微波加熱強化閃蒸工藝的科學基礎及發展趨勢

田時泓，郭磊，李娜，宇文超，許磊，郭勝惠，巨少華

（1 微波能工程應用及裝備技術國家地方聯合工程實驗室，云南 昆明 650093；2 昆明理工大學冶金與能源工程學院，云南 昆明 650093）

均相混合物的分離濃縮是化工、冶金、材料、生物等行業重要的單元操作，其中，基于熱力學相平衡差異，輸入熱量誘發溶劑汽化和氣液分離的過程，均可歸類為蒸發操作單元。目前，在工業生產結構化改革與逐步達成“碳達峰、碳中和”目標的大背景下，傳統蒸發單元操作受到資源環境、投資成本、經濟效益與能源瓶頸等因素影響，依舊存在能耗高、流程長、設備冗繁等問題，如何降低能耗并清潔高效地獲取高純度產品，是蒸發技術發展的持續追求。平衡蒸餾，亦稱為“閃蒸”，作為一種快速的蒸發方法，被廣泛應用于海水淡化、鹽鹵濃縮、廢水處理、液態食品濃縮殺菌、金屬制品降溫、快速制冰等需要蒸發、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、蒸汽產生量大等特點[2]。一般來說，依照閃蒸發生時液體的形態，閃蒸模型主要分為靜態閃蒸（如池閃蒸）與流態閃蒸（如噴霧閃蒸），如圖1所示。流態閃蒸可提供更高的蒸發比面積，其蒸發速率遠高于池閃蒸，且在更低的蒸發溫度下，采用緊湊的蒸發器腔體，蒸發效率更高。因此，以噴霧閃蒸為代表的流態閃蒸在工業中具有廣泛的用途[3]。

圖1 傳統閃蒸過程示意圖

在傳統閃蒸過程研究中，液體過熱是蒸發潛熱的唯一來源，從液體內部傳遞到氣液相界面的熱量，以及水蒸氣環境與蒸發界面傳遞的熱量支撐著汽化過程的發生。但是，隨著閃蒸時間的增加，液體溫度快速下降到與環境壓力相對應的飽和溫度后，從液相釋放的熱量不足以提供對應環境壓力條件下的汽化潛熱時，閃蒸過程的強度逐漸降低直到閃蒸停止。在實際工業過程中，一般采用料液循環升溫、降低環境壓力和增加汽化表面積等方法來提高閃蒸速率和蒸發效率。研究結果表明，這三類方法的核心要素依然是加強熱量轉化。然而，閃蒸一般是在負壓環境甚至真空條件下進行，傳統的熱量傳遞方式無法向閃蒸過程中的液體補充熱量，為了提高料液的閃蒸效率，并實現蒸發單元操作的減排賦能。研究者們依據能量轉化特性，針對傳統蒸發單元操作開展了過程強化研究，在公開發表的文獻和現有案例中，被提及的方法包括但不限于聲場強化、超重力場強化、新型塔板結構強化、微波強化等[4]。

微波作為一種特殊的能量形式，對極性化學物質表現良好的加熱效果，表現出選擇性、原位性、體加熱、速度快、均勻性較好、易自動化控制等特點，在蒸發、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，其能量轉化形式高度體現出內部加熱的特點，且微波可在真空環境中傳播并被吸波介質吸收。一般來說，料液由溶劑和溶質組成，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，具有遠優于溶質的介電性能，作為吸波介質可優先吸收微波被快速加熱。因此，微波對極性分子的選擇性加熱及其自身的空間傳輸特性，為微波加熱強化負壓環境中的蒸發過程提供了理論基礎。

本文首先分析了傳統閃蒸工藝及其傳熱傳質特性的研究現狀，然后再分析微波作為能量源在蒸發過程中加熱液體、傳熱傳質研究方面的進展。最終，提出微波加熱與閃蒸工藝相耦合的微波加熱強化閃蒸工藝。

1 傳統閃蒸工藝研究與應用現狀

從20世紀50年代至今，閃蒸過程的汽化現象、工藝應用及傳熱傳質特性被人們廣泛研究。根據閃蒸過程中料液的狀態，可將閃蒸工藝分為“靜態閃蒸”及“流態閃蒸”。

1.1 靜態閃蒸

靜態閃蒸是指在料液靜置狀態下降低料液所處環境壓力所誘發的閃蒸，料液在閃蒸發生時總在某一個方向或多個方向存在自由蒸發面[7]。如圖2 所示，主要包括靜態液膜和靜態液滴兩種形態下的閃蒸。

圖2 靜態閃蒸研究模型[7]

自20 世紀70 年代中期至今，研究人員針對液膜閃蒸過程中的料液溫度變化和氣泡運動，提出了描述性參數來表征分析閃蒸過程的傳熱傳質強度與氣泡運動特性。Miyatake 等[8]以水作為工質研究靜態閃蒸過程，提出非平衡溫差（NETD）來描述閃蒸發生后液體的溫度變化。在后續研究中，又進一步提出了非平衡分數（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。當采用鹽水作為工質時，鹽水的液膜閃蒸過程伴隨著大量氣泡的產生，NEF 降低了（2/3）～（3/4）。研究發現，鹽分在閃蒸過程中的析出與結晶行為，為氣泡成核提供了泡核點，鹽水閃蒸比純水閃蒸具有更高的傳熱強度。此外，根據多相流傳熱傳質理論，研究人員利用雅克布數（Jackob number，Ja）來描述閃蒸過程中的沸騰強度，發現液膜閃蒸蒸發量隨Ja和液膜深度的增加而增加。進一步分析發現，在池閃蒸過程中，氣泡的產生和運動會誘發閃蒸波的形成，液膜厚度和閃蒸壓力變化對閃蒸率具有影響，液膜厚度增加會壓制氣泡運動，降低換熱強度，并縮短閃蒸時間。因此，通過改變料液在腔體中的形狀和液池深度，發現當氣泡擴散強度過高時，導致普朗特數（Prandtl number，Pr）增加，熱量交換難以集中于氣液交換界面的中心區域，反而會導致閃蒸率降低。針對這個現象，考慮到靜態閃蒸過程是采用料液所處環境的壓力差作為核心驅動力，增加壓力差有利于延長閃蒸時間和沸騰強度，最終可提高閃蒸率。因此，針對實際工業生產過程中的鹽水閃蒸濃縮，還需要考慮料液的初始溫度、液膜厚度與蒸發器形狀。采用增加閃蒸過程中熱量交換強度的操作方式對提高蒸發量是有利的，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，是不考慮液體運動過程中的特殊情況。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注。如圖3所示，在降壓環境中，研究者主要采用結合溫度測量、高速攝像機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態生成過程，可分析液滴閃蒸過程的動態演變特征與傳熱傳質特性[9]。Muthunayagam 等[10]采用該類型的裝置，基于蒸汽擴散模型給出了液滴閃蒸時間的計算方法；同時借助高速攝像機，推演出液滴直徑與溫度變化的表達式。在此基礎上，后續研究者們繼續采用該類裝置，揭示了液滴閃蒸過程中伴隨的氣泡生長、氣泡破裂、氣泡逸出、液體穩態結冰、氣泡生長結冰等階段特征[11-12]。具體來說，實驗研究或數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濃度等因素對液滴閃蒸過程、傳熱傳質過程的影響規律來開展。研究發現，縮小液滴直徑、提高壓力差、增加溶質濃度、提高初始溫度等方法增強傳熱強度，均有助于提高液滴的閃蒸率和促進溶質結晶。綜上所述，靜態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境條件改變和液體物性條件改變對液體靜態閃蒸過程的影響規律，進而揭示液體內部的汽化成核過程和氣泡運動機制，結合蒸汽擴散模型構建液滴閃蒸過程的數理模型，可進一步明晰靜態閃蒸傳熱傳質的機制。

圖3 液滴閃蒸研究的典型結構[9]

1.2 流態閃蒸

料液在運動條件下發生閃蒸的過程均可歸屬于流態閃蒸，根據料液形態的差異可分為滴流閃蒸、噴霧閃蒸。在實際研究過程中，主要通過操控壓力和運用不同結構的裝置來改變料液運動形態，進而實現滴流與噴霧兩種不同的料液運動形態。滴流閃蒸是噴霧閃蒸的特殊情況，主要發生在料液驅動壓力很弱，不足以驅動射流的特殊工況中。因此，噴霧閃蒸與滴流閃蒸兩者之間具有相互蘊含的關系。典型噴霧閃蒸實驗系統的結構如圖4所示[13]。

圖4 流態噴霧閃蒸實驗系統[13]

噴霧閃蒸具有較快的蒸發速率，其蒸發性能和冷卻特性被人們廣泛研究。針對均質料液和異質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、腔體壁面環境以及壓力差、初始溫度、料液性質等關鍵性因素開展的研究結果表明，液滴的充分破碎和擴散有助于加強蒸發，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，液滴的溫度就越低。根據液滴的溫度變化規律和運動特性，噴霧閃蒸過程中，過熱液滴的熱釋放被分為了膨脹、穩定、衰減三個階段。Loureiro 等[14-15]從微尺度角度對流體的噴霧閃蒸進行實驗和模擬分析，發現流體膨脹由蒸氣泡的增長驅動，而液滴的形成是破碎過程中機械拉伸與表面張力和黏性耗散共同作用的結果，且在壓差越大、液體溫度越高的條件下，噴霧錐角更大，這可使蒸發效果更好。因此，針對噴霧閃蒸系統開展工藝參數優化提高閃蒸效率的研究，研究者們圍繞環境壓力、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特征數，進而分析特征數與相關工藝參數的關系，在此基礎上揭示噴霧閃蒸過程的傳熱傳質規律。

1.3 傳統閃蒸工藝的應用現狀與優化方法

在實際工業條件下，閃蒸的發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發生閃蒸會帶來急速的壓力沖擊，可能導致管道破裂甚至爆炸、設備損毀、劇烈噪聲及有害物質暴露等不良后果[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，在航空航天領域，可采用噴霧閃蒸汽化特性為航天器提供推動力及給相關設備的換熱散熱[17]；在燃燒領域，通過閃蒸噴射可提高燃料汽化比表面積增加燃燒效率[18]；在冶金工業領域，應用閃蒸工藝處理氧化鋁生產母液實現濃縮分離，可有效提高過程的蒸發效率，提高濃縮效果[19]；在材料合成領域，采用閃蒸噴射可細化反應料液，提高比表面積，使所制備的材料具有更優異的性能[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，主要通過單級或多級閃蒸處理海水或鹽水以水蒸氣冷凝的形式獲取淡水[21-22]。在多級閃蒸工藝中腔體壓力逐級降低促使鹽水逐級發生閃蒸，鹽水溫度會隨著閃蒸級數的增加而降低。研究表明，通過強化閃蒸過程的換熱及冷凝回收效率，是增加冷凝水產率的重要方法。在充分利用料液初始溫度的條件下，采用增加噴頭數量、噴射霧化、滴流分散、液膜降流等液體分散技術，增加料液氣液相界面，提高蒸發濃縮效率。此外，還可通過結合二次蒸汽的熱泵循環等熱能回收技術，在降低能耗的同時，提高多級閃蒸系統的熱能效率和蒸發效率[23-24]。

2 微波強化蒸發過程及其應用

2.1 微波及微波加熱機制

微波特指頻率范圍在300MHz～300GHz 范圍內的電磁波，波長范圍為1m～1mm，因用途差異，國際 組 織 規 定 將 處 于915MHz±25MHz、2450MHz±50MHz、5800MHz±75MHz及22125MHz±125MHz頻段的微波分配用于工業微波加熱，常見頻率為915MHz±25MHz 和2450MHz±50MHz，對應波長為32.78cm和12.24cm。如圖5所示，微波與介質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衍射、干涉、反射、折射等現象。微波在空間和介質中傳播時主要以介電損耗的形式耗散能量，根據微波介電弛豫極化理論，微波對介質產生極化作用是微波引起加熱的重要方式。微波在介質內部會形成局域電磁場，會引發極性分子的偶極轉向極化，導致分子間高速碰撞與摩擦，最終導致吸波介質在微波作用下快速升溫。另外，微波還可誘發粒子的能級震蕩、能級躍遷、旋轉摩擦等，這些作用方式也是微波消耗并誘發介質升溫的重要機制[25]。

圖5 微波與介質的相互作用

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

式中，E表示電場強度；B表示磁場強度；ρc是電荷密度；J是電流密度。

微波與大部分化學物質的相互作用可歸屬于偶極子極化機理，單位體積介質吸收微波獲取的熱量與電場強度、介質損耗因子及微波頻率成正比，相互關系如式(2)所示。

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

依據介質的熱物理性質，結合微波加熱產生的內部熱量，介質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，將微波引入蒸發過程中對料液進行加熱，可促進料液蒸發、相分離和濃縮。一般來說，微波強化蒸發過程所涉及的微波加熱液體過程，其研究一般采用數值求解或多物理耦合分析等方法來實現。數值求解的核心是采用有限元方法對建立數理方程進行求解；多物理場耦合分析采用以有限元算法為基礎的模擬軟件來開展（例如，COMSOL Multiphysics 等商用模擬軟件）。在此基礎上，結合實驗結果對微波加熱液體的過程進行分析。

在微波加熱流體的數值求解方面，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行耦合求解，基于時域或者頻域采用有限元方法耦合求解。圍繞波導結構、諧振器結構與料液形態開展研究，探索微波能量與料液性質的相互作用關系，分析電磁場與溫度場的對應性[26]。探索微波在流體介質為負載條件下的反射、透射情況，分析介質流速、截面積、角度等對電磁場的干涉以及溫度場的分布。針對微波加熱的典型非線性特征，描述自然對流或強迫對流條件下的加熱均勻性或熱點效應，探索微波加熱液體的過熱效應。針對各自特定的設備組成結構，確定料液性質（介電特性、黏度、比熱容等）、料液形態（流速、分布形式）與微波-電磁場的相互影響，進而分析不同微波加熱設備中流體的升溫情況與熱場分布，研究結果表明，微波加熱效率與加熱模式與料液的介電特性和系統的幾何形狀等密切相關。結合微波設備結構設計、微波與流體之間的相互作用、料液性質等三方面，將微波-電磁場分布、流體流動特性相互耦合，可給出微波加熱流體的特征性表征方程與數值求解方式。然而，數值求解方式中需要耦合難以求解的納維-斯托克斯方程，數值邊界條件需進行理想化的設定，所能夠進行求解的模型現階段僅限于理想化結構模型。

在微波加熱流體過程的多物理場模擬方面，研究人員常常將微波-電磁場能量密度、料液形態、液體性質等相結合，并將微波加熱流體與實際應用情況相結合，充分闡釋微波加熱條件下液體內部的電磁場分布與熱場變化的相互作用。利用模擬軟件的可視化輸入特性，分析不同微波設備幾何結構條件下的液體加熱效果，通過闡釋電磁場功率密度、流體特性、流動狀態等對料液升溫的影響，給出料液的升溫曲線以及微波能的利用效率、電磁場分布狀態等。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，為設計專用設備和優化工藝過程提供了基礎。例如，Nishioka 等[27]提出了一種可用于10MPa 條件下運行的微波加熱流體的反應器。Goyal 等[28]針對微波反應器的設計與放大，采用數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、液體性質和微波功率、微波供給方式等相關，探索微波-電磁場與液體相互作用，以及厘清微波加熱液體所構建熱量場的變化規律，是微波加熱液體多物理場耦合模擬研究的重點。但是，為了更清晰地反映微波加熱流體的實際情況，需要考慮料液受到微波加熱后的相變過程，因為混合液體中不同組分對微波的選擇性吸收差異，以及空間環境、腔體形狀、微波功率及液體的物性、形態、流速等因素的影響，微波加熱液體的傳熱傳質過程呈現不同特性。例如，Chemat等[29]研究了微波加熱液體的過熱沸騰現象，并提出了對應的預測模型用于預測微波加熱條件下均相反應的反應動力學和產率。Motohiko 等[30]從非極化水模型出發對微波加熱水、冰、鹽溶液等進行分子模擬研究，證明了水分子在微波場內的旋轉運動與相位延遲，證明了所吸收微波能的三分之一被存儲為水的能量，以及由于鹽離子在微波場內的運動，稀濃度的鹽溶液在微波場內比純水具有更快的加熱速率。Damilos 等[31]針對微波加熱流體的溫度升高現象進行研究，發現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]的研究發現，在微波加熱條件下用水的沖洗過程中存在過熱現象。因此，微波不但可以誘導靜態的液體過熱，也能使得流動條件下的水過熱。Ferrari 等[33]的研究表明，微波誘導沸騰過熱現象可以采用快速攪拌等方式來緩解。Lee 等[34-35]針對微波加熱水直至沸騰的傳熱過程進行研究，發現了微波場內水的溫度分層現象以及微波誘導水體過熱后形成氣泡核的過程，證明了自由表面蒸發是蒸發過程的主導方式。因此，無論是在靜態條件下還是動態條件下，微波對液體的加熱均呈現了有效性，佐證了將微波作為外場用于強化蒸發過程的理論可行性。在常壓環境或者在負壓/真空環境中，將微波加熱應用于強化液體的蒸發濃縮或蒸餾分離過程，可迅速補充料液汽化產生的能量損失，達到過程強化的目的。

2.3 微波加熱強化蒸發的應用研究現狀

微波加熱強化蒸發被廣泛利用于食品工業、料液濃縮、蒸餾分離及材料制備等過程中。有關微波加熱高濕度食品實現蒸發和干燥的研究，為微波加熱強化蒸發系統設計提供了參考。在食品工業和料液濃縮方面，Assawarachan 等[36]通過實驗研究微波真空蒸發處理菠蘿汁對菠蘿汁色度的影響，與傳統旋轉真空蒸發器（MVE）相比，微波真空蒸發將蒸發溫度平均降低了10℃，而菠蘿汁色度無變化；Yousefi等[37]通過實驗研究微波負壓蒸發石榴汁的過程，結果表明，微波蒸發樣品具有較好的色度，且加熱處理時間最短。Tao 等[38]研究微波強化真空蒸發濃縮糖漿工藝，發現短時間內水分損失可達進料質量的三分之二以上，證明了微波強化真空蒸發用于糖漿濃縮過程優越性。此外，微波強化蒸發的汽提效應可增強樣品分析的準確度，Ogunniran 等[39]研究微波加熱蒸發水分進行汽提的過程，發現水分的快速蒸發強化了污染材料內碳氫化合物的提取，提高了分析結果的準確度。微波在界面位置對極性液體的選擇性加熱有助于提高蒸發速率，基于液體混合物各相間的介電性質差異和熱力學相平衡，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]的研究結果表明，采用微波加熱噴霧狀態下醇水兩相共沸物體系，可有效提高分離效率，且蒸發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。針對微波加熱分離多種二元混合物體系的研究結果表明，微波選擇性地與二元混合物中的極性分子相互作用，影響了體系的相對揮發度，Zhao等[43]基于分子輻射假設的基本熱力學分析理論，根據微波場強度與料液體系物性參數（介電損耗、沸點、熱導率、分子大小與摩爾體積等）的相關作用關系，確定了微波加熱誘導分離二元系體系的動態規律，提出了嶄新的歸一化量綱為1 的特征數ZMW用于確定微波加熱分離二元系的方向和效率。此外，在微波強化蒸發促進濃縮結晶還可用于制備納米復合材料，Hong 等[44]研究了溶劑蒸發過程中微波輻照對PVDF/TiO 晶體行為的影響，微波強化溶劑蒸發使PVDF納米復合膜的結晶度提高了72%。

3 微波強化閃蒸

在充分了解閃蒸過程機制與微波加熱強化蒸發過程可行性的基礎上，本文研究了微波加熱在閃蒸過程中的應用?；谖⒉訜岬目焖傩院驼w性，利用微波對閃蒸過程中的料液進行加熱，補充料液因閃蒸產生的能量損失，促進料液在罐體內進一步發生閃蒸，并配合氣液分離及傳輸冷凝過程，使系統同比與相同條件下的常規閃蒸過程具有更高的蒸發效率。微波加熱強化閃蒸工藝為傳統閃蒸過程中料液無法原位補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備的開發，可為解決傳統閃蒸中設備冗繁、流程長、占地面積大、能耗高、防腐、結垢等的某種問題或多種問題提供參考。

3.1 微波強化閃蒸的設備開發

本文作者課題組[45]通過對比多類型的微波加熱用諧振腔結構，鑒于圓柱形諧振腔制作成本低、耐壓能力強且幾何尺寸大、易控制、高品質因子和制備工藝成熟等特點，選用了圓柱形諧振腔作為微強化閃蒸的腔體，在此基礎上設計出了新型的膠囊圓柱形閃蒸腔體，最終搭建了如圖6所示的微波強化閃蒸實驗系統，通過采用真空泵對腔室提供真空，在原料液與腔體之間構建壓力差驅動被加熱的料液發生閃蒸。為了增加料液在腔體內的滯留換熱時間，通過在腔體內部嵌布以吸波碳化硅陶瓷制備的多孔陶瓷盤，進一步提高了蒸發量和閃蒸率。對于開發的微波強化閃蒸系統，可通過調節微波功率與液體流量來實現比功率的調節，進而改變料液在腔體內對微波的吸收轉化，可達到較高的閃蒸率。本文作者課題組在以往工作基礎上，進一步地優化了腔體結構，增加腔體的高度和直徑，擴展了氣液兩相在閃蒸腔內的分離空間，獲取腔體的優選參數：腔體內徑為26cm，高度為50cm，波導位置高度為24cm，腔體容積為26.55L。優化后的閃蒸腔剖面圖如圖7所示。

圖6 微波強化閃蒸實驗系統

圖7 微波強化閃蒸腔體剖面圖

3.2 微波加熱強化閃蒸研究的潛在應用與存在問題

目前，本文作者課題組將開發的微波加熱強化閃蒸系統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]等領域，有效地證明了微波加熱強化閃蒸工藝在料液濃縮脫水方面的可行性和有效性。然而，有關微波加熱強化閃蒸過程的相關研究主要還存在以下問題。

（1）微波能量轉化效率的優化研究?，F目前有關與微波加熱蒸發的報道和實驗，側重于工藝條件下各類型料液的物性變化對蒸發特性的影響，模擬研究與蒸發過程研究側重于工藝參數的調控與腔體結構設計，還未深入考察不同料液體系條件下微波能的轉化規律與系統內部的能量轉化機制。雖然微波在干燥方面的能量轉化與作用方式已得到了很好的揭示，然而，針對流動液體的微波加熱過程，還需從設備設計、料液物性、微波能轉化等方面入手，不斷優化并提高微波能的能量轉化效率。

（2）料液分子結構與微波選擇性加熱的關系研究。微波加熱強化蒸發或誘導分離是基于混合體系的介電性質差異來進行的。然而，從料液分子的微觀組成到料液性質與微波選擇性作用效果之間缺乏必要的聯系性分析與基礎數據。料液的組成、形態、性質等是微觀分子結構的宏觀體現，必須依靠大量的實驗探索工作，才能針對微波加熱強化蒸發工藝建立可用的基礎性測試數據庫，如厘清不同料液體系在微波場內的升溫速率，混合液體在微波加熱條件下的分離系數等。

（3）工業化設備開發研究。目前，設備開發研究仍停留于單模腔體、多模腔體的反應器層面，設備結構與作用體系的普適性不強，諧振腔內部料液與微波耦合的分布規律還未完全弄清，導致以多源耦合的多模腔設計難度較大。在微波強化蒸發設備要求高能量轉化效率的條件下，精細調控料液形態或許是可行方法之一，如采用液膜、滴流、螺旋流等。

4 結語

微波化工技術是化工過程強化中的新興技術與重要組成部分，以微波加熱的選擇性、整體性、快速性為基礎，微波加熱強化蒸發工藝是微波能工程應用的新方式。剖析微波-電磁場、料液運動形成的流場與溫度場三種之間的相互耦合作用規律，是解決微波外場強化蒸發過程的關鍵環節。針對不同環境壓力條件，揭示微波加熱強化料液蒸發過程中的物性變化、化學組成對微波-電磁場和溫度場的影響規律，探索電磁場-溫度場的動態變化對蒸發速率的影響機制，以及結合已有的料液物性數據建立介電性能數據庫，是開發微波加熱蒸發裝置及推動微波強化蒸發工藝的發展的關鍵環節。迄今為止，雖然部分人為選擇料液體系的微波加熱蒸發處理已在實驗室層面得到了驗證，然而有關傳熱傳質機制的研究仍比較匱乏。在倡導綠色化工、節能增效的背景下，深入挖掘微波強化蒸發過程的特性及其應用，利用系統性設計方法開展能量轉化過程優化，充分利用多物理場耦合模擬等先進技術，探索微波加熱強化蒸發過程的動力學，揭示不同料液體系在微波加熱強化條件下的蒸發規律，可為微波加熱強化蒸發技術推廣應用提供理論和數據支持。