一种带夹层釜式微波反应器的设计与优化
发布时间：2022-02-27 07:45
微波强化酯化反应制备生物柴油是一种非常高效的技术,但目前微波反应器的制备规模普遍较小、仅能满足实验室研究所需。为了促进生物柴油大规模、产业化的生产,有必要对微波反应器进行放大设计。本文根据传统微波反应器的特点并结合已有微波反应器的结构特征,提出了一种中试规模的带夹层釜式微波反应器。为了对反应器进行优化设计,本文将麦克斯韦方程、传热方程以及流动方程等进行耦合,以数值模拟的方式对电场、流场以及温度场进行仿真分析,通过研究各因素对微波加热效果的影响提出对应的改进措施,最后根据其加热的特点对微波加热控制系统进行设计与搭建。主要研究内容和结论如下:（1）微波反应器的结构优化。将麦克斯韦方程与传热方程耦合进行瞬态模拟,分析不同结构反应器的微波加热效果,发现波导位置和夹层厚度对微波加热效果的影响显著,然后通过响应面分析的方式,从加热效率和加热均匀性两个方面考虑,得到最优反应器结构为波导高度344 mm、夹层厚度20 mm。（2）微波加热效果影响因素的分析。通过优化后的结构,探究物料介电特性、微波频率、物料量等对微波加热效果的影响,发现物料介电值高时微波加热的效率高,物料介电值低、物料量大时微波加热的...
【文章来源】：江南大学江苏省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
偶极子在电场中的调整方式
反应器内的反应溶液与外部冷凝装置相连，实现了微波常压下的有机合成。李耀先等[33-34]对微波炉进行了另一种改造，将反应容器置于微波炉内，在微波炉的顶部开孔，然后通过这个孔将反应容器与搅拌装置、分水装置等联系在一起进行各种的反应研究，实现了复杂工艺下微波辅助化学反应的研究。针对常压微波反应器，Baghurt等[35]使用计算机技术结合光纤温度传感器实现了对微波反应器内部温度的检测，程广山等[36]利用热偶计对微波反应器内等离子体的空间温度分布进行了测量。（a）内壁有脊形凹槽（b）增加螺旋推进装置图1-2微波反应器结构改进随着对微波反应器研究的深入，人们逐渐意识到微波加热的危害，于是微波加热均匀性的改善成为微波反应器的研究方向之一。钟汝能等[37]提出了一种内壁有脊形凹槽的微波反应器，并通过模拟仿真的方法验证了这种结构对微波加热均匀性改善的有效性，反应器结构如图1-2（a）所示。叶菁华等[38]在微波反应器中加入螺旋推进器，通过改变反应器中物料的位置有效提升了微波加热的均匀性，反应器结构如图1–2（b）所示。黄卡玛[39]在家用微波炉的基础上描述了一套完整的微波反应器系统（见图1-3），该系统
第一章绪论5通过模式搅拌器对腔体内的电场进行搅拌，使电磁场的场强分布不断随时间发生改变，从而改善微波加热的均匀性，并且系统还有测温装置，可以对物料温度进行检测。图1-3微波反应器系统结构图目前的微波反应器小型居多，大部分是在家用微波炉的基础上进行改造，但是这种微波反应器在使用中难以解决其加热不均匀的问题，而且由于反应器较小，产量难以得到有效提升，可以满足科研需求却难以进行大规模的推广以及工业化的生产。1.3.2微波反应器应用中存在的问题微波反应器是利用微波促进化学反应进行的重要载体，但在对其研究开发的过程中发现了诸多限制。物料的介电特性直接影响到微波加热的效率和均匀性，而大量研究显示，物料本身的湿度改变会使其介电特性相应的发生改变，因此容易引起能源损失和蒸汽负荷[40-41]。介电特性是反映极性物质将微波能量吸收转化为热能的能力，物料的相对介电常数越高，吸收转化微波能量的能力越强，反之则越弱，因此这一特性在微波反应器的设备设计阶段必须予以考虑，而实际上目前大部分的研究都忽略了这一重要参数。微波加热的不均匀性是制约微波反应器推广的一个重要因素。在化学反应进行的过程中，如果反应物料受热不均匀则有可能会导致化学反应中断、微波反应器损坏等，严重时甚至会导致反应器发生爆炸，危机生命财产安全。因此，改善微波加热的均匀性也是很多学者[42]包括本文致力于解决的一个重要问题。微波场内温度的测量对化学反应的顺利进行和安全有着至关重要的作用，但现有技术很难实现对被加热物料所有位置温度的实时监控。由于微波的反射和折射特性，物料被加热后冷热点分布的规律性很差，细小工艺条件的改变就可以导致其位置的极大改变，通过试验很难对物料整体的温度分布精准把
【参考文献】：
期刊论文
[1]超临界压力CO2在水平圆管内流动传热数值分析[J]. 闫晨帅,徐进良. 物理学报. 2020(04)
[2]基于模糊自整定PID控制的绿茶微波烘干温控装置的设计[J]. 张东虞,杨琳. 食品工业. 2018(12)
[3]基于COMSOL的感应耦合等离子体炬多物理场研究[J]. 贾瑞宝,罗天勇,陈伦江. 核聚变与等离子体物理. 2018(04)
[4]组合桨微波反应釜内流动混合特性数值模拟[J]. 张玉,金光远,崔政伟,宋春芳,陈海英. 食品与机械. 2018(11)
[5]多场耦合下微波碳热氯化化回收铟的动态仿真[J]. 关杰,刘美玲,苏瑞景. 上海第二工业大学学报. 2018(02)
[6]圆柱形凸槽结构对微波反应器加热效率及均匀性的影响[J]. 钟汝能,姚斌,向泰,郑勤红. 云南大学学报(自然科学版). 2017(06)
[7]微波反应器的搅拌叶轮性能数值分析及对比[J]. 汪博恺,金光远,崔政伟,陈海英. 热能动力工程. 2017(S1)
[8]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[J]. 钟汝能,姚斌,向泰,郑勤红. 食品与机械. 2017(04)
[9]基于COMSOL传统铜电解槽流场的数值模拟[J]. 李爱玲,董为民,许维维. 特种铸造及有色合金. 2017(03)
[10]基于单片机的微波加热控制系统设计[J]. 陈建威,刘亚,裴坤远. 电子世界. 2017(05)
硕士论文
[1]酯化反应器和预缩聚反应器的工程技术研究[D]. 毕华飞.北京化工大学 2017
[2]圆柱形微波化学反应器的优化设计研究[D]. 张瑾.昆明理工大学 2017
[3]磁性钙基固体碱的设计及其催化酯交换合成生物柴油[D]. 刘延磊.江南大学 2016
本文编号：3645087
【文章来源】：江南大学江苏省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
偶极子在电场中的调整方式
反应器内的反应溶液与外部冷凝装置相连，实现了微波常压下的有机合成。李耀先等[33-34]对微波炉进行了另一种改造，将反应容器置于微波炉内，在微波炉的顶部开孔，然后通过这个孔将反应容器与搅拌装置、分水装置等联系在一起进行各种的反应研究，实现了复杂工艺下微波辅助化学反应的研究。针对常压微波反应器，Baghurt等[35]使用计算机技术结合光纤温度传感器实现了对微波反应器内部温度的检测，程广山等[36]利用热偶计对微波反应器内等离子体的空间温度分布进行了测量。（a）内壁有脊形凹槽（b）增加螺旋推进装置图1-2微波反应器结构改进随着对微波反应器研究的深入，人们逐渐意识到微波加热的危害，于是微波加热均匀性的改善成为微波反应器的研究方向之一。钟汝能等[37]提出了一种内壁有脊形凹槽的微波反应器，并通过模拟仿真的方法验证了这种结构对微波加热均匀性改善的有效性，反应器结构如图1-2（a）所示。叶菁华等[38]在微波反应器中加入螺旋推进器，通过改变反应器中物料的位置有效提升了微波加热的均匀性，反应器结构如图1–2（b）所示。黄卡玛[39]在家用微波炉的基础上描述了一套完整的微波反应器系统（见图1-3），该系统
第一章绪论5通过模式搅拌器对腔体内的电场进行搅拌，使电磁场的场强分布不断随时间发生改变，从而改善微波加热的均匀性，并且系统还有测温装置，可以对物料温度进行检测。图1-3微波反应器系统结构图目前的微波反应器小型居多，大部分是在家用微波炉的基础上进行改造，但是这种微波反应器在使用中难以解决其加热不均匀的问题，而且由于反应器较小，产量难以得到有效提升，可以满足科研需求却难以进行大规模的推广以及工业化的生产。1.3.2微波反应器应用中存在的问题微波反应器是利用微波促进化学反应进行的重要载体，但在对其研究开发的过程中发现了诸多限制。物料的介电特性直接影响到微波加热的效率和均匀性，而大量研究显示，物料本身的湿度改变会使其介电特性相应的发生改变，因此容易引起能源损失和蒸汽负荷[40-41]。介电特性是反映极性物质将微波能量吸收转化为热能的能力，物料的相对介电常数越高，吸收转化微波能量的能力越强，反之则越弱，因此这一特性在微波反应器的设备设计阶段必须予以考虑，而实际上目前大部分的研究都忽略了这一重要参数。微波加热的不均匀性是制约微波反应器推广的一个重要因素。在化学反应进行的过程中，如果反应物料受热不均匀则有可能会导致化学反应中断、微波反应器损坏等，严重时甚至会导致反应器发生爆炸，危机生命财产安全。因此，改善微波加热的均匀性也是很多学者[42]包括本文致力于解决的一个重要问题。微波场内温度的测量对化学反应的顺利进行和安全有着至关重要的作用，但现有技术很难实现对被加热物料所有位置温度的实时监控。由于微波的反射和折射特性，物料被加热后冷热点分布的规律性很差，细小工艺条件的改变就可以导致其位置的极大改变，通过试验很难对物料整体的温度分布精准把
【参考文献】：
期刊论文
[1]超临界压力CO2在水平圆管内流动传热数值分析[J]. 闫晨帅,徐进良. 物理学报. 2020(04)
[2]基于模糊自整定PID控制的绿茶微波烘干温控装置的设计[J]. 张东虞,杨琳. 食品工业. 2018(12)
[3]基于COMSOL的感应耦合等离子体炬多物理场研究[J]. 贾瑞宝,罗天勇,陈伦江. 核聚变与等离子体物理. 2018(04)
[4]组合桨微波反应釜内流动混合特性数值模拟[J]. 张玉,金光远,崔政伟,宋春芳,陈海英. 食品与机械. 2018(11)
[5]多场耦合下微波碳热氯化化回收铟的动态仿真[J]. 关杰,刘美玲,苏瑞景. 上海第二工业大学学报. 2018(02)
[6]圆柱形凸槽结构对微波反应器加热效率及均匀性的影响[J]. 钟汝能,姚斌,向泰,郑勤红. 云南大学学报(自然科学版). 2017(06)
[7]微波反应器的搅拌叶轮性能数值分析及对比[J]. 汪博恺,金光远,崔政伟,陈海英. 热能动力工程. 2017(S1)
[8]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[J]. 钟汝能,姚斌,向泰,郑勤红. 食品与机械. 2017(04)
[9]基于COMSOL传统铜电解槽流场的数值模拟[J]. 李爱玲,董为民,许维维. 特种铸造及有色合金. 2017(03)
[10]基于单片机的微波加热控制系统设计[J]. 陈建威,刘亚,裴坤远. 电子世界. 2017(05)
硕士论文
[1]酯化反应器和预缩聚反应器的工程技术研究[D]. 毕华飞.北京化工大学 2017
[2]圆柱形微波化学反应器的优化设计研究[D]. 张瑾.昆明理工大学 2017
[3]磁性钙基固体碱的设计及其催化酯交换合成生物柴油[D]. 刘延磊.江南大学 2016
本文编号：3645087
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