王海寶， 蔡紀(jì)寧， 張秋翔， 李雙喜

（北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

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微波―酸化汽爆預(yù)處理反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化1

王海寶， 蔡紀(jì)寧， 張秋翔， 李雙喜

（北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

摘 要：綜合木質(zhì)纖維素微波預(yù)處理和酸化汽爆預(yù)處理的優(yōu)點(diǎn)，提出了微波―酸化汽爆預(yù)處理方法及反應(yīng)器。以提高微波吸收效率和電場(chǎng)均勻性為目標(biāo)，利用HFSS電磁軟件對(duì)反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。并用正交試驗(yàn)法在較優(yōu)范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化，得出反應(yīng)器的最優(yōu)參數(shù)。通過(guò)樣本分析對(duì)優(yōu)化前后物料區(qū)域的電場(chǎng)進(jìn)行均勻性比較。結(jié)果表明，優(yōu)化后反應(yīng)器的微波吸收效率達(dá) 90.5%，電場(chǎng)均勻性顯著提高，可有效提高反應(yīng)器的性能，為微波―酸化汽爆預(yù)處理反應(yīng)器的研發(fā)和工業(yè)應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微波―酸化汽爆預(yù)處理；預(yù)處理；吸收效率；均勻性

木質(zhì)纖維素的預(yù)處理問(wèn)題一直是制約木糖和燃料乙醇生產(chǎn)的技術(shù)難題[1]。目前多用的酸化汽爆預(yù)處理方法具有節(jié)能、應(yīng)用范圍廣、酶解效率高的優(yōu)點(diǎn)[2]。實(shí)驗(yàn)室中采用微波對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理研究表明[3]，微波處理可以使植物纖維的孔徑變大，物料的可及性大大提高，且具有熱效率高、可去除部分木質(zhì)素的特點(diǎn)。龐鋒等[4]設(shè)計(jì)了蒸汽爆破―微波聯(lián)合預(yù)處理設(shè)備，但設(shè)備中微波場(chǎng)的均勻性及吸收效率未經(jīng)考慮。Poomyos Payakkawan等[5]設(shè)計(jì)出圓柱形微波反應(yīng)中試系統(tǒng)對(duì)生物質(zhì)物料進(jìn)行碳化處理來(lái)制備木炭和木醋酸；Basak[6]分析了金屬板和陶瓷材料對(duì)被熱處理材料內(nèi)部場(chǎng)分布和溫度分布的影響；曹湘琪等[7]利用HFSS對(duì)圓柱形微波加熱器模型進(jìn)行單參數(shù)仿真優(yōu)化，分析了饋口位置和負(fù)載對(duì)矩形微波加熱器加熱效率的影響。以上研究成果大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)微波設(shè)備粗略設(shè)計(jì)，較少?gòu)姆磻?yīng)器各參數(shù)上對(duì)微波場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，易造成微波分布不均勻[8-9]、吸收效率過(guò)低導(dǎo)致反射微波燒壞磁控管等情況。最終導(dǎo)致物料反應(yīng)不均勻，影響預(yù)處理效果。本文根據(jù)微波加熱的基本原理，結(jié)合預(yù)處理的目標(biāo)和特點(diǎn)，將微波處理技術(shù)耦合到秸稈的酸化汽爆預(yù)處理過(guò)程中，并以提高微波吸收效率和電場(chǎng)均勻性為目標(biāo)，對(duì)反應(yīng)器中的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提高酶解率。

目前合理高效的微波―酸化汽爆反應(yīng)器的研發(fā)尚不成熟，研究方法可采用模擬的方法或通過(guò)試驗(yàn)研究來(lái)優(yōu)化。然而，試驗(yàn)研究往往周期長(zhǎng)且成本較高。本文利用HFSS電磁分析軟件，可高效優(yōu)化反應(yīng)器電磁場(chǎng)，對(duì)反應(yīng)器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為進(jìn)一步試驗(yàn)研究和今后的工業(yè)應(yīng)用提供有效的數(shù)據(jù)支持和精確性，以保證微波―稀酸爆破預(yù)處理時(shí)，微波能夠均勻的促進(jìn)物料中的反應(yīng)并提高微波能的有效利用率。

1 微波―酸化汽爆預(yù)處理反應(yīng)器及原理

用于微波―酸化汽爆預(yù)處理反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該設(shè)備包括最上邊的磁控管（1）、傳輸微波的饋口（2）、饋口口下側(cè)與反應(yīng)器法蘭（3）相連、反應(yīng)器（6）內(nèi)部是裝載物料（4）的載料環(huán)（5）、最下邊連接噴放氣（7）。

在反應(yīng)器中，利用高溫高壓稀酸蒸汽對(duì)纖維原料進(jìn)行催化分解反應(yīng)，并通過(guò)瞬間泄壓過(guò)程實(shí)現(xiàn)原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化。磁控管將每秒24.5億次左右周期變化的微波經(jīng)饋口導(dǎo)入反應(yīng)器中，使之與物料的極性分子相互作用。物料中的極性分子（如水分子）吸收微波能后，以同樣的頻率作電場(chǎng)極性運(yùn)動(dòng)。極性分子彼此間頻繁碰撞，水分子在秸稈表面“鉆孔”，打斷了纖維素原料的超分子結(jié)構(gòu)。二者聯(lián)合作用，共同提高酶解率[10]。

圖1 微波―酸化汽爆預(yù)處理反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

圖2 微波―酸化汽爆預(yù)處理反應(yīng)器模型圖

2 反應(yīng)器電磁場(chǎng)分析

2.1 反應(yīng)器建模及求解

用電磁分析軟件HFSS建立圓柱形反應(yīng)器的幾何模型，其中饋口、載料環(huán)均按實(shí)際尺寸建模。載料環(huán)為四氟材料，對(duì)微波損耗極少，且反應(yīng)器刮料口對(duì)微波場(chǎng)影響較小，建模時(shí)予以忽略，如圖2所示。所加負(fù)載為秸稈物料（相對(duì)介電常數(shù)ε’=2.5，損耗正切tanδ=0.018）[3]，饋口空腔為空氣（默認(rèn)參數(shù)）；主體內(nèi)的空腔區(qū)域?yàn)樗魵猓é拧?1.007 85）。網(wǎng)格采用自適應(yīng)方式進(jìn)行劃分。將兩個(gè)饋口上表面分別設(shè)定為激勵(lì)口wave port 1和wave port 2，反應(yīng)器其他邊界設(shè)定成stainless steel。

磁控管輸入的電磁波功率各為500 W，設(shè)置求解頻率為民用微波爐用頻率2.45 GHz，最大迭代次數(shù)為20次，收斂誤差為2.5%，進(jìn)行求解計(jì)算得到反射功率隨各參數(shù)的變化規(guī)律及電場(chǎng)分布云圖[11]。負(fù)載對(duì)微波的吸收效率可以表示如式（1）所示[12]。

式中：η為有效吸收功率，%；S為回波損耗，S11或S22為由饋口1或2輸入的能量反射出饋口1或2的損耗比例，%；S12為由饋口1輸入的能量反射出饋口2的損耗比例，%。

2.2 反應(yīng)器電場(chǎng)分布

按照?qǐng)D2中反應(yīng)器的設(shè)計(jì)尺寸（θ=120o，L=50mm，H=200mm，R=70mm）對(duì)微波場(chǎng)進(jìn)行分析。圖3為物料區(qū)域電場(chǎng)分布云圖，由圖3可知，物料區(qū)域電場(chǎng)分布很不均勻，熱點(diǎn)明顯，在顏色明亮的地方，電場(chǎng)值較高，其他地方則相對(duì)較低，二者差值非常大，從而降低了反應(yīng)器的性能。因此對(duì)反應(yīng)器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是非常必要的。

圖3 物料區(qū)域電場(chǎng)分布云圖

3 反應(yīng)器各參數(shù)對(duì)吸收效率的影響

為了消除熱點(diǎn)，增加電場(chǎng)均勻性，依次變化微波―酸化汽爆預(yù)處理反應(yīng)器的四個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)：饋口夾角（80～180o防止饋口干涉的最小角度為80o）、饋口高度（30～80mm）、物料高度（160～280mm）和內(nèi)主半徑（10～90mm），分析四個(gè)變量的對(duì)微波吸收效率的影響。

3.1 饋口夾角的影響

由圖4可知，反應(yīng)器內(nèi)物料的吸收效率在饋口夾角80～180o之間呈近似正弦波曲線小幅震蕩，周期為45o，振幅大約為 7%。在饋口夾角θ=155o時(shí)，吸收效率達(dá)到最大值54.8%。這主要是因?yàn)榉磻?yīng)器上表面均布著八個(gè)反射功率較高的位置（如圖5所示），隨著饋口夾角的變化，反射電磁波會(huì)周期性的先增大后減小。所以，應(yīng)該使得饋口盡可能避開反射功率較高的位置。

圖4 饋口夾角θ 對(duì)吸收效率的影響

圖5 反應(yīng)器上表面電場(chǎng)云圖

3.2 饋口高度的影響

圖6為饋口高度L對(duì)吸收效率的影響曲線，由圖6可知，吸收效率在78%附近3%的小范圍波動(dòng)。因此，饋口高度對(duì)吸收效率的影響非常微小，屬于次要因素，可在正交試驗(yàn)中予以忽略?？紤]到加工及安裝尺寸，選用L=50mm作為最優(yōu)參數(shù)。

圖6 饋口高度L對(duì)吸收效率的影響

圖7 物料高度H 對(duì)吸收效率的影響

3.3 物料高度的影響

圖7為物料高度H對(duì)吸收效率的影響曲線，由圖7可知。雙饋口反應(yīng)器物料高度在160～280mm的范圍內(nèi)，隨物料高度的增大，吸收效率呈增大趨勢(shì)，當(dāng)H=270mm時(shí)，吸收效率得最大值87.4%。這是因?yàn)殡姶挪ㄔ诳涨恢挟a(chǎn)生的熱點(diǎn)沿高度方向間距均勻，當(dāng)H增多時(shí)，會(huì)增加微波的吸收量，則會(huì)增大吸收效率。并且由于雙饋口微波產(chǎn)生電場(chǎng)的分布復(fù)雜性高，不宜導(dǎo)致微波被物料阻擋而反射出去。最后，物料高度的推薦范圍：265mm≤H≤275mm。

3.4 內(nèi)筒半徑的影響

圖8為內(nèi)主直徑R對(duì)吸收效率的影響曲線，由圖8可知，隨內(nèi)主半徑的增大，吸收效率先增大后減小，并在內(nèi)主半徑為60mm時(shí)，吸收效率取得最大值93.6%。當(dāng)內(nèi)主半徑超過(guò)75mm后，吸收效率快速下降至70%附近。主要是因?yàn)楫?dāng)內(nèi)主半徑在45～60mm的范圍內(nèi)，隨著內(nèi)主半徑變大，內(nèi)主表面積增大，微波吸收量增多，導(dǎo)致微波吸收效率逐漸增大。但是當(dāng)內(nèi)主半徑超過(guò)60mm之后，微波的穿透深度大于物料環(huán)的厚度，吸收的微波也逐漸變少，造成大量的微波反射出饋口。饋口半徑的推薦范圍：55mm≤R≤65mm。

圖8 內(nèi)筒直徑R對(duì)吸收效率的影響

最終，根據(jù)單參數(shù)分析得到微波―酸化汽爆預(yù)處理反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步值。為了進(jìn)一步分析精確值，忽略次要因素饋口高度的影響，分別在三個(gè)參數(shù)的初步值附近取一定范圍，進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，范圍如表1所示。

表1 微波―酸化汽爆預(yù)處理反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 基于正交試驗(yàn)的多參數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[13]，進(jìn)行有限元分析。根據(jù)圖的模型結(jié)構(gòu)，以參數(shù)θ、H和R作為變量因素。為了方便敘述，利用字母A～C來(lái)代表上述3個(gè)變量因素。根據(jù)表1中結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍，應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行正交試驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)，可選取正交表L9（34）。正交試驗(yàn)的各因素的水平值如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素及其代號(hào)

為簡(jiǎn)化敘述，以下論述中A因素的第一個(gè)水平計(jì)為A1，其他因素及水平類似。根據(jù)正交表L9（34）對(duì)9組結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)果分析

5.1 直觀分析

運(yùn)用直觀分析法計(jì)算每個(gè)因素的不同水平對(duì)應(yīng)的平均性能參數(shù)。通過(guò)對(duì)因素A的第1個(gè)水平的數(shù)據(jù)處理，來(lái)說(shuō)明正交試驗(yàn)直觀分析的計(jì)算過(guò)程。由表3可知，A因素的第1個(gè)水平，即A1對(duì)試驗(yàn)性能參數(shù)（吸收效率）的影響反映在第1、2、3號(hào)方案中。A因素的第1個(gè)水平對(duì)應(yīng)的總吸收效率之和如式（2）所示。

所以，A因素的第1個(gè)水平對(duì)應(yīng)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的各個(gè)水平的平均性能參數(shù)（吸收效率）依照上面的例子進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，比較各因素不同水平下的平均性能參數(shù)，得出各因素的優(yōu)水平；各因素優(yōu)水平的組合為試驗(yàn)的優(yōu)組合；此外，比較各因素的極差，得出各因素對(duì)性能參數(shù)影響的主次順序。結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

顯然，對(duì)吸收效率影響最大的是內(nèi)主半徑，其次是物料高度，最后是饋口夾角。各參數(shù)相應(yīng)的最優(yōu)值分別為θ=160o、 H=275mm、R=55mm。

5.2 最優(yōu)水平組合試驗(yàn)

最優(yōu)組合A3B3C1是正交試驗(yàn)中最優(yōu)試驗(yàn)組合，經(jīng)計(jì)算該參數(shù)下的反應(yīng)器的吸收效率η為91.4%。

5.3 反應(yīng)器電場(chǎng)優(yōu)化前后均勻性分析

以反應(yīng)器底部中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，選取如圖所示的四個(gè)平面Z=125、175、225及275mm，并分別在面中直徑為170mm的圓周上均勻的提取16個(gè)點(diǎn)的電場(chǎng)值，如圖9和圖10所示。為了方便敘述，利用編號(hào)面1～4來(lái)代表上述4個(gè)平面。

圖9 反應(yīng)器內(nèi)四個(gè)平面的分布圖

圖10 反應(yīng)器內(nèi)選取點(diǎn)的位置

5.3.1 配對(duì)樣本t檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)優(yōu)化后反應(yīng)器內(nèi)電場(chǎng)的均勻性的提高是否顯著，利用 SPSS[14]統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)優(yōu)化前后反應(yīng)器四個(gè)平面提取出來(lái)的4組獨(dú)立樣本（見表5-樣本描述統(tǒng)計(jì)）進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析，如表6所示。

表5 樣本描述統(tǒng)計(jì)

表6 配對(duì)樣本t檢驗(yàn)

檢驗(yàn)分析結(jié)果表明，在置信水平1%的顯著性水平下，P小于0.01，表明優(yōu)化前后樣本具有顯著性差異，且優(yōu)化后樣本方差遠(yuǎn)小于優(yōu)化前。

5.3.2 電場(chǎng)值波動(dòng)性分析

將優(yōu)化前后四個(gè)平面上提取的電場(chǎng)值做成如圖11～14的波動(dòng)圖。

圖11 面1優(yōu)化前后電場(chǎng)值對(duì)比

圖12 面2優(yōu)化前后電場(chǎng)值對(duì)比

圖13 面3優(yōu)化前后電場(chǎng)值對(duì)比

圖14 面4優(yōu)化前后電場(chǎng)值對(duì)比

由以上波動(dòng)圖可知，優(yōu)化后電場(chǎng)值波動(dòng)大幅降低，電場(chǎng)幅值明顯增大，微波有效利用率顯著提高，電場(chǎng)均勻性得到了大幅提高。

6 結(jié)論

1）反應(yīng)器各參數(shù)中對(duì)吸收效率影響依次是內(nèi)主半徑、物料高度、饋口夾角及饋口高度。2）饋口夾角在80～180o之間時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)物料的吸收效率呈近似正弦波曲線小幅震蕩，周期為45o，振幅大約為7%。在饋口夾角θ=155o時(shí)，吸收效率達(dá)到最大值54.8%。3）隨著饋口高度的增大，吸收效率變化幅度小于3%，故可以在滿足設(shè)備安裝要求的前提下，盡可能減小饋口高度。4）物料高度對(duì)吸收效率的影響波動(dòng)很大，所以在其他因素確定的情況下，應(yīng)該對(duì)物料高度進(jìn)行試算，以確定最佳高度。5）在內(nèi)主半徑的變化過(guò)程中，可以看出物料的表面積增大可以提高吸收效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王曉娟, 王斌, 馮浩, 等. 木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)制備生物乙醇研究進(jìn)展[J]. 石油與天然氣化工, 2007, 36(6): 452-461.

[2] 黃秋婷, 張鵬, 張淑榮, 等. 張桿擠壓連續(xù)汽爆玉米秸稈的稀酸水解效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(7): 190-194.

[3] 潘曉輝. 微波預(yù)處理玉米秸稈的工藝研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2007.

[4] 龐鋒. 蒸汽爆破―微波輻射聯(lián)合預(yù)處理玉米秸稈的研究[D]. 天津大學(xué), 2012.

[5] Payakkawan P, Areejit S, Sooraksa P. Design, fabrication and operation of continuous microwave biomass carbonization system[J]. Renewable Energy, 2014, 66(3): 49-55.

[6] Basak T. Role of metallic, ceramic and composite plates on microwave processing of composite dielectric materials[J]. Mater Sci Eng A, 2007(457): 261-263

[7] 曹湘琪, 姚斌, 鄭勤紅, 等. 圓柱形微波加熱器的建模與仿真優(yōu)化[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2014(03): 25-27.

[8] 王飛. 基于HFSS仿真技術(shù)制取焦糖色素的微波爐優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 華南理工大學(xué), 2010.

[9] 劉同贊. 微波爐加熱均勻度研究[D]. 廈門大學(xué), 2011.

[10] 仝明, 姚春才. 微波輔助預(yù)處理對(duì)玉米秸稈酶解的影響[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2009, 33(4): 91-95.

[11] 李明洋. HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)從入門到精通[M]. 人民郵電出版社, 2013.

[12] 曹湘琪, 姚斌, 鄭勤紅, 等. 圓柱形微波加熱器加熱效率及均勻度仿真分析[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2015(06): 29-31.

[13] 云雁. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

[14] 楊丹. SPSS寶典[M] . 第2版. 電子工業(yè), 2013.

中圖分類號(hào)：TS732

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-8405(2016)02-0014-08

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.02.11

收稿日期：2016-01-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家863課題“木質(zhì)纖維素高效酶解、糖化分離技術(shù)與綜合利用系統(tǒng)集成技術(shù)”（2012AA022303）。

作者簡(jiǎn)介：王海寶（1990~），男，在讀碩士，研究方向：木質(zhì)纖維素制燃料乙醇成套設(shè)備研究。haibao1122334@163.com

* 通訊作者：李雙喜（1977~），副教授，研究方向：化工過(guò)程裝備和木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)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