تحقیق در مورد گرمایش مایکروویو و کاربردهای شیمیایی

در کنفرانس COMSOL امسال در بوستون پوسترهای جالب زیادی وجود داشت. زوجی که توجه من را به خود جلب کردند شامل گرمایش مایکروویو و کاربردهای شیمیایی بودند. یکی از آنها استفاده از تابش مایکروویو برای سرعت بخشیدن به واکنش های شیمیایی را به نمایش می گذارد. یکی دیگر – یکی از دریافت کنندگان جایزه بهترین پوستر – از شبیه سازی برای بهینه سازی طراحی ریز راکتور خود با توجه به انتشار مایکروویو استفاده کرد.

تأثیر گرمایش مایکروویو بر واکنش های شیمیایی

در پوستری ارسال شده به کنفرانس COMSOL امسال در بوستون، محققین S. Fujii، H. Kujirai، D. Mochizuki، M. Maitani، E. Suzuki و Y. Wada نشان دادند که چگونه می توانند تکرارپذیری واکنش های شیمیایی را بهبود بخشند. تابش مایکروویو در مقایسه با کوره الکتریکی استفاده از گرمایش مایکروویو یک رویکرد نسبتاً غیرمعمول برای ترویج واکنش‌های شیمیایی است، چیزی که اکثر مهندسان شیمی حتی ممکن است به آن فکر هم نکنند. در واقع، آنها در مقدمه خود اشاره می کنند که “اغلب اشاره می شود که واکنش های تابش شده با امواج مایکروویو تکرارپذیری بسیار پایینی دارند.” برای اثبات این اشتباه، گروه تحقیقاتی به توسعه یک ماژول تقویت کننده مایکروویو با قدرت بالا (HPA) حالت جامد با یک نوسان ساز بسیار دقیق و همچنین یک اپلیکاتور بیضی پرداختند.

شبیه سازی مولتیفیزیک کامسول اپلیکاتور بیضوی
شبیه سازی اپلیکاتور بیضوی تصویر توسط S. Fujii، H. Kujirai، D. Mochizuki، M. Maitani، E. Suzuki، و Y. Wada، و برگرفته از ارسال پوستر آنها .

از آنجایی که آنها می دانستند که دمای واکنش نقش کلیدی در سرعت واکنش شیمیایی دارد، گروه از COMSOL Multiphysics برای تعیین اینکه آیا نقاط داغی در اپلیکاتور وجود دارد یا خیر استفاده کردند (شکل بالا را ببینید). آنها این کار را با مدل سازی اپلیکاتور بیضوی و سپس اجرای امواج الکترومغناطیسی و شبیه سازی انتقال حرارت انجام دادند. در نهایت، آنها آزمایشی را ترتیب دادند که در آن هیدروژن را از تجزیه متانول ابتدا از طریق تابش مایکروویو و سپس از طریق یک کوره الکتریکی تولید کردند. همانطور که در نتایج آنها در زیر مشاهده می کنید، سرعت واکنش شیمیایی در واقع سه برابر بیشتر تحت تابش امواج مایکروویو بود.

نمودار تولید هیدروژن با تجزیه متانول را از طریق دو روش مختلف نشان می دهد
تولید هیدروژن با تجزیه متانول. تصویر توسط S. Fujii، H. Kujirai، D. Mochizuki، M. Maitani، E. Suzuki، و Y. Wada.

انتشار امواج مایکروویو از طریق یک راکتور شیمیایی

در حالی که گروه اول تحقیقاتی را در مورد تأثیر گرمایش مایکروویو بر واکنش‌های شیمیایی ارائه کردند، یکی از برندگان بهترین پوستر از کنفرانس بوستون تحقیقات مفصلی در مورد شرایط ایده‌آل برای انتشار امواج مایکروویو از طریق ریزراکتور انجام داد. Wen-Hsuan Lee و Klavs F. Jensen از موسسه فناوری ماساچوست (MIT) طرحی را توسعه دادند که امیدوار بودند امکان سنتز آلی را فراهم کند:

طراحی اصلی ریز راکتور و نمای بالای واحد مایکروویو
طرح اصلی ریز راکتور (سمت چپ) و نمای بالایی واحد مایکروویو (سمت راست) که راکتور شیمیایی را در خود جای داده است. تصویر توسط Wen-Hsuan Lee و Klavs F. Jensen و برگرفته از ارسال پوستر آنها .

زمانی که لی و جنسن تجزیه و تحلیل مشخصات گرمایش راکتور را انجام دادند، متوجه برخی مشکلات در طراحی اصلی شدند. نه تنها توزیع دما در سرتاسر راکتور ناهموار بود، بلکه حداکثر دمای حالت پایدار برای انجام واکنش های شیمیایی به اندازه کافی بالا نبود. به منظور بهینه سازی طراحی خود، محققان به COMSOL Multiphysics، ماژول RF و ماژول انتقال حرارت روی آوردند.

دمای سطح ریزراکتور با موقعیت تغییر می کند. تصویر توسط Wen-Hsuan Lee و Klavs F. Jensen.

از طریق شبیه سازی، آنها متوجه شدند که چه چیزی باعث مشکلات گرمایشی می شود: قدرت میدان الکتریکی پایین. ظاهراً میدان الکتریکی بسته به موقعیت و اندازه ریزراکتور تغییر می‌کند. بنابراین، میدان الکتریکی بالاتر مشکلات گرمایش را حل می کند، که این دو محقق پیشنهاد می کنند که می توان با تغییر ضخامت راکتور به آن دست یافت.