微波场强化蒸发分离共沸物的机理与过程研究

The evaporation technology intensified by microwave irradiation has the vast reservoir of potential application in the field of chemical separation, due to the special effects of the microwave irradiation on the role of substance. The mechanism for the influence of the microwave field on the separation of azeotrope is the key issue. In this project, intends to adopt the molecular simulation method based on the priciples of nonequilibrium thermodynamics, introducing the effect of electromagnetic field on the molecular polarization rotation, the theoretical models for the effects of microwave field on vapor-liquid mass transfer were constructed by using molecular simulation method from molecular insight. Further, combined with the experiments and the models of the vapor-liquid mass transfer in the microwave falling film evaporation were carried out to systematically analysis the effects law and strengthening mechanism. Consequently, the basic theory system in describing the role of microwave field on the vapor-liquid mass transfer in the the microwave falling film evaporation were build. The experiments of falling film evaporation for separation of azeotrope in the microwave field were executed respectively to validate the two models. This project will help to deepen the understanding of the mechanism of the effect of microwave field on molecular, enrich and extend the application field of microwave.strengthening technology, which has theoretical value and practical significance on the application of evaporation processes intensified by microwave irradiation.

微波场与物质作用的选择性效应，使微波场强化非平衡态过程的蒸发技术在化工分离领域中蕴藏着巨大的潜在应用价值，如何从非平衡态原理出发揭示微波外场强化蒸发技术对极性/非极性共沸物分离过程的影响机理是需要解决的关键科学问题。本项目拟采用基于非平衡态热力学耗散结构理论的分子动力学方法，通过引入电磁场对分子的极化转动作用，运用分子模拟的手段构建物质吸收微波能量的作用机理模型，从分子层次探讨微波场对极性/非极性共沸体系的蒸发分离作用机理；在此基础上建立传质动力学模型，结合微波场强化降膜蒸发分离极性/非极性共沸物的实验验证，从物质层次探究微波强化蒸发过程的影响规律；最终从设备层次建立微波腔体内电磁场分布及吸收效率模型，为提高物质吸收微波能量的效率提供理论基础。本项目研究有助于深化微波场对物质作用机理的认识，丰富和扩展微波场强化技术的应用领域，为微波场强化蒸发分离共沸物技术的应用提供理论依据和指导。

针对共沸物的分离过程强化技术一直是化工分离领域研究的重点。而微波加热作为一种非接触式电气化加热手段，可以对混合物中的强吸波物质实现选择性加热，诱导其过热蒸发。受此启发，为解决共沸分离难点，本项目基于微波选择性加热原理，对微波场强化蒸发分离共沸物的机理和过程展开了研究。首先，基于开发的纳米荧光测温技术从微观尺度验证了微波选择性加热和微波诱导热点理论的正确性，推导出了微波诱导局部热点的数学模型，揭示了微波诱导的微观热点与微波场强、体系性质、操作条件的作用关系。随后，从分子层面给出了微波场强化蒸发的作用原理即微波诱导相对挥发度改变（MIRVC）机理，并通过将微波加热引入热力学平衡，推导出了MIRVC效应的热力学表达式，利用所建立的微波场气液平衡预测模型实现了对MIRVC效应的精确预测，为微波诱导蒸发分离工艺优化和设备开发提供了设计依据。利用基于MIRVC效应开发的微波诱导降膜蒸发工艺，对微波场强化蒸发分离共沸物的过程进行了研究，并揭示了微波场强、体系性质和操作条件对于分离效果的影响，探究了工艺的可行性。针对水-碳酸二甲酯共沸物的分离结果，从实验角度证明了MIRVC效应可以突破热力学中共沸组成的限制，实现极性/非极性共沸体系的分离过程强化。与此同时，多物理场耦合仿真模拟，揭示了微波腔体结构和物质吸收微波能量之间的构-效关系,为微波腔体和蒸发器的结构优化提供了理论依据。在此基础上，新开发的微波诱导喷雾蒸发工艺解决了传统降膜工艺中存在的汽化率低、分离效率低的限制，推动了微波诱导蒸发分离工艺的工业化应用。最后，基于上述研究结果，我们建立了微波诱导喷雾蒸发的工业级中试装置，对微波场强化蒸发分离共沸物的工业化应用展开了研究。本项目的研究成果不仅为化工分离领域中共沸物分离提供了解决方案，针对微波选择性加热和微波诱导热点的理论研究，同样为微波过程强化技术在催化反应、材料制备等方面的应用和调控提供了策略，助力了微波化工的发展。