本研究考察了微波從底部饋入反應(yīng)器和從側(cè)面饋入反應(yīng)器時(shí)對(duì)固體催化劑的加熱效果。從微波介電加熱和熱傳導(dǎo)的物理規(guī)律出發(fā)，建立了兩種不同微波饋入位置時(shí)對(duì)催化劑床層加熱的模型，并通過(guò)COMSOL　Multiphysics軟件模擬分析其對(duì)加熱效果的影響。結(jié)果表明：當(dāng)采用底部饋入方式進(jìn)行加熱時(shí)，電磁場(chǎng)強(qiáng)度在下部分布較強(qiáng)很高，但在距離饋入口較遠(yuǎn)的區(qū)域電磁場(chǎng)強(qiáng)度較低，最終得到的溫度分布均勻性較差;當(dāng)采用微波從側(cè)面饋入的方式進(jìn)行加熱時(shí)，催化劑床層區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，且溫度分布比較均勻。

　　微波加熱是一種依靠物體吸收微波能將其轉(zhuǎn)換成熱能，使自身整體同時(shí)升溫的加熱方式，完全區(qū)別于其他常規(guī)加熱方式。微波透入介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)損耗引起介質(zhì)的溫度升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時(shí)加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時(shí)間，而且加熱速度快且均勻，是一種良好的加熱方式。

　　自加拿大學(xué)者Gedye等1986年發(fā)現(xiàn)微波可以顯著加快有機(jī)化學(xué)合成反應(yīng)以來(lái)，微波加熱技術(shù)作為一種新的加熱方式越來(lái)越多的被應(yīng)用于在化學(xué)及化學(xué)工程領(lǐng)域。在一些催化反應(yīng)中，由于催化劑中的載體如Al2O3、SiO2等成分不吸收微波，微波能可以直接傳送到負(fù)載于載體表面的催化劑活性組分上，并使其自身以及吸附其上的反應(yīng)物被選擇性加熱，從而加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。然而，機(jī)理研究滯后，且缺乏高性能的專用微波化學(xué)反應(yīng)器限制了其研究進(jìn)程。如何突破這些瓶頸是近年研究的熱點(diǎn)。

　　不同于傳統(tǒng)多相催化反應(yīng)體系，對(duì)于微波輔助多相催化反應(yīng)過(guò)程，微波能如何被催化劑有效吸收，以及設(shè)計(jì)合適的反應(yīng)器使得微波電磁場(chǎng)在內(nèi)的分布均勻且強(qiáng)度較高是決定微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)的關(guān)鍵。由于微波加熱介質(zhì)內(nèi)部電磁場(chǎng)及溫度分布難以測(cè)定，因此借助模擬方式成為了研究這一問(wèn)題的重要途徑。本文采用COMSOL　Multiphysics軟件建立了微波加熱和熱量傳遞耦合的3D模型，仿真了常用的兩種微波饋入方式下微波對(duì)催化劑區(qū)域的加熱狀況，對(duì)微波誘導(dǎo)氣固相催化劑的反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供了參考。

　　2.3、催化劑床層溫度隨時(shí)間變化

　　為計(jì)算兩種微波饋入方式下催化劑床層溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，使用軟件以固定步長(zhǎng)對(duì)催化劑整體溫度求平均值。圖4對(duì)比了兩種不同微波饋入方式下催化劑床層溫度隨時(shí)間的變化情況。兩條曲線的斜率代表了兩種不同的微波饋入方式下對(duì)催化劑床層加熱的升溫速率。為了單純對(duì)比兩種微波饋入方式下的加熱效果，不考慮熱源向外散熱的情況，故所得到的升溫曲線接近直線。由圖中可以看到，微波側(cè)面直接饋入的傳導(dǎo)方式下的升溫速率以及所獲得的最高溫度均高于微波從底部饋入方式下的結(jié)果。

圖4　微波從底部饋入及微波從側(cè)面饋入時(shí)催化劑床層溫度隨時(shí)間的變化

　　3、結(jié)論

　　本文從微波介電加熱和熱傳導(dǎo)的物理規(guī)律出發(fā)，建立了兩種不同微波傳式下微波對(duì)催化劑床層加熱的模型，并通過(guò)理論模擬分析了兩種不同微波饋入方式對(duì)加熱效果的影響。結(jié)果表明：微波加熱過(guò)程中，最終加熱效果與微波加熱方式直接相關(guān);當(dāng)采用側(cè)面饋入的方式進(jìn)行加熱時(shí)，電磁場(chǎng)強(qiáng)度在饋入口附近很高，但在距離反應(yīng)器饋入口較遠(yuǎn)的區(qū)域電磁場(chǎng)強(qiáng)度較低，最終得到的溫度分布均勻性較差;當(dāng)采用微波從側(cè)面直接饋入的方式進(jìn)行加熱時(shí)，催化劑床層區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，且溫度分布比較均勻。因此，在使用微波對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加熱的過(guò)程中，需要充分考慮微波饋入方式對(duì)加熱均勻性及加熱效果的影響。