吕志敏
(濮阳职业技术学院,河南 濮阳 457000)
随着物料自动化搅拌控制技术的不断发展,微波反应釜被广泛应用于食品、石油化工等多个行业中,不仅有效提高了生产效率,还节约了大量的人力物力,但随着技术的不断发展,对其物料搅拌均匀度以及效率的要求随之提高[1]。如何提高微波反应釜物料搅拌的均匀度及效率,成为当前该领域研究的热点[2]。
夏国标等[3]提出了基于颜基比和进料速度自适应控制的混合搅拌均衡控制方法,有效实现了均衡控制,但该方法进行双层搅拌结构微波反应釜的物料混合均匀控制的自适应性较差;杨文等[4]提出模糊反馈调节的基于双层搅拌结构微波反应釜分散混合控制方法,可提高物料搅拌效率,但该方法的模糊度较大,抗干扰性能较弱;徐璐等[5]提出采用多相流模型等和多重参考系方法,增加了搅拌桨层数,提高了工作效率,但该设计加大了微波反应釜内工作环境的复杂度,对其物料搅拌均匀度考虑甚少。
基于上述问题,试验拟提出基于模糊分散控制技术的双层搅拌结构微波反应釜的物料混合均匀控制方法,通过混合搅拌设备、混合搅拌介质、混合搅拌时间等,提高料物搅拌的混合均匀控制能力等,旨在提高微波反应釜物料搅拌的均匀度及效率。
微波反应釜由挡板、出气口、搅拌桨等部件构成(见图1)。微波反应釜的主密封口采用A型双线密封,其余密封点均采用圆弧面与平面、圆弧面与圆弧面的线接触密封形式,依靠接触面的高精度和光洁度,达到良好的密封效果[6]。微波反应釜的釜体外装有桶型碳化硅炉芯,电炉丝穿于炉芯中,其端头由炉壳侧下部穿出,通过接线螺柱、橡套电缆与控制器相连。微波反应釜装有压力表、爆破膜安全装置、汽液相阀、温度传感器等,便于随时了解釜内的反应情况,调节釜内的介质比例,并确保安全运行,联轴器主要由具有很强磁力的一对内外磁环组成,中间有承压的隔套等。搅拌时,上层搅拌桨和下层搅拌桨附近轴向和径向均产生比较明显的流动。该微波反应釜中设计比较突出的为搅拌桨、搅拌轴以及挡板3个重要部件[7]。
1. 挡板 2. 搅拌轴 3. 双层搅拌桨 4. 筒体 5. 进气口 6. 出气口 7. 静区域 8. 动区域 9. 球形封头 10. 气体分布器
图1 双层微波反应釜内部主要部件结构示意图
Figure 1 Structure of main components in double-layer microwave reactor
市场上出现的搅拌桨叶种类繁多,比较常见的有螺旋式四叶搅拌桨、螺旋桨式三叶片搅拌桨、涡轮式搅拌桨、溶解式搅拌桨、锚式搅拌桨等[8]。试验选择的是标准六直叶圆盘涡轮式搅拌桨(见图2)。该搅拌桨便于产生径向流,其转速较快(200 r/min)、剪切力较强,搅拌电机功率为250 W。
图2 标准六直叶圆盘涡轮式搅拌桨结构
搅拌桨在工作过程中与力的大小和流体的物理性质相关,故其搅拌桨功率为:
P=2τNτ,
(1)
τ=103LFg,
(2)
式中:
τ——扭矩,N·m;
Fg——受感器所受的力,N/kg;
L——铁杆顶部至槽中心的距离,m。
依据搅拌轴在机械中所处的环境,搅拌轴可选择防腐性能高、表面硬度高的耐磨材质,试验选择不锈钢材质,并对其表面进行镀铬处理,提高表面的强度和耐磨性能。
搅拌轴在工作过程中弯矩很小,所以用扭转强度来确定搅拌轴直径。
(3)
式中:
zτ——搅拌轴的可用扭转力,N/kg;
ξ——搅拌轴所受的扭矩,N·m;
ψτ——搅拌轴的抗扭截面系数,mm3。
在微波反应釜中,挡板能使反应釜搅拌得更加均匀。当微波反应釜没有挡板时,在启动之后物料会跟随搅拌轴的快速旋转产生离心力,导致搅拌轴中心位置的液面较低,而微波反应釜内壁周围液面位置较高,不利于微波反应釜搅拌均匀。为了避免这种现象的出现,设计微波反应釜时选择放置6片双层挡板,每层挡板之间为120°,上下两层之间设为60°,按照挡板与动区域之间的距离均相等放置。不仅可以提高搅拌混合的效率和均匀度,还可改变微波反应釜内的环境。微波反应釜的挡板设置示意图如图3所示。
图3 微波反应釜挡板设计示意图
(4)
(5)
设定双层搅拌结构微波反应釜的反渗透系数为v,v=(θ1,θ2,…,θn),在恒压运行工况下,得到微波反应釜的物料混合均衡反馈线性化调节系数为:
pi(t)=
(6)
随着微波反应釜循环运行中水温的升高,物料截留率升高,此时微波反应釜储水罐中有机物浓度控制模型为:
(7)
以通量衰减速率作为约束参量,构建微波反应釜反渗透膜控制模型,得通量衰减控制的反渗透膜运行模型[10],由微波反应釜的物料混合输入向量Y(i)可得机器人的刚性驱动特征量为:
(8)
(9)
以双层搅拌结构微波反应釜的混合搅拌时间与混合搅拌次数为关联特征量,采用模糊PID控制方法进行微波反应釜的物料双层搅拌结构自适应控制[11],得到反渗透组件抗膜的控制律:
(10)
(11)
根据上述分析,采用玻璃珠和氧化铝珠作为物料混合搅拌介质,进行双层搅拌的误差反馈调节。
在构建了双层搅拌结构微波反应釜混合均匀搅拌控制因素分析模型的基础上,进行微波反应釜的物料混合均匀控制的优化,基于模糊分散控制技术的双层搅拌结构微波反应釜的物料混合均匀控制方法[12],构建双层搅拌结构微波反应釜的混合均匀性搅拌可靠性调节参量集:
(12)
在反渗透组件约束下,得到微波反应釜的物料混合搅拌的膜通量衰减因素为:
PF=
{f(X)=[f1(X),f2(X),…,fr(X)]|X∈{X*}}。
(13)
采用玻璃珠和氧化铝珠作为物料混合的搅拌介质,进行双层搅拌的误差反馈调节和自适应控制,得到优化的双层搅拌结构微波反应釜的物料混合均匀控制律为:
(14)
在膜比通量衰减速率进化下,得到膜组件的抗渗透动态调节参量分布为CHi(i∈C1),进水隔网定向角度调整为45°,得物料混合均匀控制的优化控制函数表述为:
(15)
物料混合均匀控制的优化控制函数可进行双层搅拌结构微波反应釜的物料混合均匀调节,实现了双层搅拌结构微波反应釜的物料混合均匀控制。
由于搅拌轴、挡板等结构的存在,微波反应釜内流体存在较强的流线弯曲、漩涡和旋转的情况,故湍流模型选用带旋流修正的 Realizablek-ε模型[13],即:
(16)
(17)
式中:
Gk——由层流速度梯度而产生的湍流动能,J;
Gb——由浮力产生的湍流动能,J;
YM——过渡扩散产生的波动;
C2、C1ε——常量;
Sk、Sε——可根据具体需求用户自行进行定义。
在微波反应釜工作过程中,釜内的流动环境非常复杂,通过该模型来修正微波反应釜内的工作环境,处理搅拌桨叶、挡板、搅拌轴以及其他静止区域,可确保物料混合均匀控制。
为了验证试验方法的有效性,选择Microtrac S-3500激光粒度测试仪为试验设备,直径1.6,1.8~2.0,2.4~2.8 mm 的磁微粒为混合搅拌介质,进行双层搅拌结构微波反应釜的物料混合均衡性搅拌控制,混合搅拌30 min后分析物料的均匀性,双层搅拌结构微波反应釜中物料组成分布见表1。由表1可知,各直径的磁微粒介质进行双层搅拌混合控制后,反应釜中的物料组成均匀可控。
表1双层搅拌结构微波反应釜中的物料组成分布
Table1Compositionofmaterialsinmicrowavereactorwithdouble-layerstirringstructure mg/kg
样本区域盐磷钾A区14390150B区15660140C区436040D区13456140E区15654150
按表1的物料成分分布,以40 mil-40°和 40 mil-45°两种膜作为物料搅拌介质,进行双层搅拌结构微波反应釜混合均匀搅拌,测试在不同的玻璃珠、氧化铝珠和氧化锆珠作为搅拌微粒介质下的粒径大小分布如图4所示。由图4可知,采用玻璃珠和氧化铝珠混合作为物料搅拌介质进行双层搅拌,物料混合控制均匀性较好。
图4 微波反应釜物料混合搅拌控制的粒径分布
Figure 4 Particle size distribution of material mixing and stirring control in microwave reactor
采用玻璃珠和氧化铝珠作为物料混合的搅拌介质,进行双层搅拌的误差反馈调节和自适应控制,混合搅拌90 min,在直径小的微粒中,得到混合搅拌介质物料吸收指数分布、消耗指数分布以及生产效率指数分布如表2所示。由表2可知,通过微波反应釜的物料双层搅拌结构自适应调节,提高了物料混合搅拌的均匀性。
测试混合搅拌物料搅拌的养分平衡指数分布指标见表3。由表3可知,通过混合搅拌介质,提高了微波反应釜的物料养分平衡指标与平衡率。
表2 混合搅拌介质物料的分布指数
表3微波反应釜的物料搅拌平衡指标
Table3Nutrientbalance,balanceindexandbalancerateindexofmaterialagitationinmicrowavereactor
物料养分平衡/(kg·mol-1)平衡指数平衡率/%氮14.64.0134.6磷4.56.4-5.6钾134.665.7-41.8
分析物料混合的养分吸收量与搅拌控制的关系,得到微波反应釜的物料双层搅拌吸收增量分布如图5所示。由图5可知,采用试验方法进行双层搅拌结构微波反应釜的物料混合控制均匀性较好,物料混合均匀控制双层搅拌稳定性较好。
图5 微波反应釜的物料双层搅拌吸收增量分布
Figure 5 The increment distribution of material double-layer agitation absorption in microwave reactor
试验研究了相关因素下双层搅拌结构微波反应釜的物料混合均匀性控制方法,分析了控制约束模型、控制算法和双层搅拌结构微波反应釜的物料混合均匀性分析的试验材料、仪器和测试方法。结果表明,采用玻璃珠和氧化铝珠作为物料混合的搅拌介质,进行双层搅拌的误差反馈调节和自适应控制,可实现双层搅拌结构微波反应釜的物料混合均匀性能,提高物料混合均匀性。后续可研究适当增加双层搅拌结构微波反应釜的混合搅拌时间与混合搅拌次数,从而提升试验结果的准确性。