微波反应器内多物理场多尺度作用机理

Microwave assisted transesterification with solid catalyst, offers many advantages such as enables high heat and mass transfer rates and shortens reaction time. The keys of industrialization of biodiesel production are multiphysics and multiscale characteristic of microwave reactor and transesterification. In this project, Microwave reactor is designed for transesterification process; coupled electromagnetic model with heat transition model, the characteristic of microwave field and temperature field in microwave reactor are investigated, and a closed loop temperature control model is established; particles movement and interaction are investigated by multiscale simulation, mixture flow pattern is described, and a multiscale structure is established for microwave assisted transesterification process with solid catalyst to describe multiscale mechanism. This project will bring us an important insight of microwave assisted transesterification process with solid catalyst in biodisesel production.

微波强化固体催化剂催化合成生物柴油，可以改善固体催化剂传热传质慢和反应时间长的缺点，而其实现工业化生产应用的关键在于掌握微波反应器微波加热特征和酯化工艺过程的多物理场多尺度特征。本课题针对固体催化剂催化酯化反应的工艺过程，通过设计微波反应器，采用微波强化反应过程，耦合电磁场和传热模型理论，试验和理论研究微波反应器电磁场和温度场特征，揭示微波电磁场加热规律，构建温度反馈-微波控制模型；通过分尺度研究颗粒尺度和设备尺度下颗粒流体相互作用，揭示反应器内颗粒循环流动的规律，构建酯化过程的微尺度-介尺度-宏尺度的多尺度框架，阐述酯化反应过程的时空多尺度机理。通过本项目的实施，以期为微波辅助固体催化剂合成生物柴油的工业化生产应用中技术瓶颈的突破提供一定的科学依据。

目前本课题已针对固体催化剂催化合成生物柴油工艺背景下，微波强化技术虽高效但受限于酯化过程加热不均匀性难于大尺寸工业化应用，对微波应器进行设计，耦合电磁场和传热模型理论，研究反应器内流场、电磁场和温度场多物理场特征，获得具有搅拌叶轮的微波反应器内流特性和微波电磁场加热规律；针对制备生物柴油的反应体系——甲醇和菜籽油加入固体催化剂的反应体系，成功搭建了酯交换反应和介电特性测量的实验平台，测得该反应过程的混合物料介电特性的变化规律，并分析得到其随影响因素及物料与微波的耦合特征；结合酯交换反应动力学理论，并运用经验插值公式预测任意温度和任意时刻混合物料的等效介电系数，对计算值与实验值进行比较，获得一种等效介电系数预测方法；基于麦克斯韦仿真，获得不同几何特征的微波反应器腔体的电磁加热特性。针对微波反应釜内液液、液固多相流及传热多场耦合问题，采用数值模拟方法获得影响微波反应釜内介质流动、混合与传热特性的因素，为微波反应器的设计及优化提供理论参考。并进一步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。考察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；并通过运用响应面分析法对反应器结构参数进行优化。课题并设计一套基于PLC控制的温度反馈--微波源控制系统，同时考虑介电特性物料，提高反应温度加热效率和加热均匀性，使微波反应釜可以将物料加热并恒定在设定温度，并通过多点（两点或以上）测温完成对物料温度的实时监控。以上项目成果揭示的微波强化酯化工艺过程的机理、微波反应器内多物理场时空特征和微波反应器的设计，是生物柴油工业化生产设备、工艺放大过程的关键因素，为微波辅助固体催化剂合成生物柴油的工业化生产应用提供重要的科学依据。