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工程角度探讨微波化学实验设备的发展

时间:2008-08-19 07:31:20  浏览:        

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1 微波 化学需要建立系统的理论基础
2 微波化学应从电磁场的全部参数来考察应用效果
3 用家用微波炉作微波化学实验的局限性
4 微波化学专用微波炉
5 实验室微波化学试验系统
6 微波功率工程应为微波化学的产业化提前作一些考虑

 

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1986年加拿大Gedye教授发表了第一篇微波催化化学合成的论文 (这个实验是在家用微波炉内做成的),把微波电磁场作为加速化学反应的手段,引起了世人广泛的关注。激发了化学工作者利用家用微波炉这个易得的实验条件,在化学和化工的广泛领域做了许多开创性的试验,并获得了令人振奋的成果。 1992年9月在荷兰召开了第一次世界微波化学会议,正式采用“微波化学”这个术语,概括了这个科学研究的方向。化学工业界有识之士认为,发现了催化剂是化学工业快速发展的第一个里程碑,可以期待着微波电磁场辅助催化化学反应的发展,有可能成为化学工业快速发展的第二个里程碑。

微波技术工作者以十分兴奋的心情阅读了大量的微波化学的试验结果,认识到这个领域正是微波功率工程研究应该辛勤耕耘的一块土地。微波功率工程应该为微波化学的发展做好自己的工作,这是自己光荣的责任。就微波功率工程应用的整体工作来说,是一个“服务性行业”,设计考察的首要条件是服从应用学科的科学规律,微波设计应以参变的方法使微波理论的规律和应用学科的规律找到一个会合点,这是项目成功的首要条件。因此,了解应用学科的需要,按需要调整自己的研究方向,才是切合实际的。

本文的目的,是从微波工程的角度,提出自己的看法。也就是说,我们从微波技术的角度所考虑的问题,不知是否和化学试验及化学工程的具体实践的要求相符合?请化学各行专家指教。

1 微波 化学需要建立系统的理论基础

从我们目前看到的微波化学的论文来看,实验的内容是相当丰富的。但缺少化学实验和电磁场理论相结合的方法,分析实验成果的系统理论。〔应当说,本人视野还有局限性〕这种系统理论,正是微波技术工作的出发点。

现在是否可以将众多实验结果的“点”演绎成为规律,而这些规律和电磁场的参数具有内在关系。

我们认为,从微波理论的角度,可以引出的理论出发点如下:

化学反应催化剂的研究已经有一百年的历史,对加快化学反应速率起着决定的作用。从电磁场理论的角度来观察,电磁场并非替代催化剂或分子筛的功能,是一种辅助功能,并不完全是取而代之,而是使原有催化剂的功能发挥得更好,发展其潜力,延长其寿命。实际上电磁场的存在改善了固体的表面效应,这些表面效应正是催化剂催化化学反应的用武之地。所以,从理论上可以预期,一些原先不可能作为催化剂的物质,在电磁场存在的前提下可以具有催化功能。理论分析是很清楚的,固体表面电磁场的存在:(1) 可 提高分子碰撞的概率;(2)添加分子的碰撞能量(3)改变分子能量的类型(4)改变分子碰撞的方位(5)可能延长反应分子的碰撞时间。

从微波加热的特点来考虑,电磁场加热具有选择性加热的特点,催化剂的电 介常数大,在催化剂颗粒或粉末的邻近,呈现着陡峻的温度梯度;所以反应分子在催化剂的邻近区域接收“强活化”的条件后,迅速离开高温区,可防止反应的逆转。传统的由表及里的传热加热方法,是不可能产生微区的高温条件的,也不可能建立不平衡的陡峻的温度梯度。 大块的金属是不可能进行微波加热的,但金属催化剂粉末或颗粒,可以进行微波加热。

从微波气体放电的理论来分析 ,在催化剂微粒的附近可能出现低温等离子体鞘(qiao)层或电晕。 在大气压微波加热的实验中,我们常常会发生初始状态气体放电现象。从微波加热应用器设计的角度来考虑,这些气体放电现象是不会出现的;应用器不可能出现如此高的电击穿场强。这是由于加热材料的尖端效应,或高电介质常数边界切向电场连续效应(高电介常数物料邻近的切向电场远高于远区)这些效应,可以在催化剂邻近构成电晕或辉光放电,在此条件下为获得离子、新生态原子、激发态粒子、自由基等,提供了有利条件。 这些电晕或辉光放电的鞘层,可以处于星星点点的分布状态,不构成整体的等离子体现象。这些星星点点的等离子体鞘层的微区,正是化学反应取得强活化的条件。 从这里也可以看出微波催化化学反应和微波等离子体化学两者是具有内在联系的。

微波化学的内容是多学科交叉的内容,首先应当是化学反应热力学、化学反应动力学和电磁场理论的充分渗透。在这个结合点上给出微波化学的理论出发点,给工程工作指出一个方向。微波化学的发展还需要其他学科的配合,特别是材料科学的配合。也就是说微波化学的发展,是需要多个学科联合攻关的系统工程。

2 微波化学应从电磁场的全部参数来考察应用效果

电磁场的参数是:频率、频率纯度、极性、功率密度(场强)、调制状况等。 从理想的条件出发选择频率,可以从整个电磁频谱来考虑问题,在宽频领域广角度探索后再深入研究。国外有采用行波管放大器的宽带功率源,其目的即在于此。

目前国内微波化学的研究工作,大部分在2450MHZ这个频段上进行,部分还可能采用 915MHZ频段。这两个频段均采用连续波磁控管,并做成连续波功率微波源。但实际情况均具有较大的波纹因素,说得确切一些是三相全波整流或单相全波整流的波形被磁控管锐化了波纹状态。家用微波炉的电路结构实际上是可控的单相半波倍压整流电路,其波纹因素更大。 这种工作状态受电网波动的影响,平均功率不断变化,具有很大的不稳定性,造成功率密度的不确定。在实验要求很严格的情况下,会造成实验结果重复性不满意。

近来微波等离子体的研究首先发现这些问题,电源的不稳定性会造成等离子体参数的变化。 用毫秒级的脉冲调制连续波磁控管,在许多实验中取得了良好的实验效果。理论分析调制通断时间的选定可以获得改善效果。

1. 物料介电损耗的正温度系数锐化了不均匀的加热效果,造成局部 点的热失控现象。必要的周期停顿,利用热平衡的过程, 可以缓解这些不均匀因素,抑制热失控现象的建立。

2. 避免了微波辅助催化反应过程中若干不需要副反应的累积。周期性 的停顿可以避免这些副反应累积增强,停顿就是副反应的衰落,再从新开始,这样就避免了副反应的过度增长。

从这些情况可以看出,严格的微波化学实验,微波设备应能给出稳定可靠的设备技术参数,从而可以从这些设备给出的确切工作状态,换算成进行实验的电磁波参数。 目前微波等离子体化学研究工作,已经较充分的考虑了这种严格的设备条件,这是微波化学实验可以借鉴的。主要技术参数现抄录如下:

频 率:2450MHZ

微波功率: 6KW

电源方式:开关功率源

脉冲宽度: 50微秒-连续(可调)

重复频率: DC-10KHZ(可调)

峰值功率: 0-6KW(可调)

脉冲响应: 20微秒

平均功率稳定度: 0.1%

功率调整精确度: 0.1%

微波功率波纹因素: <1%

要获得应用实验的重复性一个重要的因素是电源的稳定度;其输出功率不受电网波动所干扰。

3 用家用微波炉作微波化学实验的局限性

应当承认家用微波炉进入化学实验室是一种初级的实验仪器,作一些简易改装,可以满足多种实验的条件。但是其存在着许多局限性,一些理论预计可以成功的实验,有时无法在家用微波炉内实现。 主要的限制性是:

1. 一般而言,功率密度较低, 一些需要高场强的实验无法在家用微波炉内实现,尤其是一些低损耗的实验,是无法在家用微波炉内完成的。

2. 市 售的家用微波炉均匀度欠佳,尤其厚层物料上下均匀度更差。

3. 真实馈入微波炉腔的有效功率,受电网电压的波动影响有较大幅度的变化,影响了对功率密度要求很严格的这类应用实验的重复性。

4. 无法知道较具体的工作状态,即缺少入射功率和反射功率的正比显示。因此在家用微波炉的实验无法标明场密度对实验效果的关系。

应当说家用微波炉进入化学实验室, 已取得了丰富多彩的成果,这个成绩是 不可磨灭的,但是家用微波炉的实验的成果,无法为中试设备的设计提供确切的设计数据。为家用微波炉所否定的实验,很可能在许多专用的微波实验系统内取得效果。

从设备的角度来看,微波化学进一步的发展,研制更适合微波化学实验效 果的设备是非常必要的。设备可从二种类型发展: 一·微波化学实验专用微波炉 二·实验室微波化学实验系统 目的是使电磁场条件更易明确而稳定的确立,使研究工作更有效 的进行,加快研究的进度。

4 微波化学专用微波炉

微波化学专用微波炉,是为特定的化学研究领域而设计的,能充分满足特 定领域实验的需要。 一般情况下,可使用同一的腔体,但引入不同的门结构。(如高气压实验的 微波炉,宜采用升降门结构,以满足实验条件下的安全性能)采用稳定可靠的磁控管电源设计,提高功率输出的稳定度及重调精确度。应设置入射功率和反射功率的比例显示,实时 显示具体的工作状态。可换算成应用微波功率的具体量值。

专用微波炉采用较大功率的微波源(可以二种类型,采用 5KW,2KW磁 控管或采用 800W,三管制),以取得比家用微波炉更高的功率密度。如需要,炉腔内微波电场的取向,可沿X·Y·Z三个方向的设置,并增加腔体底部馈能,腔底馈能可改善上下的均匀程度。还可以增加兼容托盘或容器旋转功能。 专用微波炉的类型如下:微波马佛炉,微波焚烧炉,微波消解炉,含高气 压容器微波炉,微波样品处理仪,微波病理分析仪等。 用专用微波炉做微波化学的实验研究,估计可取得更好的实验效果,改善 实验效果的重复率。采用专用微波炉对于高介电常数或中等介电常数的处理对象,可得到比较理想的效果。在专用微波炉内取得的实验数据, 对中试设备或产业化设备的研制就更具有参考价值 .

5 实验室微波化学试验系统

实验室微波化学试验系统应由微波功率源 ,大功率波导元件、微波应用器及传感与控制四部分组成。应用器是针对应用试验的类型而设计,其微波功率密度按需要而设定,并按试验需要兼容各种功能,具有较强的专用性质。微波功率源、大功率波导元件及传感和控制三种类型的部件,是通用的部件,可按需要而选定。

我们致力于不断改善通用部件性能,达到高质量、高可靠,为整个试验确立可靠的状态奠定基础。

实验室微波化学试验系统对不同的实验可按需要进行积木式的组装,需要更改的仅是微波应用器。所以既有普遍适应的功能,又有最适合实验所需要的电磁场环境,应该说这种方法是最理想的。 对于低损耗物质来说,微波应用器应设计成高品质因素的谐振腔,谐振腔的功能是贮存微波电磁场能量,腔中的物质损耗越小,谐振腔贮存的能量越高,越可以达到一个稳定的贮能值。此时输入的功率全部变为腔中损耗的功率,而维持贮能值不变,所以谐振腔的功能就是:

(1) 将微波电磁场密度贮存到需要高度;

( 2) 最有效的将能量耦合给物质。

所以专用的微波应用器就有可能做成在家用微波炉无法做成的实验,并可给出相应实验的电磁场参数,为中试或生产性设备的设计给出可靠的数据。 应用器必须适应实验所需要的容积、状态、条件及兼容的需要,这是微波原理和应用学科需要充分讨论的。微波技术应提出许多新的设计方法,并尽可能的适应这种需要。

6 微波功率工程应为微波化学的产业化提前作一些考虑

首先,微波功率源的高可靠、长寿命,应放在首位。化工设备运行是不间断的工作,故障的出现会造成不可估量的损失。整体设备的可靠性也同等的重要。只有微波设备的高可靠性实现,微波化学的产业化才有条件。

其次,大功率源的研制(单管或多管组合),大功率波导元件的研制和准备(估计目前 10KW、20KW级的元件用于50KW、100KW会出现许多不足)及各波段微波化学反应应用器标准件的准备(如密封窗)都是需要的。只有大功率源等基础件提前作准备。今后规模的应用器的设计才有较可靠的依据。

微波化学是一个多学科交叉的研究课题,应加快从实验室的试验成果逐步走向产业化的进程,使研究工作和发展生产紧密的结合起来。微波技术和化学工程多渠道的对话是需要的。 就微波技术工作者来说,要了解化学家的研究方法,使微波设计的方案和此种研究方法相符合。

 

  
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