本文選題：微波化學(xué)　切入點(diǎn)：分子動(dòng)力學(xué)模擬　出處：《電子科技大學(xué)》2014年碩士論文

【摘要】：微波具有高效、高滲透性、選擇性加熱等特點(diǎn)并已廣泛運(yùn)用于化工、石油、環(huán)境治理等眾多領(lǐng)域。但是,人們對(duì)微波與化學(xué)反應(yīng)體系的相互作用機(jī)理和相關(guān)基礎(chǔ)問題的認(rèn)識(shí)和理解尚不深入,其相互作用過程中產(chǎn)生的特殊效應(yīng)如非熱效應(yīng)、熱點(diǎn)、熱失控等現(xiàn)象也一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)和理解的難點(diǎn),這導(dǎo)致微波能技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的瓶頸。本文就微波與水溶液、微波與化學(xué)反應(yīng)體系相互作用過程中產(chǎn)生的一些特殊效應(yīng),從分子動(dòng)力學(xué)模擬到理論分析進(jìn)行深入探討,這些研究對(duì)進(jìn)一步理解微波與化學(xué)反應(yīng)相互作用的機(jī)理、探討其特殊效應(yīng)及進(jìn)一步的工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。本論文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)本文研究了頻率為20 GHz微波加熱氯化鈉水溶液的過程。發(fā)現(xiàn)分子動(dòng)力學(xué)模擬下微波加熱氯化鈉溶液的溫度與微波的電場強(qiáng)度、溶液濃度存在一定的內(nèi)在聯(lián)系,并在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)擬合得到分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間量程內(nèi),頻率為20 GHz的微波加熱氯化鈉溶液的經(jīng)驗(yàn)性溫升公式。這有助于探究微波加熱溶液及化學(xué)反應(yīng)的溫升機(jī)理并提供一定的實(shí)驗(yàn)支持和理論參考。(2)在對(duì)微波加熱裂解甲苯和非交聯(lián)環(huán)氧樹脂的ReaxFF反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中觀察到熱失控現(xiàn)象。經(jīng)過分析,出現(xiàn)這種溫升突變現(xiàn)象的原因是整個(gè)體系內(nèi)極性基團(tuán)數(shù)量的突然增多導(dǎo)致體系對(duì)微波能的吸收能力突然增強(qiáng),使體系的溫升速率迅速升高,從而產(chǎn)生溫度突變。(3)觀察到微波作用于物質(zhì)時(shí)的非熱效應(yīng),并進(jìn)一步基于碰撞理論和熵效應(yīng)分析該現(xiàn)象。在研究微波加熱NaCl溶液的過程中,發(fā)現(xiàn)微波能并沒有如傳統(tǒng)理論認(rèn)為那樣會(huì)被全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的動(dòng)能,而是有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的勢能,該結(jié)果有助于從分子層面揭示和理解非熱效應(yīng)。而相比于傳統(tǒng)加熱,微波加熱下的甲苯裂解以及環(huán)氧樹脂高溫分解過程中部分產(chǎn)物的生成速率會(huì)降低。通過分析模擬結(jié)果并結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究,確定這種反應(yīng)速率降低的現(xiàn)象屬微波的非熱效應(yīng)。同時(shí),本文對(duì)微波加熱至高溫后,部分極性分子電偶極矩的旋轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。結(jié)果表明反應(yīng)體系中的小尺寸極性基團(tuán)如水、甲醇等的旋轉(zhuǎn)特性依然能夠與外電場的時(shí)變性保持一致。而對(duì)于大尺寸的極性基團(tuán)(≥C7),其旋轉(zhuǎn)特性相比于外加電場有一定的滯后效應(yīng),即相位延遲。(4)本文基于ReaxFF分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)葡萄糖水溶液在超臨界環(huán)境中氣化的工程應(yīng)用進(jìn)行了探討。相關(guān)文獻(xiàn)表明,微波加熱純水至超臨界狀態(tài)后溫升速率會(huì)降低,因此,理論上不會(huì)出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。本文研究結(jié)果表明,在微波高溫氣化葡萄糖水溶液過程中,沒有出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象,微波場也未對(duì)氣化后最終產(chǎn)物的組分和產(chǎn)量有明顯影響,這與預(yù)期相符。因此,本文認(rèn)為微波應(yīng)用于葡萄糖超臨界氣化是可行的。總體而言,從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及公開報(bào)道來看,本文首次基于分子動(dòng)力學(xué)模擬探討微波作用下的若干化學(xué)反應(yīng)體系,并揭示和解釋了其中一些特殊現(xiàn)象如熱失控、非熱效應(yīng)等的作用機(jī)理和規(guī)律,這在一定程度上突破了其發(fā)展和應(yīng)用中面臨的某些技術(shù)瓶頸。這些成果在微波加快化學(xué)反應(yīng)以及微波能在化學(xué)工業(yè)中的大規(guī)模潛在應(yīng)用方面具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值,同時(shí)也為國家節(jié)能環(huán)保的重大社會(huì)需求進(jìn)一步提供技術(shù)支持。
[Abstract]:The microwave has the advantages of high efficiency, high permeability, selective heating characteristics and has been widely used in chemical, petroleum, many areas of environmental governance. However, understanding the interaction mechanism of microwave and chemical reaction and related basic problems is not deep, special effects produced the interaction process such as non the effect of heat, hot, thermal runaway phenomenon is also a difficult focus of attention and understanding, which leads to microwave energy bottleneck technology in industrial application. In this paper, microwave and water solution, some special effects of interaction between microwave and chemical reaction system, from molecular dynamics simulation to the theory are discussed analysis of these studies, to further understand the mechanism of the interaction between microwave and chemical reaction, to provide a scientific basis to explore its special effects and further engineering application. This paper mainly studies The content and innovation are as follows: (1) this paper studies the frequency of 20 GHz microwave heating process of sodium chloride aqueous solution. It is found that the field strength of molecular dynamics simulation of temperature under microwave heating and microwave Sodium Chloride Solution, there are some relations between the concentration of the solution, and on the basis of the data obtained by molecular dynamics simulation time range. The frequency of microwave heating temperature experience Sodium Chloride Solution 20 GHz liter formula. This helps to explore the microwave heating solution and reaction temperature rise mechanism and provide some experimental support and theoretical reference. (2) in the ReaxFF reaction kinetics of microwave heating pyrolysis of toluene and non crosslinked epoxy resin was observed during thermal simulation the phenomenon of out of control. After analysis, the temperature rising of mutation phenomenon is the number of the whole group polarity within the system suddenly increase system of microwave energy The absorption ability suddenly increased, so that the system's temperature rise rate increased rapidly, resulting in sudden temperature. (3) observed that the non thermal effect of microwave irradiation in substance, and further analysis based on the collision theory and the entropy effect of this phenomenon. In the process of microwave heating of NaCl solution, found that microwave energy is not as traditional theory think that all will be transformed into the kinetic energy of the system, but there is a part of change for the potential energy of the system, the results help from the molecular level to reveal and understand the non thermal effect. Compared with conventional heating, the formation rate of part of the product under microwave heating and epoxy resin in high temperature cracking of toluene decomposition process will reduce by. Analysis of simulation results and combined with the study of reaction kinetics, determine the non thermal effect of this phenomenon is the microwave reaction rate decreases. Meanwhile, the microwave heating to high temperature, part of the polar molecule dipole The polar moment rotation characteristics were collected and analyzed. The results show that the small size of the reaction system of polar groups such as water, methanol and other rotating characteristics of time-varying and external electric field can still keep the same. But for the polar groups of large size (more than C7), the rotation characteristics compared to the external electric field has lagged behind the effect of the phase delay. (4) the ReaxFF molecular dynamics method based on engineering application of glucose solution gasification in supercritical environment were discussed. The literature shows that the microwave heating water to a supercritical state after the temperature rise rate will be reduced, therefore, the thermal runaway phenomenon does not occur in this theory. The results show that the microwave high temperature gasification of glucose solution process, no thermal runaway phenomenon, has obvious effect of microwave is not on gasification of final product components and production, which in line with expectations. Therefore, this paper Microwave application in glucose supercritical gasification is feasible. Overall, the research status at home and abroad and publicly reported, this is the first research on some chemical reactions under microwave irradiation based on molecular dynamics simulation, and reveal and explain some special phenomena such as thermal runaway, the mechanism and laws of non thermal effect etc. this, some breakthrough technology bottlenecks facing its development and application to a certain extent. These results have important guiding significance and reference value in the large-scale potential application of microwave and microwave can accelerate chemical reactions in the chemical industry, but also a major social demand as the national energy saving and environmental protection to provide technical support.

【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O643.1;TM924.76

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本文編號(hào)：1655379