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磷石膏介电性及其微波热分解模拟仿真研究

作　者: 唐霜露
导　师: 李建锡
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: 磷石膏 ANSYS 介电常数谐振腔数值模拟
分类号: TQ177.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

磷石膏是湿法生产磷酸过程中的副产物,每生产1吨的磷酸约排出5吨的磷石膏。据不完全统计,全世界每年共生产出磷石膏超过10亿吨,2007年中国每年排放的磷石膏多达5000万吨以上,而利用率不足10%。未经处理的磷石膏中含有大量的有害杂质,这些杂质能够渗入地下污染水资源,任意排放更会造成严重的环境污染。所以综合回收利用磷石膏已经成为磷肥化工业有待解决的一个重大问题。本课题组针对新型干法处理磷石膏的易结皮堵塞和回转窑容易结圈等缺点,结合微波碳热高效分解特性,提出了“微波还原法分解磷石膏制硫酸、发电联产水泥”新工艺。设计了利用微波还原分解炉和普通电阻炉结合的加热方法来煅烧磷石膏,取得了比较理想的升温速率。本文在40Hz-110MHz和50MHz～1GHz频率范围内,对磷石膏与无烟煤的不同配比的样品进行了介电常数测试。同时结合升温速率等综合分析发现在微波加热中磷石膏和无烟煤的最佳配比为20%；通过测试磷石膏还原分解反应中不同温度下产物的介电性能,结合硫酸钙介电性随温度变化的数据研究,得出了在微波加热环境下,物料升温速率显著增大的两个影响因素为：①磷石膏在600～800℃介电性能发生突变；②在600～800℃间介电常数较大与硫化钙的生成有关；由此提出了将预热炉与微波炉结合的新方法：本文还分析了压强和粘结剂PVA对实验数据的影响,并测试了样品的磁导率,为数值模拟提供了基础数据。利用有限元软件ANSYS模拟出了矩形谐振腔TElol和圆柱形谐振腔TMolo空腔内电磁场的分布,研究了实验微波炉和圆柱形谐振腔TM010在加入磷石膏等实验物料后的电磁场分布。同时,结合实验研究,利用淀粉测试出实际微波发生器内的电磁场分布,结果与模拟吻合。为了与实用微波炉工况更为接近,本文首次采用馈口微波谐振腔模型通过实验和理论计算,研究了加载介质(水及磷石膏)的电场强度和吸收功率,其内电磁场分布和谐振频率、品质因素、能量损耗等特性,其结果与模拟计算值较好吻合。研究表明,微波加热装置的工作特性可以用模拟仿真的方法进行研究,其结果吻合性较好。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-22
  1.1 论文的研究背景及目的  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-20
    1.2.1 磷石膏的主要成份和用途  10-11
    1.2.2 磷石膏制酸联产水泥工艺的原理及研究现状  11-20
      1.2.2.1 磷石膏制硫酸的理论研究状况  11-14
      1.2.2.2 磷石膏制硫酸的工程实施情况  14-16
      1.2.2.3 磷石膏制酸联产水泥工艺的原理  16-19
      1.2.2.4 微波碳热分解磷石膏新工艺  19-20
  1.3 作者的主要工作  20-22
第二章时变电磁场原理和微波加热简介  22-28
  2.1 时变电磁场理论基础  22-23
  2.2 微波加热  23-28
    2.2.1 微波加热原理与特点  23-26
    2.2.2 微波加热系统  26-28
第三章磷石膏电磁特性研究  28-44
  3.1 原料及实验设备  28-30
    3.1.1 实验主要原料  28-29
    3.1.2 实验主要设备  29-30
  3.2 实验方案及实验方法  30-32
    3.2.1 实验方案  30
    3.2.2 实验步骤  30
    3.2.3 实验方法  30-32
      3.2.3.1 升温速率的测定  31
      3.2.3.2 介电常数的测定  31-32
      3.2.3.3 磁导率的测定  32
  3.3 实验结果及分析  32-41
    3.3.1 升温速率的测定结果  32-35
    3.3.2 介电常数的测定结果  35-41
      3.3.2.1 实验原料介电常数测试  35-38
      3.3.2.2 确定最佳配比  38-39
      3.3.2.3 确定产物及其介电性  39-41
    3.3.3 磁导率的测定结果  41
  3.4 实验影响因素分析  41-44
第四章微波谐振腔的数值模拟与实验研究  44-70
  4.1 微波谐振腔原理  44-49
    4.1.1 谐振回路的基本性质  44-45
    4.1.2 矩形谐振腔  45-47
    4.1.3 圆柱形谐振腔  47-49
  4.2 高频电磁场数值模拟简介  49-52
  4.3 微波谐振腔的研究  52-60
    4.3.1 矩形金属谐振腔的电磁特性研究  52-58
      4.3.1.1 主模TE_(101)矩形谐振腔  52-53
      4.3.1.2 主模TE_(101)矩形谐振腔数值模拟  53-56
      4.3.1.3 实际微波炉的电磁谐振研究  56-58
    4.3.2 圆柱形金属谐振腔的电磁特性研究  58-60
      4.3.2.1 主模TM_(010)圆柱形谐振腔  58
      4.3.2.2 主模TM_(010)圆柱形谐振腔数值模拟  58-60
  4.4 微波加热物料的研究  60-70
    4.4.1 水加热模拟  60-65
    4.4.2 磷石膏加热模拟  65-70
第五章结论与展望  70-73
  5.1 本课题结论  70-71
    5.1.1 实验研究的结论  70
    5.1.2 时变电磁场数值研究的结论  70-71
  5.2 本文的主要创新点  71
  5.3 展望  71-73
致谢  73-74
参考文献  74-79
附录  79

磷石膏介电性及其微波热分解模拟仿真研究

内容摘要

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