微波加热技术

微波加热技术（精选9篇）

微波加热技术 篇1

原油地面集输过程是油田生产中的重要环节。稠油由于自身存在黏度大、凝点高的特点。因此需要加热集输,每年用于地面集输的能源占开采能源的1/10。通常采用的加热方式为井口燃气加热炉或电加热等方式。这几种常规的加热方式对原油是由外到内的传热过程,而稠油由于导热性较差,常规方法加热稠油存在加热速度慢、加热效率低、原油的降黏效果差等缺点,大大浪费了能源[1]。

微波加热技术是在微波理论、微波技术和微波电子管成就上建立起的一门应用技术。微波热则是通过微波能量与被加热介质的相互作用而达到表里一致被加热的[2]。因微波作用是介质内外部同时吸收微波能量,可快速地将热量传递给原油介质,这种加热不同于一般的外部热源由表及里的传导式加热,这对于导热性较差的材料加热,其优势明显。

1 微波加热原理

微波是频率大约在300 MHz～300 GHz、波长在1 m～1 mm范围内的电磁波。微波能对稠油作用时会产生两种效应:热效应和非热效应[3]。

微波的热效应是将微波能转换成物质内能的过程[4]。由于微波会对介电材料产生电子或原子极化、界面及偶极转向极化,内部介质的极化产生的极化强度矢量落后于电场一个角度,从而产生一个与电场同相的电流,构成了材料内部的功率耗散,引起物体内部分子的激烈振动摩擦生热而迅速升温,也即微波加热是因介质损耗转变成热能的。伴随着电磁波向材料内部的穿透,有一个电磁能自动向内部的传递过程,材料吸收微波能量是内外部与表面同时进行的,因此,可以称微波加热是一种体加热。

而非热效应是在微波作用下,反应体系在低温状态下的产率或反应速度等同或优于常规加热状态。稠油是准塑性流型的流体,在微波作用下会发生非热效应化学裂解反应。原因是微波对稠油辐射后,在一定的条件下,能引起微波某种化学意义上的变化,高频微波给极性胶质沥青质分子提供了一个额外的转动矩,使其作旋转运动,且微波的频率接近分子的转动频率,使处于微波场中的烃类大分子发生共振产生剪应力,该剪应力会使发生分子键断裂,使大分子烃链断裂成小分子烃链,引起化学分子结构的变化,从而使得稠油中胶质沥青质含量减小,降低稠油黏度,改善了稠油流动性[5]。

2 实验装置建立

考虑到辽河油田稠油介质的特性及现场稠油集输管线运行的实际工况,建立了地面含水稠油微波加热集输实验装置。微波加热器与循环管线上的连接示意图如图1所示,含水稠油通过油泵实现流动,稠油经管线流经取样口1进入微波加热器的加热腔,在加热腔被加热后流经取样口2,与主管线其它部分的含水原油汇合。

微波发生器由矩形波导连接,经过定向耦合器、滤波器、调配器将微波能输送到加热腔。

加热腔是一个按要求设计的腔体,是完成微波能量与介质相互作用的器件,也是加热体系中的关键部件。加热腔一般采用矩形波导式谐振腔,主要的设计参数是谐振波长(λ0)和品质因数(Q0),当谐振波长一定时,波导式谐振腔尺寸应满足:

$\begin{array}{l}\lambda {}_0=\frac{2}{\sqrt{(m/a){}^2+(n/b){}^2+(p/c){}^2}}(1)\\ p=2\text{π}fE{}^2\epsilon {}_r\tan \theta (2)\end{array}$

式中:a、b、c—分别为谐振腔的长、宽、高;

m、n、p—对应于a,b,c的半波长变数;

f、E—加热频率及电场强度;

εr—介质的介电常数;

tanθ—介质损耗正切值。

谐振腔的品质因数Q0用来表述腔体的加工质量与损耗情况,Q0值越高,加热腔的效率越高。可以用下式来定义:

$Q{}_0=\frac{1}{\delta }\frac{V}{S}(3)$

式(3)中:δ—谐振腔内壁的集肤效应系数。

根据微波各器件对微波的适配性,按上述各式的要求原则,设计一套微波实验系统,微波谐振腔采用集肤效应系数很低的紫铜制作,设计的加热腔,其内腔长、宽、高分别采用32 cm、30 cm、19 cm标准,微波功率在0.5～2.7 kW区间可调。

3 微波降黏集输实验研究

3.1 不同功率下微波加热稠油实验研究

实验中,微波的加热频率为2 450 MHz,选择4种不同微波加热功率,在流量为0.15 m3/h,含水46%的情况下,在取样口进行取样测试温度及加热时间等参数,实验结果见表1。

从实验结果可以看出,在加热时间仅为30 s,加热功率为2.5 kW时,含水稠油温升达到14.4 ℃,微波加热含水稠油取得了很好的效果,与常规的电加热方式相比,其速度是无法比拟的。由公式可知

$\eta =\frac{Q{}_1}{Q{}_2}=\frac{(C{}_{\text{油}}m{}_{\text{油}}+C{}_{\text{水}}m{}_{\text{水}})\text{Δ}{\rm T}t}{{\rm P}\times t}(3)$

式(3)中: η—加热效率/%;

C油,C水—分别为油、水的比热/[kJ·(kg·℃)-1];

m油,m水—分别为油、水的质量流量/(kg·s-1);

ΔT—为温升变化量/℃;

t—加热时间/s;

P—微波的加热功率,kW。

通过计算可知,微波的加热效率高达87%,大大提高了热能的利用率,从而降低了生产运行成本。

3.2 微波加热稠油降黏实验研究

实验过程中,微波的作用功率设定0.5 kW,利用RV—20旋转黏度计测试了脱水脱气原油在不同作用时间下的降黏效果,微波作用时间为0.5 min和1 min的降黏效果见图2。

实验结果表明,脱水原油经微波作用后实现了快速降黏的目的,降黏效果体现在作用时间上,作用的时间越长,降黏的效果越明显,微波作用1 min后降黏率达到了30%左右。另外,微波对原油的降黏效果还体现在温度上,温度较低时,经微波作用的原油降黏效果显著。因此,微波能改善原油的低温流动性[6]。

3.3 不同原油含水率微波破乳脱水实验研究

在微波功率为2.5 kW的作用下,对微波作用前后的脱水效果进行了实验研究,实验结果见表2。

实验结果表明,对于相对含水率较低的乳化液,采用长时间、小功率的作用方式比短时间的大功率作用脱水效果要好,这可为微波脱水的作用方式选择提供依据;在相同功率和作用时间下,原始含水率越高,微波脱水率越高效果越明显。

4 结论

研究了微波对含水稠油的作用机理,建立了地面稠油管线微波加热降黏集输装置,并利用该装置进行了实验研究,实验研究的结果表明:

(1)微波加热含水稠油的效果好,效率高,是常规的加热方法无法比拟的,节能效果明显,大大节省了运行成本。

(2)利用微波辐射对高凝、高黏原油进行作用可以达到快速降凝、降黏的目的,而且黏度和凝点在低温下不反弹。

(3)实验结果表明微波辐射含水稠油可起到破乳脱水的作用,而且对高含水稠油的脱水效果明显,可减少联合站的后续处理工艺,从而达到间接节能的目的。

因此,利用微波辐射实现地面含水稠油的高效、低成本输送是可行的。

参考文献

[1]蒋华义,路庆良.高凝高黏原油微波脱水降黏输送技术.油气储运,2004;23(5):34—37

[2]马宝岐,倪炳华.微波在油气开发中的应用.石油勘探与开发,1997;24(3):57—61

[3]王颖,魏爱军,蒋华义,等.微波加热含水稠油的实验和模拟研究.微波学报,2003;19(3):87—91

[4]金钦汉.微波化学.北京:科学出版社,1999

[5]刘慧玲.微波脱水技术研究.油田地面工程,1992;11(4):22—25

[6]赵安康.微波辐射在油水乳化液分离中的应用.上海科技大学学报,1993;16(4):396—401

如何选择微波炉加热器皿 篇2

可用于微波炉加热使用的器皿

微波炉加热器皿应满足耐热、耐冷热冲击、能很好地透射微波、符合食品卫生要求（包括在高温条件下的卫生要求）等条件。依据这个条件，家庭常用的非金属厨房器皿，很多都能用于微波炉烹饪，如陶瓷盘子、陶瓷碗等。具体讲可使用的器皿有以下几种。

陶瓷烹饪器皿。细陶、粗陶、瓷器器皿，即一般陶瓷碗、盘、炒锅等均可使用。但有金属饰边的容器，可能会起火花或剥落，请勿使用。另陶瓷器皿可能含有汞、铅、镉等重金属，需谨慎选择。

耐热塑料器皿。凡耐热塑料器皿都可以使用，在选购塑料制品时要注意区分。但含油量多的食物请改用耐热玻璃或陶瓷器皿。选购塑料器皿时要注意原料，PVC塑料高温会释放毒素，请勿选择。

玻璃烹饪器皿。包括由微晶玻璃制成的器皿，以及高硼硅玻璃器皿、陶瓷玻璃等耐热材料器皿。

煎碟。微波煎碟是用作煎、炸烹饪的特制的器皿。例如，煎肉排、煎肉馅饼、炸牛排等。这个特制的器皿表层涂敷有微波吸收材料，以便吸收微波使它发热，食物放在器皿表面受热而产生煎、炸烹饪效果。

PE保鲜膜袋。烹饪蔬菜时可用来覆盖蔬菜，但勿直接包裹肉类和油炸食品，因为食物被加热时，食物油可能会达到很高的温度，使保鲜膜发生破损，粘在食物上。保鲜膜还可当容器的盖子使用，但不要忘记用牙签等针状物在保鲜膜上扎几个小孔，以利于水分的蒸发，防止因气体膨胀而使保鲜膜爆破。

不可在微波炉中加热使用的器皿

金属制成的器皿。包括镶有金、银花边的瓷制碗碟等。因为放入炉内的铁、铝、不锈钢、搪瓷等金属器皿，微波不能穿透，而且微波炉在加热时会与之产生电火花并反射微波，严重时还会损坏磁控管。

普通塑料制成的容器。普通塑料容器耐热性差，在加热过程中塑料容器会变形。同时，普通塑料温度升高后会放出有毒物质，造成食物污染，故不能作微波炉烹饪器皿用。

油漆漆过的容器。用油漆漆过的容器，上面的漆在受热温度升高后，可能会脱落、熔化，产生有害物质，容器也可能产生裂痕，故不宜使用。

不耐热玻璃制成的容器。因不耐热的玻璃器皿在高温下易破裂，故不能使用。

用可燃材料制成的餐具。现在一些家庭餐具是用草、柳、木、竹、纸等可燃材料编成或制成的。这些可燃餐具短时间加热时可使用，但加热时间一长，可燃餐具可能会被烧焦，甚至引起炉内着火，因此最好不用。

用金属锡纸包装的食品。部分液态奶、饮料和一些熟食所用的包装袋中，含有金属锡纸。因金属锡纸会反射微波，且在微波炉内加热时会燃烧，故不能带包装用微波炉加热。

封闭容器。加热液体时应使用广口容器，因为在封闭容器内食物加热产生的热量不容易散发，使容器内压力过高，易引起爆破事故。在煎煮带壳食物时，也要事先用针或筷子将壳刺破，以免加热后引起爆裂、飞溅弄脏炉壁，或者溅出伤人。

微波加热技术 篇3

在笔者所在的采油管理区, 除集输站附近的采油班组使用输油管线直接输送原油进站外, 其他井组基本上是将开采的原油先进入单井储油罐, 然后对罐内原油加热后, 用倒油车运输, 进入集输站。

储油罐加热的电能消耗, 是电能消耗的重点部分, 全区都在就降耗的方法集思广益。如果能够降低这部分的电能消耗, 就能节省大量成本支出。

1 现用加热技术

现在的储油罐的加热方法, 是在罐体底部安装一根加热棒, 加热棒是用非常多匝的铜线缠绕做成, 其工作原来是在它通电后会放出大量的热, 同时也会加热导热油, 通过导热油来对罐体底部的液体进行加热, 通过循环流程来对罐体内原油进行彻底的加热。

现在的加热罐在生产面临几个难题: (1) 加热棒体积庞大, 维修更换的时候需要使用4人左右集体操作, 先放空导热油, 再可以将加热棒取出检查维修。需要消耗大量的工时和人力。 (2) 加热棒出现故障不工作后, 只能将其取出检查。加热棒本身是有多匝铜线做成, 内部铜线如果烧断或者漆皮破损导致短路, 非常难以检查出发生故障的具体位置, 难以观察。过去的生产过程中, 多次发生铜线熔断和接线桩烧坏的现象。 (3) 如果是加热棒内部铜线大部分烧坏, 这个加热棒只能做报废处理。即使可以修复的加热棒, 也需要消耗大量价格昂贵的铜线, 维修的人力成本不算, 也仍然需要大量的材料成本。

2 微波的特点

微波是一种能量的形式, 是一种电磁波, 他可以在介质中转化成能量。不同的材料对于微波的反应是不同的。

介质从电结构上分成无极和有极分子电介质, 通常它们无规则排列, 如把它们置于交变的电场中, 这些介质的极性分子去向会随电场极性的变化而变化。外电场越强, 极化作用越强。外电场极性变化越快, 分子的热运动和相邻分子间的摩擦作用也越强烈。从而可实现电磁能向热能的转换。

由极性分子组成的物质, 能较好的吸收微波, 其中谁是吸收微波最好的介质, 所以含水的物质必定可以吸收微波。

另外有一些物质, 他们是由另一类非极性分子组成, 他们基本上不吸收或者很少吸收微波, 这类物质有聚氟乙烯、聚丙烯等。

塑料制品和玻璃、陶瓷等, 它们可以透过微波, 且不吸收微波, 可以用来做很好的微波加热的支撑物。[1]

对于导电的金属材料, 点拨不能透入内部而被反射, 所以金属材料不能吸收微波。

3 微波加热的特点

微波加热是介质材料自身消耗电场能量而发热, 它完全区别于其他常规的加热方式。传统的加热方式是根据热传导从外部传至需要加热的物料, 热量总是由表及里进行热传递, 从而加热物料, 物料中不可以避免的会存在温度梯度, 导致加热的物料不均匀受热。微波加热简单来说是利用电磁场使分子产生运动, 分子间的频繁碰撞产生大量的摩擦热, 并以热的形式表现出来, 可以使物料在短时间内温度迅速升高。所以微波加热主要具有以下特点:

(1) 穿透性强, 加热速度快。微波加热是使被加热物体本身成为发热物体, 称之为成体加热方式, 可以实现短时间内加热。

(2) 加热均匀。微波加热时, 物体各部均可以均匀渗透微波产生热量, 加热的均匀性大大改善。

(3) 节能高效。微波对于不同的物质有不同的作用, 微波加热时, 被加热物一般是放在金属制造的加热室内, 加热室对于微波来说是一个封闭的工作间, 微波不会外泄, 故也不会造成浪费, 所以热效率极高。[2]

4 基于以上做出的设想

假如微波加热技术应用于储油罐的原油加热上来, 那么它具有如下优势:

(1) 传统方法是利用加热棒消耗电能, 先传导给导热油, 通过安置加热棒和导热油的腔体, 再次传导给原油。首先, 加热棒的发热和导热油需要消耗大量热能, 而热能就是电能转化而来, 如果使用微波技术, 可以免去该部分的电能消耗。

(2) 加热时间方面。通常加热一罐油需要X个小时。根据加热棒的工作状态和原油品质问题, 可能产生更多的时间消耗。由于微波加热的方式不同, 可以缩短化油周期, 提高工作效率。

(3) 由于内部原油温度升高, 必然会对罐体本身进行加热, 一般罐体外部有保温材料来减少热量散失。但是, 热量散失仍然无法避免。如果使用微波技术, 化油周期缩短, 由于加热棒的工作时间越久造成的能量浪费就等越多, 所以化油周期缩短后, 能量散失浪费的时间也会减少。节省的能量都是经济收益, 这样, 又可以减少一部分电费成本。

(4) 微波具有一定的杀菌作用, 可以减少杀菌剂等药品的使用。

(5) 微波对于金属具有反射的作用, 加热罐就是微波加热的天然工作室, 封闭的工作环境, 可以让微波充分的被吸收, 既是增强能量的使用率。水对于微波具有亲和性, 罐中原油的明水和乳化水可以反被利用于对原油的加热。

(6) 如果使用微波加热, 热量传递是以面的形式平行推进, 传统方法是以加热棒为中心, 热量向四周辐射出去, 越远离的地方, 越不容易受热。同时, 罐体壁上由于长期受热不足, 杂志和油凝固形成很难被加热的油泥。微波技术可以减少这类问题的困扰, 减少清罐周期。

(7) 微波能设备使用安全性高, 易于控制。

由于微波对于人体有害, 如何做好防微波泄露的工作和制定合理的操作制度也在考虑之内。国家对于微波辐射的安全卫生标准做出明确的划分。

5 结语

现如今, 微波技术在石油开发中的已经有了应用, 例如利用微波技术进行稠油的开采, 稠油降粘中应用, 利用微波处理污水等。如何使用各种新技术融入生产中, 如何能够有效的节能降耗、降本增效, 成了各家企业亟需解决的问题。由于自身知识匮乏, 且无试验条件, 有些问题无法做出解释:使用微波技术, 能够节省成本到底有多少;含水的高低对于微波的穿透作用是否有影响;以一个30方的储油罐为例, 如何寻找合理的工作制度等等。微波技术的越来越广泛的推广, 笔者相信, 这些问题随着微波技术研究的深入, 终究会被解决。

摘要：微波作为一个新的技术手段, 已经在石油工作中有了应用。在笔者的日常工作中, 面临大量的电费成本支出。如何利用新技术手段改进工艺和工作制度来降低该部分成本, 也成了工作中的重点。受到微波炉的工作方式的启发, 对于如何节能降耗提出自己的一点想法。

关键词：微波,节能,原油

参考文献

[1]李林, 唐晓东.微波技术在石油工业中的应用研究[D].成都, 西南石油大学, 2007.

微波炉加热食品方法知多少 篇4

微波炉加热过的食物都会丧失水分，所以一份食物每次吃多少就加热多少，不要反复加热。

包子加热：可把包子装在微波炉适用的食物保鲜袋中，轻轻拧上袋口，略留一丝小孔出气。然后把保鲜袋放进微波炉，如果只热一个包子，高火30s就可以了。如果包子的数量多，就酌情再多加热一会，但是切记时间一定不要太久，否则就会使包子变硬，影响食用。

馒头加热：如果是加热凉的新鲜馒头，把馒头放在保鲜袋里，进微波炉，调到解冻档，加热1min。如果是在冰箱里冷藏的剩馒头，在保鲜袋里，用解冻档加热1.5min。如果是从冷冻室拿出来冻馒头，要把馒头沾一点水，然后放进保鲜袋里，微波炉解冻档3min。

烧烤红薯：将红薯洗干净，然后用微波炉适用的保鲜袋将红薯装起来，拧紧袋口，放进微波炉里用高中火转5min，然后取出用手捏几下，如果红薯还很硬就再放进微波炉里高火转2min。如果红薯已经很软就从保鲜袋中拿出，放在盘子里，再用中火转1～2min即可。可根据红薯大小以及自家微波炉的功率适当调整时间。

微波加热技术 篇5

微波高温烧结技术是近年日益兴起的新型技术, 是快速烧结的新技术, 相较传统窑炉烧结工艺, 微波烧结工艺具备加热迅速、加热均匀、高效节能、提高材料性能、无环境污染、操作简便容易控制等特点。阳东电瓷厂经过几个月的试验与试产, 窑炉各项操作性能都非常稳定, 工人也能熟练地操作窑炉。

微波高温辊道窑比传统窑炉显得更长一些, 但没有传统窑炉庞大, 就像一条流水线一样。阳东电瓷厂负责人介绍:“由于微波高温烧结技术没有热传导和热辐射过程中的外部损耗, 热利用率更高, 比传统窑炉至少节约能源50%以上, 大幅度降低了生产成本。另外, 由于微波能够不受物体形态、大小限制使得物体均匀受热, 很大程度地提高了烧成合格率。”

微波炉加热食品会致癌吗 篇6

微波加热是依靠物体吸收微波将其转换成热能的加热方式, 是物理加热, 不发生分子结构改变, 正常使用对人体无害。食物由水、脂肪、蛋白质、维生素等物质组成, 食物中的水, 在吸收了微波能量后, 发生高速旋转振动, 从而相互摩擦产生热量使水温升高, 食品的温度也随之升高。微波炉发出的微波频率一般是2.45GHz, 也就是说食物中分子每秒振动24.5亿次, 在短时间内产生足够的热量, 但其能量远不足以使分子的化学键发生改变。也就是说, 使用微波加热, 食品并未发生化学变化。微波炉自1947年发明至今, 还没有过因微波炉食品导致癌变的流行病学报告。

但如果食物加热温度过高, 不管是微波加热还是传统方式, 都可能产生致癌物。加热食物的温度超过120℃, 比如煎炸薯条、薯片和烤制饼干点心、咖啡豆等食品的时候, 氨基酸和碳水化合物反应可能产生丙烯酰胺类疑似致癌物;超过200℃, 比如煎炸烹调鱼肉时, 蛋白质可能产生杂环胺类致癌物;超过300℃, 比如肉类烹调不当发生焦糊时, 食物中的脂肪会大量产生苯并芘类致癌物。微波炉加热会产生那么高的温度吗?微波炉主要是加热食物中的水, 只要正常使用, 水分没有被蒸干, 食物温度会低于100℃, 不会产生致癌物。

2 微波炉加热的食品营养会流失吗

食品营养是否流失, 取决于烹调烹饪过程是否合理、操作是否科学, 与使用微波炉还是其他烹调方式没有关系。对于高水分食品来说, 只要加热时间、温度合适, 微波加热并不比其他方式损失营养成分多。有大量研究证明, 蔬菜、水果等食品在用微波烹调时, 因为加热时间短, 达到同样温度时, 其维生素C、类黄酮和叶绿素的损失较小。

国外的一项试验中, 烹调了4种蔬菜, 包括嫩芸豆、茄子、苤蓝、萝卜。分别用传统烹调方法、压力烹调、微波烹调来处理, 结果发现, 无论哪一种烹调方法, 其中蛋白质、脂肪、总灰分、钙、磷、铁和膳食纤维的含量变化都很小。真正变化大的是维生素C, 它在高压烹调中损失最大, 其次是微波烹调和传统烹调。

微波烹调也不是十全十美。据学者研究发现, 部分鱼类、肉类在微波烹调后omega—3脂肪酸的比例降低较多。在鱼类烹调方法当中, 清蒸和压力锅烹调保存营养最好。微波烹调更适合那些不饱和脂肪酸含量不太高的食物。

3 微波炉辐射损害健康吗

我国微波炉生产标准与国际标准、欧盟标准一致;发达国家使用微波炉也很普遍。微波辐射对人体有损害吗?波按照频率分类从低到高为:长波无线电 (频率最低、波长最长) 、无线电波、微波、可见光、X射线等, 波对人体的危害与其频率成正比、波长成反比。微波介于可见光和无线电波之间, 可见光, 我们每天都在沐浴;而平常用收音机收听的广播就属于无线电波。可见, 合理使用微波对人体不会产生明显伤害。

微波辐射的“合理使用”范围是多少?查看IEC (国际电工委员会) 制定的国际标准 (IEC60335—2—25) 、欧盟标准 (EN60335—2—25) 、我国的国家标准 (GB—4706.21) 发现, 这三个权威标准对微波辐射标准的规定完全相同:在微波炉运转过程中, 其外表面50毫米或以上任何一点的微波泄漏, 均不应超过50瓦/平方米 (即5毫瓦/平方厘米) 。

微波加热还原软锰矿的工艺研究 篇7

碳和锰矿均能很好地吸收微波[3、4], 利用微波选择性加热特点, 可以使含碳金属氧化物快速升温, 实现快速还原[5];本文以微波加热法处理软锰矿为出发点, 研究了微波加热含碳软锰矿粉的还原特性。旨在通过微波加热含碳软锰矿粉的方法, 获得可以直接浸出的还原锰矿粉, 达到充分利用我国大量低品位软锰矿资源的目的[6]。

1 研究方法

1.1 原材料

试验用的软锰矿是来至大新锰矿, 矿粉已磨至200目, 主要成分是Mn O2。烟煤粉由外购置, 粒度在60目以下。软锰矿与煤粉的主要成分如下表1和表2。

1.2 实验方法

静态焙烧是把球磨好的软锰矿与煤粉按比例混合, 再按300g左右装入坩埚中, 放入微波加热器, 微波功率最大为800W, 可调整100%、80%、60%、20%, 还原焙烧过程中测定物料温度。

动态连续焙烧是把混合好的物料连续加入微波焙烧炉内, 物料在炉体石英槽内由螺杆控制物料输送速度, 微波功率为10KW, 可按四档调节。微波的功率恒定为打开三组微波发生器。测温为放置在中段的热电偶记录物料温度。矿粉烘干后每份4~5kg左右按比例与60目煤粉混合, 按一定的加料速度加入螺旋式微波反应器内, 出料有螺旋冷却筒冷却后出料, 出料温度在60~70℃, 防止物料的再氧化。

1.3 主要实验仪器

2 实验结果和讨论

2.1 升温曲线

升温物料为混合了10%煤粉的软锰矿, 在800W的功率辐射下升温至800度只需要7分钟, 640W的功率下升温至800度需要10分钟, 在480W的功率下加热过程明显分为水分干燥和矿物升温两个过程。

实验证明氧化锰矿 (MnO2、Mn2O3) 具有良好的微波吸收性能, 在微波电场中, 氧化锰矿的原子、分子、离子等微观粒子能迅速吸收微波发生电子能级跃迁和偶极子转向极化, 从而得到活化还原反应很快开始进行, 800W的曲线呈现明显的平台化, 预计大部分的还原过程在7到12分钟内进行, 比传统反射炉3~4小时的反应时间缩短了90%。

2.2 静态还原焙烧

运用微波对氧化锰矿进行还原焙烧, 当微波开始施加上去后, 不论温度高低, 氧化锰矿均会发生还原反应。软锰矿还原是分步进行的, 其过程为:MnO2⇒Mn2O3⇒Mn3O4⇒MnO。考察温度、煤比、时间、升温功率各项因素对锰还原的影响, 设计并进行L3-4的正交试验, 试验条件如下表1。

按照正交试验, 锰的还原率进行极差计算, 试验结果分析见表2。

由极差分析来看影响因素最大的是反应温度, 锰的还原率随着温度的上升相关上升。从极差来看升温功率对还原率的影响并不大, 不过从烟尘挥发量的角度来看较低的微波功率有实际的意义。

从实验结果上看, 800~900℃下煤粉达到13%至20%左右反应还原的效率比较高。

2.3 动态还原焙烧

从静态还原焙烧得到的数据, 分析设计开展微波动态还原软锰矿的实验。实验按照表3进行。

控制一定的加料和出料速度, 时间进行过程中发现出料过快导致物料反应温度下降快, 反应不完全。反应时间越短, 测定的物料反应温度越低, 实验过程中测得的物料温度见表4, 反应时间为10min, 物料温度低, 还原效果已经很差。

连续式的微波焙烧, 内部为螺杆旋转输送, 物料加热均匀, 无热量聚集烧结的现象[7]。热量扩散快所以测定的温度不高。当温度测定达到500℃以上时30min内还原反应反应完全。微波焙烧后的软锰矿还原率见图2。

不同的反应时间把实验结果大致划分为了三阶段, 反应时间在20min、30min还原在一定的范围能波动, 反应时间在20min还原率在50~70%之间, 当反应时间达到30min时还原率已达到90%以上, 高煤比条件下的物料中的煤并未完全使用完。

ⅰ在相同的反应时间, 不同的煤粉比例比较

由图3可知, 反应时间不足的还原率明显下降, 高煤粉比的条件下还原效果反而下降。控制相同的反应时间 (30min) 锰的还原率都达到94%以上, 见图4。实验过程中由于温度的部分差异, 导致还原率有点不同, 但差异不大。软锰矿混合10%的煤粉经过30min的已能提供足够的还原剂用量。

ⅱ同样的反应时间 (30min) , 不同的反应温度比较

在保证足够的煤粉量的情况下, 反应温度控制着反应的进行的完全程度和反应时间, 400℃和500℃还原效果的比较见图5。反应温度越高反应需要的时间越短, 需要的微波辐射强度就越大, 但是温度升高会导致锰矿的烧结导致出料困难, 500℃左右的反应温度已能满足浸出还原率的要求。

ⅲ浸出结果

选取两个样品进行浸出, 浸出的效果均达很好的效果, 同时浸出的铁并不高, 降低了除铁量, 通过氧化水解除铁能满足工厂原工艺流程的需要。

3 结论

利用微波作为加热热源, 在微波冶金炉中用无烟煤对大新软锰矿进行还原试验, 根据试验结果得出如下结论:

(1) 含碳软锰矿粉具有优良的微波加热特性和自还原性, 在一定的微波加热功率800W、质量300g、配碳比 (10%) 条件下, 微波加热含碳软锰矿粉到1 000℃只需要10min。

(2) 微波还原锰的工艺简单容易控制, 煤粉用量少, 还原效果好, 还原时间短。微波加热还原温度只需要控制在500℃左右可以达到较低的煤粉比例 (10%) 在30min的时间内可得到还原率94%以上, 同时锰浸出浸出率高铁浸出率低。

参考文献

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微波加热在干燥过程中的研究现状 篇8

在冶金、化工工业生产中,干燥的过程是将物料中水分由液态变成气态,需要外界提供较高的汽化潜热,因此能耗较高,每年用于工业干燥的能耗约为全球总能耗的15%以上[1,2]。理论上,蒸发1 kg水分需要2200~2700 k J能量,但实际干燥过程中单位能耗比理论值要高很多[3]。同时,工业上常见的传统热风干燥、回转窑干燥和流化干燥等还存在干燥时间长、效率低等问题[4]。

在微波干燥过程中,水分总是优先于其他物质被微波选择性加热,这是因为水分子是典型的极性分子,其介电损耗因数远高于一般材料。而物料中其他组分的介电常数远小于水分子的介电常数,因此吸波性能较水分子更弱,水分子可以大量吸收微波能并转化为潜热。这种独特的加热机理决定了物料并不是整体加热,而是选择性先对水分进行加热,从而达到节能、提高脱水效率的效果[5,6]。茹赛红等[7]进行了微波干燥和热风干燥金萱茶叶对比试验,结果表明波干燥比热风干燥时间缩短45%,且干燥后的茶叶具有较好的复水性。彭金辉课题组[8,9,10,11,12]采用微波加热对钛精矿、高钛渣、白碳黑、单宁锗和氯化钠等物料进行系统干燥试验,结果表明微波干燥具有干燥速率快、能量利用率高、清洁无污染等特点。合理利用微波干燥替代传统干燥,对促进工业企业的产业升级、发展方式的转变以及节能减排具有重要意义。

1 干燥类型

任何类型的干燥都需热量,而这些热量大多数是通过周围热空气进行导热,也可利用其他热源以辐射、热传导的方式提供[13,14]。根据传热方式,干燥方法可分为以下几种[15,16]:对流干燥,热量先以对流方式由热气体直接传递到物料表层,物料表层得到热量后,再以热传导方式将热量传至物料内部;传导干燥,与对流干燥不同的是,传导干燥中物料与热源壁面接触,利用热传导的方式将壁面的热量直接转移至物料中,而不需要通过空气介质进行热传导;辐射干燥中,热源与物料不进行直接接触,热量通过辐射方式投射到物料表层,物料表层吸收热量后转化为潜热,物料内水分的去除方式与对流干燥相似;介电加热干燥,这种干燥方式近年来受到的关注度较高,指的是将物料置于高频电场内,通过高频电场特有的加热机制而使水分汽化蒸发,比较常见的有高频干燥和微波干燥等。

随着我国工业的发展,传统干燥行业也有了很大的进步。在大力发展热风干燥、红外干燥等传统干燥方式的同时,新型干燥方式如微波干燥和太阳能干燥也得到了较好的工业应用。这些各有特点和优势的干燥方式都为满足现代工业的需求,朝着高效、高品质、低能耗的方向发展。

2 微波加热干燥原理

传统热干燥方式中,热源将热量由表及里地传递至物料中使水分蒸发,能量传递的原始推动力则是温度梯度。而微波加热不需要任何热传导过程,直接通过微波在物料内部的介电损耗将能量转移给分子或原子,这种独特的原位能量转移方式有别于传统传热方式,有利于提高化学扩散过程和化学反应速率[17,18,19]。

不同物质置于微波场中具有截然不同的受热效果,其原因在于各物质的介电损耗因数(Dielectric loss factor)各有差异,而损耗因数对其吸波性能起决定性作用。物质的介电损耗因数与其吸波性能成正比关系,即损耗因数大的物质在微波场中能够更好地吸收微波能。从宏观上来看,微波优先加热介电损耗因数大的物质,而损耗因数小的物质受热较慢,即微波具有选择性加热的特性[20]。微波干燥具有区别于常规干燥的独特加热机制,主要表现在迁移势的差异以及迁移势梯度方向的不同。常规干燥和微波干燥的传热、传质模型见图1。

在常规干燥过程中,水分以蒸汽的形式从物料内层转移至物料表层,再由表层转移至热风,这个过程需要克服气膜阻力。常规干燥过程中蒸汽扩散方向与温度梯度相反,导致扩散受阻,传热效率降低。在微波干燥过程中,物料中全部水分,即内层和表层水分同时被微波选择性加热,水分受热后瞬间产生汽化,而物料内层与表层气膜及空气产生巨大的压差,形成巨大推动力,使水分快速地由物料内部转移至空气中。微波干燥过程中物料内部的温度梯度及传热方向与水蒸汽转移方向相同,因此表现为由内及表加热的特性。

待干燥物料置于微波场中,其吸收热能和脱水过程并不完全由干燥介质及本身的导热性质决定,因此热阻可忽略不计。由于水的介电损耗因素远大于一般矿物或材料,微波能选择性加热水分,而不是物料整体受热,所以在干燥过程中微波辐射对水分的脱除具有独特的优势。

3 微波加热干燥技术应用研究现状

微波加热作为新型的干燥方式,具有选择性介电加热、脱水效率高以及节约能耗的特点,国内外学者已将微波加热技术应用于矿业、冶金、材料、化工等领域的干燥工艺中,并进行了大量的研究。

3.1 微波干燥在矿冶领域应用研究

郑孝英等人[10]研究了在不同微波辐射时间和料层厚度条件下,利用微波辐射加热干燥高钛渣,并对比各种条件下高钛渣的脱水率。结果表明微波干燥时间与高钛渣脱水率成正比,随着料层厚度的减小,脱水率呈上升趋势,最高脱水率达99.8%,超过生产工艺对高钛渣含水量的要求指标。李雨[8]等人针对钛工业生产对钛精矿含水率的要求,进行了微波加热干燥钛精矿的研究,在不同微波功率和物料质量的条件下干燥钛精矿,以钛精矿的含水率、脱水速率、水分比等为考察指标。不同微波功率下钛精矿干燥曲线见图2,研究发现钛精矿的微波干燥过程更符合Henderson-Pabis指数模型,干燥速率常数与微波功率成正比,与物料量成反比。

周越等人[21]研究了在微波条件下,不同干燥温度、干燥时间、物料量及其交互作用对锰碳合金相对脱水率的影响,并采用相应曲面对试验进行分析,见图3。结果表明,干燥温度90℃,干燥时间176 s,物料质量150.61 g,此条件下相对脱水率可达93.25%;与常规干燥法相比,微波干燥具有快速、高效、无污染等优势,能有效克服常规干燥中存在的诸多生产问题,因此利用微波来干燥处理锰碳合金在工业生产中有着巨大前景。

为改革传统褐铁矿的干燥方法,李新冬等人[22]对褐铁矿进行微波干燥试验研究,研究发现微波干燥速率远远大于常规干燥速率,褐铁矿中的游离水在微波条件能快速脱除,同时少量存在于褐铁矿中的结合水也被脱除完全。经过微波加热以后,样品中的全铁含量提高至60%以上,并且在干燥过程中,干燥温度均匀,表里一致,热能利用率高。

3.2 微波干燥在材料领域应用研究

李健等[23]研究了微波恒温干燥四钼酸铵的新工艺,采用微波干燥装置,测定了四钼酸铵的微波干燥特性曲线,推导出了有效扩散系数与微波温度及物料厚度的线性关系,得到了微波干燥工艺优化参数和微波干燥过程的动力学参数,结果表明MidilliKucuk方程能够较好地描述四钼酸铵的微波恒温干燥过程。

Idris等人[24]在微波频率2450 MHz的谐振腔体中,使用不同的微波功率干燥硅石泥时得到:在保持物料量一定的条件下,干燥所需时间与微波功率成正比关系,但当微波功率达到一定时,干燥所需时间与微波功率的增加并无明显线性关系。并对试验结果和理论模型推导的数据进行了对比分析,发现两者所描绘出的曲线相当吻合。

Chen Mei等人[25]研究了不同干燥方式对天然橡胶复合材料的影响,图4是热空气干燥和微波干燥所得Ce O2/天然橡胶复合材料表面微观形态结构图。由图5可知,热空气干燥所得到的复合材料表层圆滑,复合材料粒子间界面模糊,粒子间相连的细小胶丝表面类似被一层平滑的薄膜裹住,粘结现象严重;而微波干燥处理后的样品(b)表层凹凸不平,这些凹凸的部位出现大量的褶皱是纳米Ce O2/天然橡胶复合材料加工过程中所产生的切割痕迹,且材料没有出现粘结现象,复合材料内部水分迁移到表面的微孔清晰可见。

3.3 微波干燥在化工领域应用研究

杨金富等人[26]开展了微波干燥Mg O-PVA涂层的工艺研究,研究结果表明微波干燥时间比常规干燥缩短了50%,干燥后Mg O-PVA涂层的附着力、硬度,耐冲击力和柔韧性等性能明显的提高,并有效控制了Mg O粒子的团聚,孔径分布比较集中。

为了研究褐煤提质,改善褐煤成浆性能,岑可法等人[27]针对外部水分和内部水分含量都很高的褐煤,在微波功率700 W的条件下,加热处理10 min,试验结果表明微波加热对褐煤的成浆性能有较大的正面影响,褐煤最大成浆浓度由原煤的45.67%上升至51.65%,并且褐煤的微波干燥过程符合Page模型。进一步研究发现,微波干燥后的褐煤在空气中不容易发生再次吸水过程,有效地保留了褐煤的性质。

Tahmasebi等人[28]报道了中国和印度尼西亚的低煤阶煤的微波干燥过程,水分为42.5%、发热量为11.92 k J/g的低煤阶煤,在微波频率2450 MHz、微波功率765 W的条件下干燥10 min以后,水分降至14.4%,发热量提高了51.6%,试验结果表明微波干燥在单位能耗方面具有明显优势。

Pickles等人[29]研究了微波输出功率、样品质量和初始含水率对低煤阶次烟煤的微波干燥过程的影响规律,研究结果表明,微波加热可以提高干燥速率,并获得低含水率的物料,微波干燥试验数据采用指数衰变函数进行拟合,低煤阶次烟煤的微波干燥过程可以用Midilli–Kucuk模型进行描述。

4 结论

微波加热技术 篇9

微波辅助合成是一种很有前途的技术,它可以有效地改善传统烧成技术的氧化物结构,加速反应的进行。微波加热技术已经被成功运用于固相合成一些过渡金属的化合物,尤其是具有尖晶石结构的磁性材料。近年来微波合成技术已被广泛用于合成纳米氧化物粉体,被认为是一种很有效的且防止团聚的方式[1,2,3]。在陶瓷色料领域,采用微波辅助加热的方式已经成功合成出Al2O3-Cr2O3、CeO2∶Pr、CoFe2O4黑色料、珊瑚红ZrSiO4∶Fe2O3;但在Al2O3∶Mn和SnO2∶Cr系统则不是很成功[4,5,6,7,8,9]。这主要是因为有些氧化物对微波不吸收,导致温度很难达到合成需要的温度。能够成功合成的色料往往是那些含有过渡金属量比较显著的颜料,这是因为过渡金属元素对微波辐照敏感,从而达到快速加热的目的,当过渡金属含量低时就没有显著地加热效应。研究表明一些低温对微波不敏感的材料在加热到一定温度时就会被激活为微波敏感物质,从而可以利用微波进行加热。氧化锆、氧化钛、氧化铝都具有这样的性质[10]。文献[11]采用两步法合成陶瓷色料,即通过先在传统电阻炉里面加热到一定温度再移入微波炉进行加热处理,相对于传统色料制备,其时间大为缩短。文献[12]以Fe2O3、MnO2、Cr2O3等为原料,采用微波加热法合成了棕色尖晶石色料。微波辅助加热合成材料技术在材料制备中被认为是高效、节能、简便的手段,它为短时间内快速合成无团聚的超细材料提供了可能性,而这正是发色力强的色料所应该具备的特性。因此研究微波合成陶瓷色料对未来陶瓷色料的绿色化生产和应用具有十分重要的意义。研究尝试采用微波辅助加热法来合成陶瓷工业常用的钒锆蓝色料,并通过X射线衍射(XRD)、颜色等表征手段对合成的样品进行分析,探讨矿化剂组成成分、加热时间等因素对合成色料的影响,为以后微波合成陶瓷色料的工程化应用提供参考依据。

1 实验

在本实验中,考虑到氧化硅和氧化锆在低温阶段对微波吸收的不敏感性,引入吸波性能较强的石墨粉作为辅助热源,类似“外加热”的效果。从而避免了预加热之后样品转移这个操作难度较大的过程。本实验所用主要化学药品如表1所示。

首先将二氧化锆和二氧化硅按硅酸锆的化学计量比称量,着色剂选择五氧化二钒,其用量为原始反应物总重量的6%,矿化剂则根据不同的矿化剂组合称取每组实验所需矿化剂的量,矿化剂的具体组合见表2。将称取的样品放入玛瑙研钵进行研磨以完成样品的粉碎和充分混合,研磨时,可以加入少量酒精,增加样品的润湿性,使研磨效果更好。将研磨好的粉料压片置入氧化铝坩埚内,在家用微波炉内进行加热,将微波炉加热火力调为强火,加热时间根据需要,设定在10～60分钟。将合成的粉体采用10%的NaOH溶液洗涤,在60℃左右的条件下干燥约12小时。最后通过XRD进行物相分析。

2 结果分析和讨论

钒锆蓝是一种经典的很稳定的蓝色料,其稳定性源于硅酸锆良好的化学稳定性。之所以会呈蓝色的原因是V2O5中的V5+被还原成V4+,V4+通过置换ZrSiO4中的Zr4+形成置换型固溶体,也有观点认为可以取代Si位。但Si位形成硅氧四面体空隙,V取代Si后结构的稳定性会大大降低,Zr位取代则使V离子进入立方体空隙,从而具有好的稳定性,形成Zr1-xVxSi O4固溶体[13]。而在配料中,V2O5是橙黄色粉末,其余成分均是白色粉末,因此反应物在混合、研磨之后,呈现出的颜色是黄色。我们可以通过观察反应后粉体的颜色来初步判断合成反应是否发生。

硅酸锆的生成对合成钒锆蓝色料颜色的性能影响很大,但往往需要很高的温度才能合成,工业上往往采用加入矿化剂的方法来加速这一进程。在微波辅助加热实验中,一共考察了三种不同的矿化剂组成,分别为:1)矿化剂:NaF∶NaCl=2∶1样品编号:A1、A2、A3;2)矿化剂:Na2SO4∶K2SO4=3∶1样品编号:A5,A6;3)矿化剂:NaF∶NaCl∶BaCl2∶CaF2=4∶1∶1∶2样品编号:A6、A7、A8。

根据图1和图2的XRD图谱分析,当以NaF和NaCl作为矿化剂,在合成产物中主要以ZrO2和SiO2的衍射峰存在,只有微量的硅酸锆的衍射峰存在,且在微波辐照50分钟才呈现蓝绿色调,远达不到工业色料的使用要求。图2是采用硫酸盐作为矿化剂合成色料的XRD图谱,从图谱上可以看出衍射峰相对比较杂,从微波辐照50分钟和60分钟的结果看,最终产物以黄棕色和黄褐色色调存在。

图3是矿化剂组成为NaF∶NaCl∶BaCl2∶CaF2=4∶1∶1∶2时,采用不同微波辐照时间合成样品的XRD图谱,可以看出,随着辐照时间的增长,硅酸锆的特征峰很明显,且峰值不断增强。在合成色料的颜色变化上表现为从辐照10分钟的黄色过渡到辐照30分钟的天蓝色。说明采用微波辅助加热法,在15分钟的辐照时间内能合成出钒锆蓝色料,30分钟合成反应趋于完全。

以上结果的出现和硅酸锆形成过程有很大关系,在合成色料的过程中SiO2和ZrO2反应生成ZrSiO4这一结构,从热力学上这一反应在室温即可以发生,但实际上往往需要在很高的温度才能发生。由于合成过程往往采用固相反应,反应中扩散往往起决定性作用。加上ZrO2非常好的化学稳定性,使合成过程难度加大,在引入含氟矿化剂的情况下,反应物之一SiO2会以气态SiF4形式存在,Si和Zr接触的机会加大,从而加速扩散反应的进程。因而引入氟离子的矿化剂都可以合成出蓝色基调的色料,NaF∶NaCl∶BaCl2∶CaF2组合明显优于NaF∶NaCl组合则不难得到解释。但在采用硫酸盐作为矿化剂时则没有上述过程,因此没有得到类似的结果,但是SiO2在硫酸盐中具有一定的溶解度,理论上应该加速生成硅酸锆的过程,这在传统固相合成过程中可以得到印证,但在微波辅助加热的条件下,却不能生成蓝色色料。说明硫酸盐作为矿化剂不适合于微波辐照合成钒锆蓝色料,这和传统固相法合成钒锆蓝中硫酸盐矿化剂的优异表现完全相反,具体原因有待进一步研究。

3 结论

采用微波加热的方式合成了钒锆蓝色料,其中采用NaF∶NaCl∶BaCl2∶CaF2=2∶1∶1∶2的矿化剂组合时,在家用微波炉对样品加热15分钟就能合成出浅蓝色钒锆蓝,30分钟能够合成出天蓝色色料,达到传统合成方同样的效果。在采用NaF∶NaCl=2∶1的矿化剂组合时,需要加热50分钟才能合成出黄绿色钒锆蓝,硫酸盐组合的矿化剂在实验范围内不能合成钒锆蓝色料,矿化剂对微波合成钒锆蓝色料的影响很大。

摘要：微波加热技术具有快速、温度均匀的特点,在色料制备领域具有潜在的应用前景。针对常用的钒锆蓝色料,采用SiO2、ZrO2为初始原料,V2O5为着色剂,盐酸盐和硫酸盐为矿化剂,在微波加热条件下进行了色料的制备,探讨了矿化剂种类和微波辐照时间对合成结果的影响,并借助XRD对合成色料的物相组成进行了测试表征。研究结果表明:NaCl、NaF、CaF2和BaCl2的复合矿化剂对微波合成钒锆蓝色料具有积极作用,可以在很短时间内合成出蓝色色料,硫酸盐矿化剂则不适用于微波合成钒锆蓝色料。