微波馈入位置对固体催化剂加热效果的影响

・基础理论研究・

微波馈入位置对固体催化剂加热效果的影响

商辉，杜青林，张海超，刘植昌

（中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京１０２２４９）

ＴｈｅＥｆｆｅｃｔｓｏｆ

ＭｉｃｒｏｗａｖｅＦｅｅｄ—ｉｎＰｏｓｉｔｉｏｎｓ

ｏｎ

ｉｔｓＨｅａｔｉｎｇ

ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＳｏｌｉｄＣａｔａｌｙｓｔｓ

ＳＨＡＮＧＨｕｉ，ＤＵＱｉｎｇ－ｌｉｎ，ＺＨＡＮＧＨａｉ—ｃｈａｏ，ＬＩＵＺｈｉ－ｃｈａｎｇ

（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｅａｖｙ０ｔ￡Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２４９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｈｅａｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｏｌｉｄｃａｔａｌｙｓｔ

ｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙ

ｏｎ

ｕｓｉｎｇｔＷＯｍｉｃｒｏｗａｖｅｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｌａｗｓｏｆ

ｆｅｅｄ—ｉｎｐｏｓｉｔｉｏｎｓ．Ｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｈｅａｔｉｎｇｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂａｓｅｄ

ｍｉｃｒｏｗａｖｅｈｅａｔｉｎｇａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂｏｔｈｍｏｄｅｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈＣＯＭＳＯＬＭｕｌ－ｔｉｐｈｙｓｉｃｓｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ（ＥＭ）ｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｈｉｇｈｅｒ

ｎｅａｒ

ｔｈｅｆｅｅｄｉｎｇ

ｐｏｉｎｔｉｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｅｑｕｉｐｐｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ，ｂｕｔｌｏｗｅｒａｔｔｈｅｒｅｇｉｏｎｉｎｔｈｅｆａｒｄｉｓｔａｎｃｅ

ｆｒｏｍｔｈｅｆｅｅｄｉｎｇｐｏｉｎｔ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｏｌｉｄｃａｔａｌｙｓｔｓｉｓｆｏｕｎｄｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ．Ｉｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｄｅｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ，ｔｈｅｈｅａｔｉｎｇ

ｃａｎ

ａｒｅａ

ａｎｄｔｈｅＥＭｓｔｒｅｎｇｔｈ

ｂｅｅｎｈａｎｃｅｄａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉＳｍｕｃｈｍｏｒｅｕｎｉｆｏｒｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｈｅａｔｉｎｇ，ＣＯＭＳＯＬ，Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

摘要：本研究考察了微波从底部馈入反应器和从侧面馈入反应器时对固体催化剂的加热效果。从微波介电加热和热传导的物理规律出发，建立了两种不同微波馈人位置时对催化剂床层加热的模型，并通过ＣＯＭＳＯＬＭｕｈｉｐｈｙｓｉｃｓ软件模拟分析其对加热效果的影响。结果表明：当采用底部馈入方式进行加热时，电磁场强度在下部分布较强很高，但在距离馈入口较远的区域电磁场强度较低，最终得到的温度分布均匀性较差；当采用微波从侧面馈入的方式进行加热时，催化剂床层区域的电场强度较大，且温度分布比较均匀。

关键词：微波加热；ＣＯＭＳＯＬ；电磁场模拟

中图分类号：ＴＭ９２４．７６

文献标识码：Ａ文章编号：１００２－－８９３５（２０１３）０５—００４９—０４

微波加热是一种依靠物体吸收微波能将其转换成热能，使自身整体同时升温的加热方式，完全区别于其他常规加热方式［１≈］。微波透入介质时，由于介质损耗引起介质的温度升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，而且加热速度快且均匀，是一种良好的加热方式［２“］。

自加拿大学者Ｇｅｄｙｅ等口］１９８６年发现微波可以显著加快有机化学合成反应以来，微波加热技术作为一种新的加热方式越来越多的被应用于在化学及化学工程领域［１’６－１０］。在一些催化反应中，由于催化剂中的载体如Ａ１。０。、ＳｉＯ。等成分不吸收微波，微波能可以直接传送到负载于载体表面的催化剂活性

组分上，并使其自身以及吸附其上的反应物被选择性加热，从而加速化学反应的进行［１¨。然而，机理研究滞后，且缺乏高性能的专用微波化学反应器限制了其研究进程［４］。如何突破这些瓶颈是近年研究的热点‘１引。

不同于传统多相催化反应体系，对于微波辅助多相催化反应过程，微波能如何被催化剂有效吸收，以及设计合适的反应器使得微波电磁场在内的分布均匀且强度较高是决定微波诱导催化反应的关键。由于微波加热介质内部电磁场及温度分布难以测定，因此借助模拟方式成为了研究这一问题的重要途径［１¨４｜。本文采用ＣＯＭＳＯＬＭｕｈｉｐｈｙｓｉｃｓ软件建立了微波加热和热量传递耦合的３Ｄ模型，仿真了常用的两种微波馈入方

２０１３—０５

４９

式下微波对催化剂区域的加热状况，对微波诱导气固相催化剂的反应器设计提供了参考。

并不为０，但由于在导体表面没有磁力线圈，因此平行于导体方向的磁场为０，即：

Ｈ—。＝０

（５）

１模拟方法及模型建立

数值模拟微波对催化剂床层的加热状况需要模拟计算两种物理现象：微波加热和热量传递。可以通过求解下面的控制方程来实现。

Ｍａｘｗｅｌｌ方程用于求解单模腔反应器中电磁场分布状况：

１

在求解过程中以Ｓ参数作为模拟的主要参数。在微波辅助多相催化反应过程中，微波能的馈入点通常有两种：底部馈入与侧面馈人的方式。图１为这两种馈入方式下的反应器模型。

在微波底部馈入方式下，将腔体直接作为反应器，催化剂置于馈入口上方。而在微波场从侧面直接

—

ｃ

２

呻

ｖ×（与ｖ×Ｅ）一生（￡’一ｉｆ）Ｅ一０

卢

（１）

馈入方式下，采用陶瓷管反应器，催化剂放置于陶瓷管内，位于波导截面中央位置。由于陶瓷管不会被微波加热，所以不会影响其内部催化剂对微波能的利用。图１的两种模型中，所设置的催化剂属性相同，催化剂填装尺寸同为直径１５ｍｍ，高度２０

ｍｍ。

式中，Ｅ是电磁场强度（Ｖ／ｍ），￡’为材料的介电常数，￡”为材料的介电损耗常数，∞为电磁波角频率

（２７【，，ｒａｄ／ｓ），岸’为材料的相对磁导率，Ｃ为光速（３

×１０８

ｍ／ｓ）。

在微波电场中，介质吸收微波功率的大小Ｑ可表示为：

Ｑ一２７ｃｅｏｅ＂ｆ

Ｅ

２

波导端口输入的微波频率为２４５０ＭＨｚ，功率为１０００Ｗ。催化剂复介电常数为３．０６－－０．２１４２３ｊ，导热系数为２７ｗ／（ｍ・Ｋ）。初始温度设置为

（２）

２７３．１５Ｋ。

式中，厂为微波频率，￡。为真空介电常数，其值为

８．８５４×１０－１２Ｆ／ｍ。

２结果与讨论

两种微波馈入方式下，反应器材质不同，受热区域不同，反应器自身的热传导能力不同，所以暂不考虑被加热物质对外的热量传递，仅对比两种不同微波馈入方式下物质的加热效果，以此来对比两种方

被加热物质中存在的热量传递，使用傅里叶能量平衡方程求解材料内部的温度分布。由上式计算的物质被加热所产生的热量在该方程中被作为热源。

ＪｏＣ，（等＋ｕＶ丁）一ｋＶ２Ｔ＋Ｑ

（３）

式微波加热的特点。

根据以上建立的微波电磁场和热传导数学模型，运用软件，就可以模拟出两种不同微波馈入方式下催化剂床层内部的电磁场及温度分布规律。２．１催化剂床层电场分布

由软件计算得到两种不同馈人位置时，催化剂床层区域的平均电场强度分别为２３６７．３３和

式中，１０为密度（ｋｇ／ｍ３），Ｃ，为比热容［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］，ｋ为导热系数Ｉ－Ｊ／（ｍ・Ｋ）］），“为速度（ｍ／ｓ），Ｑ为微波能产生的体积热（Ｊ／ｍ３）。

边界条件的选取：由于电场在理想导体表面终止，即理想导体表面的电场为０，因此上述求解过程所存在的电边界为：

Ｅ。。一０

（４）

１６７０２．９

Ｖ／ｍ，差别很大。图２为两种不同方式下

然而，电场对于普通导体来说往往其法向分量

催化剂床层整体及横截面电场分布图。可以看到，

波

（ａ）从底部馈入（ｂ）从侧面馈入

图１

微波从底部馈入及微波从侧面馈入时单模腔反应器模型

５０２０１３—０５

通过底部馈入时，床层中电磁场最强的位置位于馈

入口处，其最大值为３．７０×１０４Ｖ／ｍ，此区域的电场强度高于直接辐射的传导方式。但是在催化剂床层顶端（距离反应器馈人口较远的区域）电磁场强度较

弱。在微波直接从侧面馈入的传导方式中电磁场分

布较为均匀，电场强度的最大值２．２４ｘ

１０４

Ｖ／ｍ，低

于底部馈入方式，但其平均值更高。可以预测，这种加热方式下产生的温度场分布也较为均匀。

…＿

薯黼Ⅻ，

图２

・２．２４０ｌ×ｌ伊

…ｌ｝｜晴限姗小Ｆ一

州勉ｕ彬卫Ｊ

毋、五５４

㈨弘孙¨．％

潍珏”“３溉一三¨蚕一

微波底部馈入及直接侧面馈入时催化剂床层整体及横截面电场强度分布

２．２催化剂床层温度分布

图３为两种不同微波传导方式下催化剂床层整体及横截面温度分布图。在底部馈入反应器的方式中，其温度范围为４１７．５５～４５１．９６Ｋ。床层中温度最高的位置位于馈入口顶端的区域，这也与此区域电场强度较高相符合。虽然床层内部电场强度差异较大，但是由于催化剂床层内部的热量传递，其温度分布的差异

并没有电场分布那么明显。在微波直接辐射的传导方式中，温度分布较为均匀，其范围为４６０．０１～４６０．９２

Ｋ。

这与该方式下电场强度分布更为均匀有关。催化剂床层是一个混合物体系，其内部各种物质以及反应物的介电性质可能会存在较大差异，导致其对微波吸收能力的不同。因此，在实际的加热过程中，催化剂床层的温度分布可能会比以上模拟结果复杂。

３０

２０’

１０

５０

赫似档艘蛐枷珊蝴

珊蛳枷蛳伽铋枷；呈

ｍ瑚ｍｍ∞

ｋＤｆ

说

ｉ｜

图３

目哪。鲞

（ａ）底部馈入

蝴蝴！孽伽Ｉ辱伽惦伽陋

闻ｉ。疑

口：七一西５４

．ｊ；＼，乜～

鲫！耄鬈鬈鬈鬈＿｜ｊ

３卫Ｊ●一

（ｂ）衡面馈入

微波从底部馈入及从侧面馈入时催化剂床层整体及横截面温度分布

５１

２０１３—０５

２．３催化剂床层温度随时间变化

为计算两种微波馈入方式下催化剂床层温度随时间的变化规律，使用软件以固定步长对催化剂整体温度求平均值。图４对比了两种不同微波馈入方式下催化剂床层温度随时间的变化情况。两条曲线的斜率代表了两种不同的微波馈入方式下对催化剂床层加热的升温速率。为了单纯对比两种微波馈入方式下的加热效果，不考虑热源向外散热的情况，故所得到的升温曲线接近直线。由图中可以看到，微波侧面直接馈入的传导方式下的升温速率以及所获得的最高温度均高于微波从底部馈入方式下的结

果。

伽蜘伽伽珈善霉枷渤

加热时间／ｓ

图４微波从底部馈入及微波从侧面馈入时

催化剂床层温度随时问的变化

３

结论

本文从微波介电加热和热传导的物理规律出

发，建立了两种不同微波传式下微波对催化剂床层加热的模型，并通过理论模拟分析了两种不同微波馈人方式对加热效果的影响。结果表明：微波加热过程中，最终加热效果与微波加热方式直接相关；当采用侧面馈入的方式进行加热时，电磁场强度在馈入口附近很高，但在距离反应器馈入口较远的区域电磁场强度较低，最终得到的温度分布均匀性较差；当采用微波从侧面直接馈人的方式进行加热时，催化剂床层区域的电场强度较大，且温度分布比较均匀。因此，在使用微波对物质进行加热的过程中，需要充分考虑微波馈入方式对加热均匀性及加热效果的影响。

参

考文献

［１］Ｊｏｎｅｓ

Ｄ

Ａ，ＬｅｌｙｖｅｌｄＴＰ，ＭａｖｒｏｆｉｄｉｓＳＤ，ｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏ—

ｗａｖｅＨｅａｔｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

ｉｎ

ＥｎｖｉｒｏｍｎｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒ—

ｉｎｇ—ａ

Ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＲｅｓｏｕｒｃｅｓＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ

ａｎｄＲｅｃｙ—

ｃｌｉｎｇ，２００２，３４（２）：７５—９０．

５２

２０１３—０５

Ｅｚ］Ｙｏｓｈｉｋａｖｃａ

Ｎ，ＩｓｈｉｚｕｋａＥ，ＭａｓｈｉｋｏＫ，ｅｔａ１．ＢｒｉｅｆＲｅｎｅｗ

ｏｎ

Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ（ＭＷ）Ｈｅａｔｉｎｇ，ｉｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｔｏ

Ｉｒｏｎ＆

ＳｔｅｅｌＩｎｄｕｓｔｒｙ

ａｎｄ

ｔｏ

ｔｈｅＲｅｌｅｖａｎｔＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＴｅｃｈ—

ｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．Ｉｓｉｊ

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００７，４７（４）：５２３—５２７．

［３］张天琦，崔献奎，张兆镗．微波加热原理、特性和技术优

势［Ｊ］．筑路机械与施工机械化，２００８，１６２（７）：１０一１４．［４］牟群英，李贤军．微波加热技术的应用与研究进展［Ｊ］．

物理，２００４，（６）：４３８—４４２．

［５３ＧｅｄｙｅＲ，Ｓｍｉｔｈ

Ｆ，Ｗｅｓｔａｗａｙ

Ｋ，ｅｔａ１．ＴｈｅＵｓｅｏｆＭｉ—

ｃｒｏｗａｖｅ

ＯｖｅｎｓｆｏｒＲａｐｉｄＯｒｇａｎｉｃＳｙｎｔｈｅｓｉｓ［Ｊ］．Ｔｅｔｒａ—

ｈｅｄｒｏｎＬｅｔｔｅｒｓ，１９８６，２７（３）：２７９—２８２．

［６］ＬａｒｈｅｄＭ，ＭｏｂｅｒｇＣ，ＨａｌｌｂｅｒｇＡ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ－Ａｃｃｅｌｅｒ—

ａｔｅｄＨｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓＣａｔａｌｙｓｉｓｉｎＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｓｔｒｙ［Ｊ］．

２００２，３５：７１７—７２７．

［７］ＫａｐｐｅＣＯ．ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＭｉｃｒｏｗａｖｅＨｅａｔｉｎｇｉｎＭｏｄｅｒｎ

Ｏｒｇａｎｉｃ

Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ［Ｊ］．Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ

Ｃｈｅｍｉｅ－Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ—

ａｌＥｄｉｔｉｏｎ，２００４，４３：６２５０—６２８４．

［８］ＸｕＣ，ＪｕｎＳ，ＹａｎｇＸ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙ

ｏｎ

ＣｈｅｍｉｃａｌＮｏｎ—

ｐｏｌａｒＳｏｌｖｅｎｔＨｅａｔｉｎｇｂｙ

Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ［Ｊ］．ＡｓｉａｎＪｏｕｒｎａｌ

ｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１３，２５（５）：２６９３—２６９５．

［９］ＷｅｎＺ，ＹａｎｇＪ，ＸｕＸ，ｅｔａ１．ＲｅｍｏｖａｌｏｆＮｉｃｋｅｌａｎｄ

Ｖａｎａｄｉｕｍｔｒｏｍ

Ｃｒｕｄｅ

Ｏｉｌ

ｂｙ

Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ－Ｃｈｅｍｉｃａｌ

Ｍｅｔｈｏｄ

ＩＣｈｅｍｉｃａｌ

Ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ

Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１３，３１（９）：９９１—９９９．

［１０］赵俊蔚，赵国惠，郑晔，等．微波加热在矿冶方面的应

用研究现状［Ｊ］．黄金，２００８，２９（１２）：３９—４３．［１１］Ｚｈａｎｇ

Ｘ，ＨａｙｗａｒｄＤＯ，ＭｉｎｇｏｓＤＭＰ．Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ

ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＭｏＳｚａｎｄＰｔＣａｔａｌｙｓｔｓ：ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＴｅｍ—

ｐｅｒａｔｕｒｅ

ａｎｄＭｉｃｒｏｗａｖｅ

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｅ［Ｊ］．Ｃａｔａｌｙｓｉｓ

Ｌｅｔ—

ｔｅｒｓ，２００２，（３—４）：２２５—２３３．

Ｄ２］ＨｕａｎｇＭ，Ｐｅｎｇ

ＪＨ，ＹａｎｇＪＪ，ｅｔａ１．ＡＮｅｗＥｑｕａ—

ｔｉｏｎ

ｆｏｒｔｈｅＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＬｏｓｓｅｓｕｎｄｅｒＭｉ—

ｃｒｏｗａｖｅ

Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓＤ－Ａｐｐｌｉｅｄ

Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００６，３９（１０）：２２５５—２２５８．

［１３］ＳａｌｖｉＤ，ＢｏｌｄｏｒＤ，ＡｉｔａＧＭ，ｅｔａ１．ＣＯＭＳＯＬＭｕｌ—

ｔｉｐｈｙｓｉｃｓＭｏｄｅｌｆｏｒＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＦｌｏｗＭｉｃｒｏｗａｖｅＨｅａｔ—

ｉｎｇ

ｏｆ

Ｌｉｑｕｉｄｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｏｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，

１０４（３）：４２２—４２９．

［１４］ＬｏｖａｓＭ，ＫｏｖａｃｏｖａＭ，ＤｉｍｉｔｒａｋｉｓＧ，ｅｔａ１．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ

ｏｆＭｉｃｒｏｗａｖｅＨｅａｔｉｎｇｏｆａｎｄｅｓｉｔｅａｎｄ

Ｍｉｎｅｒａｌｓ［Ｊ］．Ｉｎ—

ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅａｔａｎｄＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒ，２０１０，５３（１７—１８）：３３８７—３３９３．

作者简介：商辉（１９７４一），女，博士，主要研究方向为微波化学、清洁能源生产；Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕｉｓｈａｎｇ＠ｃｕｐ．ｅｄｕ．ｃｎ。

基金项目：中国石油大学（北京）基金（ＫＹＪＪ２０１２—０３—０１）；

国家自然科学基金面上项目（２１０７６２３０和２１１７６２５６）

收稿日期：２０１３—０５—２０