Влияния микроволнового СВЧ-поля на молекулы углеводородов нефти и газового конденсата

Исследование биологического действия СВЧ микроволнового излучения было начато в тридцатых годах. Было обращено внимание на особую перспективу использования биологического действия микроволнового СВЧ волн в лечебных целях, тепловой эффект которых выражен значительно больше и наступает при значительно меньших интенсивностях электромагнитного облучения, чем для ультракоротких волн.

Считается, что в основе биологического действия микроволн лежат резонансные явления, то есть эффект вибраций, который обусловливает влияние излучения на молекулярную структуру обрабатываемого материала.

История развития электронно-ионных технологий и СВЧ электромагнитного излучения

Изучение электронно-ионных процессов в течение последних полутора сотен лет неоднократно приводило к масштабированию проблем при разработке самых разнообразных технологических процессов. Открытие новых типов электронных систем стимулировало революционный прогресс в промышленных технологических процессах.

Первые печи для электронно-лучевой плавки были запатентованы в 1907 году. Развитие направления электронно-лучевых плавильных печей ставило целью получить тугоплавкие и жаропрочные сплавы с точным содержанием примесей внедрения. К началу 60-х годов двадцатого века электронно-лучевой технологический процесс плавления металлов приобретает особо интенсивное развитие. В промышленности появляется оборудование суммарной мощностью в сотни киловатт.

К середине 70-х годов в промышленности применяется уже сотни электронно-лучевых печей для выплавки металлов общей мощностью более 33 МВт.

Достоинства технологии электронно-лучевой выплавки металлов связаны с высокой концентрацией выделяющейся джоулевой теплоты и с возможностью точного регулирования в широких пределах скорости плавки. Этой технологии характерна экологичность.

Электронно-лучевой нагрев металлов

Одновременно развивается методика испарения материалов в вакууме под влиянием электронного луча для получения покрытий. Эта технология нагрева получает развитие в машиностроении для закалки изделий, требующих высокой твердости. Получают развитие электронно-лучевая сварка металлов и методики воздействия лучей на структуру материалов.

Одновременно с электронно-лучевой развивается ионно-лучевая обработка материалов. В промышленных масштабах применяются закономерности катодного распыления в условиях тлеющего разряда. Разработки в области ускорителей элементарных частиц способствуют совершенствованию технологий ионно-лучевого распыления веществ.

Магнетронные микроволновые СВЧ распылительные системы для микроэлектроники

Значительное развитие при этом получили технологии производства изделий микроэлектроники. До середины 70-х годов в промышленности применялись распылительные системы диодного типа, главными недостатками которого считались наличие высокого напряжения, вызывающего радиационные дефекты, а также высокий нагрев подложек.

В СВЧ магнетронных распылительных системах, появившихся позже, эти недостатки были преодолены. Развивается ионное травление металлов. Ионно-плазменное травление начинает вытеснять химическое травление, менее эффективное по экономическим и экологическим критериям. Одним из соображений, по которому различают используемые в микроэлектронике методы ионно-плазменного травления, считается энергия ионов. При плазмохимическом травлении энергия ионов обычно не превышает 100 эВ, при ионно-химическом – 0,1–0,5 кэВ, а для технологических процессов ионного травления – 0,5–2 кэВ.

Перспективные ионные технологии в промышленности

Перспективным методом применения ионной технологии в промышленности является использование ионного излучения в целях непосредственного формирования топологических рисунков. Эта технология получила название «ионная литография», разработка которой была начата в 1980 году. В будущем намечается создание оборудования с фокусированным ионным лучом, создающим элементы литографии с нанометровыми размерами, 0,3–0,03 мкм.

Немаловажной составляющей методики полупроводникового производства стал способ ионной имплантации, в основе которого базируется возможность легирования полупроводниковых материалов путем внедрения в них ускоренных ионов.

Ионно-лучевая технология в полупроводниковой промышленности представляет собой универсальный метод воздействия на поверхностные слои любых веществ. Имплантация примесей «донорских» элементов различного дозирования и глубины внедрения позволяет получать новые материалы с уникальными свойствами и новыми электрофизическими, прочностными, химическими характеристиками.

Влияния СВЧ-поля на молекулы углеводородов нефти и газового конденсата

На сегодняшний день теоретически и практически пройден значительный этап по преодолению малых масштабов и переходу на промышленный уровень СВЧ как источника энергии. Важность этого особенно значима для крупных и энергоемких технологических процессов. Например, для переработки нефти и газового конденсата.

Действительно, возможность непосредственного влияния СВЧ-излучения на молекулы углеводородов открывает широкие возможности СВЧ микроволнового нагрева на стадиях:

  • обессоливания, обезвоживания и первичной перегонки нефти и газового конденсата;
  • вторичной переработки нефтепродуктов, в том числе каталитические процессы;
  • ускорения процесса теплообмена при термических и каталитических процессах;
  • структурных преобразований молекул углеводородов нефти и газового конденсата.

Проведенный анализ большого количества химических реакций, сопровождаемых микроволновым СВЧ-излучением, дает сделать вывод о том, что электромагнитные СВЧ волны снимают только кинетические ограничения реакций, не изменяя термодинамических параметров. На сегодня не обнаружено реакций, простимулированных электромагнитным СВЧ-излучением, которые не протекали бы в обычных условиях.

Реализация резонансного взаимодействия СВЧ-энергии с материалами

СВЧ-нагрев очень заметно отличается от традиционного тем, что он обусловливает дипольную поляризацию молекул, что в принципе может приводить к неожиданным эффектам. Величина кванта энергии, соответствующая сантиметровому, миллиметровому и субмиллиметровому диапазонам электромагнитного СВЧ излучения, близка к разнице энергий близко расположенных энергетических уровней атомов и молекул, что является хорошей предпосылкой для их активации. Этот факт играет определяющую роль, поскольку применение резонансного взаимодействия электромагнитного СВЧ-излучения с материалом будет стимулировать промежуточное взаимодействие твердого тела с реагирующими компонентами через их активированное состояние.

Вычислив в каждом конкретном случае свои резонансные частоты, можно внедрить существенные геометрические и энергетические изменения молекул обрабатываемого материала вплоть до изменения его физико-химических свойств. Возможно образование некоторого переходного состояния, отличного по свойствам от первоначального, что является предпосылкой для развития нового реакционного пути при осуществлении какого-либо химического процесса.

Воздействие на катализатор использованием энергии электромагнитных СВЧ-полей

Современные возможности механического воздействия на твердое вещество позволяют целенаправленно и полностью менять его свойства. Это открывает широкие возможности для регулирования фазового состава катализатора и изменения энергетики и геометрии поверхности.

Фактически можно говорить о формировании нестационарных состояний за счет энергии упругого влияния, которые выражаются в реализации новых полей состояний катализатора, концентрационных и температурных градиентов, то есть в создании таких возможностей, при которых протекание каталитического акта более успешно, чем в стационарном состоянии.

Второй возможностью непосредственного воздействия на катали- затор является использование энергии СВЧ-полей. Кроме объемных источников тепла, возникающих в твердом теле, после СВЧ микроволнового облучения имеют место поляризационные явления, что в итоге также обусловливает развитие нестационарных состояний.

Можно думать, что в ближайшей перспективе появится возможность не только предсказывать итог работы гетерогенных катализаторов, но и селективно управлять каталитическим процессом.

Перспективы СВЧ технологий

Активное развитие технологии электромагнитных СВЧ излучений открывает широкие перспективы в различных отраслях народного хозяйства, различных отраслях промышленности, в лабораторных исследованиях и в быту.

Эволюция микроволновой СВЧ техники позволяет прогнозировать как в сфере совершенствования различных отраслей промышленности и машиностроения, так и в расширении возможностей научно-исследовательского оборудования. Важным аспектом являются экологические и экономические преимущества.

Важнейшим стратегическим преимуществом в развитии микроволновых СВЧ-технологий является решение растущей энергетической проблемы с развитием техники. Остаются актуальны проблемы передачи и увеличения объемов информационных сигналов на большие расстояния и модернизации оборонного военно-промышленного комплекса.

Влияния микроволнового СВЧ-поля на молекулы углеводородов нефти и газового конденсата