實驗室汽爆機的製作方法

2023-11-02 22:39:47 1

專利名稱：實驗室汽爆機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種汽爆裝置，特別涉及到供實驗室作汽爆理論研究分析的裝置。
背景技術：
汽爆預處理是近年來發展起來的一種預處理方法。原料用蒸汽加熱至180_235°C， 維壓一定時間，在突然減壓噴放時，液態水迅速閃蒸，產生大量蒸汽，原料組織或細胞體積猛增，受機械力的作用，其結構被破壞；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。汽爆技術最早始於1擬6年，當時為間歇生產，主要是用於生產人造纖維板。從20 世紀70年代開始，此項技術也被廣泛用於動物飼料的生產和從木材纖維中提取乙醇和特殊化學品。80年代後，此項技術有很大的發展，使用領域也逐步擴大，出現了連續汽爆生產技術和設備，即加拿大乂吐6 Technology公司，將此項技術應用於製漿造紙領域，它與加拿大魁北克大學共同研究，首先對楊木、後對許多非木材纖維原料進行了大量的汽爆試驗，取得了很好的效果。在此基礎上，開發研製了汽爆製漿技術和設備，並在製漿廢液用於生產動物飼料技術方面也有深入的研究。汽爆技術經過幾十年的研究，已經發展到不同國家用於不同原料的預處理上，並用於眾多領域。比如在食品工業、製藥行業、生物能源、材料、化學品和環境保護等領域均有廣泛的應用。其應用前景和優勢日益突顯，但目前對汽爆技術的機理研究明顯落後於其應用，對汽爆效果的主要影響參數和原理不甚明確，也缺乏相應的工程放大理論和模型，這不利於汽爆技術的工程放大及設備的優化設計，也限制了其應用領域的進一步拓展。因此，針對以上問題，本發明提出了全新的汽爆技術原理的研究思路在原來罐體的基礎上(只有壓力表、溫度表)，在維壓罐上添加設置壓力、溫度、PH傳感器及視鏡窗口和圖像採集設備，在出料口設置固體流量計，①通過動態數據採集系統，採集卸料瞬間的壓力、溫度變化，從而進行汽爆過程的能量、質量、動量橫算；②通過PH的在線監測，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採集設備，可連續監測維壓及卸料瞬間物料的形態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，可動態監測卸料瞬間的多相物料瞬時質量流量、瞬時密度、累計質量流量等參數，便於三傳的橫算。聯合三傳和一反，可知汽爆過程中的主要影響參數以及汽爆效果和參數間的動力學模型，從而便於汽爆設備的工程放大設計和應用領域的拓展。

發明內容
本發明的目的是針對現有的汽爆技術和設備無法監測汽爆過程物料的能量和形態變化，缺乏對汽爆效果的主要的影響參數和原理的研究，也缺乏相應的工程放大理論和模型，不利於汽爆技術的工程放大及設備的優化設計等問題，提出一套供理論研究的實驗室小型汽爆機，通過在維壓罐上添加設置壓力、溫度、PH傳感器及視鏡窗口和圖像採集設備，在出料口設置固體流量計，通過動態數據採集和分析系統，獲得升壓、維壓和洩壓瞬時的壓力、溫度、PH的變化，進行三傳和一反橫算，便可求得汽爆過程中的主要影響參數以及汽爆效果和參數間的動力學模型，從而便於汽爆設備的工程放大設計和應用領域的拓展。本發明的技術方案本發明的基本構造如附圖1 :物料從進料口進入維壓罐21，關閉進料口球閥2，打開蒸汽閥1，通蒸汽維壓一定時間，打開出料口閥門3，物料和蒸汽一同進入緩衝罐14後，汽固分離，蒸汽進入氣體冷凝及回收系統16，打開緩衝罐下端閥門15即可得到汽爆物料。維壓及洩壓瞬間汽相、物料的液相中的溫度、壓力等變化參數均可通過溫度傳感器(6、9、1；3)及壓力傳感器(5、8、12) 監測，高頻壓力傳感器(5、8、12)壓力測量範圍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, 測量溫度範圍0-400°C，精度士 1°C，響應時間為5ms-600s，然後送至數據分析系統，動態數據採集系統17每臺8/16個並行採集通道，每通道最高200K的採樣率(向下可調)，集信號放大、濾波、傳感器供電、數據採集、數據存儲為一體，參數程控設置，直接接收毫伏級信號，數據通過RJ45乙太網口或USB接口與計算機18進行通訊。維壓過程中物料的pH值變化可通過在線PH傳感器監測，採樣的數據也進入數據分析系統17，在線pH傳感器7測量範圍0 14PH任選，測量誤差士0. 1PH，測量介質溫度-10 220°C，溫度補償範圍-10 220°C。卸料瞬間的多相物料瞬時質量流量、瞬時密度、累計質量流量等參數可通過固體流量計4監測，採樣數據進入數據分析系統17，固體流量計4通徑DN為25-100mm，測量範圍為 12-150T/h，工作壓力0-4MPa，4-20mA電流輸出，O-IOKHz頻率輸出，和瞬時流量對應，RS485 輸出，採用modus協議，可與計算機18通訊，同時傳輸質量流量、體積流量、密度、介質溫度。 通過視鏡窗口 11，採用高速攝像機22可記錄維壓過程中固體物料的形態變化，視鏡窗口 11為前後對稱設計，自罐體底部安裝，長100-200mm，寬30-70mm，可觀察整個視野範圍的物料，圖像採集設備22為高速攝像機，全解析度高速記錄1000 lOOOOOfps，可以拍攝弱光， 50ns曝光時間，急速快門，記錄連續圖片或單張圖片。本發明的有益效果①通過動態數據採集系統，採集卸料瞬間的壓力、溫度變化， 從而進行汽爆過程的能量、質量、動量橫算；②通過PH的在線監測，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採集設備，可連續監測維壓及卸料瞬間物料的形態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，可動態監測卸料瞬間的多相物料瞬時質量流量、瞬時密度、累計質量流量等參數，便於三傳的橫算。聯合三傳和一反，可知汽爆過程中的主要影響參數以及汽爆效果和參數間的動力學模型，從而便於汽爆設備的工程放大設計和應用領域的拓展。


圖1為實驗室汽爆機裝置圖。圖面說明如下1蒸汽閥，2進料口球閥，3出料口閥門，4固體流量計，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緩衝罐，15閥門，16氣體冷凝及回收系統，動態數17據採集和分析系統，18計算機，19溫度表，20壓力表，維壓罐21，可攜式
4圖像採集設備22。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明做進一步說明。實施例1維壓罐體積為2L，高250mm，筒體直徑為100mm。進料前，已將打開蒸汽發生器電源，得到220°C的飽和蒸汽。將室外風乾的玉米秸稈切成l-2cm塊狀(其中含水量為14% )，稱取IOOg(溼重)， 補加32g水使其含水量為35%，待水分均勻吸收後，投入到維壓罐21中。關閉進料口球閥 2，打開蒸汽閥1，通入一定量蒸汽，使維壓罐21內壓力在1.2MI^維持8min，關閉蒸汽閥1， 迅速打開出料口閥門3，多相物料一同進入緩衝罐14經汽固分離後蒸汽進入冷凝系統16， 收集冷凝下來的液體，固體物料則從緩衝罐下端閥門15放出。測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%。分析檢測到的溫度、壓力、pH變化，以及洩壓瞬間出料口多相物料的流量、密度等參數，可進行三傳及一反橫算。實施例2維壓罐體積為2L，高250mm，筒體直徑為100mm。進料前，已將打開蒸汽發生器電源，得到220°C的飽和蒸汽。將室外風乾的玉米秸稈切成l-2cm塊狀(其中含水量為14% )，稱取IOOg(溼重)， 補加32g水使其含水量為35%，待水分均勻吸收後，投入到維壓罐21中。關閉進料口球閥 2，打開蒸汽閥1，通入一定量蒸汽，使維壓罐21內壓力在1.5MI^維持5min，關閉蒸汽閥1， 迅速打開出料口閥門3，多相物料一同進入緩衝罐14經汽固分離後蒸汽進入冷凝系統16， 收集冷凝下來的液體，固體物料則從緩衝罐下端閥門15放出。測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%。分析檢測到的溫度、壓力、pH變化，以及洩壓瞬間出料口多相物料的流量、密度等參數，可進行三傳及一反橫算。實施例3維壓罐體積為2L，高250mm，筒體直徑為100mm。進料前，已將打開蒸汽發生器電源，得到220°C的飽和蒸汽。將室外風乾的玉米秸稈切成l-2cm塊狀(其中含水量為14% )，稱取IOOg(溼重)， 補加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 秸稈乾重)，待水分均勻吸收後，投入到維壓罐21中。關閉進料口球閥2，打開蒸汽閥1，通入一定量蒸汽，使維壓罐21內壓力在1.5MI^維持5min，關閉蒸汽閥1，迅速打開出料口閥門3，多相物料一同進入緩衝罐14經汽固分離後蒸汽進入冷凝系統16，收集冷凝下來的液體，固體物料則從緩衝罐下端閥門15放出。測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%。分析檢測到的溫度、壓力、pH變化，以及洩壓瞬間出料口多相物料的流量、密度等參數，可進行三傳及一反橫算。
權利要求
1.供實驗室作理論研究分析的小型汽爆裝置，其特徵是在維壓罐21上設置高頻壓力傳感器(5、8、12)、溫度傳感器(6、9、13)、在線pH傳感器7及視鏡窗口 11，配備可攜式圖像採集設備22，在出料口設置固體流量計4，通過動態數據採集和分析系統17和計算機18獲得升壓、維壓和洩壓瞬時的壓力、溫度、PH的變化。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的動態數據採集系統17每臺8/16個並行採集通道，每通道最高200K的採樣率(向下可調)，集信號放大、濾波、傳感器供電、數據採集、數據存儲為一體，參數程控設置，直接接收毫伏級信號，數據通過RJ45以USB接口與計算機18進行通訊。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的高頻壓力傳感器(5、8、1幻壓力測量範圍0 5MPa，自振頻率> 400KHz，工作溫度-40°C 250°C。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的溫度傳感器(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，測量溫度範圍0-400°C，精度士 1 °C，響應時間為5ms-600s。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的在線PH傳感器7測量範圍0 14PH 任選，測量誤差士0. 1PH，測量介質溫度-10 220°C，溫度補償範圍-10 220°C。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的視鏡窗口11為前後對稱設計，自罐體底部安裝，長100-200mm，寬30_70mm。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的圖像採集設備22為高速攝像機，全解析度高速記錄1000 100000fps，50ns曝光時間，急速快門，記錄連續圖片或單張圖片。
8.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的固體流量計4通徑DN為25-100mm， 測量範圍12-150T/h，工作壓力0-4MPa，4-20mA電流輸出，O-IOKHz頻率輸出，和瞬時流量對應，RS485輸出，採用modus協議，與計算機18通訊，同時傳輸質量流量、體積流量、密度、介質溫度。
全文摘要
本發明涉及一種供實驗室作理論研究分析的小型汽爆裝置，其結構特徵為在維壓罐上設置壓力傳感器、溫度傳感器、pH傳感器及視鏡窗口和圖像採集設備；在出料口設置固體流量計；配備動態數據採集和分析系統和計算機。該裝置提供的數據，可方便進行三傳和一反的橫算，求得汽爆過程中的主要影響參數以及汽爆效果和參數間的動力學模型，從而便於汽爆設備的工程放大設計和應用領域的拓展。
文檔編號B01J3/00GK102166497SQ201110069290
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者張玉針, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所