王海寶， 蔡紀寧， 張秋翔， 李雙喜

（北京化工大學 機電工程學院，北京 100029）

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微波―酸化汽爆預處理反應器結構參數(shù)優(yōu)化1

王海寶， 蔡紀寧， 張秋翔， 李雙喜

（北京化工大學 機電工程學院，北京 100029）

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

關鍵詞：微波―酸化汽爆預處理；預處理；吸收效率；均勻性

木質(zhì)纖維素的預處理問題一直是制約木糖和燃料乙醇生產(chǎn)的技術難題[1]。目前多用的酸化汽爆預處理方法具有節(jié)能、應用范圍廣、酶解效率高的優(yōu)點[2]。實驗室中采用微波對玉米秸稈進行預處理研究表明[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。龐鋒等[4]設計了蒸汽爆破―微波聯(lián)合預處理設備，但設備中微波場的均勻性及吸收效率未經(jīng)考慮。Poomyos Payakkawan等[5]設計出圓柱形微波反應中試系統(tǒng)對生物質(zhì)物料進行碳化處理來制備木炭和木醋酸；Basak[6]分析了金屬板和陶瓷材料對被熱處理材料內(nèi)部場分布和溫度分布的影響；曹湘琪等[7]利用HFSS對圓柱形微波加熱器模型進行單參數(shù)仿真優(yōu)化，分析了饋口位置和負載對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)驗對微波設備粗略設計，較少從反應器各參數(shù)上對微波場進行優(yōu)化，易造成微波分布不均勻[8-9]、吸收效率過低導致反射微波燒壞磁控管等情況。最終導致物料反應不均勻，影響預處理效果。本文根據(jù)微波加熱的基本原理，結合預處理的目標和特點，將微波處理技術耦合到秸稈的酸化汽爆預處理過程中，并以提高微波吸收效率和電場均勻性為目標，對反應器中的主要結構參數(shù)進行優(yōu)化，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高酶解率。

目前合理高效的微波―酸化汽爆反應器的研發(fā)尚不成熟，研究方法可采用模擬的方法或通過試驗研究來優(yōu)化。然而，試驗研究往往周期長且成本較高。本文利用HFSS電磁分析軟件，可高效優(yōu)化反應器電磁場，對反應器參數(shù)進行優(yōu)化，為進一步試驗研究和今后的工業(yè)應用提供有效的數(shù)據(jù)支持和精確性，以保證微波―稀酸爆破預處理時，微波能夠均勻的促進物料中的反應并提高微波能的有效利用率。

1 微波―酸化汽爆預處理反應器及原理

用于微波―酸化汽爆預處理反應器的結構如圖1所示。該設備包括最上邊的磁控管（1）、傳輸微波的饋口（2）、饋口口下側與反應器法蘭（3）相連、反應器（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）。

在反應器中，利用高溫高壓稀酸蒸汽對纖維原料進行催化分解反應，并通過瞬間泄壓過程實現(xiàn)原料的組分分離和結構變化。磁控管將每秒24.5億次左右周期變化的微波經(jīng)饋口導入反應器中，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極性運動。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構。二者聯(lián)合作用，共同提高酶解率[10]。

圖1 微波―酸化汽爆預處理反應器結構圖

圖2 微波―酸化汽爆預處理反應器模型圖

2 反應器電磁場分析

2.1 反應器建模及求解

用電磁分析軟件HFSS建立圓柱形反應器的幾何模型，其中饋口、載料環(huán)均按實際尺寸建模。載料環(huán)為四氟材料，對微波損耗極少，且反應器刮料口對微波場影響較小，建模時予以忽略，如圖2所示。所加負載為秸稈物料（相對介電常數(shù)ε’=2.5，損耗正切tanδ=0.018）[3]，饋口空腔為空氣（默認參數(shù)）；主體內(nèi)的空腔區(qū)域為水蒸氣（ε’=1.007 85）。網(wǎng)格采用自適應方式進行劃分。將兩個饋口上表面分別設定為激勵口wave port 1和wave port 2，反應器其他邊界設定成stainless steel。

磁控管輸入的電磁波功率各為500 W，設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%，進行求解計算得到反射功率隨各參數(shù)的變化規(guī)律及電場分布云圖[11]。負載對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 反應器電場分布

按照圖2中反應器的設計尺寸（θ=120o，L=50mm，H=200mm，R=70mm）對微波場進行分析。圖3為物料區(qū)域電場分布云圖，由圖3可知，物料區(qū)域電場分布很不均勻，熱點明顯，在顏色明亮的地方，電場值較高，其他地方則相對較低，二者差值非常大，從而降低了反應器的性能。因此對反應器參數(shù)進行優(yōu)化是非常必要的。

圖3 物料區(qū)域電場分布云圖

3 反應器各參數(shù)對吸收效率的影響

為了消除熱點，增加電場均勻性，依次變化微波―酸化汽爆預處理反應器的四個結構參數(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），分析四個變量的對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，吸收效率達到最大值54.8%。這主要是因為反應器上表面均布著八個反射功率較高的位置（如圖5所示），隨著饋口夾角的變化，反射電磁波會周期性的先增大后減小。所以，應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 對吸收效率的影響

圖5 反應器上表面電場云圖

3.2 饋口高度的影響

圖6為饋口高度L對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。因此，饋口高度對吸收效率的影響非常微小，屬于次要因素，可在正交試驗中予以忽略?？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對吸收效率的影響

圖7 物料高度H 對吸收效率的影響

3.3 物料高度的影響

圖7為物料高度H對吸收效率的影響曲線，由圖7可知。雙饋口反應器物料高度在160～280mm的范圍內(nèi)，隨物料高度的增大，吸收效率呈增大趨勢，當H=270mm時，吸收效率得最大值87.4%。這是因為電磁波在空腔中產(chǎn)生的熱點沿高度方向間距均勻，當H增多時，會增加微波的吸收量，則會增大吸收效率。并且由于雙饋口微波產(chǎn)生電場的分布復雜性高，不宜導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，吸收效率取得最大值93.6%。當內(nèi)主半徑超過75mm后，吸收效率快速下降至70%附近。主要是因為當內(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，導致微波吸收效率逐漸增大。但是當內(nèi)主半徑超過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―酸化汽爆預處理反應器的結構參數(shù)的初步值。為了進一步分析精確值，忽略次要因素饋口高度的影響，分別在三個參數(shù)的初步值附近取一定范圍，進行正交試驗分析，范圍如表1所示。

表1 微波―酸化汽爆預處理反應器的結構參數(shù)

4 基于正交試驗的多參數(shù)結構優(yōu)化

采用正交試驗設計方法[13]，進行有限元分析。根據(jù)圖的模型結構，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來代表上述3個變量因素。根據(jù)表1中結構參數(shù)范圍，應用正交試驗設計方法進行正交試驗表頭設計，可選取正交表L9（34）。正交試驗的各因素的水平值如表2所示。

表2 試驗因素及其代號

為簡化敘述，以下論述中A因素的第一個水平計為A1，其他因素及水平類似。根據(jù)正交表L9（34）對9組結構參數(shù)進行優(yōu)化，如表3所示。

表3 正交試驗結果

5 結果分析

5.1 直觀分析

運用直觀分析法計算每個因素的不同水平對應的平均性能參數(shù)。通過對因素A的第1個水平的數(shù)據(jù)處理，來說明正交試驗直觀分析的計算過程。由表3可知，A因素的第1個水平，即A1對試驗性能參數(shù)（吸收效率）的影響反映在第1、2、3號方案中。A因素的第1個水平對應的總吸收效率之和如式（2）所示。

所以，A因素的第1個水平對應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的各個水平的平均性能參數(shù)（吸收效率）依照上面的例子進行計算。根據(jù)計算結果，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)水平的組合為試驗的優(yōu)組合；此外，比較各因素的極差，得出各因素對性能參數(shù)影響的主次順序。結果如表4所示。

表4 正交試驗結果計算

顯然，對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

最優(yōu)組合A3B3C1是正交試驗中最優(yōu)試驗組合，經(jīng)計算該參數(shù)下的反應器的吸收效率η為91.4%。

5.3 反應器電場優(yōu)化前后均勻性分析

以反應器底部中心為坐標原點，選取如圖所示的四個平面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個點的電場值，如圖9和圖10所示。為了方便敘述，利用編號面1～4來代表上述4個平面。

圖9 反應器內(nèi)四個平面的分布圖

圖10 反應器內(nèi)選取點的位置

5.3.1 配對樣本t檢驗

為了檢驗優(yōu)化后反應器內(nèi)電場的均勻性的提高是否顯著，利用 SPSS[14]統(tǒng)計軟件對優(yōu)化前后反應器四個平面提取出來的4組獨立樣本（見表5-樣本描述統(tǒng)計）進行配對樣本t檢驗分析，如表6所示。

表5 樣本描述統(tǒng)計

表6 配對樣本t檢驗

檢驗分析結果表明，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)化后樣本方差遠小于優(yōu)化前。

5.3.2 電場值波動性分析

將優(yōu)化前后四個平面上提取的電場值做成如圖11～14的波動圖。

圖11 面1優(yōu)化前后電場值對比

圖12 面2優(yōu)化前后電場值對比

圖13 面3優(yōu)化前后電場值對比

圖14 面4優(yōu)化前后電場值對比

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

6 結論

1）反應器各參數(shù)中對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，反應器內(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，吸收效率達到最大值54.8%。3）隨著饋口高度的增大，吸收效率變化幅度小于3%，故可以在滿足設備安裝要求的前提下，盡可能減小饋口高度。4）物料高度對吸收效率的影響波動很大，所以在其他因素確定的情況下，應該對物料高度進行試算，以確定最佳高度。5）在內(nèi)主半徑的變化過程中，可以看出物料的表面積增大可以提高吸收效率。

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中圖分類號：TS732

文獻標識碼：A

文章編號：1004-8405(2016)02-0014-08

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.02.11

收稿日期：2016-01-14

基金項目：國家863課題“木質(zhì)纖維素高效酶解、糖化分離技術與綜合利用系統(tǒng)集成技術”（2012AA022303）。

作者簡介：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備研究。haibao1122334@163.com

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