超重力耦合微波的强化给热机制研究
作为一种典型的化工过程强化设备，超重力反应器由于具有强化传质和混合的特性，已成功应用于精馏、吸收、废水处理、纳米材料制备等众多领域，并且得到了越来越广泛的认可。但在超重力反应器内部，因为液体为分散相，气体为连续相，反应器内部的导热系数比较低，不利于热量的传递，加热过程会存在加热效率低、能耗大等问题。鉴于微波可以直接使溶液中的极性分子产生高频振动、碰撞进而实现快速升温的特征，本课题提出开展超重力耦合微波的强化给热机制研究。 主要研究内容及结论如下: (1)多微波源微波反应釜内温度分布规律的实验研究。在静止反应釜内选取了三个测量截面，分别利用红外测温仪和热电偶进行温度测量，考察了微波源的位置和数量对每个截面和整体水域的升温规律以及温度分布规律的影响。结果发现，位置较靠上的水更容易被加热，其中上表面的水比底面的水的温度高4-5℃，原因是波导位于腔体的上半部分，导致靠上位置的水加热效率较高;在总输出功率相同时，同时开启双微波源的加热效率不如单微波源，这是由于双微波源发射的电磁波会相互影响，从而削弱了微波反应器的加热效率。 (2)多微波源微波反应釜内温度分布规律的模拟研究。利用COMSOL Multiphysics软件模拟了静止反应釜内的温度分布规律，将模拟与实验进行对比，结果发现模拟得到的升温规律与实验结果吻合度较好，实验结果与模拟结果误差在10％-20％之间，因此该模型可以用于耦合场内温度分布规律的预测。另外，通过模拟不同相对位置和安装方式微波源的加热效果，得到了较优的微波反应器的结构，在总输出功率一定时，当两个微波源相互平行时，加热效率和加热均匀性均明显优于单微波源和相互垂直的双微波源，并且当两个微波源之间的夹角为120°时，加热效率最高，温度分布最均匀;夹角为150°时，加热效率最低，温度分布的均匀性最差。 (3)超重力微波耦合场内温度分布规律的模拟研究。通过HFSS和Fluent两个软件，模拟了微波加热时旋转圆盘上流动的水的温度分布规律。其中，HFSS软件用来模拟反应器内电磁场的分布和水的电磁功率损耗密度，Fluent软件用来模拟水在旋转圆盘上的流动状态，将HFSS中得到的电磁功率损耗密度作为负载代入到Fluent中，最终得到利用微波加热时旋转圆盘上流动的水的温度分布规律。结果发现，由于水在旋转圆盘上流速较快，温度并没有升高太多，而在溢流堰附近温升较大，因此增加微波的作用时间对于反应器的设计至关重要。
化工过程;超重力反应器;微波辅助;强化给热机制
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
陈建峰
2020
中文
TQ021.3
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）