微波加熱強(qiáng)化閃蒸工藝的科學(xué)基礎(chǔ)及發(fā)展趨勢(shì)

田時(shí)泓，郭磊，李娜，宇文超，許磊，郭勝惠，巨少華

（1 微波能工程應(yīng)用及裝備技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093；2 昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

均相混合物的分離濃縮是化工、冶金、材料、生物等行業(yè)重要的單元操作，其中，基于熱力學(xué)相平衡差異，輸入熱量誘發(fā)溶劑汽化和氣液分離的過程，均可歸類為蒸發(fā)操作單元。目前，在工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)化改革與逐步達(dá)成“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的大背景下，傳統(tǒng)蒸發(fā)單元操作受到資源環(huán)境、投資成本、經(jīng)濟(jì)效益與能源瓶頸等因素影響，依舊存在能耗高、流程長(zhǎng)、設(shè)備冗繁等問題，如何降低能耗并清潔高效地獲取高純度產(chǎn)品，是蒸發(fā)技術(shù)發(fā)展的持續(xù)追求。平衡蒸餾，亦稱為“閃蒸”，作為一種快速的蒸發(fā)方法，被廣泛應(yīng)用于海水淡化、鹽鹵濃縮、廢水處理、液態(tài)食品濃縮殺菌、金屬制品降溫、快速制冰等需要蒸發(fā)、濃縮操作的工藝流程中[1]。閃蒸具有典型的氣液相變特征，是充分利用液體所處環(huán)境壓力的快速變化，以液相的過熱熱量提供汽化潛熱促使溶劑汽化的過程，具有傳熱速度快、分離效率高、冷卻效果好、蒸汽產(chǎn)生量大等特點(diǎn)[2]。一般來說，依照閃蒸發(fā)生時(shí)液體的形態(tài)，閃蒸模型主要分為靜態(tài)閃蒸（如池閃蒸）與流態(tài)閃蒸（如噴霧閃蒸），如圖1所示。流態(tài)閃蒸可提供更高的蒸發(fā)比面積，其蒸發(fā)速率遠(yuǎn)高于池閃蒸，且在更低的蒸發(fā)溫度下，采用緊湊的蒸發(fā)器腔體，蒸發(fā)效率更高。因此，以噴霧閃蒸為代表的流態(tài)閃蒸在工業(yè)中具有廣泛的用途[3]。

圖1 傳統(tǒng)閃蒸過程示意圖

在傳統(tǒng)閃蒸過程研究中，液體過熱是蒸發(fā)潛熱的唯一來源，從液體內(nèi)部傳遞到氣液相界面的熱量，以及水蒸氣環(huán)境與蒸發(fā)界面?zhèn)鬟f的熱量支撐著汽化過程的發(fā)生。但是，隨著閃蒸時(shí)間的增加，液體溫度快速下降到與環(huán)境壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度后，從液相釋放的熱量不足以提供對(duì)應(yīng)環(huán)境壓力條件下的汽化潛熱時(shí)，閃蒸過程的強(qiáng)度逐漸降低直到閃蒸停止。在實(shí)際工業(yè)過程中，一般采用料液循環(huán)升溫、降低環(huán)境壓力和增加汽化表面積等方法來提高閃蒸速率和蒸發(fā)效率。研究結(jié)果表明，這三類方法的核心要素依然是加強(qiáng)熱量轉(zhuǎn)化。然而，閃蒸一般是在負(fù)壓環(huán)境甚至真空條件下進(jìn)行，傳統(tǒng)的熱量傳遞方式無法向閃蒸過程中的液體補(bǔ)充熱量，為了提高料液的閃蒸效率，并實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)單元操作的減排賦能。研究者們依據(jù)能量轉(zhuǎn)化特性，針對(duì)傳統(tǒng)蒸發(fā)單元操作開展了過程強(qiáng)化研究，在公開發(fā)表的文獻(xiàn)和現(xiàn)有案例中，被提及的方法包括但不限于聲場(chǎng)強(qiáng)化、超重力場(chǎng)強(qiáng)化、新型塔板結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、微波強(qiáng)化等[4]。

微波作為一種特殊的能量形式，對(duì)極性化學(xué)物質(zhì)表現(xiàn)良好的加熱效果，表現(xiàn)出選擇性、原位性、體加熱、速度快、均勻性較好、易自動(dòng)化控制等特點(diǎn)，在蒸發(fā)、聚合、萃取、分離等方面被廣泛利用[5]。在微波加熱料液的過程中，其能量轉(zhuǎn)化形式高度體現(xiàn)出內(nèi)部加熱的特點(diǎn)，且微波可在真空環(huán)境中傳播并被吸波介質(zhì)吸收。一般來說，料液由溶劑和溶質(zhì)組成，常見溶劑一般由極性分子組成，主要有水、醇、醚以及油類、脂類等，具有遠(yuǎn)優(yōu)于溶質(zhì)的介電性能，作為吸波介質(zhì)可優(yōu)先吸收微波被快速加熱。因此，微波對(duì)極性分子的選擇性加熱及其自身的空間傳輸特性，為微波加熱強(qiáng)化負(fù)壓環(huán)境中的蒸發(fā)過程提供了理論基礎(chǔ)。

本文首先分析了傳統(tǒng)閃蒸工藝及其傳熱傳質(zhì)特性的研究現(xiàn)狀，然后再分析微波作為能量源在蒸發(fā)過程中加熱液體、傳熱傳質(zhì)研究方面的進(jìn)展。最終，提出微波加熱與閃蒸工藝相耦合的微波加熱強(qiáng)化閃蒸工藝。

1 傳統(tǒng)閃蒸工藝研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

從20世紀(jì)50年代至今，閃蒸過程的汽化現(xiàn)象、工藝應(yīng)用及傳熱傳質(zhì)特性被人們廣泛研究。根據(jù)閃蒸過程中料液的狀態(tài)，可將閃蒸工藝分為“靜態(tài)閃蒸”及“流態(tài)閃蒸”。

1.1 靜態(tài)閃蒸

靜態(tài)閃蒸是指在料液靜置狀態(tài)下降低料液所處環(huán)境壓力所誘發(fā)的閃蒸，料液在閃蒸發(fā)生時(shí)總在某一個(gè)方向或多個(gè)方向存在自由蒸發(fā)面[7]。如圖2 所示，主要包括靜態(tài)液膜和靜態(tài)液滴兩種形態(tài)下的閃蒸。

圖2 靜態(tài)閃蒸研究模型[7]

自20 世紀(jì)70 年代中期至今，研究人員針對(duì)液膜閃蒸過程中的料液溫度變化和氣泡運(yùn)動(dòng)，提出了描述性參數(shù)來表征分析閃蒸過程的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度與氣泡運(yùn)動(dòng)特性。Miyatake 等[8]以水作為工質(zhì)研究靜態(tài)閃蒸過程，提出非平衡溫差（NETD）來描述閃蒸發(fā)生后液體的溫度變化。在后續(xù)研究中，又進(jìn)一步提出了非平衡分?jǐn)?shù)（NEF）來描述閃蒸過程的完成程度。研究指出，NETD和NEF越小，料液閃蒸的完成程度越高，閃蒸效率越高。當(dāng)采用鹽水作為工質(zhì)時(shí)，鹽水的液膜閃蒸過程伴隨著大量氣泡的產(chǎn)生，NEF 降低了（2/3）～（3/4）。研究發(fā)現(xiàn)，鹽分在閃蒸過程中的析出與結(jié)晶行為，為氣泡成核提供了泡核點(diǎn)，鹽水閃蒸比純水閃蒸具有更高的傳熱強(qiáng)度。此外，根據(jù)多相流傳熱傳質(zhì)理論，研究人員利用雅克布數(shù)（Jackob number，Ja）來描述閃蒸過程中的沸騰強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)液膜閃蒸蒸發(fā)量隨Ja和液膜深度的增加而增加。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在池閃蒸過程中，氣泡的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)會(huì)誘發(fā)閃蒸波的形成，液膜厚度和閃蒸壓力變化對(duì)閃蒸率具有影響，液膜厚度增加會(huì)壓制氣泡運(yùn)動(dòng)，降低換熱強(qiáng)度，并縮短閃蒸時(shí)間。因此，通過改變料液在腔體中的形狀和液池深度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣泡擴(kuò)散強(qiáng)度過高時(shí)，導(dǎo)致普朗特?cái)?shù)（Prandtl number，Pr）增加，熱量交換難以集中于氣液交換界面的中心區(qū)域，反而會(huì)導(dǎo)致閃蒸率降低。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，考慮到靜態(tài)閃蒸過程是采用料液所處環(huán)境的壓力差作為核心驅(qū)動(dòng)力，增加壓力差有利于延長(zhǎng)閃蒸時(shí)間和沸騰強(qiáng)度，最終可提高閃蒸率。因此，針對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中的鹽水閃蒸濃縮，還需要考慮料液的初始溫度、液膜厚度與蒸發(fā)器形狀。采用增加閃蒸過程中熱量交換強(qiáng)度的操作方式對(duì)提高蒸發(fā)量是有利的，其主要包括提高初始溫度、降低液膜厚度以及增加環(huán)境壓力差。

靜止液滴閃蒸可看作是噴霧閃蒸過程的理想化模型，是不考慮液體運(yùn)動(dòng)過程中的特殊情況。單一組分或多組分的靜止液滴在降壓條件下的閃蒸特性也備受人們關(guān)注。如圖3所示，在降壓環(huán)境中，研究者主要采用結(jié)合溫度測(cè)量、高速攝像機(jī)的研究裝置研究液滴閃蒸過程，采用高靈敏度的電阻絲來懸掛液滴，通過分析溫度變化與液滴破裂過程中的氣泡動(dòng)態(tài)生成過程，可分析液滴閃蒸過程的動(dòng)態(tài)演變特征與傳熱傳質(zhì)特性[9]。Muthunayagam 等[10]采用該類型的裝置，基于蒸汽擴(kuò)散模型給出了液滴閃蒸時(shí)間的計(jì)算方法；同時(shí)借助高速攝像機(jī)，推演出液滴直徑與溫度變化的表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)研究者們繼續(xù)采用該類裝置，揭示了液滴閃蒸過程中伴隨的氣泡生長(zhǎng)、氣泡破裂、氣泡逸出、液體穩(wěn)態(tài)結(jié)冰、氣泡生長(zhǎng)結(jié)冰等階段特征[11-12]。具體來說，實(shí)驗(yàn)研究或數(shù)值模型均主要圍繞液滴初始半徑、初始溫度、腔體壓力以及液滴組分與溶質(zhì)濃度等因素對(duì)液滴閃蒸過程、傳熱傳質(zhì)過程的影響規(guī)律來開展。研究發(fā)現(xiàn)，縮小液滴直徑、提高壓力差、增加溶質(zhì)濃度、提高初始溫度等方法增強(qiáng)傳熱強(qiáng)度，均有助于提高液滴的閃蒸率和促進(jìn)溶質(zhì)結(jié)晶。綜上所述，靜態(tài)閃蒸過程研究主要以液膜和靜止液滴的閃蒸過程為主，通過探索閃蒸腔體環(huán)境條件改變和液體物性條件改變對(duì)液體靜態(tài)閃蒸過程的影響規(guī)律，進(jìn)而揭示液體內(nèi)部的汽化成核過程和氣泡運(yùn)動(dòng)機(jī)制，結(jié)合蒸汽擴(kuò)散模型構(gòu)建液滴閃蒸過程的數(shù)理模型，可進(jìn)一步明晰靜態(tài)閃蒸傳熱傳質(zhì)的機(jī)制。

圖3 液滴閃蒸研究的典型結(jié)構(gòu)[9]

1.2 流態(tài)閃蒸

料液在運(yùn)動(dòng)條件下發(fā)生閃蒸的過程均可歸屬于流態(tài)閃蒸，根據(jù)料液形態(tài)的差異可分為滴流閃蒸、噴霧閃蒸。在實(shí)際研究過程中，主要通過操控壓力和運(yùn)用不同結(jié)構(gòu)的裝置來改變料液運(yùn)動(dòng)形態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滴流與噴霧兩種不同的料液運(yùn)動(dòng)形態(tài)。滴流閃蒸是噴霧閃蒸的特殊情況，主要發(fā)生在料液驅(qū)動(dòng)壓力很弱，不足以驅(qū)動(dòng)射流的特殊工況中。因此，噴霧閃蒸與滴流閃蒸兩者之間具有相互蘊(yùn)含的關(guān)系。典型噴霧閃蒸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示[13]。

圖4 流態(tài)噴霧閃蒸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[13]

噴霧閃蒸具有較快的蒸發(fā)速率，其蒸發(fā)性能和冷卻特性被人們廣泛研究。針對(duì)均質(zhì)料液和異質(zhì)料液在不同壓差條件下的閃蒸特性，圍繞噴霧液滴特性、噴霧的角度、方向和速度、腔體壁面環(huán)境以及壓力差、初始溫度、料液性質(zhì)等關(guān)鍵性因素開展的研究結(jié)果表明，液滴的充分破碎和擴(kuò)散有助于加強(qiáng)蒸發(fā)，噴霧溫度圍繞噴射方向的軸線逐漸降低，即離噴口位置和軸線越遠(yuǎn)，液滴的溫度就越低。根據(jù)液滴的溫度變化規(guī)律和運(yùn)動(dòng)特性，噴霧閃蒸過程中，過熱液滴的熱釋放被分為了膨脹、穩(wěn)定、衰減三個(gè)階段。Loureiro 等[14-15]從微尺度角度對(duì)流體的噴霧閃蒸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬分析，發(fā)現(xiàn)流體膨脹由蒸氣泡的增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)，而液滴的形成是破碎過程中機(jī)械拉伸與表面張力和黏性耗散共同作用的結(jié)果，且在壓差越大、液體溫度越高的條件下，噴霧錐角更大，這可使蒸發(fā)效果更好。因此，針對(duì)噴霧閃蒸系統(tǒng)開展工藝參數(shù)優(yōu)化提高閃蒸效率的研究，研究者們圍繞環(huán)境壓力、初始溫度、液體流量、噴射角度、噴口直徑等影響因素，通過獲取不同工藝參數(shù)條件下的液體溫度變化和閃蒸率，推演閃蒸過程的傳熱傳質(zhì)特征數(shù)，進(jìn)而分析特征數(shù)與相關(guān)工藝參數(shù)的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上揭示噴霧閃蒸過程的傳熱傳質(zhì)規(guī)律。

1.3 傳統(tǒng)閃蒸工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀與優(yōu)化方法

在實(shí)際工業(yè)條件下，閃蒸的發(fā)生中所造成的影響是兩面的。不利的方面源于高熱液體傳輸管道內(nèi)發(fā)生閃蒸會(huì)帶來急速的壓力沖擊，可能導(dǎo)致管道破裂甚至爆炸、設(shè)備損毀、劇烈噪聲及有害物質(zhì)暴露等不良后果[16]。有利的方面在于利用閃蒸過程急速降溫和快速汽化的特性。例如，在航空航天領(lǐng)域，可采用噴霧閃蒸汽化特性為航天器提供推動(dòng)力及給相關(guān)設(shè)備的換熱散熱[17]；在燃燒領(lǐng)域，通過閃蒸噴射可提高燃料汽化比表面積增加燃燒效率[18]；在冶金工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用閃蒸工藝處理氧化鋁生產(chǎn)母液實(shí)現(xiàn)濃縮分離，可有效提高過程的蒸發(fā)效率，提高濃縮效果[19]；在材料合成領(lǐng)域，采用閃蒸噴射可細(xì)化反應(yīng)料液，提高比表面積，使所制備的材料具有更優(yōu)異的性能[20]。閃蒸作為從海水或鹽水中獲取淡水、從廢水中獲取再生水的重要工藝，主要通過單級(jí)或多級(jí)閃蒸處理海水或鹽水以水蒸氣冷凝的形式獲取淡水[21-22]。在多級(jí)閃蒸工藝中腔體壓力逐級(jí)降低促使鹽水逐級(jí)發(fā)生閃蒸，鹽水溫度會(huì)隨著閃蒸級(jí)數(shù)的增加而降低。研究表明，通過強(qiáng)化閃蒸過程的換熱及冷凝回收效率，是增加冷凝水產(chǎn)率的重要方法。在充分利用料液初始溫度的條件下，采用增加噴頭數(shù)量、噴射霧化、滴流分散、液膜降流等液體分散技術(shù)，增加料液氣液相界面，提高蒸發(fā)濃縮效率。此外，還可通過結(jié)合二次蒸汽的熱泵循環(huán)等熱能回收技術(shù)，在降低能耗的同時(shí)，提高多級(jí)閃蒸系統(tǒng)的熱能效率和蒸發(fā)效率[23-24]。

2 微波強(qiáng)化蒸發(fā)過程及其應(yīng)用

2.1 微波及微波加熱機(jī)制

微波特指頻率范圍在300MHz～300GHz 范圍內(nèi)的電磁波，波長(zhǎng)范圍為1m～1mm，因用途差異，國(guó)際 組 織 規(guī) 定 將 處 于915MHz±25MHz、2450MHz±50MHz、5800MHz±75MHz及22125MHz±125MHz頻段的微波分配用于工業(yè)微波加熱，常見頻率為915MHz±25MHz 和2450MHz±50MHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為32.78cm和12.24cm。如圖5所示，微波與介質(zhì)的主要作用形式有反射、吸收、穿透等三種，在傳播過程中可呈現(xiàn)衍射、干涉、反射、折射等現(xiàn)象。微波在空間和介質(zhì)中傳播時(shí)主要以介電損耗的形式耗散能量，根據(jù)微波介電弛豫極化理論，微波對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生極化作用是微波引起加熱的重要方式。微波在介質(zhì)內(nèi)部會(huì)形成局域電磁場(chǎng)，會(huì)引發(fā)極性分子的偶極轉(zhuǎn)向極化，導(dǎo)致分子間高速碰撞與摩擦，最終導(dǎo)致吸波介質(zhì)在微波作用下快速升溫。另外，微波還可誘發(fā)粒子的能級(jí)震蕩、能級(jí)躍遷、旋轉(zhuǎn)摩擦等，這些作用方式也是微波消耗并誘發(fā)介質(zhì)升溫的重要機(jī)制[25]。

圖5 微波與介質(zhì)的相互作用

微波與介質(zhì)的相互作用與微波的傳播、分布息息相關(guān)。通過求解麥克斯韋方程組，可計(jì)算諧振腔和介質(zhì)內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布，如式(1)所示。

式中，E表示電場(chǎng)強(qiáng)度；B表示磁場(chǎng)強(qiáng)度；ρc是電荷密度；J是電流密度。

微波與大部分化學(xué)物質(zhì)的相互作用可歸屬于偶極子極化機(jī)理，單位體積介質(zhì)吸收微波獲取的熱量與電場(chǎng)強(qiáng)度、介質(zhì)損耗因子及微波頻率成正比，相互關(guān)系如式(2)所示。

式中，Q(x,y,z,T)為單位體積介質(zhì)吸收的微波能；σ為整個(gè)材料體系的有效電導(dǎo)率；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；ε0為自由空間介電常數(shù)，ε0=8.8×10-12F/m；ε'為加熱物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；f為微波頻率；tanδ為正切損耗。

依據(jù)介質(zhì)的熱物理性質(zhì)，結(jié)合微波加熱產(chǎn)生的內(nèi)部熱量，介質(zhì)的溫度分布求解如式(3)所示。

式中，ρ是密度；cp是比熱容；k是熱導(dǎo)率；T是溫度。

2.2 微波加熱液體的過程模擬和傳熱特性研究現(xiàn)狀

微波加熱作為清潔、快速且易控的加熱方法，將微波引入蒸發(fā)過程中對(duì)料液進(jìn)行加熱，可促進(jìn)料液蒸發(fā)、相分離和濃縮。一般來說，微波強(qiáng)化蒸發(fā)過程所涉及的微波加熱液體過程，其研究一般采用數(shù)值求解或多物理耦合分析等方法來實(shí)現(xiàn)。數(shù)值求解的核心是采用有限元方法對(duì)建立數(shù)理方程進(jìn)行求解；多物理場(chǎng)耦合分析采用以有限元算法為基礎(chǔ)的模擬軟件來開展（例如，COMSOL Multiphysics 等商用模擬軟件）。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)微波加熱液體的過程進(jìn)行分析。

在微波加熱流體的數(shù)值求解方面，微波加熱流體的求解一般是將麥克斯韋方程組、傳熱方程與流體方程進(jìn)行耦合求解，基于時(shí)域或者頻域采用有限元方法耦合求解。圍繞波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、諧振器結(jié)構(gòu)與料液形態(tài)開展研究，探索微波能量與料液性質(zhì)的相互作用關(guān)系，分析電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)的對(duì)應(yīng)性[26]。探索微波在流體介質(zhì)為負(fù)載條件下的反射、透射情況，分析介質(zhì)流速、截面積、角度等對(duì)電磁場(chǎng)的干涉以及溫度場(chǎng)的分布。針對(duì)微波加熱的典型非線性特征，描述自然對(duì)流或強(qiáng)迫對(duì)流條件下的加熱均勻性或熱點(diǎn)效應(yīng)，探索微波加熱液體的過熱效應(yīng)。針對(duì)各自特定的設(shè)備組成結(jié)構(gòu)，確定料液性質(zhì)（介電特性、黏度、比熱容等）、料液形態(tài)（流速、分布形式）與微波-電磁場(chǎng)的相互影響，進(jìn)而分析不同微波加熱設(shè)備中流體的升溫情況與熱場(chǎng)分布，研究結(jié)果表明，微波加熱效率與加熱模式與料液的介電特性和系統(tǒng)的幾何形狀等密切相關(guān)。結(jié)合微波設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微波與流體之間的相互作用、料液性質(zhì)等三方面，將微波-電磁場(chǎng)分布、流體流動(dòng)特性相互耦合，可給出微波加熱流體的特征性表征方程與數(shù)值求解方式。然而，數(shù)值求解方式中需要耦合難以求解的納維-斯托克斯方程，數(shù)值邊界條件需進(jìn)行理想化的設(shè)定，所能夠進(jìn)行求解的模型現(xiàn)階段僅限于理想化結(jié)構(gòu)模型。

在微波加熱流體過程的多物理場(chǎng)模擬方面，研究人員常常將微波-電磁場(chǎng)能量密度、料液形態(tài)、液體性質(zhì)等相結(jié)合，并將微波加熱流體與實(shí)際應(yīng)用情況相結(jié)合，充分闡釋微波加熱條件下液體內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布與熱場(chǎng)變化的相互作用。利用模擬軟件的可視化輸入特性，分析不同微波設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)條件下的液體加熱效果，通過闡釋電磁場(chǎng)功率密度、流體特性、流動(dòng)狀態(tài)等對(duì)料液升溫的影響，給出料液的升溫曲線以及微波能的利用效率、電磁場(chǎng)分布狀態(tài)等。最終分析得到不同需求背景條件下微波加熱液體的加熱效果，為設(shè)計(jì)專用設(shè)備和優(yōu)化工藝過程提供了基礎(chǔ)。例如，Nishioka 等[27]提出了一種可用于10MPa 條件下運(yùn)行的微波加熱流體的反應(yīng)器。Goyal 等[28]針對(duì)微波反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大，采用數(shù)值模擬闡明了微波加熱的放大過程，論述了微波加熱放大過程中能量效率和均勻性的非線性行為。

微波加熱液體的熱量分布與質(zhì)量傳遞變化主要與諧振器腔體形狀、料液布置位置、料液形態(tài)、液體性質(zhì)和微波功率、微波供給方式等相關(guān)，探索微波-電磁場(chǎng)與液體相互作用，以及厘清微波加熱液體所構(gòu)建熱量場(chǎng)的變化規(guī)律，是微波加熱液體多物理場(chǎng)耦合模擬研究的重點(diǎn)。但是，為了更清晰地反映微波加熱流體的實(shí)際情況，需要考慮料液受到微波加熱后的相變過程，因?yàn)榛旌弦后w中不同組分對(duì)微波的選擇性吸收差異，以及空間環(huán)境、腔體形狀、微波功率及液體的物性、形態(tài)、流速等因素的影響，微波加熱液體的傳熱傳質(zhì)過程呈現(xiàn)不同特性。例如，Chemat等[29]研究了微波加熱液體的過熱沸騰現(xiàn)象，并提出了對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)模型用于預(yù)測(cè)微波加熱條件下均相反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)率。Motohiko 等[30]從非極化水模型出發(fā)對(duì)微波加熱水、冰、鹽溶液等進(jìn)行分子模擬研究，證明了水分子在微波場(chǎng)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與相位延遲，證明了所吸收微波能的三分之一被存儲(chǔ)為水的能量，以及由于鹽離子在微波場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，稀濃度的鹽溶液在微波場(chǎng)內(nèi)比純水具有更快的加熱速率。Damilos 等[31]針對(duì)微波加熱流體的溫度升高現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)將管道布置于水平方向較豎直方向有更高的升溫效果。Yamaki等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，在微波加熱條件下用水的沖洗過程中存在過熱現(xiàn)象。因此，微波不但可以誘導(dǎo)靜態(tài)的液體過熱，也能使得流動(dòng)條件下的水過熱。Ferrari 等[33]的研究表明，微波誘導(dǎo)沸騰過熱現(xiàn)象可以采用快速攪拌等方式來緩解。Lee 等[34-35]針對(duì)微波加熱水直至沸騰的傳熱過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了微波場(chǎng)內(nèi)水的溫度分層現(xiàn)象以及微波誘導(dǎo)水體過熱后形成氣泡核的過程，證明了自由表面蒸發(fā)是蒸發(fā)過程的主導(dǎo)方式。因此，無論是在靜態(tài)條件下還是動(dòng)態(tài)條件下，微波對(duì)液體的加熱均呈現(xiàn)了有效性，佐證了將微波作為外場(chǎng)用于強(qiáng)化蒸發(fā)過程的理論可行性。在常壓環(huán)境或者在負(fù)壓/真空環(huán)境中，將微波加熱應(yīng)用于強(qiáng)化液體的蒸發(fā)濃縮或蒸餾分離過程，可迅速補(bǔ)充料液汽化產(chǎn)生的能量損失，達(dá)到過程強(qiáng)化的目的。

2.3 微波加熱強(qiáng)化蒸發(fā)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

微波加熱強(qiáng)化蒸發(fā)被廣泛利用于食品工業(yè)、料液濃縮、蒸餾分離及材料制備等過程中。有關(guān)微波加熱高濕度食品實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)和干燥的研究，為微波加熱強(qiáng)化蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。在食品工業(yè)和料液濃縮方面，Assawarachan 等[36]通過實(shí)驗(yàn)研究微波真空蒸發(fā)處理菠蘿汁對(duì)菠蘿汁色度的影響，與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)器（MVE）相比，微波真空蒸發(fā)將蒸發(fā)溫度平均降低了10℃，而菠蘿汁色度無變化；Yousefi等[37]通過實(shí)驗(yàn)研究微波負(fù)壓蒸發(fā)石榴汁的過程，結(jié)果表明，微波蒸發(fā)樣品具有較好的色度，且加熱處理時(shí)間最短。Tao 等[38]研究微波強(qiáng)化真空蒸發(fā)濃縮糖漿工藝，發(fā)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)水分損失可達(dá)進(jìn)料質(zhì)量的三分之二以上，證明了微波強(qiáng)化真空蒸發(fā)用于糖漿濃縮過程優(yōu)越性。此外，微波強(qiáng)化蒸發(fā)的汽提效應(yīng)可增強(qiáng)樣品分析的準(zhǔn)確度，Ogunniran 等[39]研究微波加熱蒸發(fā)水分進(jìn)行汽提的過程，發(fā)現(xiàn)水分的快速蒸發(fā)強(qiáng)化了污染材料內(nèi)碳?xì)浠衔锏奶崛。岣吡朔治鼋Y(jié)果的準(zhǔn)確度。微波在界面位置對(duì)極性液體的選擇性加熱有助于提高蒸發(fā)速率，基于液體混合物各相間的介電性質(zhì)差異和熱力學(xué)相平衡，以微波為熱源的蒸餾分離工藝目前已成為新型蒸餾工藝之一[40-41]。Liu等[42]的研究結(jié)果表明，采用微波加熱噴霧狀態(tài)下醇水兩相共沸物體系，可有效提高分離效率，且蒸發(fā)量隨著微波功率密度升高以及高介電損耗組分的含量增加而增加。針對(duì)微波加熱分離多種二元混合物體系的研究結(jié)果表明，微波選擇性地與二元混合物中的極性分子相互作用，影響了體系的相對(duì)揮發(fā)度，Zhao等[43]基于分子輻射假設(shè)的基本熱力學(xué)分析理論，根據(jù)微波場(chǎng)強(qiáng)度與料液體系物性參數(shù)（介電損耗、沸點(diǎn)、熱導(dǎo)率、分子大小與摩爾體積等）的相關(guān)作用關(guān)系，確定了微波加熱誘導(dǎo)分離二元系體系的動(dòng)態(tài)規(guī)律，提出了嶄新的歸一化量綱為1 的特征數(shù)ZMW用于確定微波加熱分離二元系的方向和效率。此外，在微波強(qiáng)化蒸發(fā)促進(jìn)濃縮結(jié)晶還可用于制備納米復(fù)合材料，Hong 等[44]研究了溶劑蒸發(fā)過程中微波輻照對(duì)PVDF/TiO 晶體行為的影響，微波強(qiáng)化溶劑蒸發(fā)使PVDF納米復(fù)合膜的結(jié)晶度提高了72%。

3 微波強(qiáng)化閃蒸

在充分了解閃蒸過程機(jī)制與微波加熱強(qiáng)化蒸發(fā)過程可行性的基礎(chǔ)上，本文研究了微波加熱在閃蒸過程中的應(yīng)用。基于微波加熱的快速性和整體性，利用微波對(duì)閃蒸過程中的料液進(jìn)行加熱，補(bǔ)充料液因閃蒸產(chǎn)生的能量損失，促進(jìn)料液在罐體內(nèi)進(jìn)一步發(fā)生閃蒸，并配合氣液分離及傳輸冷凝過程，使系統(tǒng)同比與相同條件下的常規(guī)閃蒸過程具有更高的蒸發(fā)效率。微波加熱強(qiáng)化閃蒸工藝為傳統(tǒng)閃蒸過程中料液無法原位補(bǔ)充熱量提高閃蒸率的問題提供了嶄新的解決方案，該工藝的研究和配套設(shè)備的開發(fā)，可為解決傳統(tǒng)閃蒸中設(shè)備冗繁、流程長(zhǎng)、占地面積大、能耗高、防腐、結(jié)垢等的某種問題或多種問題提供參考。

3.1 微波強(qiáng)化閃蒸的設(shè)備開發(fā)

本文作者課題組[45]通過對(duì)比多類型的微波加熱用諧振腔結(jié)構(gòu)，鑒于圓柱形諧振腔制作成本低、耐壓能力強(qiáng)且?guī)缀纬叽绱蟆⒁卓刂啤⒏咂焚|(zhì)因子和制備工藝成熟等特點(diǎn)，選用了圓柱形諧振腔作為微強(qiáng)化閃蒸的腔體，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了新型的膠囊圓柱形閃蒸腔體，最終搭建了如圖6所示的微波強(qiáng)化閃蒸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過采用真空泵對(duì)腔室提供真空，在原料液與腔體之間構(gòu)建壓力差驅(qū)動(dòng)被加熱的料液發(fā)生閃蒸。為了增加料液在腔體內(nèi)的滯留換熱時(shí)間，通過在腔體內(nèi)部嵌布以吸波碳化硅陶瓷制備的多孔陶瓷盤，進(jìn)一步提高了蒸發(fā)量和閃蒸率。對(duì)于開發(fā)的微波強(qiáng)化閃蒸系統(tǒng)，可通過調(diào)節(jié)微波功率與液體流量來實(shí)現(xiàn)比功率的調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變料液在腔體內(nèi)對(duì)微波的吸收轉(zhuǎn)化，可達(dá)到較高的閃蒸率。本文作者課題組在以往工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地優(yōu)化了腔體結(jié)構(gòu)，增加腔體的高度和直徑，擴(kuò)展了氣液兩相在閃蒸腔內(nèi)的分離空間，獲取腔體的優(yōu)選參數(shù)：腔體內(nèi)徑為26cm，高度為50cm，波導(dǎo)位置高度為24cm，腔體容積為26.55L。優(yōu)化后的閃蒸腔剖面圖如圖7所示。

圖6 微波強(qiáng)化閃蒸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖7 微波強(qiáng)化閃蒸腔體剖面圖

3.2 微波加熱強(qiáng)化閃蒸研究的潛在應(yīng)用與存在問題

目前，本文作者課題組將開發(fā)的微波加熱強(qiáng)化閃蒸系統(tǒng)推廣至了廢硫酸濃縮[46]、濕法磷酸縮合制備聚磷酸以及氟資源回收[47]等領(lǐng)域，有效地證明了微波加熱強(qiáng)化閃蒸工藝在料液濃縮脫水方面的可行性和有效性。然而，有關(guān)微波加熱強(qiáng)化閃蒸過程的相關(guān)研究主要還存在以下問題。

（1）微波能量轉(zhuǎn)化效率的優(yōu)化研究。現(xiàn)目前有關(guān)與微波加熱蒸發(fā)的報(bào)道和實(shí)驗(yàn)，側(cè)重于工藝條件下各類型料液的物性變化對(duì)蒸發(fā)特性的影響，模擬研究與蒸發(fā)過程研究側(cè)重于工藝參數(shù)的調(diào)控與腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還未深入考察不同料液體系條件下微波能的轉(zhuǎn)化規(guī)律與系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化機(jī)制。雖然微波在干燥方面的能量轉(zhuǎn)化與作用方式已得到了很好的揭示，然而，針對(duì)流動(dòng)液體的微波加熱過程，還需從設(shè)備設(shè)計(jì)、料液物性、微波能轉(zhuǎn)化等方面入手，不斷優(yōu)化并提高微波能的能量轉(zhuǎn)化效率。

（2）料液分子結(jié)構(gòu)與微波選擇性加熱的關(guān)系研究。微波加熱強(qiáng)化蒸發(fā)或誘導(dǎo)分離是基于混合體系的介電性質(zhì)差異來進(jìn)行的。然而，從料液分子的微觀組成到料液性質(zhì)與微波選擇性作用效果之間缺乏必要的聯(lián)系性分析與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。料液的組成、形態(tài)、性質(zhì)等是微觀分子結(jié)構(gòu)的宏觀體現(xiàn)，必須依靠大量的實(shí)驗(yàn)探索工作，才能針對(duì)微波加熱強(qiáng)化蒸發(fā)工藝建立可用的基礎(chǔ)性測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)，如厘清不同料液體系在微波場(chǎng)內(nèi)的升溫速率，混合液體在微波加熱條件下的分離系數(shù)等。

（3）工業(yè)化設(shè)備開發(fā)研究。目前，設(shè)備開發(fā)研究仍停留于單模腔體、多模腔體的反應(yīng)器層面，設(shè)備結(jié)構(gòu)與作用體系的普適性不強(qiáng)，諧振腔內(nèi)部料液與微波耦合的分布規(guī)律還未完全弄清，導(dǎo)致以多源耦合的多模腔設(shè)計(jì)難度較大。在微波強(qiáng)化蒸發(fā)設(shè)備要求高能量轉(zhuǎn)化效率的條件下，精細(xì)調(diào)控料液形態(tài)或許是可行方法之一，如采用液膜、滴流、螺旋流等。

4 結(jié)語

微波化工技術(shù)是化工過程強(qiáng)化中的新興技術(shù)與重要組成部分，以微波加熱的選擇性、整體性、快速性為基礎(chǔ)，微波加熱強(qiáng)化蒸發(fā)工藝是微波能工程應(yīng)用的新方式。剖析微波-電磁場(chǎng)、料液運(yùn)動(dòng)形成的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)三種之間的相互耦合作用規(guī)律，是解決微波外場(chǎng)強(qiáng)化蒸發(fā)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)不同環(huán)境壓力條件，揭示微波加熱強(qiáng)化料液蒸發(fā)過程中的物性變化、化學(xué)組成對(duì)微波-電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，探索電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)蒸發(fā)速率的影響機(jī)制，以及結(jié)合已有的料液物性數(shù)據(jù)建立介電性能數(shù)據(jù)庫(kù)，是開發(fā)微波加熱蒸發(fā)裝置及推動(dòng)微波強(qiáng)化蒸發(fā)工藝的發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。迄今為止，雖然部分人為選擇料液體系的微波加熱蒸發(fā)處理已在實(shí)驗(yàn)室層面得到了驗(yàn)證，然而有關(guān)傳熱傳質(zhì)機(jī)制的研究仍比較匱乏。在倡導(dǎo)綠色化工、節(jié)能增效的背景下，深入挖掘微波強(qiáng)化蒸發(fā)過程的特性及其應(yīng)用，利用系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法開展能量轉(zhuǎn)化過程優(yōu)化，充分利用多物理場(chǎng)耦合模擬等先進(jìn)技術(shù)，探索微波加熱強(qiáng)化蒸發(fā)過程的動(dòng)力學(xué)，揭示不同料液體系在微波加熱強(qiáng)化條件下的蒸發(fā)規(guī)律，可為微波加熱強(qiáng)化蒸發(fā)技術(shù)推廣應(yīng)用提供理論和數(shù)據(jù)支持。