微波馈入位置对固体催化剂加热效果的影响

2013-12-07 商 辉 中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室

  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入位置时对催化剂床层加热的模型,并通过COMSOL Multiphysics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。

  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。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。

  自加拿大学者Gedye等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。在一些催化反应中,由于催化剂中的载体如Al2O3、SiO2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。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。如何突破这些瓶颈是近年研究的热点。

  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。本文采用COMSOL Multiphysics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。

  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。

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间的变化

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间的变化

  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入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。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。