微波能应用中的微波与非均相化学体系相互作用研究

It has remarkable effect for energy conservation and emission reduction that microwave is used to radiate chemical reactions. But in the industrial production, the majority of reactions are heterogeneous systems. When these systems are radiated by microwave, there are some hot spots and thermal runaways, even explosions because there are short of thermal analysis based on the dielectric properties of the heterogeneous systems and reasonable prediction and control. In this project, in order to solve these problems we study the interactions between microwaves and heterogeneous phase systems: The typical heterogeneous reactions in industrial applications are mainly considered here.(1)As for the problem of dielectric properties of the heterogeneous systems, We use differential dynamical systems parameter inversion to obtain the effective permittivity at various temperatures and concentrations. (2) By means of the unified time scale algorithm to solve mutiphysics equations which are made up of the chemical reaction kinetics equations, electromagnetic field equations, heat conduction equations and fluid field equations with numerical method. Furthermore, we study and analyze the field distributions (electromagnetic field, temperature field, etc.) in the heterogeneous phase chemical reaction systems and the possible variation regularities (hot spots, thermal runaways, explosions, etc.) during microwave irradiation. (3) We design the experimental system to validate the simulation results, and analyze and explain relevant nonlinear effects. Besides, we conclude the possible variation regularities (hot spots, thermal runaways, explosions, etc.) to provide guidance to design the microwave chemical reactors with reasonable prediction and control in industry applications.

微波作用化学反应具有很好的节能减排效果，但实际化工生产中，大部分化学反应是非均相的，微波作用非均相体系往往出现热点、热失控，甚至导致爆炸。存在这些问题的根本原因是缺乏以非均相体系介电特性为基础的微波加热过程分析，并对加热过程进行预判与合理控制。本项目正是针对这些问题展开研究：以化工生产中典型非均相化学反应为研究对象，（1）针对非均相体系介电特性难以获取问题,采用微分动力系统参数反演获得非均相体系在不同温度、反应浓度下等效介电系数。（2）以此为基础，利用时间尺度统一算法联立求解由化学反应动力学、电磁场、热传导等构成的多物理场方程组，研究微波作用非均相化学反应体系的电磁场、温度场等的分布情况，分析作用过程中可能出现的热点、热失控等的变化规律。（3）设计实验系统，对仿真结果进行验证，分析相关的非线性效应，总结可能出现的热点、热失控规律，为工业用微波化学反应器设计和相关加热预判与控制提供指导。

微波作用化学反应具有很好的节能减排效果，但实际化工生产中，大部分化学反应是非均相的，微波作用非均相体系往往出现热点、热失控，甚至导致爆炸。存在这些问题的根本原因是缺乏以非均相体系介电特性为基础的微波加热过程分析，并对加热过程进行预判与合理控制。本项目正是针对这些问题展开研究：以化工生产中典型非均相化学反应为研究对象，（1）针对非均相体系介电特性难以获取问题,采用微分动力系统参数反演获得非均相体系在不同温度、反应浓度下等效介电系数。（2）以此为基础，利用时间尺度统一算法联立求解由化学反应动力学、电磁场、热传导等构成的多物理场方程组，研究微波作用非均相化学反应体系的电磁场、温度场等的分布情况，分析作用过程中可能出现的热点、热失控等的变化规律。（3）设计实验系统，对仿真结果进行验证，分析相关的非线性效应，总结可能出现的热点、热失控规律，为工业用微波化学反应器设计和相关加热预判与控制提供指导。通过本项目研究，发表论文19篇，其中SCI检索18篇（影响因子4.0以上的5篇，影响因子2.0以上的8篇，Nature子刊1 篇）；获得国家发明专利5项。项目主持人获四川省科技进步二等奖1项（排名第3）和四川省杰出青年称号。