Temperature profile within a microwave irradiated batch reactor

• Autorzy: Leonelli C. , Łojkowski W. , Veronesi P.

Warianty tytułu

PL

Rozkład temperatury w reaktorze mikrofalowym z ogrzewaniem mikrofalowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The finite element method has been used here to investigate the volumetric temperature distribution differences between conventional and microwave heating for a rotating batch reactor containing water-based solutions. It was shown that the temperature distribution is much narrower with microwave heating compared to conventional heating, leading to conditions favourable for process intensification, and uniform particle growth. This effect is particularly pronounced for the first 60 seconds of heating. Thus, some of the claimed „non-thermal” microwave effects could be explained considering the different temperature distribution in the reaction volume for the two types of reactors, i.e. they can be ascribed to purely thermal effects. The computer simulations included 3D modeling, coupling with fluid-dynamics, heat transfer, and electromagnetic analysis, with insertion of a large number of not perturbative “virtual” temperature probes in the reactors.

PL

Metoda elementów skończonych została wykorzystana do zbadania rozkładu temperatury w obracającym się pojemniku reakcyjnym napełnionym roztworem wodnym. Porównano rozkład temperatury przy nagrzewaniu konwencjonalnym i mikrofalowym. Pokazano, że rozrzut temperatury jest znacznie mniejszy dla ogrzewania mikrofalowego niż konwencjonalnego. Przyczynia się to do intensywności reakcji, jej selektywności i jednorodności w syntezie nanocząstek. Jest to szczególnie widoczne w ciągu pierwszych 60 sekund procesu. Zatem niektóre twierdzenia o „efekcie mikrofalowym” mogą być wyjaśnione różnicami w rozkładzie temperatury w obu typach reaktorów. Symulacje komputerowe obejmowały modelowanie 3D, sprzężenia z dynamiką płynów, przepływem ciepła i obliczeniem pola elektromagnetycznego. Wirtualne czujniki temperatury były rozmieszczone w reaktorze.

Słowa kluczowe

EN

microwave; modeling; temperature profile; nanoparticles; synthesis

PL

mikrofale; modelowanie; rozkład temperatury; nanocząstki; synteza

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego
• Czasopismo: Journal of Machine Construction and Maintenance - Problemy Eksploatacji
• Rocznik: 2018
• Tom: no. 3
• Strony: 33--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Leonelli C.

• MAG-Microwave Application Group at the Department of Engineering “Enzo Ferrari”, University of Modena and Reggio Emilia, Italy

autor

Łojkowski W.

• Institute of High Pressure Physics, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland

autor

Veronesi P.

• MAG-Microwave Application Group at the Department of Engineering “Enzo Ferrari”, University of Modena and Reggio Emilia, Italy

Bibliografia

• 1. Kappe C.O., Pieber B., Dallinger D.: Microwave effects in organic synthesis: Myth or reality? Angewandte Chemie, International Edition, 2013, 52, pp. 1088-1094.
• 2. Gawande M.B., Shelke S.N., Zboril R., Varma R.S.: Microwave-assisted chemistry: synthetic applications for rapid assembly of nanomaterials and organics. Accounts of Chemical Research, 2014, 47(4), pp. 1338-1348.
• 3. Herrero M.A., Kremsner J.M., Kappe C.O.: Nonthermal microwave effects revisited: On the importance of internal temperature monitoring and agitation in microwave chemistry. Journal of Organic Chemistry, 2008, 73(1), pp. 36-47.
• 4. Rizzuti A., Corradi A., Leonelli C., Rosa R., Pielaszek R., Lojkowski W.: Microwave technique applied to the hydrothermal synthesis and sintering of calcia stabilized zirconia nanoparticles. Journal of Nanoparticle Research, 2010, 12(1), pp. 327-335.
• 5. Stogryn A.: Equations for calculating the dielectric constant of saline water. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1971, 19(8), pp. 733-736.
• 6. Eves E.E., Yakovlev V.V.: Analysis of operational regimes of a high power water load. Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, 2002, 37(3), pp. 127-144.
• 7. Metaxas A.C.: Industrial Microwave Heating. London: Peter Peregrinus Ltd. - on Behalf of the Institution of Electrical Engineers, 1950.
• 8. Ondruschka B., Bonrath W., Stuerga D.: Development and design of laboratory and pilot scale reactors for microwave-assisted chemistry. In: Loupy A. (ed.): Microwaves in Organic Synthesis, 2nd edition. Weinheim (Germany): Wiley-VCH, 2006, pp. 62-107.
• 9. Schnabel W.: Sub-terahertz radiations including radiofrequency (RF) and microwave radiation. In: Schnabel W.: Polymers and electromagnetic radiation. Weinheim (Germany): Wiley-VCH, 2014, pp. 5-54.
• 10. Gharibeh M., Tompsett G., Lu F., Auerbach S.M., Yngvesson K.S., Conner W.C.: Temperature distribution within zeolite precursor solutions in the presence of microwave. The Journal of Physical Chemistry. B, 2009, 113(37), pp. 12506-12520.
• 11. Von Hippel A.: Dielectric Materials and their Applications. MA, USA: MIT Press, 1954.
• 12. Van Gerven T., Stankiewicz A.: Structure, Energy, Synergy, Time - The Fundamentals of Process Intensification. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48(5), pp. 2465-2474.
• 13. Caponetti E., Martino D.C., Saladino M.L., Leonelli C.: Preparation of Nd:YAG nanopowder in a confined environment. Langmuir, 2007, 23(7), pp. 3947-3952.
• 14. Corradi A.B., Bondioli F., Ferrari A.M., Focher B., Leonelli C.: Synthesis of silica nanoparticles in a continuous-flow microwave reactor. Powder Technology, 2006, 167(1), pp. 45-48.
• 15. Bondioli F., Leonelli C., Manfredini T., Ferrari A.M., Caracoche M.C, Rivas P.C., Rodríguez A.M.: Microwave-hydrothermal synthesis and hyperfine characterization of praseodymium-doped nanometric zirconia powders. Journal of the American Ceramic Society, 2005, 88(3), pp. 633-638.
• 16. Bondioli F., CorradiA. B., FerrariA.M., Leonelli C.: Synthesis of zirconia nanoparticles in a continuousflow microwave reactor. Journal of the American Ceramic Society, 2008, 91(11), pp. 3746-3748.
• 17. Strauss C.R., Rooney D.W.: Accounting for clean, fast and high yielding reactions under microwave conditions. Green Chemistry, 2010, 12(8), pp. 1340-1344.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).