群鍋蒸煮實驗裝置的研制

胡明輔 李淑蘭 陳克利 別 玉

(昆明理工大學化學工程學院，云南昆明，650224)

群鍋蒸煮實驗裝置的研制

胡明輔 李淑蘭 陳克利 別 玉

(昆明理工大學化學工程學院，云南昆明，650224)

介紹了群鍋蒸煮實驗裝置的基本原理、主要結構、鍋體設計、實驗過程等。該裝置主要結構包括:箱體和機架、箱蓋運動系統(tǒng)、蒸煮群鍋運動系統(tǒng)、加熱測量控制系統(tǒng)。該裝置的優(yōu)點是一次可同時進行8鍋以上蒸煮實驗，同時還具有加熱均勻、溫度控制精確、密封可靠、操作簡單的特點。

群鍋蒸煮;實驗裝置;研制

目前在用的造紙實驗蒸煮鍋，大多容積為15 L，為了提高效率，有的實驗是在15 L電熱蒸煮鍋內(nèi)套裝幾個小罐進行［1］。原理同蒸球和立式蒸煮鍋。攪拌方式有類似蒸球的容器繞自身水平軸線轉(zhuǎn)動攪拌和類似立式蒸煮鍋的介質(zhì)循環(huán)攪拌，加熱方式多為電加熱。每次只能蒸煮1鍋或最多4小罐，蒸煮曲線固定，如需要調(diào)整蒸煮曲線則要反復多次才能實現(xiàn)，蒸煮效率較低。針對這一問題，昆明理工大學立項開發(fā)了“群鍋造紙蒸煮實驗裝置”。這種群鍋造紙蒸煮實驗裝置與目前在用的實驗蒸煮鍋的不同之處在于一次可完成小容量多鍋蒸煮，而且蒸煮中的各小鍋可根據(jù)需要在不同的溫度、不同的時段隨意取出或放入，也可向鍋內(nèi)加汽［2］。該裝置具有實驗效率高，同時還具有加熱攪拌均勻、溫度控制精確、密封可靠、操作簡單的特點。用于本科學生的蒸煮及壓力反應實驗，最大可滿足8～12人的一對一實驗;用于科研則一次可設置8～12個不同條件的蒸煮與壓力反應，比國內(nèi)普遍采用的實驗室蒸煮設備在效率上提高了2～3倍以上。

1 群鍋造紙蒸煮實驗裝置原理

1.1 基本結構

群鍋造紙蒸煮實驗裝置的總體結構如圖1所示，主要結構包括4個部分:①箱體和機架。機架用于包容箱體和支承兩套運動系統(tǒng);②箱蓋運動系統(tǒng)。由電動機、減速器、鏈輪機構、導軌、導輪及行程開關組成，完成箱蓋的平穩(wěn)打開與密封關閉;③蒸煮群鍋運動系統(tǒng)。由電動機、減速器、鏈輪機構、花盤式支架及轉(zhuǎn)軸組成，完成群鍋的固定和驅(qū)動群鍋在箱體導熱油中繞花盤式支架的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動;④加熱測量控制系統(tǒng)。導熱油由多組鉑熱電阻加熱器加熱，用熱電偶測量，并用智能數(shù)顯溫控儀控制和顯示溫度。

圖1 群鍋造紙蒸煮實驗裝置總體結構

1.2 工作原理及實驗過程

群鍋蒸煮實驗裝置適用于化學法蒸煮各種植物纖維原料。根據(jù)不同的原料、蒸煮方法以及預期的蒸煮效果，可以設計不同的影響因素，如蒸煮溫度、蒸煮時間、攪拌強度，加上不同小罐可設置的諸如液固比、用堿量和濃度等來尋找最佳工藝條件。

群鍋蒸煮實驗裝置的工作原理是由兩套運動系統(tǒng)和一套加熱測量控制系統(tǒng)來完成對植物纖維原料介質(zhì)加熱和攪拌的蒸煮過程。

箱蓋運動系統(tǒng)中箱蓋設計為升降式，升起時將裝好植物纖維原料及相應化學藥液的群鍋一個個水平裝入花盤式固定支架和花盤式活動支架中，上好活動支架上緊定鍋體的旋鈕，以保證群鍋的軸向位置。當群鍋固定好后，啟動箱蓋運動系統(tǒng)，群鍋隨箱蓋下降沉入箱體導熱油中，箱蓋平穩(wěn)蓋緊箱體，箱蓋與箱體之間為靜密封，密封比較可靠。

蒸煮群鍋運動系統(tǒng)的動力系統(tǒng)置于箱蓋上，通過一個鏈輪機構將運動和動力傳遞至花盤式固定支架和花盤式活動支架的轉(zhuǎn)軸上，水平放置于兩支架內(nèi)的蒸煮群鍋隨之轉(zhuǎn)動。群鍋的每一個鍋體不是繞自身軸線轉(zhuǎn)動，而是繞花盤式支架的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，使化學藥劑的水溶液能與被處理的植物纖維原料充分混合，攪拌比較均勻，其攪拌強度可通過轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，采用電動機變頻調(diào)速即可。群鍋中的每個單鍋與轉(zhuǎn)軸等距，油浴時間相同，因而攪拌和加熱條件完全相同，且一次能完成多鍋蒸煮實驗，具有非常高的效率。

蒸煮時，群鍋隨箱蓋關閉并沒入箱體導熱油中油浴加熱，由箱蓋上的動力系統(tǒng)驅(qū)動群鍋繞花盤式支架的轉(zhuǎn)軸作旋轉(zhuǎn)運動，完成加熱和攪拌的蒸煮過程。蒸煮終了時，群鍋隨箱蓋升起離開箱體導熱油，待油淋凈，松開花盤式支架上的緊定旋鈕，即可水平取放群鍋進行加料和卸料，操作簡單。

實驗中可根據(jù)各鍋設定的不同的蒸煮時間適時取出。此時可升起箱蓋，取出預先確定的小罐即可恢復運轉(zhuǎn)。群鍋轉(zhuǎn)動系統(tǒng)和箱蓋運動系統(tǒng)是非門關系，群鍋轉(zhuǎn)動系統(tǒng)工作時，箱蓋運動系統(tǒng)是不能運動的。同理，箱蓋運動系統(tǒng)工作時，群鍋轉(zhuǎn)動系統(tǒng)就不工作。

2 群鍋造紙蒸煮實驗裝置運動系統(tǒng)設計

2.1 箱蓋運動系統(tǒng)

圖2為箱體和機架與箱蓋運動系統(tǒng)結構。從圖2看出，機架1由兩部分組成，左側的主要部分用來固定箱體2，右側的框架用來支承箱蓋運動系統(tǒng)的電動機及減速器等。豎直放置的電動機5通過聯(lián)軸器與蝸輪蝸桿減速器3連接，安裝在蝸輪蝸桿減速器輸出軸上的鏈輪4帶動鏈條6驅(qū)動鏈輪7轉(zhuǎn)動，鏈輪7又帶動傳動軸8傳動，傳動軸8的兩端各安裝一個鏈輪9，鏈輪9又通過鏈條10帶動軸承13上的鏈輪14轉(zhuǎn)動，軸承13安裝在支承架11上，鏈條10的一端與兩拉桿12鉸接，拉桿12的一端與L形接頭15鉸接，L形接頭15的一個面既焊接在箱蓋16上，又焊接在導軌17上，導軌17的升降距離由兩個行程開關18控制，為了保證導軌的垂直，在機架的8個節(jié)點處安有8對導輪。整個系統(tǒng)保證箱蓋水平升降時能平穩(wěn)打開與密封關閉。

圖2 箱體和機架與箱蓋啟閉運動結構

2.2 蒸煮群鍋運動系統(tǒng)

圖3為蒸煮群鍋運動系統(tǒng)及其與箱體和機架的結構關系，圖3中拆去9～15、17、18號零件。群鍋蒸煮的動力系統(tǒng)由調(diào)頻電動機26通過聯(lián)軸器將運動和動力傳遞給減速器25，減速器輸出軸上的主動鏈輪22通過鏈條21驅(qū)動從動鏈輪20轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)軸30轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸30由左軸承架19和右軸承架24支承，為防止導熱油由鏈傳動機構帶出，在主動鏈輪上加一鏈輪罩23。轉(zhuǎn)軸30上安裝有花盤式固定支架28和花盤式活動支架32，固定支架28與軸承的距離由定位軸套27確定。29為蒸煮群鍋上用于加氣體介質(zhì)的角閥。蒸煮群鍋31由蝴蝶螺栓33緊定，以防止鍋體移動和轉(zhuǎn)動，34為導軌導輪，35為導輪軸，用于保證導軌的垂直運動。36為導熱油鉑熱電阻加熱器。整個系統(tǒng)保證群鍋的固定，驅(qū)動群鍋在箱體導熱油中繞花盤式支架的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動油浴加熱。

2.3 加熱控制數(shù)顯系統(tǒng)

加熱測量控制系統(tǒng)為多組鉑熱電阻加熱器和智能數(shù)顯溫控儀。采用多組鉑熱電阻的目的是能快速升溫和方便控制。導熱油溫度用熱電偶測量，用智能數(shù)顯溫控儀控制和顯示溫度，蒸煮群鍋由油浴加熱，因而加熱均勻，溫度控制精確。

3 群鍋設計

3.1 群鍋設計

群鍋鍋體形狀為一圓柱形殼體，與鍋蓋的連接為螺紋連接。為了方便鍋蓋的裝拆，在鍋體和鍋蓋外側分別設置一對平面凸臺。鍋蓋上還安裝一接管和角閥，用于排氣和注入工藝氣體。閥桿與單個鍋體的軸線同軸，接管與閥桿垂直。在鍋蓋的靠近鍋體一側還設有氣體分布器。群鍋鍋體是一外部加熱內(nèi)部受壓的容器，蒸煮液為強腐蝕性介質(zhì)，鍋體壁厚按GB150設計，鍋體材料采用316 L不銹鋼。

3.2 群鍋支撐結構設計

群鍋的支承結構有花盤式固定支架和花盤式活動支架，其基本結構相同。圖4為花盤式活動支架，比花盤式固定支架多了一組緊定旋鈕?；ūP式固定支架和花盤式活動支架固定在轉(zhuǎn)軸的兩端，每個鍋體簡支在兩支架的孔中。群鍋的軸線距轉(zhuǎn)軸軸線的距離與箱體大小和群鍋的數(shù)量、直徑有關。

圖4 花盤式群鍋活動支架

4 結語

4.1 由于使用了群鍋，單個鍋體不是繞自身軸線轉(zhuǎn)動，而是繞花盤式支架的軸線轉(zhuǎn)動，使化學藥液能與被處理的植物纖維原料充分混合，再加上群鍋使用油浴加熱，各部位的溫度較一致，因此，可以減少介質(zhì)容量，單鍋50～2000 mL，可以節(jié)省實驗材料。

4.2 置于花盤式支架孔中的群鍋水平放置，蒸煮時，群鍋隨箱蓋沉入箱體導熱油中油浴加熱，由箱蓋上的動力系統(tǒng)驅(qū)動群鍋繞花盤式支架的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，完成加熱和攪拌的蒸煮過程。群鍋中的每個單鍋與轉(zhuǎn)軸等距，油浴時間相同，因而攪拌和加熱條件完全相同，且一次完成多鍋蒸煮實驗。本設計為便于適應不同大小的蒸煮鍋，設計了可以調(diào)換的兩種花盤式支架，大鍋支架可裝8個，小鍋可裝12個，具有較高的實驗效率。

4.3 置于花盤式支架上的群鍋水平放置，取放蒸煮群鍋時，群鍋隨箱蓋升起離開箱體熱油，松開花盤式支架上的緊定旋鈕，即可水平取放群鍋進行加料、卸料或充氣，輕松實現(xiàn)不同蒸煮時間與溫度下的取樣，操作簡單且易于控制。

圖3 箱體和機架與蒸煮群鍋運動機構

4.4 箱蓋的升降通過鏈輪機構單獨驅(qū)動，運動的準確性由置于機架上的垂直導軌、行程開關和機架上8個節(jié)點處的導輪保證，箱體與箱蓋之間為靜密封。具有運動平穩(wěn)準確，密封可靠的特點。

4.5 加熱測量控制系統(tǒng)，導熱油由多組鉑熱電阻加熱器加熱，用智能數(shù)顯溫控儀控制和顯示溫度，蒸煮群鍋在導熱油中被加熱，具有加熱均勻，溫度控制精確的特點。

4.6 群鍋運動系統(tǒng)和箱蓋啟閉系統(tǒng)是非門關系，群鍋轉(zhuǎn)動系統(tǒng)工作時，箱蓋啟閉系統(tǒng)不能運動。同理箱蓋啟閉系統(tǒng)工作時，群鍋轉(zhuǎn)動系統(tǒng)就不工作，操作安全穩(wěn)定。

［1］周學飛，劉宏華，朱正良．思茅松乙醇-硫酸鹽法制漿性能研究［J］．中國造紙學報，2004，19(2):29．

［2］Zhu Wei，Zi Xueqin，Chen Keli．Study on direct soda-cxygen pulping of Eulaliopsts binata 1bth ISWPC，June 8 ～10，2011，Tianjin，China．(in contribution)

［3］GB150．1－．4－2010，鋼制壓力容器［S］．北京:中國標準出版社，1998． CPP

Development of Cooking Test Device with Bantam Autoclave Group

HU Ming-fu*LI Shu-lan CHEN Ke-liBIE Yu
(The Faculty of Chemical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan Province，650224)
(*E-mail:hmfyn@126．com)

A set of self-made cooking test device with bantam autoclave group is introduced including its principles，main structure，body design，and operation processes．The device is mainly composed of four parts:Ⅰ is a box and rack supporting the box and two motion systems;Ⅱis the lid movement system for smoothly opening the lid and closing it tightly;Ⅲis a autoclave group base motion system for fixing the autoclaves in the shaft rotating disc supporter and driving axis of the supporter submerged in oil using for heating the autoclaves;Ⅳis a heating measurement and control system to complete heating the oil，measuring，displaying and controlling temperature．Cooking wood or nonwood fibrous material under different conditions in 8 or more autoclaves can simultaneously carried out during one cooking cycle．The advantages of this device are efficient，precise and even temperature control，and reliable seal．

papermaking;cooking;test device;autoclave group

TS733+.2

A

0254-508X(2011)11-0051-04

胡明輔先生，教授;主要從事過程裝備及新能源裝備研究工作。

2011-07-20(修改稿)

本課題為國家自然科學基金項目“蔗渣生物預處理節(jié)能清潔化氧堿制漿的研究”(20567001)。

(責任編輯:趙旸宇)