槽波导谐振腔微波化学反应器的优化设计

摘要

乙烯和乙炔是化学工业中最重要的基础原料，随着石油资源的日益匮乏，利用天然气生成乙烯和乙炔已经成为当今世界研究的热点。由于传统法甲烷制C2炔需要高温、高能，故无产业化前景；而利用微波化学方法从甲烷偶联制C2炔有着明显的优越性。但目前的微波化学实验主要是在矩形波导或矩形波导构成的谐振腔内进行的，从而存在微波化学反应用谐振腔体积小，C2炔产量低等缺陷。针对这种缺陷，本论文提出了槽波导谐振腔结构的微波化学反应器，并对槽波导谐振腔微波化学反应器进行了详细分析和优化。本论文的研究内容有主要以下两点：
　　 1.在中心频率为2.45GHz的条件下，利用横向谐振法分别对矩形和圆形槽波导的色散特性进行理论分析推导，得到相应的色散方程。并利用MATLAB软件编程计算，得到矩形和圆形槽波导的截止特性和波导波长，通过与其他文献的比较，验证了本文求解槽波导传输特性的方法和编程计算的正确性和有效性。另外，还利用MATLAB软件编程对矩形和圆形槽波导谐振腔进行优化设计，得到其归一化截止波长趋于一个稳定值时所对应的腔体结构尺寸。
　　 2.根据理论分析，在中心频率为2.45GHz，功率为1W条件下，利用基于有限元法的HFSS软件分别对矩形和圆形槽波导谐振腔微波化学反应器进一步优化设计。从仿真计算结果来看，不仅验证了横向谐振法求解结果的正确性，而且得到最优结构尺寸的微波化学反应器。在最优结构尺寸下，矩形槽波导谐振腔微波化学反应器内的最大电场强度可达到104V/m，且区域较大；而圆形槽波导谐振腔微波化学反应器内的最大电场强度仅2000V/m。因此矩形槽波导谐振腔微波化学反应器更适合用来甲烷偶联制C2炔。在高功率和激励器的作用下，矩形槽波导谐振腔微波化学反应器内的甲烷气体在常压下就可以产生微波放电，使甲烷转化成C2炔。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2微波等离子体条件下催化甲烷偶联

1.2.1微波等离子体在化学中的应用

1.2.2微波等离子体技术下甲烷偶联制C2烃反应机理

1.3本文的研究目的和主要内容

第二章槽波导谐振腔微波化学反应器的理论基础

2.1槽波导谐振腔理论

2.1.1槽波导理论

2.1.2槽波导谐振腔理论

2.2槽波导微波化学反应器结构

2.2.1微波化学反应器

2.2.2模式变换器

2.2.3耦合膜片

2.2.4短路活塞

第三章矩形槽波导谐振腔的理论分析

3.1矩形槽波导理论分析

3.2矩形槽波导谐振腔的理论分析

3.2.1矩形槽波导谐振腔的优化

3.2.2矩形槽波导谐振腔的波导波长

第四章圆形槽波导谐振腔的理论分析

4.1圆形槽波导的理论分析

4.2圆形槽波导谐振腔的优化

4.2.1圆形槽波导谐振腔的优化

4.2.2圆形槽波导谐振腔的波导波长

第五章HFSS软件仿真验证和分析

5.1对矩形槽波导谐振腔微波化学反应器的验证分析

5.1.1矩形槽波导谐振腔的优化设计和验证

5.1.2反应管的优化

5.1.3激励器的优化

5.2对圆形槽波导谐振腔微波化学反应器的验证分析

5.2.1模式变换器优化

5.2.2圆形槽波导谐振腔的优化设计和验证

5.2.3反应管的优化

5.3矩形与圆形槽波导谐振腔微波化学反应器的对比分析

第六章结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果