微波―酸化汽爆预处理反应器结构参数优化1

王海宝， 蔡纪宁， 张秋翔， 李双喜

（北京化工大学 机电工程学院，北京 100029）



微波―酸化汽爆预处理反应器结构参数优化1

王海宝， 蔡纪宁， 张秋翔， 李双喜

（北京化工大学 机电工程学院，北京 100029）

摘 要：综合木质纤维素微波预处理和酸化汽爆预处理的优点，提出了微波―酸化汽爆预处理方法及反应器。以提高微波吸收效率和电场均匀性为目标，利用HFSS电磁软件对反应器的主要结构参数进行优化。并用正交试验法在较优范围内进行优化，得出反应器的最优参数。通过样本分析对优化前后物料区域的电场进行均匀性比较。结果表明，优化后反应器的微波吸收效率达 90.5%，电场均匀性显著提高，可有效提高反应器的性能，为微波―酸化汽爆预处理反应器的研发和工业应用提供依据。

关键词：微波―酸化汽爆预处理；预处理；吸收效率；均匀性

木质纤维素的预处理问题一直是制约木糖和燃料乙醇生产的技术难题[1]。目前多用的酸化汽爆预处理方法具有节能、应用范围广、酶解效率高的优点[2]。实验室中采用微波对玉米秸秆进行预处理研究表明[3]，微波处理可以使植物纤维的孔径变大，物料的可及性大大提高，且具有热效率高、可去除部分木质素的特点。庞锋等[4]设计了蒸汽爆破―微波联合预处理设备，但设备中微波场的均匀性及吸收效率未经考虑。Poomyos Payakkawan等[5]设计出圆柱形微波反应中试系统对生物质物料进行碳化处理来制备木炭和木醋酸；Basak[6]分析了金属板和陶瓷材料对被热处理材料内部场分布和温度分布的影响；曹湘琪等[7]利用HFSS对圆柱形微波加热器模型进行单参数仿真优化，分析了馈口位置和负载对矩形微波加热器加热效率的影响。以上研究成果大多根据经验对微波设备粗略设计，较少从反应器各参数上对微波场进行优化，易造成微波分布不均匀[8-9]、吸收效率过低导致反射微波烧坏磁控管等情况。最终导致物料反应不均匀，影响预处理效果。本文根据微波加热的基本原理，结合预处理的目标和特点，将微波处理技术耦合到秸秆的酸化汽爆预处理过程中，并以提高微波吸收效率和电场均匀性为目标，对反应器中的主要结构参数进行优化，充分发挥各自的优势，提高酶解率。

目前合理高效的微波―酸化汽爆反应器的研发尚不成熟，研究方法可采用模拟的方法或通过试验研究来优化。然而，试验研究往往周期长且成本较高。本文利用HFSS电磁分析软件，可高效优化反应器电磁场，对反应器参数进行优化，为进一步试验研究和今后的工业应用提供有效的数据支持和精确性，以保证微波―稀酸爆破预处理时，微波能够均匀的促进物料中的反应并提高微波能的有效利用率。

1 微波―酸化汽爆预处理反应器及原理

用于微波―酸化汽爆预处理反应器的结构如图1所示。该设备包括最上边的磁控管（1）、传输微波的馈口（2）、馈口口下侧与反应器法兰（3）相连、反应器（6）内部是装载物料（4）的载料环（5）、最下边连接喷放气（7）。

在反应器中，利用高温高压稀酸蒸汽对纤维原料进行催化分解反应，并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化。磁控管将每秒24.5亿次左右周期变化的微波经馈口导入反应器中，使之与物料的极性分子相互作用。物料中的极性分子（如水分子）吸收微波能后，以同样的频率作电场极性运动。极性分子彼此间频繁碰撞，水分子在秸秆表面“钻孔”，打断了纤维素原料的超分子结构。二者联合作用，共同提高酶解率[10]。

图1 微波―酸化汽爆预处理反应器结构图

图2 微波―酸化汽爆预处理反应器模型图

2 反应器电磁场分析

2.1 反应器建模及求解

用电磁分析软件HFSS建立圆柱形反应器的几何模型，其中馈口、载料环均按实际尺寸建模。载料环为四氟材料，对微波损耗极少，且反应器刮料口对微波场影响较小，建模时予以忽略，如图2所示。所加负载为秸秆物料（相对介电常数ε’=2.5，损耗正切tanδ=0.018）[3]，馈口空腔为空气（默认参数）；主体内的空腔区域为水蒸气（ε’=1.007 85）。网格采用自适应方式进行划分。将两个馈口上表面分别设定为激励口wave port 1和wave port 2，反应器其他边界设定成stainless steel。

磁控管输入的电磁波功率各为500 W，设置求解频率为民用微波炉用频率2.45 GHz，最大迭代次数为20次，收敛误差为2.5%，进行求解计算得到反射功率随各参数的变化规律及电场分布云图[11]。负载对微波的吸收效率可以表示如式（1）所示[12]。

式中：η为有效吸收功率，%；S为回波损耗，S11或S22为由馈口1或2输入的能量反射出馈口1或2的损耗比例，%；S12为由馈口1输入的能量反射出馈口2的损耗比例，%。

2.2 反应器电场分布

按照图2中反应器的设计尺寸（θ=120º，L=50mm，H=200mm，R=70mm）对微波场进行分析。图3为物料区域电场分布云图，由图3可知，物料区域电场分布很不均匀，热点明显，在颜色明亮的地方，电场值较高，其他地方则相对较低，二者差值非常大，从而降低了反应器的性能。因此对反应器参数进行优化是非常必要的。

图3 物料区域电场分布云图

3 反应器各参数对吸收效率的影响

为了消除热点，增加电场均匀性，依次变化微波―酸化汽爆预处理反应器的四个结构参数：馈口夹角（80～180º防止馈口干涉的最小角度为80º）、馈口高度（30～80mm）、物料高度（160～280mm）和内主半径（10～90mm），分析四个变量的对微波吸收效率的影响。

3.1 馈口夹角的影响

由图4可知，反应器内物料的吸收效率在馈口夹角80～180º之间呈近似正弦波曲线小幅震荡，周期为45º，振幅大约为 7%。在馈口夹角θ=155º时，吸收效率达到最大值54.8%。这主要是因为反应器上表面均布着八个反射功率较高的位置（如图5所示），随着馈口夹角的变化，反射电磁波会周期性的先增大后减小。所以，应该使得馈口尽可能避开反射功率较高的位置。

图4 馈口夹角θ 对吸收效率的影响

图5 反应器上表面电场云图

3.2 馈口高度的影响

图6为馈口高度L对吸收效率的影响曲线，由图6可知，吸收效率在78%附近3%的小范围波动。因此，馈口高度对吸收效率的影响非常微小，属于次要因素，可在正交试验中予以忽略。考虑到加工及安装尺寸，选用L=50mm作为最优参数。

图6 馈口高度L对吸收效率的影响

图7 物料高度H 对吸收效率的影响

3.3 物料高度的影响

图7为物料高度H对吸收效率的影响曲线，由图7可知。双馈口反应器物料高度在160～280mm的范围内，随物料高度的增大，吸收效率呈增大趋势，当H=270mm时，吸收效率得最大值87.4%。这是因为电磁波在空腔中产生的热点沿高度方向间距均匀，当H增多时，会增加微波的吸收量，则会增大吸收效率。并且由于双馈口微波产生电场的分布复杂性高，不宜导致微波被物料阻挡而反射出去。最后，物料高度的推荐范围：265mm≤H≤275mm。

3.4 内筒半径的影响

图8为内主直径R对吸收效率的影响曲线，由图8可知，随内主半径的增大，吸收效率先增大后减小，并在内主半径为60mm时，吸收效率取得最大值93.6%。当内主半径超过75mm后，吸收效率快速下降至70%附近。主要是因为当内主半径在45～60mm的范围内，随着内主半径变大，内主表面积增大，微波吸收量增多，导致微波吸收效率逐渐增大。但是当内主半径超过60mm之后，微波的穿透深度大于物料环的厚度，吸收的微波也逐渐变少，造成大量的微波反射出馈口。馈口半径的推荐范围：55mm≤R≤65mm。

图8 内筒直径R对吸收效率的影响

最终，根据单参数分析得到微波―酸化汽爆预处理反应器的结构参数的初步值。为了进一步分析精确值，忽略次要因素馈口高度的影响，分别在三个参数的初步值附近取一定范围，进行正交试验分析，范围如表1所示。

表1 微波―酸化汽爆预处理反应器的结构参数

4 基于正交试验的多参数结构优化

采用正交试验设计方法[13]，进行有限元分析。根据图的模型结构，以参数θ、H和R作为变量因素。为了方便叙述，利用字母A～C来代表上述3个变量因素。根据表1中结构参数范围，应用正交试验设计方法进行正交试验表头设计，可选取正交表L9（34）。正交试验的各因素的水平值如表2所示。

表2 试验因素及其代号

为简化叙述，以下论述中A因素的第一个水平计为A1，其他因素及水平类似。根据正交表L9（34）对9组结构参数进行优化，如表3所示。

表3 正交试验结果

5 结果分析

5.1 直观分析

运用直观分析法计算每个因素的不同水平对应的平均性能参数。通过对因素A的第1个水平的数据处理，来说明正交试验直观分析的计算过程。由表3可知，A因素的第1个水平，即A1对试验性能参数（吸收效率）的影响反映在第1、2、3号方案中。A因素的第1个水平对应的总吸收效率之和如式（2）所示。

所以，A因素的第1个水平对应的平均吸收效率如式（3）所示。

A因素的其余水平，以及因素B、C的各个水平的平均性能参数（吸收效率）依照上面的例子进行计算。根据计算结果，比较各因素不同水平下的平均性能参数，得出各因素的优水平；各因素优水平的组合为试验的优组合；此外，比较各因素的极差，得出各因素对性能参数影响的主次顺序。结果如表4所示。

表4 正交试验结果计算

显然，对吸收效率影响最大的是内主半径，其次是物料高度，最后是馈口夹角。各参数相应的最优值分别为θ=160º、 H=275mm、R=55mm。

5.2 最优水平组合试验

最优组合A3B3C1是正交试验中最优试验组合，经计算该参数下的反应器的吸收效率η为91.4%。

5.3 反应器电场优化前后均匀性分析

以反应器底部中心为坐标原点，选取如图所示的四个平面Z=125、175、225及275mm，并分别在面中直径为170mm的圆周上均匀的提取16个点的电场值，如图9和图10所示。为了方便叙述，利用编号面1～4来代表上述4个平面。

图9 反应器内四个平面的分布图

图10 反应器内选取点的位置

5.3.1 配对样本t检验

为了检验优化后反应器内电场的均匀性的提高是否显著，利用 SPSS[14]统计软件对优化前后反应器四个平面提取出来的4组独立样本（见表5-样本描述统计）进行配对样本t检验分析，如表6所示。

表5 样本描述统计

表6 配对样本t检验

检验分析结果表明，在置信水平1%的显著性水平下，P小于0.01，表明优化前后样本具有显著性差异，且优化后样本方差远小于优化前。

5.3.2 电场值波动性分析

将优化前后四个平面上提取的电场值做成如图11～14的波动图。

图11 面1优化前后电场值对比

图12 面2优化前后电场值对比

图13 面3优化前后电场值对比

图14 面4优化前后电场值对比

由以上波动图可知，优化后电场值波动大幅降低，电场幅值明显增大，微波有效利用率显著提高，电场均匀性得到了大幅提高。

6 结论

1）反应器各参数中对吸收效率影响依次是内主半径、物料高度、馈口夹角及馈口高度。2）馈口夹角在80～180º之间时，反应器内物料的吸收效率呈近似正弦波曲线小幅震荡，周期为45º，振幅大约为7%。在馈口夹角θ=155º时，吸收效率达到最大值54.8%。3）随着馈口高度的增大，吸收效率变化幅度小于3%，故可以在满足设备安装要求的前提下，尽可能减小馈口高度。4）物料高度对吸收效率的影响波动很大，所以在其他因素确定的情况下，应该对物料高度进行试算，以确定最佳高度。5）在内主半径的变化过程中，可以看出物料的表面积增大可以提高吸收效率。

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[14] 杨丹. SPSS宝典[M] . 第2版. 电子工业, 2013.

中图分类号：TS732

文献标识码：A

文章编号：1004-8405(2016)02-0014-08

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.02.11

收稿日期：2016-01-14

基金项目：国家863课题“木质纤维素高效酶解、糖化分离技术与综合利用系统集成技术”（2012AA022303）。

作者简介：王海宝（1990~），男，在读硕士，研究方向：木质纤维素制燃料乙醇成套设备研究。haibao1122334@163.com

* 通讯作者：李双喜（1977~），副教授，研究方向：化工过程装备和木质纤维素预处理技术等。buctlsx@126.com

Structure Parameters’ Optimization of Microwave and Dilute Acid Steam Explosion Pretreatment Reactor

WANG Hai-bao, CAI Ji-ning, ZHANG Qiu-xiang, LI Shuang-xi
（College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China）

Abstract:Based on the advantages of microwave pretreatment and dilute acid steam explosion pretreatment, microwave and dilute acid steam explosion pretreatment methods and reactors were proposed. To improve the microwave absorption efficiency and uniformity of the electric field, HFSS electromagnetic software was used to optimize the mean reactor’s structure parameters. And by orthogonal test, the optimal reactor’s parameters were obtained from the relatively optimal range. Through analysis of samples, the uniformity of electric field before and after the optimization of material region was compared. Consequently, the reactor’s microwave absorption efficiency after being optimized reached 97.4%, the uniformity of the electric field was improved significantly and the reactor’s performer could be improved remarkably. Besides, it could be the basis of the research and industrial applications of microwave-dilute acid steam explosion pretreatment reactors.

Key words:microwave-dilute acid steam explosion pretreatment; pretreatment reactor; absorption efficiency; uniformity of the electric field