（化学工艺专业论文）微波加热管内降膜蒸发过程的传热研究.pdf

四川大学硕士学位论文 微波加热管内降膜蒸发过程的传热研究 专业化学工艺 研究生卿培亮指导教师夏素兰教授 在微波电磁场作用下，液相中极性分子以极高频率进行取向排列运动造成 的振动与碰撞摩擦，使之电能直接转化为介质内的热能而产生的各种效应己在 物理、化学、生物等学科的基础研究和应用技术开发中表现出十分广阔的前景。 本文将微波与工业生产中已广泛采用的管内液相降膜蒸发相结合，使之不仅具 有传热效率高、传热温差损失小、无静压头引起的沸点升高及物料停留时间短 等降膜蒸发的显著特点，且对粘稠、易结垢的液体，微波的穿透性带来的流体 内部同步加热可有效改善传统经壁面传热时对流给热系数小、易结垢等问题。 因此，本课题微波加热管内降膜蒸发过程的传热研究具有重要的理论基础和实 际应用意义。 本文对微波场下管内降膜过程中的传热过程进行了初步的理论分析和实验 探讨。从传热微分方程入手，推导了微波加热时管内流体层流流动的温度分布 式；借鉴微波研究理论，导出了以水为工作介质的液膜吸收微波的功率计算式。 采用经改造的w p 7 0 0 ( m s 2 0 0 4 t ) 微波炉作为微波发生器，建立了微波加 热降膜蒸发实验装置。本文通过实验，对介质吸收微波功率计算式进行了验证， 以水为工作介质的实验数据与所导出的功率计算均表明，液膜吸收微波的功率 与液膜的温度有关，随着温度的升高，吸收功率呈下降趋势，与液膜的介电系 数随温度变化的规律一致。通过实验考察了相变与非相变过程、不同真空度、 四川大学硕士学位论文 不同降膜流量以及降膜膜厚等因素与液体吸收微波功率或蒸发量的关系。实验 结果初步表明：蒸发相变为主的加热过程中液体吸收的微波能量随流量的增大 而增加，主要因为液体吸收的微波能量主要用于相变热，而温度变化不明显， 不存在温度升高对微波吸收的抑制作用；在一定的真空度下，随流体流量的增 加或膜厚的增加，液体吸收微波微波功率增加，蒸发量增加；还通过实验对比 考察了水在同等条件下降膜加热和容器加热的性能，结果表明降膜方式较容器 更有利于对微波的吸收。 本文对微波作用下的降膜蒸发建立了气一液两相流的v o f 模型，并运用 c f d 方法对其进行了数值模拟，得到了微波加热时液膜体积分率在流场中的分 布。模拟结果显示，在微波能量作用下，气一液相界面的范围相比与纯粹降膜 时有所变宽。 本文通过分析和实验对微波加热管内降膜过程的基本规律进行了初步探 讨，所得结果为进一步的研究提供了一定的基础。 关键词微波降膜蒸发传热数值模拟 四川大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o no nh e a t t r a n s f e ro ff a l l i n gf i l m e v a p o r a t i o nb ym i c r o w a v eh e a t i n g m a j o r ：c h e m i c a lt e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：q i n gp e i l i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i as u l a n t h et r o p i s mo fp o l a rm o l e c u l ei n l i q u i dw i t hh i g hf r e q u e n c yr e s u l t si n o s c i l l a t i o n ，c o l l i s i o na n df r i c t i o na m o n gm o l e c u l e s ，a c c o m p a n i e db yat r a n s f o r m a t i o n f r o me l e c t r o m a g n e t i ce n e r g yi n t ot h e r m a le n e r g yi nm e d i u m d i r e c t l y c o r r e s p o n d e d v a r i o u sf u n c t i o n sh a v ep u tu paq u i t ee x p a n s i v ef o r e g r o u n di nt h eb a s i cr e s e a r c h e s a n dt e c h n i c a l e x p l o i t a t i o n o n p h y s i c s ，c h e m i s t r ya n db i o l o g ye t c i n t h i s i n v e s t i g a t i o nm i c r o w a v ea n df a l l i n gf i l me v a p o r a t i o na r ec o u p l e d t h ea d v a n t a g eo f h i g hh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y , l o wt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，ar i s i n go fb o i l i n gp o i n t w i t h o u ts t a t i cp r e s s u r el o s s a n ds h o tr e s i d e n c et i m ei sd e m o n s t r a t e d m o r e o v e r , i n n e r i s o c h r o n o u sb o d yh e a t i n gc a ni m p r o v eh e a tt r a n s f e re f f e c t i v e l yi nc a s eo fh i g h v i s c o s i t yf l u i df l o w e da l o n ga t r a d i t i o n a lw a l l t h e r e f o r e ，t h ep r e s e n ti n v e s t i g a t i o no n t h eh e a tt r a n s f e ro ff a u i n gf i l me v a p o r a t i o nm i c r o w a v eh e a i n gi sn e c e s s a r ya n d m e a n i n g f u l 。 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da l le x p e r i m e n t a ls t u d yo nh e a tt r a n s f e rp r o c e s so f f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o nc a u s e db ym i c r o w a v ef i e l dw e r ec a r r i e do u t a c c o r d i n gt o h e a tt r a n s f e rd i f f e r e n t i a le q u a t i o n saf o r m u l ao ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ef a l l i n g f i l mb ym i c r o w a v eh e a t i n gw a sd e d u c e d f r o mt h e o r yo fm i c r o w a v e ，af o r m u l ao f h i 四川大学硕士学位论文 t h ep o w e ra b s o r b e db yt h ef a l l i n gf d mo fw a t e rw a sg i v e n a ne x p e r i m e n t a ls e tu pf o rt h em i c r o w a v e - i n d u c e df a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n w a sb u i l te m p l o y e dar e c o n s t r u c t e dm i c r o w a v eo v e n ( w p t 0 0 ) a sm i c r o w a v e g e n e r a t o r b yt h ee x p e r i m e n t ，t h ea b o v e m e n t i o n e df o r m u l ao ft h em e d i u m - a b s o r b e d p o w e ru n d e rm i c r o w a v ef i e l dw a sp r o v e d b o t he x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r e t i c a l f o r m u l ai n d i c a t e dt h a ti nc a s eo fw a t e ra st h ew o r k i n gf l u i dt h em i c r o w a v ep o w e r a b s o r b e db yf a l l i n gf i l md e c r e a s e dw h e nt h et e m p e r a t u r eo ff a l l i n gf i l mr o s e i ti s t h es a m ea st h er e l a t i o n s m pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r eo ff a l l i n gf i l ma n dt h el i q u i d d i e l e c t r i cc o e f f i c i e n t e x p e r i m e n t si n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fv a c u u md e g r e e ，v o l u m e f l o wr a t eo ff a l h n gf i l ma n dt h ef i l mt h i c k n e s so nt h ea b s o r b e dp o w e ra n dt h e e v a p o r a t i o na m o u n tf o r b o t hp h a s e - c h a n g e da n ds i n g l e p h a s e p r o c e s s e s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea b s o r b e dp o w e r i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n g o fv o l u m ef l o wr a t ef o rp h a s e - c h a n g ed o m i n a n tp r o c e s s e s b e c a u s et h ee n e r g y a b s o r b e db yf i l mw a sm o s t l yu s e dt or e a l i z ep h a s ec h a n g ea n dt h et e m p e r a t u r ev a r i e s l i t t l e ，h e n c e ，t h e s ei sn ot h ei n h i b i t i o ne f f e c to fm i c r o w a v ea b s o r p t i o nc a u s e db y t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g t h ea b s o r b e dp o w e ra n de v a p o r a t i o na m o u n ti n c r e a s e dw h e n f l o wr a t ea n df i l mt h i c k n e s sr o s eu n d e rc e r t a i nv a c u u m i na d d i t i o n i ti n d i c a t e dt h a t m i c r o w a v eh e a t i n gb yt h ew a yo ff a l l i n gf i l mw a sm o r ee f f e c t i v et oa b s o r b m i c r o w a v ec o m p a r e dw i t ht h a tw i t hac o n t a i n e ru n d e rs a l t l ec o n d i t i o n av o fm o d eo fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wi nf a l l i n gf i l me v a p o r a t i o nh e a t e db y m i c r o w a v ew e r eb u i l t t h ed i s t r i b u t i o no ft h ev o l u m ef r a c t i o no ff i l mw a so b t a j n e d b yu s i n gc f d t h er e s u l ts h o w e dt h er a n g eo fg a s - l i q u i di n t e r f a c eu n d e rm i c r o w a v e f i e l dw a sw i d e rt h a nt h a to fw i t h o u tm i c r o w a v e t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n da ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e o ff a l l i n gf i l mb ym i c r o w a v eh e a t i n gw e r ec o n d u c t e d i tp r o v i d e dm e a n i n g f u l i n f o r m a t i o nf o rf u t a r ei n v e s t i g a t i o n k e y w o r d s ：m i c r o w a v e ，f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n ，h e a tt r a n s f e r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 四川大学硕士学位论文 l 前言 目前，化工、能源、核工业和污水处理等行业的蒸发分离浓缩，大多采用 间壁加热为其输入能量，即要有一个高温热源，先使物体的表面受热，再经过 热传导和对流将热量从被加热物表面传入内部，逐步使物体中心温度升高对 许多存在非常苛刻的气液传质操作，因较为严重的壁面腐蚀与结垢问题，使通 过问壁加热来输入能量的传热方式受到限制。对此，微波加热作为一种非接触 式的加热方式有着其优越性 现阶段，微波加热技术已有相当的理论研究，它作为体热源，伴随电磁波 向介质内部的穿透，有一个电磁能自动向介质区域传递的过程，介质吸收微波 能是内部与表面同时进行的，因此这种加热方式与传统的加热方式有着本质的 区别。微波技术与传统加热方法相比具有独特的效应和优点，是一种具有广阔 发展前途的新技术从清洁工艺的角度，对微波场中的传热的研究具有重要意 义 降膜蒸发作为一种有效的蒸发浓缩单元操作在工业生产中已有广泛应用， 具有传热效率高、传热温差损失小、无静压头引起的沸点升高及物料停留时间 短等降膜蒸发的显著特点因此，将微波与工业生产中已广泛采用的管内液相 降膜蒸发相结合，对粘稠、易结垢的液体，微波的穿透性带来的流体内部同步 加热可有效改善传统经壁面传热时对流给热系数小、易结垢等问题。 因此，通过分析和实验探讨微波加热管内降膜过程的基本规律，具有重要 的理论基础和实际应用意义 四川丈学硕士学位论文 2 文献综述及研究内容 2 1 微波加热原理及特点 2 1 1 微波加热原理 微波主要通过两种机制对物料进行加热：一种是极化机制，另一种是离子 传导机制极化有电子极化、原子极化、偶极极化和界面极化四种类型物质 总的极化程度是这四种极化作用之和，其中偶极极化和界面极化对微波介电加 热起了主要作用；而离子传导机制则是介质内所存在的自由移动的离子，在电 磁场中产生离子迁移电流，进而产生热。在微波场中，这两种机制通常共存， 而贡献大小则是由介质自身的性质决定一般说来，离子化合物离子传导机制 占主导，共价化合物则是极化机制占主导，金属则不发生加热机制。 介质由极性分子和非极性分子组织，在电磁场作用下，这些极性分子从随 机分布状态转为依电场方向进行取向排列。而在微波电磁场作用下，这些取向 运动以每秒数十亿次的频率不断变化，造成分子的剧烈运动与碰撞摩擦，从而 产生热量，达到电能直接转化为介质内的热能可见，微波加热是介质材料自 身损耗电场能量而发热。 根据上述原理人们由麦克斯韦尔方程出发推导了微波场对物质热效应的表 达式“, 2 1 。 | p = 2 玎e 2 z 。 ( 2 声) 上式中，万为圆周率；，为微波频率；e 为电场强度ip9 为物质的介电损耗它 表示物质将电磁能转换为热能的效率 不同介质材料具有不同的介电损耗，因此在微波电磁场作用下的热效应也 不一样由极性分子所组织的物质，能较好地吸收微波能。水分子呈极强的极 性，是吸收微波的最好介质。另一类由非极性分子组成，它们基本上不吸收或很 少吸收微波，这类物质有聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜等、塑料制品和 玻璃、陶瓷等，它们能透过微波，而不吸收微波。这类材料可作为微波加热用 2 四川大学硕士学位论文 的容器或支承物，或做密封材料金属导体反射微波而极少吸收微波能，所以 可用金属屏蔽微波辐射，以减少对人体的危害 2 i 1 微波加热的特点 1 ) 加热速度快【3 】 常规加热( 如火焰、热风、电热、蒸汽等) 都是利用热传导、对流、热辐射 将热量首先传递给被加热物的表面，再通过热传导逐步使中心温度升高( 既常称 的外部加热) 它要使中心部位达到所需的温度，需要一定的热传导时间，而对 热传导率差的物体所需的时问就更长。微波加热则属内部加热方式，电磁能直 接作用于介质分子转换成热，且透射使介质内外同时受热，不需要热传导，故 可在短时间内达到均匀加热。 微波辐射条件下淀粉水解制葡萄糖反应速度可达常规加热法的1 0 0 倍在 微波功率8 0 0 w 时。在质量分数为0 o5 的盐酸中，一些金属盐能使淀粉在 2 3 m i n 内快速水解。1 4 1 。 2 ) 整体加热 微波是一种穿透力强的电磁波，如频率为9 1 51 6 1 z 的电磁波，其波长为 3 2 c m ，它能穿透物体的内部，向被加热材料内部辐射微波电磁场，推动其极化 水分子的剧烈运动，使分子相互碰撞、摩擦而生热因此其加热过程在整个物 体内同时进行，升温迅速，温度均匀，温度梯度小，是一种。体热源”，大大缩 短了常规加热中热传导的时问除了特别大的物体外，一般可以做到表里一起 均匀加热这符合工业连续化生产和自动化控制的要求 、n a a 型分子筛膜可用微波加热技术合成，由于微波的体积加热特性。反应 物不易烧结，能迅速融合反应，晶化速度较常规加热合成提高l o 倍以上膜中 分子筛晶粒大小均匀。较常规加热合成的膜薄，渗透率提高3 4 倍，而且具 有一定的选择渗透性1 5 1 。 3 ) 均匀加热 用外部加热方式加热时，为提高加热速度，就需升高外部温度，加大温差 梯度然而随之就容易产生外焦内生现象微波加热时不论形状如何，微波都 能均匀渗透，产生热量，因此均匀性大大改善。以硅溶胶、偏铝酸钠、溴代十 四川大学硕士学位论文 六烷基吡啶及氢氧化钠等为原料，采用传统的电烘箱加热方法。在8 0 下晶 化, 7 2 h 才能得到m c m 4 1 分子筛。在微波加热条件下进行同样的反应时。由于 加热迅速而均匀，晶化时间仅为2 h ，而且此方法还可控制生成的m c m4 1 的 晶型和结晶度。特别是当给反应物中加入少量乙二醇时，能显著提高结晶度。 减小粒径，得到形态更均匀的m c m4 1 嘲 4 ) 节能高效 不同物料对微波有不同吸收率，含有水份的物质容易吸收微波能。玻璃、 陶瓷、聚丙烯、聚乙烯、氟塑料等则很少吸收微波，金属将反射电波，这些物 质都不能被微波加热。微波加热时，被加热物料一般都是放在用金属制成的加 热室内，加热室对电磁波来说是个封闭的腔体，电磁波不能外泄，只能被加热 物体吸收，加热室内的空气与相应的容器都不会被加热，所以热效率高同时 工作场所的环境温度也不会因此而升高，生产环境明显改善。 曲世明口l 针对室温下介电损耗很小的材料采用微波混合加热技术。成功地 烧结成z r 0 2 , s i 3 0 4 和s i 3 n 4 的样品，得出结论：微波混合加热技术具有大幅度缩 短烧结时间和节约电能的优点。其推广和应用必将带来重大的经济效益 5 ) 易于控制 微波功率的控制是由开关、旋钮调节，即开既用，无热惯性，功率连续可 调，易于自动化于秀烈引等曾用微波对玉米进行干燥，并研究了不同加热功 率和加热时间对玉米发芽率、暴腰率、过氧化氢酶活性的影响其研究表明。 在保持玉米良好品质和低暴腰率的前提下。可以控制合适的加热功率和时间。 实现对玉米的快速干燥。 6 ) 清洁卫生 ， 对食品、药品等加工干燥时，微波热效应与生物效应能在较低的温度下迅 速杀虫灭均，能最大限度的保持营养成分和原色泽，所以微波加热在食品工业 中得到广泛的应用。杨晓苹1 9 1 等曾用微波加热技术对茶叶进行处理，试验结果 表明，微波加热可以在很短的时间内，在较低的温度下对茶叶的内部进行杀 菌，不仅灭菌效果好，而且能在外包装呈密封状态下进行杀菌，可有效地避免 二次污染。 7 ) 选择性加热 4 四川大学硕士学位论文 不同性质的物料对微波的吸收损耗不同，既选择性加热的特点，这对干燥 过程有利因为水分子对微波的吸收损耗最大，所以含水量高的部位，吸收微 波功率多于含水量较低的部位，从而干燥速率趋一致。但有些物质呈负温度系 数，温度愈高，f ，和留艿将增大，吸收愈好，造成正反馈使这一部分的温度 急剧上升。对这类物质进行微波加热就要注意合理制定加工工艺 8 ) 安全、卫生、无污染，具有很强的杀菌能力 常规加热一般采用矿物燃料作为能源，其燃烧产生的二氧化碳被称为产生 。温室效应”的主要成分而微波加热所用能源为电能，对环境没有污染用微 波辐射生物体时，除了产生微波热效应外，微波还能使生物体的生物活性得到抑 制或激励，即微波的非热效应或生物效应在相同温度条件下，微波对细菌的致 死率远高于常规加捌姗。除此之外，微波加热还具有加热质量高、营养破坏少、 加热设备紧凑、节省空间等优点。 2 2 微波加热的应用 由于微波加热技术具有许多常规加热技术所不具备的优点，国外从2o 世 纪6 0 年代起就将微波加热技术应用于许多行业。我国从20 世纪7 0 年代开始 研究并应用微波加热技术，目前，已在皮革、木材、彩色印刷、食品、纸张、化 工、陶瓷、药品、烟叶、建材、橡胶以及医疗等行业逐渐采用微波技术，并取 得了良好的经济效益。微波能技术作为一种新的加工手段，对各行业的技术改 造和设备更新已形成极大地冲击。特别是现阶段，摆在各经营者面前的是解决 产品结构与社会需求的问题，适应社会发展对产品品质、品种要求的提高。 2 2 1 微波加热在化学反应中的应用 化学反应本质是化学键的断裂与生成，往往伴有苛刻的条件，比如高温、 高压及催化剂等，宏观表现为反应时间长，能耗高，难于控制等方面。而微波 的加入起到了减少反应时间、节约能源的作用，有时还能改进产物性能，减少 副产物的输出。 5 四川大学硕士学位论文 用传统加热方法进行甲基丙烯酸甲酯的本体聚合。约需3 5 h 转化率才能 达到9 0 在微波加热条件下，其聚合转化率随微波功率的增大而增大，诱导 期及反应时间随之减少，而聚合产物的特性粘度及分子量与常规加热产物相比 无明显差别。转化率达9 0 仅需几分钟到几十分钟【l “。以铝盐和酚醛树脂作原 料。采用溶胶凝胶法在微波炉中可用较低的温度和极短的时间合成粒度5 8 0 n t o 的t k l n 纳米微粉，其纯度达到9 8 以上【。在以沉淀c a c o3 ，s i 0 2 和 h a ( o h ) 3 或f e 2 0 3 为原料。用微波加热方法制备c 3 s 时，由于微波的体积加热以 及选择性加热特性。反应的诱导期减短，最佳反应温度降低，比使用传统加热方 法更有利于生成c 3 s 【l 孤用微波加热通过l a s m * 与沸石分子筛的离子交换来 制备分子筛催化剂，由于微波的交变电磁场使阳离子的水合数变少，也使水合 离子的形状发生变化，同时可能使离子平动动能大于转动动能，从而加快了离 子交换反应进程。在其他工艺条件相同时，微波加热方式所用时间仅为传统加热 方式的1 3 0 1 4 0 沸石中稀土离子的交换度有显著提高 ) ( 射线粉末衍射检测 显示微波加热对沸石晶体结构无破坏作用“4 】 2 2 2 微波加热在其他行业中的应用 微波加热除了在化学反应中的应用外，还广泛应用于其他行业中。比如在 食品、医疗、橡胶、矿产、等离子技术等领域中，微波加热技术所表现出的优 点是传统加热方法无法比拟的。 在食品工业中，微波加热技术用于冻结物料的解冻处理。与传统的解冻方 法相比，微波解冻具有解冻时间短，冻品滴水少，无污水排放、工作环境整洁 等一系列优点据报道，仅需几分钟，原木表面的1 - - 1 5 c m 深处温度能由，- 2 0 1 2 上升到0 c ，而且此时树皮附着力也随之下降。与蒸汽热水解冻相比， 每生产1 吨纸浆可节省能耗l o o 一3 0 0 蚶”】在医疗领域中，微波热效应可进行 微波理疗、配合放疗和化疗进行透热治癌；另外还可以利用微波加热血浆、解 冻冷藏器官；还可设计微波手术刀，开刀止血快、出血量少。在矿产方面，原 煤中的硫以黄铁矿形式出现，黄铁矿比煤有更高的损耗角正切，因此利用微波 可使黄铁矿得到选择性加热与气体发生反应，进行脱硫，而煤不受影响；在等 离子技术中，半导体生产工艺已经采用微波等离子体技术，进行刻蚀、溅射、气 6 四川大学硕十学位论文 相沉积、氧化硅片；还可用于金属、合金、非金属的表面处理。在烧结工艺中， 相对于传统的烧结方法，微波烧结具有突出的优势：材料内部结晶结构更加均匀， 致密度更高，改善了材料的性能；实现选择性烧结，产生具有新的微观结构和优 良性能的材料。 2 3 微波流床的应用及研究进展 2 3 1 微波流床的应用 微波由于具有加热速度快、选择性好、效率高、可以杀菌的优点而被广泛 用于消毒、干燥以及其他工业处理中最近人们发现微波与工业中的流床结合 使用具有许多优点，如能量利用率高、处理时间大大降低、产品性能增强等。因 此微波流床已被广泛用于微波化学合成的在线处理、材料干燥和消毒、煤脱硫、 放射性废物的处理以及高纯度硅的生产中唰比如在萃取操作中引入微波流床， 使其成为连续方式工作的萃取设备萃取效率高、纯度高、能耗小、产生废物少、 操作费用少、符合环境保护要求。可广泛用于中草药、香料、保健食品、化妆 食品、化妆品、茶饮料、调味料、果胶、高粘度壳聚糖等行业，目前在我国微波 萃取已经用于多项中草药的浸取生产线之中。如葛根，茶叶、银杏等。微波萃取 已列为我国二十一世纪食品加工和中药制药现代化推广技术之一中药研究机 构的科研工作者，已经用微波萃取方法处理上百种中药。【1 7 - 2 0 l 此外，微波灭菌是新兴的灭菌方法，由于微波对微生物除具有热效应外， 还具有特殊的非热效应，因而可以在通常的工艺条件下对物料进行灭菌处理。 微波流床与灭菌技术相结合而研制的微波连续灭菌器，可用于液体物料的连续 杀菌及灭酶。操作方便，灭菌效果好。其杀菌温度较普通热力杀菌设备低，杀 菌时间短，更容易实现自动化控制，得到广泛的运用1 2 l j 还有研究表明，利用微波加热解吸可消解污水中的有机物。a i h a m “和 p l a l p u s c h n e r 研制了一种固定床式的微波加热解吸装置。用该装置研究了从活性 炭高分子和沸石中解吸回收乙醇和有机脂。因此，采用微波解吸处理污水中的有 机物。不仅可消解有机物还可获得高质量的回收产物。【2 2 1 7 四川大学硕士学位论文 2 3 2 微波流床的研究进展 随着微波流床在化工、食品、材料加工中的作用越来越明显，微波流床的 设计和改进成为人们关注的重点。孙熳、江汉保等人1 2 3 1 成功设计了在微波炉上 下壁打孔，并安装一段波导及扼流装置，用于安装化学反应仪器，使微波炉能 适用于化学合成中 r a n c r 等人研究出可控温控压的间歇式微波化学反应器( m b r ) z 4 1 ，该装置具 有快速的加热能力( 1 2 k w ) 。温度和压力可分别控制到2 6 0 0 c 和1 0 0 m p a , 有微波功 率的无极调控。还装有搅拌装置。 闫丽萍，黄卡玛瞄i 等人采用数值方法模拟了波导型微波流床中液体介质的 加热过程利用f d t d 方法，通过求解流体中的m a x w e l l 方程组和热传导方程， 计算了流动介质中的温度分布。并研究了该波导型流床反射和透射与介质流速、 倾斜度及流体直径之间的关系得出结论：该微波流床反射和透射都随聚四氟 乙烯管的倾斜度进行非线性变化在优化角度范围内反射和透射都很小且几乎 不随聚四氟乙烯管的直径变化。流体内横截面上温度分布存在不均匀性；对于水， 管内直径小于2 2 c m 时温度均匀性较好；但对于工业应用流体横截面较大的情况 下可以采用螺旋状流床或多模腔微波流床以提高流体内温度分布的均匀性 邵明望、张文敏等人汹1 基于微波炉的化学反应器中的流动水负载进行了研 究研究从水负载吸收微波功率的角度定性分析了负载体积、位置对微波炉有效 输出功率的影响 郝金玉、韩伟等脚l 用激光多普勒测速仪测定了自行设计萃取器内流体的轴 向速度和切向速度得到流体轴向速度和切向速度在内外环隙不同层数间的分 布：考察了流体轴向速度在不同旋转度口上的分布，讨论了入口流速q 的影响 并将测得的数据用m a t l a b 软件编程绘出二维和三维图将初步设计的微波萃取 器的实验数据图与p h o e n i c s 软件模拟的流场分布图作比较。吻合较好 四川大学硕士学位论文 2 4 降膜流动与传热的研究进展 2 4 1 降膜膜层内的速度分布研究进展 关于液膜的流动，有关专家学者已经作了一定的研究经过实验观察及分 析表明，由于自由面的存在，膜内运动可以有多种不同状态，其基本类型可以 概括为层流，波动层流、湍流及波动湍流等。而区分流型的一般参数仍是雷诺 数r e ： r e ：p b u ( 2 2 ) ( 2 2 ) 式中特征尺寸是液膜厚度5 ，特征速度是液膜截面上的平均速度。 当r e 3 0 - - 5 0 时，产生了波动的流动状态，在液膜中除了进行运动外，还出现 波动。表面出现波动时，波峰处的膜较厚，该处可能变成局部湍流区域，但不 会发展或过渡到湍流。当r e = 2 5 0 - - 5 0 0 时，层流将转变为湍流在湍流状态下， 雷诺数比临界值大很多。但是液膜中的相当厚的一部分仍是具有层流性质的“粘 性底层”。1 2 8 1 已有文献2 9 1 针对管内层流降膜膜层内的速度分布进行了描述，液膜沿竖直 圆管内壁流下，管中一t l , - - 次蒸汽并流流过，加热固体壁面温度恒定文献在假 定流态稳定，并无表面波动的情况下，建立空间二维物理模型，并忽略对流传 热及蒸发所产生的质量损失，通过动量衡算得到了膜层内的速度分布，膜内最 大速度，平均速度和降膜体积流量。 牛晓峰，王良虎等1 3 0 1 在h a r r i o t t 理论的基础上提出一种新的垂直降膜吸收 传质模型。将降膜过程中漩涡的作用点由一个几何点扩展到一个区域，将整个降 膜流动过程划分为非湍流区和全湍流区非湍流区内，波峰和波谷域采取了不同 的l e v i c h 厚度处理方法 p h i l i p pa d o m e i t 等1 3 ”在雷诺数r e = 2 7 2 0 0 的条件下。采用特制的显微 粒子成像系统( m i e r o - s e o p i e a lp i v s y s t e m ) 测量了降膜内的速度分布。采用荧光 技术测量膜厚。进而详细分析了降膜过程的速度场以及降膜波的运动和形状特 9 四川大学硕士学位论文 性 李维；杨小琼等 3 2 1 提出了一种改进的水平圆管外降膜吸收过程的传热传质 耦合的吸收模型及其相应的数值解法模型首次考虑了液膜中径向速度及稀释 热对吸收过程的影响。计算表明径向速度对吸收过程有强烈影响，忽略径向速度 的影响对预测液膜中温度和浓度的分布带来较大误差。 叶学民；阎维平等口3 】对垂直自由降膜表面波建立了数学模型及计算方法， 在雷诺数r e = 8 8 0 、等温壁面条件下，根据实验测定的薄膜厚度随时间变化的 规律，经坐标转换，在运动坐标系下，采用有限差分法求解动量方程和连续性 方程，得到了定常温度下层流降膜内的速度分布和压力分布。 张锋，耿皎等【蚓人分析了固体壁面上受热降膜流动过程中，m a r a n g o n i 效应 引起的收缩与液体的浸润性及流动引起的扩展相互作用，使得液膜边缘形成凸 起区并根据凸起区内的受力平衡和质量平衡，引入液膜收缩角描述液膜收缩 特性，提出了平壁上受热液膜分布模型该模型表明较小的加热温差、小的固 液接触角以及较大的液体流量有利于液膜在加热固体壁面上的扩展通过与实 验数据的比较显示。本模型较好地描述了受热降膜的收缩特征，在降膜初始区 域( 4 3 2m ) 能够与实验数据较好地吻合为传热过程及其设备的优化设计提供 理论依据。 2 4 2 管内降膜蒸发传热研究进展 现阶段，降膜蒸发已在化工、轻工、化纤、食品加工、海水淡化、医药、 污水处理及原子能等工业部门得到了广泛的应用 3 5 1 因为其具有操作稳定、传 热效率高、熟损失小、传热温差损失小，无静压头引起的沸点升高及物料停留 时间短等显著特点，尤其适用于热敏性物料的蒸发。 蒸发传热计算在降膜蒸发器设计、工艺流程改善、设备的评价中非常重要， 主要是计算其液膜层的厚度和液膜侧的传热系数。众多研究者进行了大量的研 究工作，对液膜侧的传热性能进行预测，但是由于气液界面存在的波动引起的 垂直降膜蒸发传热的复杂性，这一问题至今还未得到很好的解决 3 6 1 。 ( 一) 实验研究进展 l o 四川大学硕士学位论文 很多研究者对降膜蒸发的传热性能进行了实验研究，并得到了不同的实验 关联式其中，比较有影响的是c h u n 和s e b a n 得出的关联式，其对垂直管外降 膜的传热性能进行了详细的实验研究，通过测量热流量、壁温、饱和蒸汽压确 定给热系数，得到的关联式为： 波动层流： = 0 8 2 1r e - o ( 2 3 ) 湍流流动： = 0 0 0 8 8 r e 0 4p r 嘣( 2 4 ) c h u n 和s e b a n 的数据是目前最常引用的数据，很多研究者在验证理论模拟 的准确性时也多以c h u n 和s e b a n 的数据为准；所得的关联式也经常被使用，如 在纯组分降膜蒸发器的设计计算时，常推荐使用c h u n 和s e b a n 的实验关联式。 但由于其实验工质为纯水，并且忽略了二次蒸汽对传热的影响，具有一定的局 限性鲫。 f u j i t a 和u e d a 3 s l 对电加热管内常压降膜水蒸发进行了实验研究并得出关联 式： 层流流动： = o 9 r c “2 ( 2 5 ) 湍流流动：矿- - 0 0 0 6 r e o a ( 2 6 ) 与c h u n 和s e b a n 的关联式比较，均是管外降膜蒸发的实验结果，且都没有 计入二次蒸汽流动对液膜的影响，但其关联结果比c h u n 和s e b a n 的关联高l o 赵起等1 3 9 1 人对长达4 m 的垂直管内的降膜蒸发的传热特性进行了实验研究， 研究发现二次蒸汽对垂直管内降膜蒸发传热系数有明显影响，同时得到了湍流 时的传热系数实验关联式为： = z 7 x ，旷r - e ，4r e 。n ”p r o - x ( 毒了。3 6 ( 鲁 o ”c 2 ， 赵起等人在总结前人实验经验的基础上，改小型的降膜蒸发传热研究为在 较大降膜管内进行传热研究，并计入了二次蒸汽的影响，为以后的研究奠定了 基础。 在对垂直管内引入载气时对传热性能产生影响的研究方面，孙平等h 1 1 人研 究了在垂直管内引入饱和蒸汽时的湍流降膜蒸发传热，实验研究表明：管内引 四川丈学硕士学位论文 入饱和蒸汽后，可提高传热系数1 2 1 5 ，降低液膜厚度1 0 - - 2 0 ，而对液膜传 热温差无太大影响，并且得到了相应的实验关联式： h = 2 4 6 2 x1 0 - 3r e ”i 嚣。p r ”3 ( 2 8 ) 栾善东等 4 0 1 人对在垂直管内引入惰性气体时的湍流降膜蒸发传热进行了实 验研究，结果表明，惰性载气的引入，起到了强化降膜蒸发传热，降低壁面过 热度，提高蒸汽传热系数的效果。 上述研究得出了忽略二次蒸汽对传热系数影响与记入二次蒸汽影响两种情 况下的传热系数关联式，且和液膜雷诺数大小有关二次蒸汽对降膜蒸发传热 影响的机理较复杂，有待进一步研究。 ( 二) 理论研究进展 对降膜蒸发传热的理论研究最早是n u s s e l t 提出的，n u s s e l t 对光滑层流下降 液膜进行了理论模拟，并在忽略界面波动和气相剪应力影响的情况下，得到液 膜传热系数，并得到了液膜厚度表达式1 4 2 】。 b e n j a m i n t + 3 l 等人在n u s s e l t 模型的基础上，考虑界面波动的影响，理论模拟 的结果发现，该模型得到的膜厚与n u s s e l t 相比，膜厚下降。 d u k l 一4 堋最早对湍流下降膜进行了理论模拟。在不考虑界面波动并计a - - 次蒸汽对流动与传热的影响的情况下。将满管流边界层的湍流模型移置于降膜 蒸发液流中，而对不同的区域选用不同的模型。对y + 2 0 区域选用d c i s s l e r 模 型，y + 2 0 的区域选用v o nk a r m a n 模型确定涡流传递系数，然后联立求解降 膜动量方程和能量方程。但是其理论预测值与实验值相差较大。 m u r t h y 和s a r m a t 拍4 1 的模型假定湍流p r 数等于l ，认为气液截面间无阻尼。 该模型最大的优点是以显示形式标识了传热分系数，但是没有考虑相界面闻剪 应力。 m i l l s 和c h u n 一4 田采用等膜厚模型，在近壁区选用v a nd r i e s t 模型，气液界 面区选用l a m o u r e l l e 和s a n d l e 从气体吸收实验中定义的涡流扩散系数，不考虑 气液相间的剪应力该模型与c h u n 和s c b a n 的实验数据相当吻合，但该模型还 是有缺陷，那就是加热段的渐进传热系数太高，而且预计的热发展段要远大于 实验值。 o c s a n d a l l l + m 等人在近壁区选用修正的v a nd r i e s t 模型，气液界面区选用 四川大学硕七学位论文 c h u n g 的气体吸收涡流扩散系数，不考虑二次蒸汽剪应力。该模型与c h u n 和 s e b a n 的实验数据吻合，平均偏差为8 3 。 l a i u d a w w a r 和m a e l m a s r i t 5 0 l 在远壁区选用v a nd r i e s t 模型，液膜的主 体区域的涡流黏度分布选用u e d a 的实验测定结果，构造了统一的气表达式， 该模型在湍流程度较小时，与实验结果吻合较好。但是当湍流程度较大时，理 论与实验偏差比较大，而且没有考虑二次蒸汽剪应力。湍流下降膜蒸发传热的 理论均在此基础上进一步完善和发展，其关键是确定合适的涡流传递系数。 栾善东等【5 l l 研究二次蒸汽对湍流下降液膜传热性能的影响。对于 y + ，扩o 6 ，采用y i h 等人修正的湍流模型，y + 8 + 0 6 ，采用他们自己推 导得到的湍流模型，同时采用了y m 等人修正得到的适于液膜表面存在剪应力 作用时的湍流普兰特数p r i 。与实验值对比，该模型较好的预测了实验结果。 从以上研究可以看出，在湍流下降液膜的理论模拟研究中，关键是确定液 膜近壁区、中间区和自由区的涡流黏度分布，对于近壁区应用修正的v a nd r i e s t 模型已经得到大部分研究者的肯定，但是对于中间区域和自由界面区的涡流黏 度分布，认识差异较大。 2 5 本课题主要研究内容 将微波与工业生产中已广泛采用的管内液相降膜蒸发相结合。使之不仅具 有传热效率高、传热温差损失小、无静压头引起的沸点升高及物料停留时间短 等降膜蒸发的显著特点，且对粘稠、易结垢的液体，微波的穿透性带来的流体 内部同步加热可有效改善传统经壁面传热时对流给热系数小、易结垢等问题。 本课题拟对微波场下管内降膜过程中的传热过程进行了初步的理论分析和实验 探讨，主要研究内容如下： 1