente de plasma de microondas es un magnetrón coaxial alimentado con una energía entre 0, 5 kW y 120 kW, preferentemente entre 1 kW y 75 kW, y que genera radiación de microondas con una frecuencia en el intervalo de 0, 9 GHz a 2, 5 GHz.

9. El dispositivo según las reivindicaciones 5, 6 o 7 en el que el material de las paredes opacas del tanque alargado es uno de: latón, cobre, acero, aluminio o alúmina.

10. El dispositivo según las reivindicaciones 5, 6 o 7 en el que el material de las paredes transparentes de la 45 sección central del tanque alargado es uno de: politetrafluoroetileno, nitruro de boro, cuarzo, sílice y alúmina.

11. El dispositivo según las reivindicaciones 5, 6 o 7 en el que la entrada está diseñada para proporcional una inyección tangencial del gas a tratar al espacio interior del tanque.

12. El dispositivo según las reivindicaciones 5, 6 o 7 en el que el diseño del canal de salida está conformado como un túnel truncado seguido por una sección cilíndrica con área de sección transversal constante, o está

conformado para que tenga un área de sección transversal constante y un rebaje (8b) en la pared terminal del canal de salida.

13. El dispositivo según las reivindicaciones 5, 6 o 7 en el que el diseño del canal de salida está conformado como un canal cilíndrico con área de sección transversal constante con una pared exterior ahusada del canal de salida, de modo que el grosor de la pared del canal de salida disminuya hacia el extremo inferior.