專利名稱：實(shí)驗(yàn)室汽爆機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種汽爆裝置，特別涉及到供實(shí)驗(yàn)室作汽爆理論研究分析的裝置。
背景技術(shù)：
汽爆預(yù)處理是近年來發(fā)展起來的一種預(yù)處理方法。原料用蒸汽加熱至180_235°C， 維壓一定時(shí)間，在突然減壓噴放時(shí)，液態(tài)水迅速閃蒸，產(chǎn)生大量蒸汽，原料組織或細(xì)胞體積猛增，受機(jī)械力的作用，其結(jié)構(gòu)被破壞；另外，在維壓過程中，還有原料本身的自催化作用， 其主要組分部分降解。汽爆技術(shù)最早始于1擬6年，當(dāng)時(shí)為間歇生產(chǎn)，主要是用于生產(chǎn)人造纖維板。從20 世紀(jì)70年代開始，此項(xiàng)技術(shù)也被廣泛用于動(dòng)物飼料的生產(chǎn)和從木材纖維中提取乙醇和特殊化學(xué)品。80年代后，此項(xiàng)技術(shù)有很大的發(fā)展，使用領(lǐng)域也逐步擴(kuò)大，出現(xiàn)了連續(xù)汽爆生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，即加拿大乂吐6 Technology公司，將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于制漿造紙領(lǐng)域，它與加拿大魁北克大學(xué)共同研究，首先對(duì)楊木、后對(duì)許多非木材纖維原料進(jìn)行了大量的汽爆試驗(yàn)，取得了很好的效果。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了汽爆制漿技術(shù)和設(shè)備，并在制漿廢液用于生產(chǎn)動(dòng)物飼料技術(shù)方面也有深入的研究。汽爆技術(shù)經(jīng)過幾十年的研究，已經(jīng)發(fā)展到不同國(guó)家用于不同原料的預(yù)處理上，并用于眾多領(lǐng)域。比如在食品工業(yè)、制藥行業(yè)、生物能源、材料、化學(xué)品和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)日益突顯，但目前對(duì)汽爆技術(shù)的機(jī)理研究明顯落后于其應(yīng)用，對(duì)汽爆效果的主要影響參數(shù)和原理不甚明確，也缺乏相應(yīng)的工程放大理論和模型，這不利于汽爆技術(shù)的工程放大及設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展。因此，針對(duì)以上問題，本發(fā)明提出了全新的汽爆技術(shù)原理的研究思路在原來罐體的基礎(chǔ)上(只有壓力表、溫度表)，在維壓罐上添加設(shè)置壓力、溫度、PH傳感器及視鏡窗口和圖像采集設(shè)備，在出料口設(shè)置固體流量計(jì)，①通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集卸料瞬間的壓力、溫度變化，從而進(jìn)行汽爆過程的能量、質(zhì)量、動(dòng)量橫算；②通過PH的在線監(jiān)測(cè)，可知維壓過程中物料中的氫離子濃度變化，從而間接可知各組分的降解情況；③通過視鏡窗口和圖像采集設(shè)備，可連續(xù)監(jiān)測(cè)維壓及卸料瞬間物料的形態(tài)變化和水汽的汽化情況，更加直觀的了解汽爆效果；④通過出料口的固體流量計(jì)，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)卸料瞬間的多相物料瞬時(shí)質(zhì)量流量、瞬時(shí)密度、累計(jì)質(zhì)量流量等參數(shù)，便于三傳的橫算。聯(lián)合三傳和一反，可知汽爆過程中的主要影響參數(shù)以及汽爆效果和參數(shù)間的動(dòng)力學(xué)模型，從而便于汽爆設(shè)備的工程放大設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的汽爆技術(shù)和設(shè)備無法監(jiān)測(cè)汽爆過程物料的能量和形態(tài)變化，缺乏對(duì)汽爆效果的主要的影響參數(shù)和原理的研究，也缺乏相應(yīng)的工程放大理論和模型，不利于汽爆技術(shù)的工程放大及設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題，提出一套供理論研究的實(shí)驗(yàn)室小型汽爆機(jī)，通過在維壓罐上添加設(shè)置壓力、溫度、PH傳感器及視鏡窗口和圖像采集設(shè)備，在出料口設(shè)置固體流量計(jì)，通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，獲得升壓、維壓和泄壓瞬時(shí)的壓力、溫度、PH的變化，進(jìn)行三傳和一反橫算，便可求得汽爆過程中的主要影響參數(shù)以及汽爆效果和參數(shù)間的動(dòng)力學(xué)模型，從而便于汽爆設(shè)備的工程放大設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的基本構(gòu)造如附圖1 :物料從進(jìn)料口進(jìn)入維壓罐21，關(guān)閉進(jìn)料口球閥2，打開蒸汽閥1，通蒸汽維壓一定時(shí)間，打開出料口閥門3，物料和蒸汽一同進(jìn)入緩沖罐14后，汽固分離，蒸汽進(jìn)入氣體冷凝及回收系統(tǒng)16，打開緩沖罐下端閥門15即可得到汽爆物料。維壓及泄壓瞬間汽相、物料的液相中的溫度、壓力等變化參數(shù)均可通過溫度傳感器(6、9、1；3)及壓力傳感器(5、8、12) 監(jiān)測(cè)，高頻壓力傳感器(5、8、12)壓力測(cè)量范圍0 5MPa，自振頻率> 400KHz，工作溫度-40°C 250°C，高精度頂紅外非接觸式溫度傳感器(6、9、13)，安裝溫度_20°C -60°C, 測(cè)量溫度范圍0-400°C，精度士 1°C，響應(yīng)時(shí)間為5ms-600s，然后送至數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17每臺(tái)8/16個(gè)并行采集通道，每通道最高200K的采樣率(向下可調(diào))，集信號(hào)放大、濾波、傳感器供電、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一體，參數(shù)程控設(shè)置，直接接收毫伏級(jí)信號(hào)，數(shù)據(jù)通過RJ45以太網(wǎng)口或USB接口與計(jì)算機(jī)18進(jìn)行通訊。維壓過程中物料的pH值變化可通過在線PH傳感器監(jiān)測(cè)，采樣的數(shù)據(jù)也進(jìn)入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)17，在線pH傳感器7測(cè)量范圍0 14PH任選，測(cè)量誤差士0. 1PH，測(cè)量介質(zhì)溫度-10 220°C，溫度補(bǔ)償范圍-10 220°C。卸料瞬間的多相物料瞬時(shí)質(zhì)量流量、瞬時(shí)密度、累計(jì)質(zhì)量流量等參數(shù)可通過固體流量計(jì)4監(jiān)測(cè)，采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)17，固體流量計(jì)4通徑DN為25-100mm，測(cè)量范圍為 12-150T/h，工作壓力0-4MPa，4-20mA電流輸出，O-IOKHz頻率輸出，和瞬時(shí)流量對(duì)應(yīng)，RS485 輸出，采用modus協(xié)議，可與計(jì)算機(jī)18通訊，同時(shí)傳輸質(zhì)量流量、體積流量、密度、介質(zhì)溫度。 通過視鏡窗口 11，采用高速攝像機(jī)22可記錄維壓過程中固體物料的形態(tài)變化，視鏡窗口 11為前后對(duì)稱設(shè)計(jì)，自罐體底部安裝，長(zhǎng)100-200mm，寬30-70mm，可觀察整個(gè)視野范圍的物料，圖像采集設(shè)備22為高速攝像機(jī)，全分辨率高速記錄1000 lOOOOOfps，可以拍攝弱光， 50ns曝光時(shí)間，急速快門，記錄連續(xù)圖片或單張圖片。本發(fā)明的有益效果①通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集卸料瞬間的壓力、溫度變化， 從而進(jìn)行汽爆過程的能量、質(zhì)量、動(dòng)量橫算；②通過PH的在線監(jiān)測(cè)，可知維壓過程中物料中的氫離子濃度變化，從而間接可知各組分的降解情況；③通過視鏡窗口和圖像采集設(shè)備，可連續(xù)監(jiān)測(cè)維壓及卸料瞬間物料的形態(tài)變化和水汽的汽化情況，更加直觀的了解汽爆效果； ④通過出料口的固體流量計(jì)，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)卸料瞬間的多相物料瞬時(shí)質(zhì)量流量、瞬時(shí)密度、累計(jì)質(zhì)量流量等參數(shù)，便于三傳的橫算。聯(lián)合三傳和一反，可知汽爆過程中的主要影響參數(shù)以及汽爆效果和參數(shù)間的動(dòng)力學(xué)模型，從而便于汽爆設(shè)備的工程放大設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。


圖1為實(shí)驗(yàn)室汽爆機(jī)裝置圖。圖面說明如下1蒸汽閥，2進(jìn)料口球閥，3出料口閥門，4固體流量計(jì)，溫度傳感器(6、9、13)，高頻壓力傳感器(5、8、12)，7在線pH傳感器，11視鏡窗口，14緩沖罐，15閥門，16氣體冷凝及回收系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)數(shù)17據(jù)采集和分析系統(tǒng)，18計(jì)算機(jī)，19溫度表，20壓力表，維壓罐21，便攜式
4圖像采集設(shè)備22。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1維壓罐體積為2L，高250mm，筒體直徑為100mm。進(jìn)料前，已將打開蒸汽發(fā)生器電源，得到220°C的飽和蒸汽。將室外風(fēng)干的玉米秸稈切成l-2cm塊狀(其中含水量為14% )，稱取IOOg(濕重)， 補(bǔ)加32g水使其含水量為35%，待水分均勻吸收后，投入到維壓罐21中。關(guān)閉進(jìn)料口球閥 2，打開蒸汽閥1，通入一定量蒸汽，使維壓罐21內(nèi)壓力在1.2MI^維持8min，關(guān)閉蒸汽閥1， 迅速打開出料口閥門3，多相物料一同進(jìn)入緩沖罐14經(jīng)汽固分離后蒸汽進(jìn)入冷凝系統(tǒng)16， 收集冷凝下來的液體，固體物料則從緩沖罐下端閥門15放出。測(cè)定汽爆玉米秸稈半纖維素回收率為86. 5%，纖維素酶解率為72%。分析檢測(cè)到的溫度、壓力、pH變化，以及泄壓瞬間出料口多相物料的流量、密度等參數(shù)，可進(jìn)行三傳及一反橫算。實(shí)施例2維壓罐體積為2L，高250mm，筒體直徑為100mm。進(jìn)料前，已將打開蒸汽發(fā)生器電源，得到220°C的飽和蒸汽。將室外風(fēng)干的玉米秸稈切成l-2cm塊狀(其中含水量為14% )，稱取IOOg(濕重)， 補(bǔ)加32g水使其含水量為35%，待水分均勻吸收后，投入到維壓罐21中。關(guān)閉進(jìn)料口球閥 2，打開蒸汽閥1，通入一定量蒸汽，使維壓罐21內(nèi)壓力在1.5MI^維持5min，關(guān)閉蒸汽閥1， 迅速打開出料口閥門3，多相物料一同進(jìn)入緩沖罐14經(jīng)汽固分離后蒸汽進(jìn)入冷凝系統(tǒng)16， 收集冷凝下來的液體，固體物料則從緩沖罐下端閥門15放出。測(cè)定汽爆玉米秸稈半纖維素回收率為85. 4%，纖維素酶解率為70. 1%。分析檢測(cè)到的溫度、壓力、pH變化，以及泄壓瞬間出料口多相物料的流量、密度等參數(shù)，可進(jìn)行三傳及一反橫算。實(shí)施例3維壓罐體積為2L，高250mm，筒體直徑為100mm。進(jìn)料前，已將打開蒸汽發(fā)生器電源，得到220°C的飽和蒸汽。將室外風(fēng)干的玉米秸稈切成l-2cm塊狀(其中含水量為14% )，稱取IOOg(濕重)， 補(bǔ)加32g體積濃度為1. 43%的稀硫酸，使秸稈含水量為35%，酸濃度為0. 5% (ml硫酸/g 秸稈干重)，待水分均勻吸收后，投入到維壓罐21中。關(guān)閉進(jìn)料口球閥2，打開蒸汽閥1，通入一定量蒸汽，使維壓罐21內(nèi)壓力在1.5MI^維持5min，關(guān)閉蒸汽閥1，迅速打開出料口閥門3，多相物料一同進(jìn)入緩沖罐14經(jīng)汽固分離后蒸汽進(jìn)入冷凝系統(tǒng)16，收集冷凝下來的液體，固體物料則從緩沖罐下端閥門15放出。測(cè)定汽爆玉米秸稈半纖維素回收率為88. 5%, 纖維素酶解率為75. 4%。分析檢測(cè)到的溫度、壓力、pH變化，以及泄壓瞬間出料口多相物料的流量、密度等參數(shù)，可進(jìn)行三傳及一反橫算。
權(quán)利要求
1.供實(shí)驗(yàn)室作理論研究分析的小型汽爆裝置，其特征是在維壓罐21上設(shè)置高頻壓力傳感器(5、8、12)、溫度傳感器(6、9、13)、在線pH傳感器7及視鏡窗口 11，配備便攜式圖像采集設(shè)備22，在出料口設(shè)置固體流量計(jì)4，通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)17和計(jì)算機(jī)18獲得升壓、維壓和泄壓瞬時(shí)的壓力、溫度、PH的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17每臺(tái)8/16個(gè)并行采集通道，每通道最高200K的采樣率(向下可調(diào))，集信號(hào)放大、濾波、傳感器供電、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一體，參數(shù)程控設(shè)置，直接接收毫伏級(jí)信號(hào)，數(shù)據(jù)通過RJ45以USB接口與計(jì)算機(jī)18進(jìn)行通訊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的高頻壓力傳感器(5、8、1幻壓力測(cè)量范圍0 5MPa，自振頻率> 400KHz，工作溫度-40°C 250°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的溫度傳感器(6、9、1；3)為高精度頂紅外非接觸式溫度傳感器，安裝溫度-20°C -600C，測(cè)量溫度范圍0-400°C，精度士 1 °C，響應(yīng)時(shí)間為5ms-600s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的在線PH傳感器7測(cè)量范圍0 14PH 任選，測(cè)量誤差士0. 1PH，測(cè)量介質(zhì)溫度-10 220°C，溫度補(bǔ)償范圍-10 220°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的視鏡窗口11為前后對(duì)稱設(shè)計(jì)，自罐體底部安裝，長(zhǎng)100-200mm，寬30_70mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的圖像采集設(shè)備22為高速攝像機(jī)，全分辨率高速記錄1000 100000fps，50ns曝光時(shí)間，急速快門，記錄連續(xù)圖片或單張圖片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的固體流量計(jì)4通徑DN為25-100mm， 測(cè)量范圍12-150T/h，工作壓力0-4MPa，4-20mA電流輸出，O-IOKHz頻率輸出，和瞬時(shí)流量對(duì)應(yīng)，RS485輸出，采用modus協(xié)議，與計(jì)算機(jī)18通訊，同時(shí)傳輸質(zhì)量流量、體積流量、密度、介質(zhì)溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種供實(shí)驗(yàn)室作理論研究分析的小型汽爆裝置，其結(jié)構(gòu)特征為在維壓罐上設(shè)置壓力傳感器、溫度傳感器、pH傳感器及視鏡窗口和圖像采集設(shè)備；在出料口設(shè)置固體流量計(jì)；配備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。該裝置提供的數(shù)據(jù)，可方便進(jìn)行三傳和一反的橫算，求得汽爆過程中的主要影響參數(shù)以及汽爆效果和參數(shù)間的動(dòng)力學(xué)模型，從而便于汽爆設(shè)備的工程放大設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。
文檔編號(hào)B01J3/00GK102166497SQ201110069290
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月22日
發(fā)明者張玉針, 陳洪章 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所