基于介电性质差异的微波诱导强化蒸馏分离
发布时间：2021-03-09 18:38
具有选择性加热特性的微波辐射场对混合物相对挥发度影响的发现,对基于混合物介电性质差异而实现化工分离新技术的开发和工程强化能起到极大的推动作用。本文梳理了近年来发展的微波场强化化工分离方法,阐述了微波场与各类物质的特殊作用机制,重点介绍了微波场诱导强化极性-非极性混合物蒸馏分离新技术的相关研究。针对微波诱导分离技术在实际应用中亟需解决的关键问题,着重综述了作者课题组在微波诱导分离机理、分离装置与微波腔体结构设计及过程模型方面的研究进展。最后,对微波技术在化工分离过程强化领域应用目前尚存在的问题提出建议,期望对未来通过介电性质差异实现分离的发展方向提供参考。
【文章来源】：化工进展. 2020,39(06)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
微波相对挥发度的测量设备比较
另外，最近几年分子动力学模拟技术的进步使得探究电磁场与分子之间的相互作用成为可能，有利于探究微波诱导极性分子挥发的微观机理。在电磁场的高频振荡下，分子的偶极旋转和离子迁移会引发分子化学环境的不同，因此部分学者推测这些微波效应可能会引起诸如氢键结构破坏等分子间相互作用的变化，而微观结构的变化会在宏观的热力学性质上有所体现。分子动力学模拟是基于牛顿第二定律，使多个分子内原子按照一定的受力情况（即力场）进行运动，最终通过统计原子坐标计算宏观热力学性质的一种方法。因此建立正确的力场对于准确模拟微波场下的分子行为至关重要，目前相关研究主要使用LAMMPS或GROMACS中软件自带的如SPCE等系列较为成熟的现有力场[12-13]。通过在各力场下对分子体系进行模拟，将微波场作为正弦电场输入，运行之后计算体系内诸如介电性质、分子扩散系数等宏观热力学性质，与实验测量值进行比较，以比较力场的适用性[14-15]。利用适用性较好的力场计算分子体系在微波场下的变化，可以辅助分析解释诸如氢键结构或溶质的溶剂层的变化原因[16-17]。当然目前观测手段有限，无法通过直接测量微波对分子间作用力的影响作用，为上述模拟结果提供力场参数的佐证。不过随着研究的进一步深入，微波与分子体系的作用规律将得到进一步阐释，可为基于介电性质差异分离技术的进一步开发提供理论基础。总之，尽管具体机理有待于进一步探究和阐释，大量研究证实了微波对于提高具备不同介电性质的混合物的相对挥发度有一定的强化作用，可基于该作用开发微波强化分离技术。显然，基于微波效能的强化分离的技术效果主要取决于待分离体系的介电性质的差异。除此之外，分离效率很大程度上受微波场强等操作条件以及待分离体系分子间的传质传热程度的影响。因此，设备层面的优化以确保微波强化分离的效率是微波技术应用的一个重要课题。
化工分离单元操作通常利用待分离混合物之间某种物理性质的差异，依据热力学相平衡以及相间动力学传质来实现分离。例如，精馏分离，利用混合物间的相对挥发度差异，通过气-液两相间的传质过程，实现混合物分离；萃取分离，利用混合物各组分在萃取剂中的溶解度差异，通过液-液相传质实现混合物分离；吸附分离，利用混合物各组分与吸附剂结合能力差异，通过气-固（或液-固）相间传质实现分离；结晶分离，利用混合物各组分间溶解度差异，通过固-液相传质实现混合物的分离；均相混合物的膜分离，利用混合物各组分在膜内传质性能的差异，通过固-液（或固-气）传质实现混合物分离等。实现混合物分离需要具备两个必要条件，一是混合物间存在某种性质的差异，二是进行不同相间的传质过程。根据上述特点，可以将各类经典化工分离过程单元操作总结如图1所示。如上所述，各类化工分离过程中均需要使用分离剂。通常来讲分离剂可分为两类：质量分离剂（MSA）和能量分离剂（ESA）。质量分离剂包括非均相溶剂（如萃取分离过程中的萃取剂、吸收过程中的吸收剂），电解质（如盐析分离的无机盐或有机盐），非均相固体材料（如膜分离操作中的膜材料、吸附床层的吸附剂）等。能量分离剂通过能量的输入和抽出引发新相产生，利用热力学相平衡实现分离，如蒸馏、蒸发等通过热能输入以引发气相产生、结晶过程热量的抽出以引发晶体析出。近几年，其他新兴形式的能量，例如电能、光能和微波能等，已经越来越多地用来驱动和强化化工过程，这为分离技术的发展提供了新的思路。在质量分离剂的研究中，如萃取分离、膜分离、吸附分离等，由于其各自分离剂的特性不同，对分离效果和操作方法都呈现出巨大差别，因此不断改进和开发优良的质量分离剂也是当前分离过程研究领域的热点方向。例如：由于离子液体作为新型绿色萃取剂的发现，为萃取分离过程发展提供了新的增长点和有力支撑；而膜材料作为膜分离过程的关键部分，一直是膜分离领域的研究热点，特别是新兴材料如氧化石墨烯等二维材料以及COFs等多孔材料的发现为其研究提供了众多可能；同样，吸附剂作为吸附过程的分离剂，由于MOFs、COFs等多孔材料的发现，为吸附分离过程的发展开辟了崭新的思路。与之类似，最近能量分离剂由于输入能量特性的不同而对分离效率和单元操作产生强化和提升而广受关注，如电场、超声场以及微波场等新型能量形式在化工分离过程中的应用。
【参考文献】：
博士论文
[1]微波强化催化反应精馏过程研究[D]. 高鑫.天津大学 2011
硕士论文
[1]微波诱导蒸发强化分离的装备与过程研究[D]. 刘佳惠.天津大学 2018
[2]微波场对二元体系相对挥发度的影响机理及应用研究[D]. 崔俊杰.天津大学 2016
本文编号：3073289
【文章来源】：化工进展. 2020,39(06)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
微波相对挥发度的测量设备比较
另外，最近几年分子动力学模拟技术的进步使得探究电磁场与分子之间的相互作用成为可能，有利于探究微波诱导极性分子挥发的微观机理。在电磁场的高频振荡下，分子的偶极旋转和离子迁移会引发分子化学环境的不同，因此部分学者推测这些微波效应可能会引起诸如氢键结构破坏等分子间相互作用的变化，而微观结构的变化会在宏观的热力学性质上有所体现。分子动力学模拟是基于牛顿第二定律，使多个分子内原子按照一定的受力情况（即力场）进行运动，最终通过统计原子坐标计算宏观热力学性质的一种方法。因此建立正确的力场对于准确模拟微波场下的分子行为至关重要，目前相关研究主要使用LAMMPS或GROMACS中软件自带的如SPCE等系列较为成熟的现有力场[12-13]。通过在各力场下对分子体系进行模拟，将微波场作为正弦电场输入，运行之后计算体系内诸如介电性质、分子扩散系数等宏观热力学性质，与实验测量值进行比较，以比较力场的适用性[14-15]。利用适用性较好的力场计算分子体系在微波场下的变化，可以辅助分析解释诸如氢键结构或溶质的溶剂层的变化原因[16-17]。当然目前观测手段有限，无法通过直接测量微波对分子间作用力的影响作用，为上述模拟结果提供力场参数的佐证。不过随着研究的进一步深入，微波与分子体系的作用规律将得到进一步阐释，可为基于介电性质差异分离技术的进一步开发提供理论基础。总之，尽管具体机理有待于进一步探究和阐释，大量研究证实了微波对于提高具备不同介电性质的混合物的相对挥发度有一定的强化作用，可基于该作用开发微波强化分离技术。显然，基于微波效能的强化分离的技术效果主要取决于待分离体系的介电性质的差异。除此之外，分离效率很大程度上受微波场强等操作条件以及待分离体系分子间的传质传热程度的影响。因此，设备层面的优化以确保微波强化分离的效率是微波技术应用的一个重要课题。
化工分离单元操作通常利用待分离混合物之间某种物理性质的差异，依据热力学相平衡以及相间动力学传质来实现分离。例如，精馏分离，利用混合物间的相对挥发度差异，通过气-液两相间的传质过程，实现混合物分离；萃取分离，利用混合物各组分在萃取剂中的溶解度差异，通过液-液相传质实现混合物分离；吸附分离，利用混合物各组分与吸附剂结合能力差异，通过气-固（或液-固）相间传质实现分离；结晶分离，利用混合物各组分间溶解度差异，通过固-液相传质实现混合物的分离；均相混合物的膜分离，利用混合物各组分在膜内传质性能的差异，通过固-液（或固-气）传质实现混合物分离等。实现混合物分离需要具备两个必要条件，一是混合物间存在某种性质的差异，二是进行不同相间的传质过程。根据上述特点，可以将各类经典化工分离过程单元操作总结如图1所示。如上所述，各类化工分离过程中均需要使用分离剂。通常来讲分离剂可分为两类：质量分离剂（MSA）和能量分离剂（ESA）。质量分离剂包括非均相溶剂（如萃取分离过程中的萃取剂、吸收过程中的吸收剂），电解质（如盐析分离的无机盐或有机盐），非均相固体材料（如膜分离操作中的膜材料、吸附床层的吸附剂）等。能量分离剂通过能量的输入和抽出引发新相产生，利用热力学相平衡实现分离，如蒸馏、蒸发等通过热能输入以引发气相产生、结晶过程热量的抽出以引发晶体析出。近几年，其他新兴形式的能量，例如电能、光能和微波能等，已经越来越多地用来驱动和强化化工过程，这为分离技术的发展提供了新的思路。在质量分离剂的研究中，如萃取分离、膜分离、吸附分离等，由于其各自分离剂的特性不同，对分离效果和操作方法都呈现出巨大差别，因此不断改进和开发优良的质量分离剂也是当前分离过程研究领域的热点方向。例如：由于离子液体作为新型绿色萃取剂的发现，为萃取分离过程发展提供了新的增长点和有力支撑；而膜材料作为膜分离过程的关键部分，一直是膜分离领域的研究热点，特别是新兴材料如氧化石墨烯等二维材料以及COFs等多孔材料的发现为其研究提供了众多可能；同样，吸附剂作为吸附过程的分离剂，由于MOFs、COFs等多孔材料的发现，为吸附分离过程的发展开辟了崭新的思路。与之类似，最近能量分离剂由于输入能量特性的不同而对分离效率和单元操作产生强化和提升而广受关注，如电场、超声场以及微波场等新型能量形式在化工分离过程中的应用。
【参考文献】：
博士论文
[1]微波强化催化反应精馏过程研究[D]. 高鑫.天津大学 2011
硕士论文
[1]微波诱导蒸发强化分离的装备与过程研究[D]. 刘佳惠.天津大学 2018
[2]微波场对二元体系相对挥发度的影响机理及应用研究[D]. 崔俊杰.天津大学 2016
本文编号：3073289
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