微波与化学反应体系相互作用过程中的特殊效应研究

摘要

微波作为一种高效的加热方法已经在化工各个领域内广泛应用，但是微波和化学反应的相互作用机理还没有真正被认识，这严重制约了微波在化学工业上的进一步应用，同时，微波与化学反应相互作用过程中产生的特殊效应也成为人们关注的焦点问题。化学反应体系作为一个非平衡态体系，它不是各种化合物的简单混合。本文就微波与化学反应体系的相互作用过程中产生的一些特殊效应从实验到理论进行了深入研究与探讨，这些工作将对进一步理解微波同化学反应的相互作用机理、研究特殊效应和相关应用提供帮助。 论文的主要内容与创新点如下： （1）在工业频率2.45GHz时，对室温下各类常用有机试剂的介电特性进行了测量，并对结果进行了分析，这些测试和分析结果将为微波辅助有机合成提供有益参考。 （2）提出了一个新的经验公式，首次引入了描述不同离子对水的复介电系数的影响的复影响因子的概念，用来计算微波频率下电解质水溶液的复等效介电系数。改变了原先电解质溶液介电系数计算模型大部分是针对静止频率下进行的不足，同时克服了利用Debye模型计算方法复杂和使用范围受限的缺点。 （3）对二苯乙烷生成反应中的反应溶液的介电特性随时间的变化规律进行了测量计算。讨论了催化剂对微波加热的作用，并提出了微波加快该反应过程的功率控制方式。这些将对微波辅助有机合成提供一定帮助。 （4）化学反应系统是一个非平衡系统，它不是各种化合物的简单混合。到目前为止，有关化学反应体系等效复介电系数随时间变化的理论除黄卡玛等提出外少见报道。本文以液相化学反应体系为对象，基于反应溶液中单位体积内的分子个数随温度变化的情况对黄卡玛等提出的化学反应复等效介电系数经验公式进行了改进。根据化学反应方程，利用插值的方法，得到反应体系等效复介电系数与温度的经验公式，从而给出任意时间、任意温度下反应体系等效复介电系数。 （5）首次提出通过化学反应过程的等效介电系数变化来获取化学反应动力学参数的方法，解决了一些不能通过测量透光率、电导率、压力等和浓度相关的可测物理量的变化的常规方法来获取化学反应动力学参数的问题。 （6）总结了近些年来有关微波化学中的特殊效应研究的进展，并对其相关机理和实验方法等进行了介绍与讨论，这些讨论将为人们研究微波加快化学反应中的特殊效应提供帮助。 （7）通过实验和测试分析，研究了水浴加热、水浴加热附加电场和附加磁场，不同条件对硫酸钙晶体形貌的影响。 （8）大量实验表明：从相同的初始温度加热到相同的末温时，微波加热与传统加热生成物产量不同。我们从理论上证明了这一结果，同时采用硫酸钙结晶实验进行了验证，理论计算结果同实验测量结果基本吻合。 （9）通过特殊控温方法，使得微波加热与传统水浴加热从相同初始温度以相同温升速率加热硫酸钙生成反应到相同末温，对生成的硫酸钙晶体物相与形貌进行了分析表征。通过对微波加热过程的电磁场分布仿真与对硫酸钙晶体生成过程中温度的仔细测试，解释了获得的硫酸钙晶体物相差异的原因。利用蒙特卡罗（MC）方法，首次通过对微波辐射下晶体生长影响的分析，解释了获得的硫酸钙晶体形貌不同的原因。这将对微波特殊效应实验与理论研究提供帮助。 （10）以丙酮碘化反应为例，根据（4）中经验公式获得了反应中任意温度和反应时刻的混合溶液的等效介电系数，利用时域有限差分（FDTD）方法联合求解了化学反应方程、Maxwe11方程和热传导方程，得到反应过程中的电磁场与温度分布。

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

第二章有机溶剂的复等效介电系数的测量与计算

第三章电解质溶液体系的复等效介电系数的测量与计算

第四章化学反应体系的复等效介电系数的测量与计算

第五章利用等效介电系数对化学反应体系的动力学参数获取

第六章微波加热化学反应中的非热效应研究

第七章微波辐射下硫酸钙晶体的特殊效应研究

第八章微波加热化学反应过程的数值模拟

第九章论文总结与后期工作的展望

参考文献

科研成果

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