專利名稱：碳股射頻加熱感受體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及一種用于通過施加射頻(“RF”)能量來加熱材料的方法和裝置，RF能量也已知為電磁能量。具體地講，本公開涉及一種用于對(duì)諸如石油礦石的具有低或零電耗散因數(shù)、磁耗散因數(shù)和電導(dǎo)率的材料進(jìn)行RF加熱的有利方法。例如，本公開使得能夠高效率高、低成本地加熱浙青礦石、油砂、油頁巖、浙青砂或重油。
背景技術(shù)：
浙青礦石、油砂、浙青砂和重油通常被發(fā)現(xiàn)為是砂或粘土與濃并且黏性的石油的天然存在混合物。最近，由于世界油儲(chǔ)備耗竭、油價(jià)更高和需求增大，所以已經(jīng)努力萃取和精煉這些類型的石油礦石作為可替換的石油源。然而，由于浙青礦石、油砂、油頁巖、浙青砂和重油的黏性極高，所以萃取標(biāo)準(zhǔn)原油中所使用的鉆孔(drilling)和精煉方法通常不可利用。因此，浙青礦石、油砂、油頁巖、浙青砂和重油通常通過露天采礦(strip mining)來萃取，或者就地技術(shù)(in situ technique)被使用來通過在井中注入蒸汽或溶劑來降低黏性，以使得材料可被抽取。然而，在任一種方法的情況下，從這些沉積物(cbposit)萃取的材料可以是不易于以正常油管溫度流動(dòng)的黏性的、固態(tài)的、或半固態(tài)形式，使得難以輸送到市場(chǎng)，并且處理成汽油、柴油和其它產(chǎn)品是昂貴的。通常，通過將熱水和苛性鈉(NaOH)添加到砂來準(zhǔn)備用于輸送的材料，這樣生成可用管道輸送到萃取工廠的漿料，在萃取工廠中，對(duì)漿料進(jìn)行攪拌，并從頂部撇去原浙青油泡沫。另外，通常對(duì)材料進(jìn)行熱處理，以將油砂、油頁巖、浙青砂或重油分離為更具黏性的浙青原油，并將浙青原油蒸餾、裂化(crack)或精煉為可用的石油產(chǎn)品。加熱浙青礦石、油砂、浙青砂和重油的常規(guī)方法遭受許多缺點(diǎn)。例如，常規(guī)方法通常利用大量水，并且還利用大量能量。而且，使用常規(guī)方法，難以實(shí)現(xiàn)均勻的、快速的加熱， 這限制了浙青礦石、油砂、油頁巖、浙青砂和重油的成功處理。由于環(huán)境原因和效率/成本原因這二者，可期望的是減少或消除處理浙青礦石、油砂、油頁巖、浙青砂和重油中所使用的水的量，并且還可期望提供一種效率高并且環(huán)境友好的加熱方法，該加熱方法適合于浙青、油砂、油頁巖、浙青砂和重油的挖掘后處理。一種有可能的可替換加熱方法是RF加熱。這里，“RF”被最寬泛地定義為包含具有比可見光長(zhǎng)的波長(zhǎng)的電磁波譜的任何部分。維基百科提供“射頻”的定義為包括從3HZ到 300GHz的范圍，并定義以下子頻率范圍名稱符號(hào)頻率波長(zhǎng)極低頻ELF3-30 Hz10,000-100,000 km超低頻SLF30-300 Hz1,000-10,000 km過低頻ULF300-3000 Hz100-1,000 km甚低頻VLF3-30 kHz10-100 km低頻LF30-300 kHz1-10 km中頻MF300-3000 kHz100-1000 m高頻HF3-30 MHz10-100 m甚高頻VHF30-300 MHzI-IOm過高頻UHF300-3000 MHz10-100 cm超高頻SHF3-30 GHz1-10 cm極高頻EHF30-300 GHz1-10 mm這里，“RF加熱”則被最寬泛地定義為通過暴露于RF能量對(duì)材料、物質(zhì)或混合物進(jìn)行加熱。例如，微波爐是RF加熱的公知示例。RF加熱可具有高速、深入的或可調(diào)的加熱深度或者甚至選擇性加熱的優(yōu)點(diǎn)，在選擇性加熱中，混合物的一種組分比其它組分接收更多的熱量。例如，RF能量可穿透木質(zhì)纖維以固化內(nèi)部粘接劑，而不燒焦。在一些石油工藝中， 沸水被添加到相對(duì)冷的石油礦石，所得的混合物/漿料的溫度可能不足。由于在大氣壓下將水的溫度升高到沸點(diǎn)以上是昂貴的，所以RF加熱技術(shù)可在沒有蒸汽或壓力器皿的情況下增加漿料熱量。RF加熱的性質(zhì)和適合性取決于幾個(gè)因素。一般而言，大多數(shù)材料接受電磁波，但是 RF加熱發(fā)生的程度極大不同。RF加熱取決于電磁能量的頻率、電磁能量的強(qiáng)度、與電磁能量源的接近性和RF能量場(chǎng)的類型。RF加熱材料屬性包含要加熱材料的傳導(dǎo)性、要加熱材料是磁性還是非磁性、以及電介質(zhì)極化性。純的烴分子基本上是非傳導(dǎo)性的、電介質(zhì)損耗因數(shù)低、磁矩幾乎為零。因此，純的烴分子本身是對(duì)于RF加熱的僅僅一般的感受體，比如，它們?cè)诖嬖赗F場(chǎng)時(shí)僅可緩慢地加熱。例如，在3GHz，航空汽油的耗散因數(shù)D可以是0.0001，蒸餾水的耗散因數(shù)D可以是0. 157，從而RF場(chǎng)對(duì)乳液形式的水施加熱量比對(duì)油快1570倍。類似地，水/烴混合物可能不能實(shí)現(xiàn)期望的RF加熱。水，甚至是蒸餾水，可以是對(duì)于RF加熱的感受體。然而，由于蒸汽相的水(蒸汽)是差的RF感受體，所以RF加熱中的水的使用在大氣壓下限于212° F(IOO0C)0而且，在一些地區(qū)，水資源可能不足，用熱水或蒸汽處理石油礦石可能是有限的或者甚至是不實(shí)際的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面是用于對(duì)具有低或零電耗散因數(shù)、磁耗散因數(shù)和電導(dǎo)率的材料進(jìn)行RF加熱的方法和裝置。例如，本發(fā)明可用于對(duì)石油礦石進(jìn)行RF加熱，石油礦石諸如為浙青礦石、油砂、浙青砂、油頁巖或重油。本發(fā)明尤其適合于100°C以上的石油礦石的RF加熱，在100°C以上，在普通的大氣壓下，液態(tài)水不能存在。本方法的示例性實(shí)施例包括首先將體積為大約10%到大約99%的諸如石油礦石的物質(zhì)與體積為大約到大約50%的包含微型偶極子感受體的物質(zhì)進(jìn)行混合。然后以引起微型偶極子感受體的加熱的方式使混合物經(jīng)受射頻?？墒┘由漕l足夠的時(shí)間，以使得微型偶極子感受體能夠通過傳導(dǎo)加熱周圍的物質(zhì)， 以使得混合物的平均溫度可大于大約212° F(IOO0C)0在混合物實(shí)現(xiàn)期望的溫度之后，可終止射頻，并且可選地可移除基本上所有的微型偶極子感受體，從而得到基本上可不含有在RF加熱處理中使用的微型偶極子感受體的被加熱物質(zhì)。從本公開，本發(fā)明的其它方面將是清楚的。


圖1是描繪用于使用微型偶極子感受體對(duì)石油礦石進(jìn)行RF加熱的工藝和設(shè)備的流程圖。圖2示出分布在石油礦石中的微型偶極子和相關(guān)感受體結(jié)構(gòu)(未按比例繪制)與相關(guān)聯(lián)的RF設(shè)備。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將對(duì)本公開的主題進(jìn)行更充分的描述，并顯示本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。 然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式實(shí)施，不應(yīng)被理解為限于這里所闡述的實(shí)施例。相反， 這些實(shí)施例是本發(fā)明的示例，本發(fā)明具有由權(quán)利要求的語言所指示的充分范圍。在示例性方法中，提供一種用于使用RF能量對(duì)石油礦石進(jìn)行加熱的方法，石油礦石諸如為浙青礦石、油砂、浙青砂、油頁巖或重油。石油礦石本公開方法可被用于在蒸餾、裂化或分離處理之前對(duì)從地面萃取的石油礦石進(jìn)行加熱，或者可被用作蒸餾、裂化或分離工藝的一部分。石油礦石可包括例如已通過露天采礦或鉆孔萃取的浙青礦石、油砂、浙青砂、油頁巖或重油。如果萃取的石油礦石是固態(tài)的或者包含體積大于大約ι立方厘米的固體，則可在RF加熱之前將石油礦石壓碎、研磨或碾細(xì)為漿料、粉末或小顆粒狀態(tài)。石油礦石可包含水，但是可替換地，含有體積小于10%、小于5% 或小于的水。更優(yōu)選地，由于本發(fā)明提供在不存在任何水的情況下進(jìn)行RF加熱的手段， 所以石油礦石可以基本上沒有添加的水。本公開尤其適合于沒有水乳液的烴的RF加熱和 IOO0C以上的RF加熱，在100°C以上，在沒有壓力器皿的情況下，液態(tài)水可能不能作為乳化的感受體使用。本方法中所使用的石油礦石通常是非磁性的或者低磁性的并且非傳導(dǎo)性的或者低傳導(dǎo)性的。因此，僅石油礦石通常不適合于快速RF加熱。例如，干燥的(比如，不含有水)的示例性石油礦石可具有在3000MHz小于大約0. 01,0. 001或0. 0001的電介質(zhì)耗散因數(shù)(ε ”)。示例性石油礦石還可具有可忽略的磁耗散因數(shù)(μ ”)，示例性石油礦石還可具有在201小于0.01、0.001或0.00013*111_1的電導(dǎo)率。然而，本公開方法不限于具有任何特定的磁或傳導(dǎo)屬性的石油產(chǎn)品，而是可用于RF加熱具有更高電介質(zhì)耗散因數(shù)(ε ”)、磁耗散因數(shù)(μ ”)或者電導(dǎo)率的物質(zhì)。本公開方法也不限于石油礦石，而是可廣泛地應(yīng)用于具有在3000MHz小于大約0. 05、0. 01或0. 001的電介質(zhì)耗散因數(shù)(ε ”)的任何物質(zhì)的RF加熱。它還可應(yīng)用于具有在20°C小于0. OlS I-1UXlO-4S .HT1或IXlO-6S .HT1的電導(dǎo)率的任何物質(zhì)的RF加熱。感警體微型偶極子本公開方法利用結(jié)合石油礦石的微型偶極子天線感受體結(jié)構(gòu)來提供改進(jìn)的RF加熱。這里，“感受體”被定義為吸收電磁能量并將它轉(zhuǎn)換為熱量的任何材料。這里，“微型偶極子”感受體被定義為作為偶極子天線對(duì)RF能量作出反應(yīng)的任何感受體，其最長(zhǎng)尺寸小于 10cm、5cm、Icm 或 0. 5cm0感受體已被建議用于諸如微波食品包裝、薄膜、熱固性粘接劑、RF吸收聚合物、 熱可收縮管的應(yīng)用。在美國專利 No. 5，378，879,6, 649，888,6, 045，648,6, 348，679 和 4，892，782中公開了感受體材料的示例，在此通過弓I用并入這些專利。在本公開方法中，諸如細(xì)金屬線或碳纖維的細(xì)絲狀傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)可作為感受體遍布烴礦石分布。所述絲形成捕捉入射的RF能量/電磁場(chǎng)并使它們作為熱量耗散的微型偶極子天線。通過電子或電荷載流子經(jīng)過偶極子結(jié)構(gòu)的電阻的運(yùn)動(dòng)(比如，電流I)并根據(jù)焦耳第一定律或者Q = I2Rt的加熱，加熱方法可以是電阻性的。一般而言，天線可包含用于將電流變換為電磁波和將電磁波變換為電流的傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。規(guī)范的天線是與偶極子和環(huán)形類型以及電流的旋度和散度對(duì)應(yīng)的線和圓。最簡(jiǎn)單天線的場(chǎng)區(qū)包含反應(yīng)近場(chǎng)區(qū)、中間場(chǎng)區(qū)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。包圍天線的場(chǎng)類型包括電(E)場(chǎng)和磁(H) 場(chǎng)這二者。當(dāng)在導(dǎo)電介質(zhì)中時(shí)，電流可存在于天線周圍，比如，天線也可具有電極的外觀。RF 施加器可被互換地稱為偶極子天線(諸如骨架縫隙天線)或者電極對(duì)。半波偶極子天線包括長(zhǎng)度為近似一半波長(zhǎng)(1 = λ/2)的細(xì)線狀導(dǎo)體。加載的電阻匹配的小型偶極子天線的有效孔徑或捕捉區(qū)域可以是Aem = 3 λ 2/16 π = 0. 06 λ 2，并且如果偶極子天線包括細(xì)導(dǎo)體，則有效寬度可以比物理寬度大大約1000倍。因此，單個(gè)薄導(dǎo)線偶極子天線可變換來自相對(duì)于其物理區(qū)域的非常大周邊區(qū)域的RF能量。例如，薄金屬箔條作為防雷達(dá)箔條(radar chaff)散布，反射區(qū)比小偶極子大得多。偶極子孔徑區(qū)域的示例是在西福特計(jì)劃(Project West Ford) ("Measured Physical Characteristics Of The West Ford Belt”，Heart F. E.等人，Proceedings of the IEEE，第 52 卷，第 5 期，1964 年 5月，第519-533頁)中圍繞地面實(shí)現(xiàn)的軌道運(yùn)行偶極子帶。在西福特計(jì)劃中，圍繞地面的稀疏散布的偶極子云團(tuán)(直徑為0.0018cm(比如，AWG 53)、長(zhǎng)度為1. 78的偶極子導(dǎo)線)對(duì)地面站之間的通信( 8GHz)的無源中繼是有用的。類似于土星環(huán)，偶極子信息可能對(duì)于形成圍繞地面的環(huán)是相似的，然而偶極子信息是光學(xué)透明的。甚至少數(shù)的薄偶極子也可在 RF應(yīng)用中具有大的效果。這里，可以以諸如1/2波長(zhǎng)的諧振長(zhǎng)度提供微型偶極子絲。在其它實(shí)例中，微型偶極子可以是電小(electrically small)的且低于諧振(below resonance)，以增大RF場(chǎng)的穿透深度。例如，微型偶極子可以是1/4波長(zhǎng)、1/8波長(zhǎng)或1/16波長(zhǎng)。對(duì)于1/2波諧振操作，導(dǎo)電纖維的電阻優(yōu)選地可以為大約73歐姆，以為它們所形成的偶極子提供電阻負(fù)載， 比如，輻射電阻艮大約等于偶極子導(dǎo)體損耗電阻&?？商鎿Q地，導(dǎo)電纖維的電阻可以為50 到73歐姆，或者73歐姆到100歐姆?？梢砸詥蝹€(gè)頻率或者用于不同加熱效果的范圍或頻率施加RF能量。例如，通過同時(shí)施加低和高RF頻率而與增加的表面加熱同時(shí)發(fā)生深層加熱。表面加熱可提供表面硬化、干燥效果、外觀變化或者其它。微型偶極子感受體210具有在諧波頻率間隔處的增強(qiáng)的感受，比如，增大的RF加熱，所述諧波頻率尤其是奇數(shù)諧波(例如，F(xiàn)、3F和5F)，其中，F(xiàn)是基頻諧振頻率。通過微型偶極子感受體，熱梯度隨頻率增大而增大。近似基頻諧振的薄1/2 波偶極子的3dB(50%加熱變化)帶寬對(duì)于小直徑(比如，d< λ/50)可以為大約13%。微型偶極子RF加熱可以例如使用碳纖維、碳纖維絮凝物或碳纖維織物(比如， 碳纖維方形物(square))感受體來執(zhí)行。碳纖維或碳纖維絮凝物的長(zhǎng)可以小于5cm，直徑可以小于0.5mm。優(yōu)選地，碳纖維或碳纖維絮凝物的長(zhǎng)可以小于1cm，直徑可以小于 0. 1mm。碳纖維織物偶極子或碳纖維方形物例如可以小于5CmX5CmX0. 5cm，可替換地，小于 IcmXlcmXO. 5cm。微型偶極子感受體纖維不必是直的，并且它們是否彼此接觸可以是不重要的。合適的碳纖維，諸如現(xiàn)代的石墨結(jié)構(gòu)纖維，優(yōu)選提供電路電阻，比如導(dǎo)體損耗。石墨纖維的成本也低，并可以是相對(duì)化學(xué)惰性的。纖維的直徑可以為大約0. 02mm、0. 010mm、 0. 005mm或0. 001mm,并可包含在顯微晶體中結(jié)合在一起的碳原子，這些顯微晶體近似與纖維的長(zhǎng)軸平行對(duì)齊。工業(yè)用的示例性石墨纖維是Hexcell Corporation of Stamford Connecticut 的 HexiTow 1900/IM 短切碳纖維(Chopped Carbon Fiber)。產(chǎn)品作為矩形薄片出售，這些矩形薄片在處理期間分離松開各個(gè)纖維，從而形成用于將碳纖維偶極子釋放到烴礦石中的方法。合適的碳纖維方形物感受體可與偶極子和天線的環(huán)路形式這二者相關(guān)。當(dāng)方形物的周長(zhǎng)在介質(zhì)中接近1/2波長(zhǎng)時(shí)，電阻方形物接近板形式的環(huán)形天線，并且電流被變換以圍繞方形物的周邊(比如，電磁卷曲)周向地流動(dòng)。盡管不是各向同性，但是波長(zhǎng)周長(zhǎng)的方形物環(huán)形天線的輻射方向圖可具有淺的方向圖零陷(pattern null)，并且方形物當(dāng)然具有比細(xì)絲偶極子大的物理表面面積，并且可能對(duì)于更高速率的熱應(yīng)用是優(yōu)先的。石油礦石和感受體偶極子的混合優(yōu)選地，提供混合或分散步驟，由此包含感受體偶極子的合成物被混合或分散在石油礦石中?；旌喜襟E可在石油礦石已被壓碎、研磨或碾細(xì)之后發(fā)生，或者可結(jié)合石油礦石的壓碎、研磨或碾細(xì)發(fā)生?？墒褂靡曰揪鶆虻姆绞椒稚⒏惺荏w偶極子的任何合適的方法或裝置來進(jìn)行混合步驟。例如，可使用砂磨機(jī)、水泥攪拌器、穩(wěn)定土(continuous soil)攪拌器或類似裝置。感受體偶極子還可被混合或者在管道中輸送期間被進(jìn)一步混合。由于感受體顆?？杀灰瞥?，所以本公開方法的有利能力可以是下述事實(shí)，S卩，能夠可選地使用大量感受體，而不負(fù)面地影響經(jīng)處理的石油礦石的化學(xué)或材料屬性。因此，包含感受體的合成物可以例如按總混合物體積的大約到大約50%的量與石油礦石混合。可替換地，包含感受體的合成物構(gòu)成總混合物體積的大約到大約25%，或者總混合物體積的大約到大約10%。如當(dāng)設(shè)想均勻加熱時(shí)那樣，可將感受體均勻地分布在要加熱的材料中?？商鎿Q地， 如果設(shè)想非均勻加熱，則可不均勻地分布感受體。1/2波長(zhǎng)電阻性偶極子天線在例如空氣中在M50MHz時(shí)的電磁捕捉面積為0. 119 λ 2/2 = 1.4平方英寸(3. 6平方厘米)，其將對(duì)應(yīng)于 2. 4英寸(6. Icm)的偶極子的長(zhǎng)度。用于該示例的施用率(感受體的密度)可以為每立方英寸要加熱的材料大約1個(gè)感受體(或者每立方厘米0.5個(gè)感受體)。在其它材料中，對(duì)于諧振，感受體偶極子長(zhǎng)度可以為1 = (λ/2)(1/ V μ r ε r) 0根據(jù)材料或頻率，平均感受體密度可以為每立方厘米0. 1個(gè)感受體到每立方厘米大約10個(gè)感受體，或者每立方厘米1個(gè)感受體到每立方厘米大約5個(gè)感受體。然而，當(dāng)感受體比大約λ/2 π更接近時(shí)，在偶極子之間發(fā)生顯著的近場(chǎng)耦合，增加的感受體密度可能不是更有益。示例性微型偶極子感受體可區(qū)別于僅使用碳作為感受體材料，這是因?yàn)镽F加熱主要不是通過由于碳的原子或分子屬性而導(dǎo)致的電介質(zhì)加熱或磁矩加熱而產(chǎn)生，而是相反，是由于碳纖維、碳纖維絮凝物或織物的導(dǎo)電性質(zhì)及其作為天線結(jié)構(gòu)的形狀而導(dǎo)致產(chǎn)生， 比如，偶極子或偶極子天線陣列就地形成在要加熱的介質(zhì)上。射頻加熱在感受體顆粒合成物已被混合在石油礦石中之后，可使用RF能量加熱混合物?？商峁㏑F源，該RF源施加RF能量以使感受體產(chǎn)生熱量。在感受體內(nèi)部產(chǎn)生的電阻性熱量使總體混合物通過傳導(dǎo)加熱。根據(jù)石油礦石的屬性、所選擇的感受體顆粒和期望的RF加熱模式，優(yōu)選的RF頻率、功率和源接近性在不同的實(shí)施例中變化。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，可以以使感受體通過近場(chǎng)(比如，感應(yīng))加熱的方式施加 RF能量。感應(yīng)加熱涉及將近場(chǎng)RF場(chǎng)施加于導(dǎo)電材料以在其上產(chǎn)生電流。當(dāng)導(dǎo)電材料暴露于由于場(chǎng)源和導(dǎo)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者由于場(chǎng)隨時(shí)間的變化而變化的磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生渦電流。這可引起導(dǎo)體內(nèi)的電子的循環(huán)流動(dòng)或電流。電流的這些循環(huán)渦流產(chǎn)生電磁體，這些電磁體具有根據(jù)楞次(Lenz)定律與所述磁場(chǎng)的變化相反的磁場(chǎng)。這些渦電流產(chǎn)生熱量。產(chǎn)生的熱量的程度進(jìn)而取決于RF場(chǎng)的強(qiáng)度、被加熱材料的電導(dǎo)率和RF場(chǎng)的變化速率。在RF場(chǎng)的頻率與它穿透材料的深度之間也可存在關(guān)系；一般而言，較高的RF頻率產(chǎn)生較高的耗熱率。用于感應(yīng)RF加熱的RF源可以例如為適合于產(chǎn)生磁場(chǎng)的環(huán)形天線或者磁近場(chǎng)施加器。RF源通常包括高頻交流電(AC)通過的電磁體。例如，RF源可包括感應(yīng)加熱線圈、包含環(huán)形天線的腔室或容器、或者磁近場(chǎng)施加器。用于感應(yīng)RF加熱的示例性RF頻率可以為大約50Hz到大約3GHz。可替換地，RF頻率可以為大約IOkHz到大約10MHz、10MHz到大約 100MHz、或者IOOMHz到大約2. 5GHz。從RF源輻射的RF能量的功率可以例如為大約100KW 到大約2. 5MW,可替換地，大約500KW到大約1MW，可替換地，大約IMW到大約2. 5MW。由于甚至單根細(xì)股(strand)也可變換大量能量，所以可以優(yōu)選的是適當(dāng)?shù)責(zé)峒虞d微型偶極子感受體。在又一個(gè)實(shí)施例中，所使用的RF能量源可以是遠(yuǎn)場(chǎng)RF能量，所選擇的感受體充當(dāng)產(chǎn)生熱量的微型偶極子天線。偶極子天線的一種屬性是它可將RF波轉(zhuǎn)換為電流。因此，可選擇偶極子天線的材料，以使得它可根據(jù)電流進(jìn)行電阻性的加熱。比如無線電波的遠(yuǎn)場(chǎng)RF 能量，而不是近場(chǎng)或感應(yīng)場(chǎng)，可被施加于要加熱的混合物。所使用的RF頻率可以為例如碳纖維偶極子的諧振頻率。還可通過改變偶極子尺寸或頻率來遠(yuǎn)離諧振，以對(duì)加熱穿透進(jìn)行調(diào)整。由于偶極子感受體是無源線性器件，所以可在寬范圍上調(diào)整從施加器輻射的RF能量的功率。RF熱施用率可以為例如每立方英尺100瓦到每立方英尺大約10KW。作為背景，論 JC "The RF Characteristics Of Thin Dipoles，，，C. L. Mack 禾口 B. Reiffen，Proceedings of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE),第 52 卷，第 5 期， 1964年5月，第533-542頁的全部?jī)?nèi)容在此通過引用被并入。在目前示例性實(shí)施例的每個(gè)中，可施加RF能量足夠的時(shí)間，以使得加熱的感受體微型偶極子能夠加熱周圍的烴油、礦石或砂。例如，可施加RF能量足夠的時(shí)間，以使得混合物的平均溫度可以高于大約150° F(70°C)?？商鎿Q地，可施加RF能量，直到混合物的平均溫度在例如沸水的溫度以上，大于212° F(100°C )，或者大于200° F(90°C)、 300° F(150°C )或者400° F(200°C )?？商鎿Q地，可施加RF能量，直到混合物的平均溫度例如足以根據(jù)烴的分子重量進(jìn)行蒸餾或熱解。根據(jù)偶極子纖維材料，超過1000° F(540°C ) 的溫度是可能的，比如，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于烴處理典型的或者所需的那些溫度以上的溫度。在示例性實(shí)施例的變型中，RF能量可作為蒸餾或裂化工藝的一部分施加，由此混合物可被加熱到烴的熱解溫度以上，以便將諸如干酪根或重?zé)N的復(fù)雜分子斷裂為更簡(jiǎn)單的分子(比如輕烴)。目前認(rèn)為在本公開實(shí)施例中RF能量施加的合適時(shí)間長(zhǎng)度可以優(yōu)選為從大約15秒、 30秒或1分鐘到大約10分鐘、30分鐘或1小時(shí)。在烴/感受體混合物實(shí)現(xiàn)了期望的平均溫度之后，可終止將混合物暴露到射頻。例如，可關(guān)閉或停止RF源，或者可從RF源移除混合物。感警體的移除/再利用在某些實(shí)施例中，本公開還設(shè)想了在烴/感受體混合物已實(shí)現(xiàn)期望的平均溫度之后移除感受體的能力。如果感受體留在混合物中，則在某些實(shí)施例中，這可不期望地改變主要物質(zhì)的化學(xué)和材料屬性。例如，可能不期望合成物含有大量金屬或金屬氧化物粉末、聚合物偶極子或纖維。一種可替換方案是使用低體積分?jǐn)?shù)的感受體，如果有的話。例如，美國專利 No. 5，378，879描述了在制成物品中使用永久感受體，諸如熱可收縮管、熱固性粘接劑和凝膠，并陳述了載有大于15%的顆粒百分比的物品一般而言不是優(yōu)選的，并且事實(shí)上，在該專利的上下文中僅可通過使用具有相對(duì)低的長(zhǎng)寬比的感受體才能實(shí)現(xiàn)載有大于15%的顆粒百分比的物品。本公開提供在RF加熱之后移除感受體的可替換方案。通過提供在RF加熱之后移除感受體的選擇，本公開可減小或消除石油礦石的化學(xué)或材料屬性的不期望的改變，同時(shí)使得可使用大體積分?jǐn)?shù)的感受體。與永久添加劑相反，感受體顆粒合成物因此可用作臨時(shí)加熱物質(zhì)。感受體顆粒合成物的移除可根據(jù)所使用的感受體的類型以及混合物的稠度、黏度或平均顆粒尺寸而不同。如果有必要或者期望的話，可結(jié)合另外的混合步驟來執(zhí)行感受體的移除。如果使用磁性或傳導(dǎo)性感受體，則可用諸如靜止或直流磁體的一個(gè)或多個(gè)磁體來移除基本上所有的磁體?？赏ㄟ^浮選、離心法或過濾來移除碳纖維、碳絮凝物或碳纖維織物感受體。例如，可在石油礦石/感受體混合物仍在被RF加熱的同時(shí)或者在RF加熱已停止之后的足夠時(shí)間(以使得石油礦石的溫度下降不超過30%，可替換地，不超過10%)內(nèi)執(zhí)行感受體的移除。例如，石油礦石可在感受體的任何移除期間保持大于200° F(93°C)的平均溫度，可替換地，大于400° F(2000C )的平均溫度。本公開的示例性實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在從加熱的混合物移除感受器之后這些感受體可可選地被再利用。可替換地，在某些實(shí)例中，在處理之后的混合物的一些材料或全部材料中留下一些感受體或全部感受體可能是合適的。例如，如果感受體是沒有危險(xiǎn)性的且便宜的元素碳， 則為了避免移除成本在加熱之后的混合物中留下感受體可以是有用的。關(guān)于另一個(gè)示例， 可對(duì)添加有感受體材料的石油礦石進(jìn)行熱解，以驅(qū)走石油的有用的較輕部分，這些較輕部分以基本不含有感受體材料的蒸汽形式被收集，同時(shí)熱解之后余留的底部可含有感受體并且可在不移除感受體的情況下被使用或者被處理掉。參照?qǐng)D1，提供了本公開的實(shí)施例的流程圖。包括容納第一物質(zhì)的容器1，第一物質(zhì)具有在3000MHz小于0.05的電介質(zhì)耗散因數(shù)ε。第一物質(zhì)例如可包含石油礦石，諸如浙青礦石、油砂、浙青砂、油頁巖或重油。容器2容納第二物質(zhì)，第二物質(zhì)包含微型偶極子感受體。微型偶極子感受體可包含這里所討論的微型偶極子中的任何一個(gè)，諸如碳纖維、碳纖維絮凝物或碳織物。提供用于將第二微型偶極子感受體物質(zhì)分散到第一物質(zhì)中的混合器3。 混合器3可包括用于混合黏性物質(zhì)、土或石油礦石的任何合適的混合器，諸如磨砂機(jī)、土混合器等?；旌掀骺膳c容器1或容器2分離，或者混合器可以是容器1或容器2的一部分。還提供用于在加熱期間容納第一物質(zhì)和第二物質(zhì)的混合物的加熱器皿4。加熱器皿也可與混合器3、容器1和容器2分離，或者它可以是這些部件中的任何一個(gè)或者全部的一部分。此外，提供能夠發(fā)射如這里所述的電磁能量以加熱混合物的天線5。天線5可以是位于加熱器皿4上方、下方或鄰近加熱器皿4的分離部件，或者它可構(gòu)成加熱器皿4的一部分?？蛇x地，可提供另外的部件，即，過濾器6，過濾器6能夠從第一物質(zhì)基本上過濾所有的包含微型偶極子的第二物質(zhì)。過濾之后，尾礦(tailing) 7然后可被移除或者處理掉，同時(shí)加熱的石油產(chǎn)品8可被存放或輸送。參照?qǐng)D2，對(duì)用于對(duì)石油礦石進(jìn)行RF加熱的裝置進(jìn)行描述。微型偶極子210分布在石油礦石220中。微型偶極子可優(yōu)先由部分導(dǎo)電碳纖維形成?？椢锲?12可含有微型偶極子210的碳纖維，變成被解開以釋放碳纖維微型偶極子。在另一個(gè)實(shí)例中，織物片212可保持完整無損地形成微型環(huán)形天線感受體214。優(yōu)選的碳纖維在提供RF電納、天線功能、對(duì)烴礦石220的熱施加的同時(shí)實(shí)際上可包含各種幾何形式。石油礦石220可含有任何濃度的烴分子，這些烴分子本身可能不是用于RF加熱的合適感受體。天線230被放置成與微型偶極子210和石油礦石220的混合物足夠接近，以在混合物中引起加熱，所述加熱可以是近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)或者這二者。天線230可以是蝶形偶極子，但是本發(fā)明不限于此，根據(jù)行業(yè)，用于天線的任何形式可以是合適的?？衫闷髅驧0，器皿240可采取槽、分離錐形物或者甚至管道的形式?？衫脭嚢杌旌衔锏姆椒ǎT如泵(未顯示)。在一些應(yīng)用(諸如加熱傳送器上的干燥礦石)中，可以省略器皿M0。如普遍的那樣，可利用RF屏蔽罩250。發(fā)射設(shè)備沈0 生成用于天線230的時(shí)間諧波(比如RF)電流。發(fā)射設(shè)備260可包含各種RF發(fā)射設(shè)備特征，諸如阻抗匹配設(shè)備(未顯示)、可變RF耦合器(未顯示)和控制系統(tǒng)(未顯示)。因此，通過在石油礦石和烴中添加導(dǎo)電結(jié)構(gòu)來提供石油礦石和烴的增強(qiáng)RF加熱， 所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)諸如具有足夠電阻的薄碳纖維或方形物。導(dǎo)電結(jié)構(gòu)可提供對(duì)電磁場(chǎng)和無線電波做出響應(yīng)的類似天線的屬性，該電磁場(chǎng)和無線電波上具有用于加熱的電流流動(dòng)。由于薄天線的有效孔徑可以比其物理面積大得多，所以相對(duì)少數(shù)量的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)可以是足夠的。示例以下示例示出本公開的示例性實(shí)施例中的幾個(gè)。提供示例作為小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室證實(shí)示例。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員基于前面的詳細(xì)描述將理解如何工業(yè)規(guī)模地進(jìn)行以下示例性方法。示例1 在不添加感受體的情況下對(duì)石油礦石進(jìn)行RF加熱以72° F(22°C )的平均溫度獲得Athabasca油砂的1/4杯的樣本。樣本被容納在Pyrex玻璃容器中。GE DE68-0307A微波爐被用于在M50MHz以IKW加熱樣本30秒(微波爐的100%功率)。所得的加熱之后的平均溫度為125° F(51°C)。2 在添加碳纖維感等彳本的情況下對(duì)石油礦石講行RF加熱以72° F(22°C )的平均溫度獲得Athabasca油砂的1/4杯的樣本。樣本容納在Pyrex玻璃容器中。將平均溫度為72° F(22°C)的1湯匙碳纖維絮凝物(Hexcell Corporation of Stamford Connecticut 的 HexTow 1900/IM 短切碳纖維)添力口到 Athabasca油砂，并將該碳纖維絮凝物均勻混合。GE DE68-0307A微波爐被用于在M50MHz 加熱混合物30秒。所得的加熱之后的混合物的平均溫度為F(115°C)。3 用碳纖維方形物感等彳本對(duì)石油礦石講行RF加熱以72° F(22°C )的平均溫度獲得Athabasca油砂的1/4杯的樣本。樣本容納在 Pyrex玻璃容器中。將平均溫度為72° F(22°C )的1湯匙碳纖維絮凝物添加到Athabasca 油砂，并將該碳纖維絮凝物均勻混合。GE DE68-0307A微波爐被用于在對(duì)5011泡以IKW加熱混合物。所得的加熱之后的混合物的平均溫度為180° F(82°C)。
權(quán)利要求
1.一種用于加熱石油礦石的方法，包含以下步驟(a)提供體積為大約10%到大約99%的第一物質(zhì)和體積為大約到大約50%的第二物質(zhì)的混合物，所述第一物質(zhì)包含石油礦石，所述第二物質(zhì)包含微型偶極子感受體；(b)將足以加熱所述微型偶極子感受體的功率和頻率的射頻能量施加于所述混合物；和(c)持續(xù)施加所述射頻能量足夠的時(shí)間，以使得所述微型偶極子感受體能夠?qū)⑺龌旌衔锛訜岬酱笥诖蠹s212° F(100oC )的平均溫度。
2.—種RF加熱方法，包含(a)提供電介質(zhì)耗散因數(shù)ε在3000MHz小于0.05的第一物質(zhì)；(b)添加包含平均體積小于1立方厘米的微型偶極子感受體的第二物質(zhì)，以產(chǎn)生分散混合物，其中，所述第二物質(zhì)構(gòu)成所述混合物的體積的大約到大約40%之間；(c)以足以加熱所述微型偶極子感受體的功率水平和頻率將射頻施加于所述混合物；(d)保持所述射頻足夠的時(shí)間，以使得所述微型偶極子感受體能夠?qū)⑺龌旌衔锛訜岬酱笥?12° F(100oC )的平均溫度；和(e)從所述混合物移除所述微型偶極子感受體。
3.一種適合于RF加熱的合成物，所述合成物包括第一物質(zhì)和包含微型偶極子感受體的第二物質(zhì)的混合物，所述第一物質(zhì)為電介質(zhì)耗散因數(shù)ε在3000MHz小于0.05的石油礦石，所述微型偶極子感受體為碳纖維、碳纖維絮凝物或碳纖維織物。
4.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的發(fā)明，其中，所述微型偶極子感受體為碳纖維、碳纖維絮凝物或碳纖維織物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的發(fā)明，進(jìn)一步包括隨后從所述混合物移除所述微型偶極子感受體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4或5所述的發(fā)明，其中，所述石油礦石包括浙青礦石、油砂、浙青砂、油頁巖或重油。
7.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的發(fā)明，其中，所述微型偶極子感受體的平均尺寸小于1立方厘米，優(yōu)選地，小于1立方毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5或6所述的發(fā)明，其中，所述射頻為IOkHz到IOMHz或者 IOOMHz 到 3GHz。
9.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的發(fā)明，其中，所述混合物包含重量為大約70%到大約90%的第一物質(zhì)和重量為大約30%到大約10%的微型偶極子感受體。
10.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的發(fā)明，其中，所述混合物包含粉末、顆粒狀物質(zhì)、 漿料或黏性液體。
全文摘要
公開了一種用于通過施加射頻(“RF”)能量來加熱材料的方法。例如，本公開涉及一種用于對(duì)石油礦石進(jìn)行RF加熱的方法和裝置，該石油礦石例如瀝青、油砂、油頁巖、瀝青砂或重油。石油礦石與包含微型偶極子感受體的物質(zhì)混合，所述微型偶極子感受體例如碳股。提供將足以加熱微型偶極子感受器的功率和頻率的RF能量施加于混合物的源。施加RF能量足夠的時(shí)間，以使得微型偶極子感受器能夠?qū)⒒旌衔锛訜岬酱笥诖蠹s212°F(100℃)的平均溫度。可選地，可在實(shí)現(xiàn)期望的平均溫度之后移除微型偶極子感受體。感受體可為烴的RF加熱提供優(yōu)點(diǎn)，例如(足以進(jìn)行蒸餾或熱解的)較高溫度、無水處理以及更快的速度或效率。
文檔編號(hào)C10G1/02GK102341480SQ201080010116
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者F·E·帕斯切 申請(qǐng)人:哈里公司