Aplicador de energía para la calefacción dieléctrica de cualquier compuesto,

cualesquiera que sean sus constantes dieléctricas, en estática o en dinámica, con una densidad de potencia relativa superior a la de los aplicadores usuales, caracterizado por el hecho de que comprende una guía de ondas (GO) y caminos laterales (CH) compuestos por dos partes principales:

- una parte superior (PS) que debe estar lo más cerca posible del reactor (R) para impedir las fugas de ondas hacia el exterior, y

- una parte inferior (PI) de forma ensanchada hacia la guía de ondas (GO) para evitar los arcos eléctricos o "distensión" para formar una cavidad resonante secundaria alrededor de la guía de ondas

Aplicadores de energía adaptados a la calefacción dieléctrica.

Sector técnico de la invención y problema planteado

La presente invención se refiere a la concepción y a la utilización de aplicadores de energía, y más especialmente de cavidades resonantes y caminos de formas y dimensiones adaptadas para la calefacción dieléctrica de cualquier compuesto, cualesquiera que sean sus constantes dieléctricas.

Los aplicadores de micro-ondas y altas frecuencias usuales están provistos de caminos clásicos que no permiten trabajar a alta densidad de potencia sin riesgo de arcos eléctricos. El objetivo de los caminos utilizados por el experto en la materia se propone someter un producto (líquido, sólido, gaseoso o una mezcla de los tres estados) a las ondas electromagnéticas, en estática o en dinámica, impidiendo las fugas de ondas hacia el exterior de la guía de ondas. Los caminos, de forma clásica, preferentemente de forma cilíndrica, no permiten alcanzar rápidamente la temperatura umbral deseada y/o tratar una cantidad de producto mayor sin riesgo de arcos eléctricos. Contrariamente a las moléculas polares o polarizadas para las cuales la transferencia de energía es óptima, resulta necesaria una densidad de potencia elevada para llegar a calentar compuestos que absorben poco las ondas electromagnéticas, caracterizados por unas constantes dieléctricas reducidas.

Por lo tanto hay un problema técnico serio, planteado por los riesgos de "distensión" o de arcos eléctricos, y sus consecuencias industriales, y que representa un reto industrial importante, debido a la importancia de las aplicaciones industriales indicadas aquí. La invención permite simultáneamente, reducir muchísimo los tiempos de tratamiento de los productos, mejorando así la eficacia industrial.

Resumen de la invención

El solicitante ha descubierto tras numerosas tentativas una nueva forma o geometría de chimenea, en especial una chimenea de forma o geometría cónica, que permite calentar cualquier tipo de producto a frecuencias micro-ondas o altas frecuencias, en estática o en dinámica con una densidad de potencia elevada sin riesgo de arcos eléctricos o "distensión".

Aplicaciones

La invención permite realizar tratamientos térmicos tan eficaces y rápidos sobre compuestos que absorben poco las ondas electromagnéticas como sobre compuestos polares o polarizados. Las ganancias de tiempo y de energía, combinadas con un coste de inversión más reducido, permiten establecer que las aplicaciones bajo calefacción dieléctrica son más rápidas y más económicas.

La invención concierne en particular pero a título no limitativo, el tratamiento de los esteres de ácidos grasos (insaturados o no), hidrocarburos (insaturados o no), compuestos aromáticos y derivados de estos últimos. Sin embargo, también es interesante para productos que absorben mucho las ondas electromagnéticas puesto que permite aumentar la capacidad de producción de un sistema determinado (alcoholes grasos o no, ácidos carboxílicos, aminas, ...).

La presente invención se refiere a todas las aplicaciones térmicas que hacen intervenir un único reactivo o una mezcla de reactivos en proporciones variables, con o sin catalizadores, con o sin gas de proceso o "realización". Como aplicaciones térmicas, se pueden citar, a título de ejemplos no limitativos, las reacciones de esterificación, transesterificación, epoxidación, sulfatación, fosfatación, hidrogenación, peroxidación, isomerización, deshidratación, cuaternización, amidificación, polimerización, policondensación, y todos los tratamientos usuales tales como la descoloración, la desodorización y los otros sistemas de eliminación de compuestos volátiles.

De hecho, la invención se aplica muy especialmente a todas las reacciones de la "lipoquímica", en especial con un interés muy marcado en el caso de los productos que absorben poco las ondas electromagnéticas.

Esta técnica innovadora permite, por ejemplo, fabricar polímeros de ácidos grasos insaturados, de esteres de ácidos grasos insaturados, de hidrocarburos insaturados o de derivados de estos productos con ayuda de una calefacción dieléctrica bajo micro-ondas. El solicitante ha presentado en relación al respecto una solicitud de patente FR 98 13770 y una solicitud de patente PCT WO 00/26265 (PCT/FR 99/02646).

Estado de la técnica

El sector técnico de la presente invención se refiere a la utilización de las ondas electromagnéticas micro-ondas o altas frecuencias tanto para aplicaciones térmicas sobre compuestos que absorben poco las radiaciones como sobre compuestos con constantes dieléctricas elevadas.

Las frecuencias micro-ondas MO están comprendidas entre aproximadamente 300 MHz y aproximadamente 30 GHz, preferentemente en 915 MHz (frecuencia autorizada con una tolerancia de 1.4%) o de 2.45 GHz (frecuencia autorizada con una tolerancia de 2%).

Las altas frecuencias HF están comprendidas entre aproximadamente 3 MHz y aproximadamente 300 MHz, preferentemente de 13.56 MHz (frecuencia autorizada con una tolerancia de 0.05%) o de 27.12 MHz (frecuencia autorizada con una tolerancia de 0.6%).

La potencia absorbida (en vatios) por un material bajo tratamiento HF o MO está determinada por la fórmula siguiente:

Pa = k f varepsilon'' E² V

Donde:

Pa: potencia absorbida en W.

E: campo eléctrico creado en el seno del material en V/cm.

f: frecuencia de la onda

K: constante (M.K.S.A) = 5.56.10^-13

V: volumen del material en cm³,

varepsilon'': factor de pérdidas del material = varepsilon'tangd

varepsilon': permitividad relativa real del material = varepsilon₀*varepsilon_r

varepsilon_o: permitividad del vacío

varepsilon_R: constante dieléctrica

tangd: ángulo de pérdidas

varepsilon' representa la aptitud de un material para orientarse en el campo y tangd su capacidad para liberar calor.

Nota: para el aire o el vacío, varepsilon' = 1 (valor mínimo de varepsilon') y tangd = 0, es decir varepsilon'' = 0.

Se considera un sistema que comprende una guía concebida para vehicular la onda correspondiente a una frecuencia determinada. El producto a calentar se coloca en un reactor de un material que no absorbe las ondas (pírex, cuarzo..). Este reactor se posiciona en el interior del aplicador formado por cavidades monomodos que resuenan a la frecuencia de emisión según una radiación en el sentido de la guía de onda. El aplicador micro-ondas está provisto de caminos, tradicionalmente cilíndricos que se adaptan a la forma del reactor utilizado (ver figuras 1, 2, 3). Estos caminos tienen como objetivo impedir las fugas de ondas hacia el exterior de la guía de ondas. El fenómeno de distensión sobreviene en zonas en las cuales el tubo que contiene el producto a tratar padece tensiones disruptivas, es decir en las que la energía acumulada es tal que se produce una ionización del medio (chispa eléctrica). El campo eléctrico se caracteriza por la relación entre la tensión entre dos puntos y la distancia que separa a estos dos puntos. Los riesgos de distensión sobrevienen en las zonas en las que el campo está demasiado concentrado.

El reactor puede atravesar a la guía de ondas perpendicularmente al sentido de propagación de las ondas o bien paralelamente al sentido de las ondas (ver figuras 2 y 12). El experto en la materia comprenderá que estas dos posiciones no son las únicas configuraciones posibles y que la invención se refiere a todas las demás posiciones intermedias.

Reactivo

Para la presente invención, el o los reactivos pueden escogerse entre los productos que absorben poco las ondas electromagnéticas o los productos que absorben mucho o una mezcla de los dos, con aditivos o no de uno o de varios catalizadores o adyuvantes que absorben poco o mucho y/o gas de proceso.

Entre los productos que absorben mucho, se incluyen los alcoholes grasos o no, las aminas grasas o no, los ácidos carboxílicos, los acetales, las cetonas, los enoles, los perácidos, los epóxidos y de manera más general los compuestos químicos que comprenden una función polar o polarizada, en especial,

- como alcoholes: sorbitol, glicerol,...

1. Aplicador de energía para la calefacción dieléctrica de cualquier compuesto, cualesquiera que sean sus constantes dieléctricas, en estática o en dinámica, con una densidad de potencia relativa superior a la de los aplicadores usuales, caracterizado por el hecho de que comprende una guía de ondas (GO) y caminos laterales (CH) compuestos por dos partes principales:

- una parte superior (PS) que debe estar lo más cerca posible del reactor (R) para impedir las fugas de ondas hacia el exterior, y

- una parte inferior (PI) de forma ensanchada hacia la guía de ondas (GO) para evitar los arcos eléctricos o "distensión" para formar una cavidad resonante secundaria alrededor de la guía de ondas.

2. Aplicador según la reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que esta cavidad está formada a cada lado de la guía de ondas (GO).

3. Aplicador según la reivindicación 1 ó la 2 caracterizado por el hecho de que esta cavidad está formada alrededor de la guía de ondas (GO) por uno o varios caminos (CH).

4. Aplicador según la reivindicación 3 caracterizado por el hecho de que el o los caminos está (n) dispuesto(s) de cada lado de la guía de ondas (GO), alrededor de dicha cavidad resonante.

5. Aplicador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado por el hecho de que la forma de dicha cavidad formada alrededor de la guía de ondas (GO), se escoge de entre:

- las formas simétricas,

- las formas constituidas por al menos una base de cono, una forma esférica, una forma de volumen elipsoidal, abriéndose la parte más ancha en la guía de ondas.

6. Aplicador según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5 caracterizado por el hecho de que comprende varios caminos (CH) de geometría idéntica.

7. Aplicador según la reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que La parte superior (PS) de los caminos (CH) tiene que estar lo más cerca posible del reactor (R) para impedir las fugas de ondas y puede adoptar formas cilíndricas de sección circular, o rectangular o cuadrada.

8. Aplicador según la reivindicación 7 caracterizado por el hecho de que los caminos (CH) tienen una geometría constituida por diferentes formas sucesivas.

9. Aplicador según la reivindicación 7 o la 8 caracterizado por el hecho de que la parte superior (PS) de los caminos (CH) presenta una forma cilíndrica de sección circular para respetar lo mejor posible la forma del reactor y evitar la presencia de aristas que favorecen los arcos eléctricos; estableciéndose la altura de esta parte de chimenea para excluir cualquier fuga de ondas.

10. Aplicador según la reivindicación 7 o la 8 caracterizado por el hecho de que la parte inferior (PI), es decir cercana de la guía de ondas (GO), de estos caminos (CH) tiene forma ensanchada.

11. Aplicador según la reivindicación 10 caracterizado por el hecho de que dicha forma se escoge de entre las formas cónicas o esféricas con ángulos variables con respecto a la vertical, las formas piramidales de base cuadrada o rectangular.

12. Aplicador según la reivindicación 10 o la 11 caracterizado por el hecho de que el diámetro de base de estas formas ensanchadas no debe sobrepasar la anchura de la guía de ondas (CH) y a continuación la altura y el ángulo de abertura de la parte ensanchada se fijan en función de la potencia utilizada.

13. Aplicadores según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 caracterizados por el hecho de que se trata de aplicadores microondas monomodo, a 2450 MHz, y por el hecho de que la anchura de la guía de ondas (GO) preconizada para permanecer en modo TE 0.1 (Traviesa eléctrica) se sitúa entre 70 y 100 mm aproximadamente, permitiendo el modo fundamental de excitación TE 0.1 a la onda propagarse según un solo arco.

14. Aplicadores según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 caracterizados por el hecho de que se trata de aplicadores que trabajan a otras frecuencias micro-ondas y a altas frecuencias.

15. Aplicadores según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 caracterizado por el hecho de que los caminos (CH) comprenden una parte cilíndrica usual superior y una parte cónica inferior al nivel de la guía de onda.

16. Aplicador según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 15 caracterizado por el hecho de que la longitud de cada chimenea (CH) se establece para excluir cualquier fuga de ondas y respetar las medidas de seguridad relativas al personal y las telecomunicaciones.

17. Utilización de los aplicadores según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 para aplicar ondas electromagnéticas micro-ondas o altas frecuencias tanto para aplicaciones térmicas sobre compuestos que absorben poco las radiaciones como sobre compuestos con constantes dieléctricas elevadas (varepsilon'>5 y varepsilon''>0.5).

18. Utilización según la reivindicación 17 para realizar tratamientos térmicos sobre compuestos que absorben poco las ondas electromagnéticas o sobre compuestos polares o polarizados.

19. Utilización según la reivindicación 17 o la 18 para tratar esteres de ácidos grasos (insaturados o no), hidrocarburos (insaturados o no), compuestos aromáticos y derivados de estos últimos, y productos que absorben las ondas electromagnéticas para aumentar la capacidad de producción de un sistema determinado (alcoholes grasos o no, ácidos carboxílicos, aminas, ...) y en todas las reacciones de la "lipoquímica" en especial con un interés muy destacado en el caso de los productos que absorben poco las ondas electromagnéticas, así como la isomerización de los ácidos grasos o esteres de ácidos grasos mono- o poli-insaturados, o ceras, y en especial el aceite de ricino.

20. Utilización según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19 caracterizada por el hecho de que se realizan todas las aplicaciones térmicas que hacen intervenir un único reactivo o una mezcla de reactivos en proporciones variables, así como las reacciones de esterificación, transesterificación, epoxidación, sulfatación, fosfatación, amidificación, polimerización, policondensación, la descoloración, la desodorización y los sistemas de eliminación de compuestos volátiles.

21. Utilización según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 20 para fabricar polímeros de ácidos grasos insaturados, de esteres de ácidos grasos insaturados, de hidrocarburos insaturados o de derivados de estos productos con ayuda de una calefacción dieléctrica bajo micro-ondas.

22. Utilización según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 21 caracterizada por el hecho de que se utilizan los agentes químicos escogidos de entre los siguientes:

Reactivos:

- los productos que absorben poco las ondas electromagnéticas, o los productos que absorben mucho o una mezcla de los dos, con aditivos o no de catalizadores o adyuvantes que absorben poco o mucho:

- productos que absorben mucho: los alcoholes grasos o no, las aminas grasas o no, los ácidos carboxílicos, los acetales, las cetonas, los enoles, los perácidos, los epóxidos y los compuestos químicos que comprenden una función polar o polarizada,

- así como alcoholes: sorbitol, glicerol, manitol, glicoles, vitaminas (por ejemplo tocoferol, ácido ascórbico, retinol), los polifenoles, los esteroles (entre los cuales los fitosteroles) y,

- como aminas, el amoníaco, las alquilaminas primarias, secundarias, terciarias (metilamina; dimetilamina; trimetilamina; dietilamina), las aminas grasas (aminas oléicas; alquilaminas de coco), los aminoalcoholes (monoetanolamina MEA; dietanolamina DEA; trietanolamina TEA; 3-amino 1,2- propanediol; 1-amino 2-propanol), las aminas etoxiladas (2-2'-amino etoxi etanol; amino 1-metoxi-3- propano), saturadas o no, lineales o ramificadas,

- catalizadores o adyuvantes: los catalizadores ácidos tales como el ácido paratoluensulfónico, el ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido perclórico), los catalizadores básicos tal como la soda, potasa, alcoholatos de metales alcalinos y de metales alcalino-terrosos, acetato de sodio, trietilaminas, derivados de piridina, las resinas ácidas y/o básicas de tipo Amberlite^TM, Amberlyst^TM, Purolite^TM, Dowex^TM, Lewatit^TM, las zeolitas y las enzimas, y los negros de carbono,

- productos que absorben poco: los aceites y grasas animales o vegetales y los politerpenos entre los cuales aquellos provenientes de dichos aceites y grasas,

aceites de grasas de origen animal: el aceite de cachalote, el aceite de delfín, el aceite de ballena, el aceite de foca, el aceite de sardina, el aceite de arenque, el aceite de escualo, el aceite de hígado de bacalao, el aceite de pie de buey, las grasas de buey, de cerdo, de caballo, de oveja (sebos),

aceites de origen vegetal: el aceite de colza, el aceite de girasol, el aceite de maní, el aceite de oliva, el aceite de nuez, el aceite de maíz, el aceite de soja, el aceite de lino, el aceite de cáñamo, el aceite de pepitas de uva, el aceite de coco, el aceite de palma, el aceite de semilla de algodón, el aceite de babassú, el aceite de jojoba, el aceite de sésamo, el aceite de ricino, el aceite de ricino deshidratado, el aceite de avellana, el aceite de germen de trigo, el aceite de borraja, el aceite de onagro, el aceite de tall o "tall oil".

Componentes de aceites animales o vegetales: el escualeno extraído de las insaponificables des aceites vegetales (el aceite de oliva, el aceite de maní, el aceite de colza, el aceite de germen de maíz, el aceite de algodón, el aceite de lino, el aceite de germen de trigo, el aceite de salvado de arroz) o el escualeno contenido en el aceite de escualo.

* Pudiendo dichos aceites y grasas de origen animal o vegetal, así como sus derivados, padecer un tratamiento previo para hacerlos más reactivos o al contrario menos reactivos

Hidrocarburos insaturados: un alcano, por ejemplo uno o varios hidrocarburos terpénicos, es decir uno o varios polímeros del isopreno, o uno o varios polímeros del isobuteno, del estireno, del etileno, del butadieno, del isopreno, del propeno, o uno o varios copolímeros de estos alcanos, solos o en mezclas, ácidos grasos o esteres de ácidos grasos mono- o poli-insaturados, ceras, aceite de ricino.