阅读说明：本技术 微波化学反应频率调配控制方法、中央处理装置及系统 (Microwave chemical reaction frequency allocation control method, central processing unit and system ) 是由 唐正明 洪涛 张桃 朱铧丞 黄卡玛 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种微波化学反应频率调配控制方法、中央处理装置及微波化学反应系统,方法包括：根据化学反应方程式、介电函数和反应参数得到计算模型；在微波频率范围内以预设频率步长进行多物理场计算,根据计算结果得到各反应时间段的优选频率集合；从第一个反应时间段的优选频率集合中选取出性能最优的目标频率并进行作用；对于其余反应时间段,获取上一反应时间段结束时的反射功率和温度,从与当前反应时间段的优选频率集合中获取与反射功率和温度匹配的匹配频率并作用于当前反应时间段。本申请公开的上述技术方案,通过从各优选频率集合中选取出对应频率进行作用来提高微波的促进作用,以提高化学反应的效率,并降低热点和热失控出现的几率。(The application discloses a microwave chemical reaction frequency allocation control method, a central processing unit and a microwave chemical reaction system, wherein the method comprises the following steps: obtaining a calculation model according to a chemical reaction equation, a dielectric function and reaction parameters; performing multi-physical field calculation within a microwave frequency range by using a preset frequency step length, and obtaining an optimal frequency set of each reaction time period according to a calculation result; selecting a target frequency with optimal performance from the optimal frequency set of the first reaction time period and acting; and for the rest of the reaction time periods, acquiring the reflected power and the temperature at the end of the last reaction time period, and acquiring a matching frequency matched with the reflected power and the temperature from the preferred frequency set of the current reaction time period and acting on the current reaction time period. According to the technical scheme disclosed by the application, the corresponding frequency is selected from each optimal frequency set to act so as to improve the promotion effect of the microwave, improve the efficiency of the chemical reaction and reduce the probability of hot spots and thermal runaway.)

微波化学反应频率调配控制方法、中央处理装置及系统

技术领域

本申请涉及微波化学技术领域，更具体地说，涉及一种微波化学反应频率调配控制方法、中央处理装置及微波化学反应系统。

背景技术

随着科技的快速发展，微波在化学的催化、合成、萃取、消解等领域得到了广泛应用，并由此形成了微波化学。

目前，现有的微波化学反应装置大多采用固定频率的微波对化学反应进行作用，其所形成的驻波分布也相对固定，但是，由于化学反应是随时间动态变化的，反应物和生成物的组分均会动态变化，则其对微波的吸收和反射作用也具有时变特性，因此，该固定频率的微波可能在起初有较好的促进作用，但随着反应的进行，其促进作用会降低，甚至会失去促进作用，而这则会导致化学反应的效率降低，另外，采用固定频率的微波进行作用还容易存在局部区域温度过高的问题和热失控的问题，而这不仅会对生成物的质量产生影响，甚至会导致燃烧或爆炸等安全隐患。

综上所述，如何提高化学反应的效率，并降低热点和热失控出现的几率，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的是提供一种微波化学反应频率调配控制方法、中央处理装置及微波化学反应系统，用于提高化学反应的效率，并降低热点和热失控出现的几率。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种微波化学反应频率调配控制方法，包括：

根据化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数建模得到微波促进所述化学反应体系的多物理场计算模型；

根据所述多物理场计算模型，在微波频率范围内以预设频率步长进行多物理场计算，并根据每个所述微波频率作用于所述化学反应体系的计算结果得到各反应时间段对应的优选频率集合；

从第一个反应时间段对应的优选频率集合中选取出促进性能最优的目标频率，并将所述目标频率作用于第一个反应时间段；

对于其余反应时间段，获取所述化学反应体系在当前反应时间段的上一反应时间段结束时的实测反射功率和实测温度，从与所述当前反应时间段对应的优选频率集合中获取与所述实测反射功率和所述实测温度相匹配的匹配频率，并将所述匹配频率作用于所述当前反应时间段。

优选的，在从第一个反应时间段对应的优选频率集合中选取出促进性能最优的的目标频率时，还包括：

从第一个反应时间段对应的优选频率集合中排除被当前生成物所吸收的能量最大的微波频率；

在从与当前反应时间段对应的优选频率集合中获取与所述反射功率和所述温度相匹配的匹配频率时，还包括：

从与所述当前反应时间段对应的优选频率集合中排除被当前生成物所吸收的能量最大的微波频率。

优选的，从与所述当前反应时间段对应的优选频率集合中获取与所述实测反射功率和所述实测温度相匹配的匹配频率，包括：

从预先建立的与当前反应时间段对应的优选频率集合中各微波频率与反射功率、温度之间的关系表中获取与所述实测反射功率和所述实测温度相匹配的匹配频率。

优选的，所述介电函数为关于时间、温度、浓度及微波频率的多参数函数。

优选的，在根据每个所述微波频率作用于所述化学反应体系的计算结果得到各反应时间段对应的优选频率集合之后，还包括：

在液晶显示屏上显示计算结束的提示。

优选的，在根据每个所述微波频率作用于所述化学反应体系各反应时间段的计算结果得到各反应时间段对应的优选频率集合之后，还包括：

对得到的优选频率集合进行存储。

一种中央处理装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序、化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的微波化学反应频率调配控制方法的步骤。

优选的，还包括：

输入组件，用于通过所述输入组件输入所述化学反应体系的化学反应方程式、所述介电函数和所述反应参数。

一种微波化学反应系统，包括上述所述的中央处理装置、频率调控装置、测量反馈装置、微波馈入装置、设置有所述微波馈入装置的反应装置腔体，其中：

所述频率调控装置，用于在所述中央处理装置的控制下，驱动所述微波馈入装置向各反应时间段馈入与各所述反应时间段相匹配的微波频率；

所述测量反馈装置，用于实时测量化学反应体系反射功率和温度，并发送至所述中央处理装置，由所述中央处理装置获取所述化学反应体系在当前反应时间段的上一反应时间段结束时的实测反射功率和实测温度。

本申请提供了一种微波化学反应频率调配控制方法、中央处理装置及微波化学反应系统，其中，该方法包括：根据化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数得到微波促进化学反应体系的多物理场计算模型；根据多物理场计算模型，在微波频率范围内以预设频率步长进行多物理场计算，并根据每个微波频率作用于化学反应体系的计算结果得到各反应时间段对应的优选频率集合；从第一个反应时间段对应的优选频率集合中选取出促进性能最优的目标频率，并将目标频率作用于第一个反应时间段；对于其余反应时间段，获取化学反应体系在当前反应时间段的上一反应时间段结束时的实测反射功率和实测温度，再从与当前反应时间段对应的优选频率集合中获取与实测反射功率和实测温度相匹配的匹配频率，并将匹配频率作用于当前反应时间段。

本申请公开的上述技术方案，根据多物理场计算模型得到在微波频率范围内所选出的每个微波频率作用于化学反应体系的计算结果，并根据该计算结果分析得到各反应时间段对应的优选频率集合。然后，从第一反应时间段对应的优选频率集合中挑选出促进性能最优的目标频率，并将该频率作用于第一反应时间段；对于其余反应时间段，则从对应的优选频率集合中获取与当前反应时间段的上一反应时间段结束实测反射功率和实测温度相匹配的匹配频率，并将该频率作用于当前反应时间段。该技术方案通过对优选频率集合的计算及从各优选频率集合中选取出与反应时间段匹配的频率来进行作用而提高各频率对化学反应促进作用的稳定和高效性，从而提高化学反应效率，而且变化的频率可以尽量避免出现局部区域温度过高的问题和热失控的问题，以提高化学反应的安全性，并提高产品的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种微波化学反应频率调配控制方法的流程图；

图2为固定频率下反应后反应溶液的核磁共振氢谱；

图3为本申请所提供方法作用下反应后反应溶液的核磁共振氢谱；

图4为本申请实施例提供的一种中央处理装置的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种微波化学反应频率控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1，其示出了本申请实施例提供的一种微波化学反应频率调配控制方法的流程图，本申请实施例提供的一种微波化学反应频率调配控制方法，可以包括：

S11：根据化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数建模得到微波促进化学反应体系的多物理场计算模型。

在进行微波化学反应频率控制时，可以通过输入组件(具体可以为键盘等)输入化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数，并根据所输出的化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数来进行建模而得到微波促进化学反应体系的多物理场计算模型，或者可以预先通过输入组件输入化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数并进行存储，之后，则可以根据预先存储的化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数来进行建模而得到微波促进化学反应体系的多物理场计算模型。

S12：根据多物理场计算模型，在微波频率范围内以预设频率步长进行多物理场计算，并根据每个微波频率作用于化学反应体系的计算结果得到各反应时间段对应的优选频率集合。

在得到多物理场计算模型之后，则可以在微波频率范围内按预设频率步长将对应的微波频率逐个带入到多物理场计算模型中进行多物理场计算(具体为进行电场、磁场、耗散功率、温度和化学反应动力学方程等计算)，以分别得到每个微波频率作用于化学反应体系的计算结果，其中，该计算结果包括生成物浓度、化学反应体系的温度、化学反应体系反射功率等物理量随时间的变化等多重信息。在计算结束之后，可以将整个化学反应时间(即多物理场计算模型中设定的化学反应时间)划分成多个反应时间段，以进行分析。

在得到每个微波频率作用于化学反应体系的计算结果之后，可以对每个微波频率作用于化学反应体系的第一反应时间段的计算结果进行对比，并将计算结果较优时的微波频率挑选出来构成优选频率集合，以便于提高微波频率对化学反应体系的促进作用，具体地，以计算结果包括生成物浓度、化学反应体系的温度、化学反应体系反射功率为例，此时，可以先按照生成物浓度由高到低的顺序对各微波频率进行排序，并选取出生成物浓度高于第一预设值的微波频率，然后，则可以对选取出的微波频率按照温度由低到高的顺序进行排序，并选取出温度低于第二预设值的微波频率，再在此基础上按照反应物的反射功率由高到低的顺序对选取出的微波频率进行排序，并选取出反应物的反射功率高于第三预设值的微波频率，之后，再按照生成物的反射功率由低到高的顺序对选取出微波频率进行排序，并选取出生成物的反射功率低于第四预设值的微波频率，以利用所选取出的微波频率构成优选频率集合。其余反应时间段的优选频率集合的确定方式与此类似，此处不再赘述。

S13：从第一个反应时间段对应的优选频率集合中选取出促进性能最优的目标频率，并将目标频率作用于第一个反应时间段。

在选取出每个反应时间段对应的优选频率集合之后，对于第一个反应时间段，可以从其对应的优选频率集合中选取出促进性能最优的目标频率，即从优选频率集合中选取出排在第一位的微波频率作为目标频率，并将所选取出的目标频率作用于第一个反应时间段，以提高微波频率对化学反应体系的第一反应段的促进作用，从而便于提高化学反应的反应效率。

S14：对于其余反应时间段，获取化学反应体系在当前反应时间段的上一反应时间段结束时的实测反射功率和实测温度，从与当前反应时间段对应的优选频率集合中获取与实测反射功率和实测温度相匹配的匹配频率，并将匹配频率作用于当前反应时间段。

当第一反应时间段结束之后，可以获取化学反应体系在第一反应时间段结束时的实测反射功率和实测温度，并将获取到的实测反射功率和实测温度与第二反应时间段所对应的优选频率集合相匹配，得到匹配频率，且将此时的匹配频率作用于第二反应时间段；当第二反应时间段结束之后，可以获取化学反应体系在第二反应时间段结束时的实测反射功率和实测温度，并将获取到的实测反射功率和实测温度与第三反应时间段对应的优选频率相匹配，且将此时的匹配频率作用于第三反应时间段……对于剩余的反应时间段，均进行上述类似的过程，直至所有的反应时间段均进行完为止。

通过适时获取化学反应体系的反射功率和温度，并与当前反应时间段所对应的优选频率集合相匹配，再由匹配频率作用化学反应体系，这种方式可以使得所选取出的微波频率更好地对化学反应体系起到促进的作用，达到提高化学反应效率的目的。另一方面，由于上述方式在工作过程中伴随频率的变化，而变化的频率可以降低热点问题和热失控问题所出现的几率，从而可以在提高化学反应效率的同时，避免出现燃烧或者爆炸的问题，保证化学反应体系进行反应的安全性。

本申请公开的上述技术方案，根据多物理场计算模型得到在微波频率范围内所选出的每个微波频率作用于化学反应体系的计算结果，并根据该计算结果分析得到各反应时间段对应的优选频率集合。然后，从第一反应时间段对应的优选频率集合中挑选出促进性能最优的目标频率，并将该频率作用于第一反应时间段；对于其余反应时间段，则从对应的优选频率集合中获取与当前反应时间段的上一反应时间段结束实测反射功率和实测温度相匹配的匹配频率，并将该频率作用于当前反应时间段。该技术方案通过对优选频率集合的计算及从各优选频率集合中选取出与反应时间段匹配的频率来进行作用而提高各频率对化学反应促进作用的稳定和高效性，从而提高化学反应效率，而且变化的频率可以尽量避免出现局部区域温度过高的问题和热失控的问题，以提高化学反应的安全性，并提高产品的质量。

本申请实施例提供的一种微波化学反应频率调配控制方法，在从第一个反应时间段对应的优选频率集合中选取出促进性能最优的目标频率时，还可以包括：

从第一个反应时间段对应的优选频率集合中排除被当前生成物所吸收的能量最大的微波频率；

在从与当前反应时间段对应的优选频率集合中获取与反射功率和温度相匹配的匹配频率时，还可以包括：

从与当前反应时间段对应的优选频率集合中排除被当前生成物所吸收的能量最大的微波频率。

在从第一个反应时间段对应的优选频率集合中选取出促进性能最优的目标频率时，可以从第一个反应时间段对应的优选频率集合中排除被当前生成物所吸收的能量最大的微波频率，以避免该微波频率被选中作为作用于第一个反应时间段的目标频率而被生成物大量吸收能量造成化学反应体系温度的升高。

另外，在从与当前反应时间段对应的优选频率集合中获取与反射功率和温度相匹配的匹配频率时，可以从与当前反应时间段对应的优选频率集合中排除被当前生成物所吸收的能量最大的微波频率，以避免这些微波频率被选中作为作用于其余反应时间段的匹配频率而其能量大量被生成物吸收，从而尽量避免化学反应体系温度的过快升高而产生大量的热量。

本申请实施例提供的一种微波化学反应频率调配控制方法，从与当前反应时间段对应的优选频率集合中获取与实测反射功率和实测温度相匹配的匹配频率，可以包括：

从预先建立的与当前反应时间段对应的优选频率集合中各微波频率与反射功率、温度之间的关系表中获取与实测反射功率和实测温度相匹配的匹配频率。

在从与所述反应时间段对应的优选频率集合中获取与实测反射功率和实测温度相匹配的匹配频率之前，可以预先为优选频率集合建立一个微波频率与反射功率、温度之间的关系表，并在进行匹配频率获取时，可以根据获取到的当前反应时间段的上一反应时间段结束时的实测反射功率和实测温度从预先建立的关系表匹配出最接近的微波频率作为匹配频率，以使得所获取的匹配频率可以更好地作用于化学反应体系，从而提高微波频率促进作用的稳定性，并尽量避免微波频率在作用过程中出现热点和热失控问题。

本申请实施例提供的一种微波化学反应频率调配控制方法，介电函数为关于时间、温度、浓度及微波频率的多参数函数。

在本申请中，参与多物理场计算模型建模的介电函数具体为关于时间、温度、浓度及微波频率的多参数函数，以考虑不同微波频率对化学反应体系的影响，从而提高多物理场计算的准确性，选取出更匹配的微波频率来作用于化学反应体系，以提高化学反应的效率和生成物质量。

本申请实施例提供的一种微波化学反应频率调配控制方法，在根据每个微波频率作用于化学反应体系的计算结果得到各反应时间段对应的优选频率集合之后，还可以包括：

在液晶显示屏上显示计算结束的提示。

在根据每个微波频率作用于化学反应体系的计算结果得到各反应时间段对应的优选频率集合之后，可以在液晶显示屏上显示出计算结束的提示，以便于工作人员可以及时获知这一提示，并便于工作人员可以根据提示及时地通过启动键启动化学反应体系的反应。

本申请实施例提供的一种微波化学反应频率调配控制方法，在根据每个微波频率作用于化学反应体系各反应时间段的计算结果得到各反应时间段对应的优选频率集合之后，还可以包括：

对得到的优选频率集合进行存储。

在根据每个微波频率作用于化学反应体系各反应时间段的计算结果得到各反应时间段对应的优选频率集合之后，可以对优选频率集合进行存储，以便于工作人员后续可以进行优选频率集合的查看，并便于后续获取到的反射功率和温度与优选频率进行比对匹配，从而得到匹配频率。

以甲醇和油酸在浓硫酸的催化作用下反应为研究对象，来对现有技术和本申请所提上述方案进行对比说明：甲醇和油酸在浓硫酸的催化作用下反应产生油酸油脂与水，实验用同量的甲醇、油酸以及浓硫酸在微波加热环境下进行反应，用28W的微波功率，在固定频率与所提方案两种不同条件下进行加热。30分钟后，取出反应试剂。样品1为固定频率下的反应试剂，样品2为采用所提方法作用下的反应试剂；

利用核磁共振仪对样品1与样品2的含量进行比较。

样品处理：取一毫升混合均匀的粗产品，加饱和碳酸氢钠溶液淬灭，用乙酸乙酯萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，过滤，旋干溶剂；

核磁配样：取五滴样品于pv管，加入两滴二溴甲烷作内标，加入0.5ml氘代氯仿，混合均匀后装入核磁管，做核磁共振氢谱，参见图2和图3，其中，图2为固定频率下反应后反应溶液的核磁共振氢谱，图3为本申请所提供方法作用下反应后反应溶液的核磁共振氢谱；

分析：二溴甲烷内标出峰位置在4.9左右，将此峰面积定为1，产物特征峰(甲基)出峰位置在3.7，积分面积表示相对含量(相对于内标)，由于加入的内标是相同的，粗产物的量是相同的，因此产物相对含量大小比较可以用产物特征峰相对含量进行比较，相对含量越大，粗产物中产物含量越大；其中，表1为样品1和样品2的特征峰积分面积表；

表1样品1和样品2的特征峰积分面积表

结果：样品平行比较而言，样品2(变频条件)中油酸甲酯的产量较多，较传统固定微波频率作用的产量增长率为9.7％。

本申请实施例还提供了一种中央处理装置，参见图4，其示出了本申请实施例提供的一种中央处理装置的结构示意图，可以包括：

存储器21，用于存储计算机程序、化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数；

处理器22，用于执行存储器21存储的计算机程序时可实现如下步骤：

根据化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数建模得到微波促进化学反应体系的多物理场计算模型；根据多物理场计算模型，在微波频率范围内以预设频率步长进行多物理场计算，并根据每个微波频率作用于化学反应体系的计算结果得到各反应时间段对应的优选频率集合；从第一个反应时间段对应的优选频率集合中选取出促进性能最优的目标频率，并将目标频率作用于第一个反应时间段；对于其余反应时间段，获取化学反应体系在当前反应时间段的上一反应时间段结束时的反射功率和温度，从与当前反应时间段对应的优选频率集合中获取与反射功率和温度相匹配的匹配频率，并将匹配频率作用于当前反应时间段。

在中央处理装置中，存储器不仅可以存储计算机程序，还可以存储所输入的化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数，以便于后续可以根据这些数据进行建模而得到微波促进所述化学反应体系的多物理场计算模型。

本申请实施例提供的一种中央处理装置，还可以包括：

输入组件，用于通过输入组件输入化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数。本申请所提供的中央处理装置还可以包括输入组件(具体可以为键盘等)，通过该输入组件可以输入化学反应体系的化学反应方程式、介电函数和反应参数等等，以便于对这些数据进行存储或便于根据这些数据直接进行建模而得到微波促进所述化学反应体系的多物理场计算模型。

本申请实施例还提供了一种微波化学反应系统，参见图5，其示出了本申请实施例提供的一种微波化学反应的结构示意图，可以包括上述所提及的中央处理装置31、频率调控装置32、测量反馈装置33、微波馈入装置34、设置有微波馈入装置34的反应装置腔体35，其中：

频率调控装置32，用于在中央处理装置31的控制下，驱动微波馈入装置34向各反应时间段馈入与各反应时间段相匹配的微波频率；

测量反馈装置33，用于实时测量化学反应体系的反射功率和温度，并发送至中央处理装置31，由中央处理装置31获取化学反应体系在当前反应时间段的上一反应时间段结束时的实测反射功率和实测温度。

在本申请所提供的微波化学反应频率控制系统中，中央处理装置31用于执行上述任一种微波化学反应频率调配控制方法的步骤；频率调控装置32与中央处理装置31及微波馈入装置34相连，其用于在中央处理装置31的控制下，驱动微波馈入装置34向各反应时间段馈入与各反应时间段相匹配的微波频率，从而在达到较传统固定方法更大幅度提高微波频率促进化学反应效率的同时，尽量避免热点和热失控问题产生的目的；测量反馈装置33与中央处理装置31及反应装置腔体35相连，其用于实时测量化学反应体系的反射功率和温度，并发送至中央处理装置31，由中央处理装置31获取化学反应体系在当前反应时间段的上一反应时间段结束时的反射功率和温度，并便于从与当前反时间段对应的优选频率集合中获取与所获取到的实测反射功率和实测温度相匹配的匹配频率。其中，反应装置腔体35用于接收微波频率馈入，并为化学反应体系提供反应场所。

本申请实施例提供的一种中央处理装置、微波化学反应系统中相关部分的说明具体可以参见本申请实施例提供的一种微波化学反应频率调配控制方法中对应部分的详细说明，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。