内置渐变结构介质天线的微波反应器加热性能研究

催化氧化是现有市场上销毁低浓度VOCs的主流技术,现有工艺采用电加热方式加热催化床层,其不足之处是效率低、升温速率慢。采用微波选择性加热催化床层具有升温速率快、能耗低的优势。然而作为一种新型的加热方式,目前腔体中微波加热仍然存在一些问题,例如不均匀性、低效率以及热失控,这些问题限制了微波加热的大规模应用。针对这一现状,基于阻抗匹配理论,设计了一种包括介质天线辐射器的新型微波加热系统,用于加热催化床层。建立了基于电磁学和固体传热的多物理场模型,使用COMSOL进行了数值计算和实验研究。结果表明,实验和仿真结果吻合,该系统可以实现对催化床层的高效率和高均匀性加热,同时具有较低的热失控风险。这项研究为微波加热技术的发展提供了新的思路和方法。

耦合多层流动元件的连续流微波反应器内电磁热特性

微波加热因其独特的体积加热在连续流系统中应用广泛,但其存在的明显缺点是温度不均匀导致局部热失控影响物料的加热效果。因此,通过多物理场耦合计算讨论物料体积、物料间距、波导位置、微波功率和物料流速对物料微波能量利用率和加热效果的影响。结果表明:微波连续流反应器内放置2层物料具有最优的微波能量利用率和加热效率;物料间距和波导位置的变化使得反应器腔内双层物料的微波能量利用率和加热效果出现非同步的差异;增加微波功率会增大反应器内双层物料加热效果的差异性,而增加物料流速则会改善这种差异。

腔体内壁脊形凹槽对微波反应器加热效率及均匀性的影响

提出在微波反应器腔体内壁设置脊形凹槽的优化策略,研究在保证加热效率的前提下提升微波加热的均匀性。利用有限元法仿真研究不同凹槽结构参数对微波反应器加热效率和均匀性的影响。研究结果表明:脊型凹槽结构能有效提升微波反应器的加热效率和加热均匀性。优化后微波反应器的加热效率达到98.75%,与微波腔壁光滑时相比,均匀性最大提升幅度达到58.54%。

基于新型微腔体微波反应器的微波辅助衍生-气相色谱质谱法快速测定水果中的有机酸

设计制作了一种新型微腔体微波衍生反应器,采用红外成像技术研究了反应器中样品的温度分布和升温特征。结果表明,设计的微波衍生反应器具有优于传统谐振腔微波反应器的体积小巧、操作简单、样品升温匀速平稳、温度分布均匀、易于控制等特点。据此建立了微波辅助衍生-气相色谱质谱法(microwave-assisted derivatization-gas chromatography mass spectrometry,MAD-GC-MS)快速测定有机酸的方法,采用GC-MS鉴定出琥珀酸和柠檬酸衍生产物分别为琥珀酸二甲酯和柠檬酸三甲酯,获得最佳衍生条件:衍生剂硫酸体积分数20%,用量1.0 mL、微波功率30 W、微波衍生时间4 min。相对于传统衍生方法,衍生时间从120 min大幅度缩短至4 min,且衍生效率明显提高。该方法对琥珀酸和柠檬酸的检出限分别为0.019 mg/mL和0.026 mg/mL,使用该方法测定了柠檬、猕猴桃和番木瓜中琥珀酸和柠檬酸含量,回收率为98.34%~102.52%,标准偏差为1.63%~3.25%。该研究所设计的微腔体微波反应器适于色谱分析前对有机酸等成分进行精确、平稳可控地快速微波衍生处理,在食品分析领域具有良好的应用前景。

微波反应器水负载加热性能的研究

研究了微波反应器中水负载的加热性能．结果表明：（１）微波加热具有类似于放热反应的特征；（２）微波的有效输出功率除与微波场、水负载的形状和大小有关外，还取决于水负载的安装位置；（３）在实验范围内，水负载所带走的微波功率为Ｑ＝Ａｅｘｐ（２６８８．５／Ｔｍ）．

凹弧面内筒壁对微波反应器加热效率及均匀性的影响

微波加热过程中普遍存在电磁场能量分布均匀性差的问题,这将导致物料被非均匀加热,进而引发热点甚至热失控,制约了微波加热的推广。通过在玻璃内筒壁上加工凹弧面,利用凹弧面对微波具有多次漫反射的特点,提高电磁场分布的均匀性。在建模的基础上,利用HFSS软件仿真研究玻璃内筒壁上凹弧面参数对微波反应腔内电磁场分布的影响。研究表明,当凹弧面半径r=12mm时,在不牺牲加热效率的前提下,反应物料内微波场分布均匀性可提高10.7%。

微波反应器加热效率及均匀性仿真优化

利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件采用有限元分析方法建模仿真了负载半径、负载位置和馈入功率相关参数对微波反应器内负载温度分布均匀性及反应器加热效率的影响,探究表明:负载半径和负载位置的变化导致微波反应器中负载温度均匀性以及加热效率的改变,而波导馈入功率的改变则仅仅改变负载的升温速率,导致负载中的温差差异明显;优化出当负载半径为32 mm,负载位置为10 mm以及馈入功率为10 k W时,微波反应器获得最优的加热均匀性,加热效率达到99%以上。同时考察了不同速度下的连续式微波反应器内的温度分布,结果表明:负载运行速度越大,体系平均温度越低,同时连续式微波反应器出口的温度随负载运行速度增大而减小。

高功率矩形微波反应器加载圆柱形负载的仿真优化

利用高频电磁仿真软件HFSS 13对加载圆柱形负载的高功率矩形微波反应器进行建模仿真,计算馈口夹角及距离、负载材料、尺寸及位置对微波反应器加热效率的影响,获得各设计参数与反射功率之间的关系,分析得出优化高功率矩形微波反应器加热效率的普适结论.基于优化结论,选取各优化参数重新进行建模仿真.仿真结果显示,加热负载为粉煤灰和玻璃时微波吸收效率最高分别可达98.5%和95.3%.

凹凸槽结构对圆柱形微波反应器加热效率及均匀性影响研究

提出在圆柱形微波反应器的腔体侧壁上引入圆形凹槽结构和凸槽结构改善微波反应器中的空间电磁场分布,提高微波加热效率和均匀性;利用HFSS软件仿真计算凹凸槽结构对圆柱形微波反应器加热效率和均匀性的影响,揭示凹凸槽结构参数对圆柱形微波反应器加热效率和场分布均匀性影响的基本规律.研究结果表明,凹凸槽结构参数对圆柱形微波反应器的加热效率和均匀性具有一定影响,凹凸槽结构能显著提高圆柱形微波反应器的加热效率和均匀性.

面向化学研究的微波反应器

微波直接将能量辐射到反应物上,使分子产生高速旋转和碰撞,实现内加热,并使微波作用下的化学反应具有强活化温转化、反应速度快、转化率高和选择性好的特点。从微波化学反应器的发展,分析了它们各自的特点,结合基础化学实验室的实际情况,以家用微波炉为基础设计改装了微波化学反应器。以十一烯酸锌的合成反应和醇的氧化反应为例,验证了微波化学反应的优越性。

一种带夹层釜式微波反应器加热效果模拟分析

针对微波反应器加热均匀性的问题设计了一种带夹层的釜式微波反应器,运用多物理场仿真的方法,探究波导位置和夹层厚度对其加热效率和加热均匀性的影响规律。结果表明:波导位置在物料液面之下普遍可以取得较高的加热效率,但加热均匀性较差;夹层可以有效改善反应器的加热均匀性,并在部分情况下提高加热效率。通过运用响应面分析法对反应器结构进行优化:最高加热效率可以达到99.19%;加热均匀性最适宜的波导高度为389.74 mm,夹层厚度为30.09 mm。

可连续制备金属纳米粒子的高效微波反应器

日本产业技术综合研究所（National Institute of Advanced Industrial Scienceand Technology，AIST）紧凑化学过程研究中心（Research Centerfor Compact Chemical Process）的Nishioka Masateru与Kagaku Shinko共同开发了一项利用微波辅助流动反应器制备金属纳米颗粒的工艺。研究人员发现，采用微波辅助流动反应器，可实现在垂直管式反应器中均匀加热催化剂和反应物，并通过调节可调型半导体微波发生器的微波频率控制反应温度。

大面积等离子体微波反应器的设计与仿真

针对微波等离子体装置的应用领域,设计一种具有大面积等离子体的微波反应器结构。首先通过理论分析设计出微波等离子体反应器的主要结构并计算其基本结构参数,确定微波反应器的工作模式,然后利用电磁仿真计算微波反应器的电场分布及其大小,确定最优结构参数。

自制微波化学反应器(MCR)的调试和试用

微波可以显著地提高某些化学反应的速度。但其作用机理尚不清楚。为进行微波能量对阿仑尼乌斯方程中指前因子影响的研究,要求微波化学反应器(MCR)具有下列性能:(1)功率连续可调;(2)可以调节在不同水平的恒定功率下(不是平均功率)工作;(3)可以在恒温模式下工作;(4)具有数显转速调速的搅拌器;(5)微波泄漏<1 mW/cm2。为此,按以上要求对家用微波炉进行改造;改造后的MCR满足以上各项要求,已用于对阿氏方程中指前因子影响的研究得到满意的效果。

微波有机合成及反应器研究新进展

综述了近年来微波辐射技术在有机合成应用中的新进展。针对微波有机合成反应技术及专用微波反应器作了重点介绍。

微波有机合成及反应器的新进展

简述了微波促进有机合成反应的机理 ,讨论了微波密闭合成反应技术、微波常压合成反应技术、微波连续合成反应技术及微波干法合成反应技术在近年来的进展情况。分析了家用微波炉的缺点 ,对目前国内外实验用微波反应器在有机合成应用中的不足之处进行了评价 ,结合本教研室所做的工作 ,介绍了有机合成专用微波炉。展望了微波有机合成的发展前景。

高温微波冶金反应器的研究现状及发展趋势

在简述微波加热基本原理的基础上,评述高温微波冶金反应器近年来的国内外研究现状,分析目前高温微波冶金反应器存在的主要问题,指出由于高温条件下微波系统的连续稳定性、适用于微波场的大尺寸高温反应内腔及高效的反应工程设计等难题,除小规模微波设备外,能够满足高温、高效、大功率的微波冶金反应器仍是空白,解决高温微波冶金反应器工业化应用在微波高温陶瓷材料、大功率微波发生器和物料温度测试等方面存在的主要问题,提高微波能的转换效率,研制、设计连续、稳定的大功率高温微波冶金反应器是微波工业化实践的关键。

微波等离子体反应器的设计与仿真

针对微波等离子体的激发及应用实验,设计一种具有大面积、高能量密度等离子体的微波反应器。首先通过理论计算圆柱型微波反应器的基本参数,分析微波反应器的工作模式与微波传输模式相互激励原理。然后利用电磁仿真优化关键结构参数对微波反应器内电场强度与电场分布的影响,验证了模式数量的叠加实现微波反应器内电场强度和电场分布的叠加。最后依据最优参数制造了微波反应器样机,进行了等离子体激发实验,利用产生的微波等离子体制备出纳米材料。

矩形波导谐振腔微波化学反应器的研究

改变矩形波导谐振腔微波化学反应器的结构尺寸如:耦合膜片的形状、尺寸,反应管的直径、管壁厚度、材料和位置,利用HFSS软件计算不同结构尺寸反应器的S参数,仿真的最优结果与实验结果一致,得到了最优结构尺寸的反应器.反应管和短路活塞位置会影响反应器内的电磁场分布,因而直接影响微波化学反应器的工作.在反应管位置z0为106mm,短路活塞位置L0为146mm的最优结构尺寸反应器中,反应管以及内部的甲烷气体处在电场最强的位置且场分布均匀,这有利于甲烷得到足够的能量产生放电.仿真结果和我们的实验结果符合较好.

微波化学反应器在药物化学中的应用

微波化学反应器具有科学快捷和绿色环保等优点,在药物化学合成中有着极其广泛的应用。文中将功能改造后的微波化学反应器应用于黎卢醛合成实验中。结果表明:在改进了实验条件后,达到了省时、节能及环保的目的,并且极大地提高了化学反应产物的收率。