一、概述

微波干馏，即是通过微波使物料中的极性组分高频率碰撞产生热量，从而达到低温干馏物料目的的过程。作为一种特殊的能量转化方式，微波干馏的过程中还有很多需要通过实验来印证的问题。比如一定功率的微波对物料的穿透能力或反应效率，比如不同类型反应器与微波发生器的匹配程度等。现阶段已经得到证实的是微波可以对煤、油页岩、半焦等其他含有极性分子的物料进行干馏，反应温度可以控制在500℃~600℃的低温干馏范畴。组建一套小型微波干馏试验装置，可以得到进一步的微波干馏反应数据。下文将对微波干馏小试试验装置的工艺流程进行阐述。

二、微波干馏试验装置的工艺流程

微波干馏试验装置由微波发生器、反应器、回收装置、监测系统组成。

1、微波发生器

微波发生器是微波干馏的能量输出源，它将一定功率的微波能定向输出至反应器中，微波作用在物料内部的极性分子上，使其碰撞摩擦产生热量，从而达到干馏反应温度。微波发生器的选用取决于物料反应所需的能量，下文中将详细说明。另外微波发射方向与反应器的形状也要高度匹配，避免由于金属反射造成大量能量消耗。

常见的微波发生器要配备负载装置，有干负载和水负载两种。其作用是将微波能转化为热能。微波干馏实验中油页岩是包含极性分子的物料，本身就是一种负载体，可以直接做微波能转化热能的研究。所以，我们在工艺流程中不设置单独的负载装置。

2、反应器

反应器与微波发生器紧密连接，目的是降低微波直线距离的损耗。反应器与微波发生器必须在材料与形状上高度匹配。材料用反射性强的全金属，保证微波不泄露，全部作用在反应器内。形状要保证在微波发射的直线方向的有效距离内没有反射和折射，为微波传输创造良好环境。

反应器内在微波传输方向的不同距离上设置温度监测。采集不同距离的物料反应温度数据。反应器一端设置产物出口，使干馏产物全部从该出口排出。反应器外壁做保温处理。减少能量损耗的同时，提高实验安全性。

3、回收系统

回收系统主要面对的是水蒸气、页岩油气、瓦斯、粉尘、其他高温气体。实验室可以选用水直冷的方式进行回收。产物与冷却水直接接触，降温的同时，水蒸气、页岩油气、粉尘被回收。瓦斯与其他气体在回收装置末端采样分析。此外，回收系统还配有气体流量监测、温度监测、重量监测。

通过对回收系统重量、温度变化的分析，判断物料反应的程度。结合对气体采样的分析，推断物料反应的类型。

4、数据与分析

主要数据分为原料分析，反应过程质量、温度、流量变化，产物分析三个部分。其中反应器内测温点对微波场的影响，应该列为研究对象之一。

三、微波干馏油页岩试验装置的功率计算

在工艺设计过程中选用微波发生装置，先要确定发生装置的功率范围。根据微波反应的特点，需要取得以下几个条件：

（1）反应物的比热C。千卡/公斤/℃；

（2）反应物的质量W。公斤/小时；

（3）反应物蒸发量W’。公斤/小时；

（4）蒸发液体的汽化潜热Q。千卡/公斤；

（5）反应物的温度变化值ΔT。℃；

（6）反应物的介电常数ε；

（7）反应物的介质损耗tgδ。

1、固相升温功率计算

微波干馏油页岩反应的核心是用微波能升高油页岩的温度，油页岩的主体是固相的页岩。那么加工油页岩固相升温所需的微波功率应该为：

式中：P为反应所耗微波功率，千瓦；

      ΔT为油页岩温度变化值，℃；

      C为油页岩的比热，千卡/公斤/℃；

      W为油页岩的质量，公斤；

      t为反应时间，小时。

2、液相蒸发功率计算

在微波干馏过程中，油页岩在反应初期是先进行蒸发干燥。其过程主要对象是油页岩中的含水。中后期页岩中的含油由液相转变为气相消耗的能量也需要单独计算，需消耗的功率为：

式中：P液为反应所耗微波功率，千瓦；

      ΔT为液相到气相的温度变化值，℃；

      C为液相的比热，千卡/公斤/℃；

      W为液相的质量，公斤/小时；

      Q为液相的蒸发潜热，千卡/公斤；

      W’为蒸发量，公斤/小时；

      t 为反应时间，小时。

3、电源总功率估算

以上两个公式可以描述理想状况下反应所需的微波功率，但实际反应中，微波会受到多种因素影响产生一定损耗。其中包括水负载吸收和反应器吸收。所以，应该考虑在设计反应器功率时增大其容量，如下式：

式中：P’为微波发生器功率容量，千瓦；

      P为功率计算值，千瓦；

      η为微波吸收率，估值50%~80%。

根据以上三个公式，结合油页岩低温干馏反应的特点，配以反应器、回收装置和监控系统可以设计出适用于一定量油页岩微波干馏实验的试验装置一台套。

四、结语

微波干馏技术与传统干馏技术的区别在于加热方式的不同。传统的干馏大多是通过气体热载体或固体热载体与物料换热的方式，微波干馏是微波能直接作用在物料的极性分子上，使其自身产生热。从原理上来看，微波干馏是更简单有效的新型干馏方式，但是微波干馏是以消耗电能来换取产物，在成本与经济性分析不完全之前不可能用于生产实际。

通过本设计，可以试验出一定输出功率下物料反应的极限，以此计算出成本。从而判断该技术投产的可能性。

参考文献

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作者简介：

姚拓（1984— ），男，汉族，辽宁清原人，华侨大学化学工程与工艺专业学士学位，辽宁石油化工大学化学工程专业硕士学位，煤化工高级工程师。工作期间主要从事化工工艺、油页岩炼油技术、固废利用技术研究。现任辽宁省亚太固体废弃物产业技术研究院运销部负责人。