超臨界萃取釜?dú)鈩?dòng)快速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

張怡++周玉琴++朱啟波

[摘 要]本文介紹了一種新型萃取釜?dú)鈩?dòng)快速開(kāi)閉裝置，該裝置結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕、制造成本低、無(wú)污染、便于安裝調(diào)試、使用過(guò)程中不易變形、操作方便，萃取釜開(kāi)閉速度快，自動(dòng)化程度高。該裝置由主體部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分組成，在整個(gè)裝置設(shè)計(jì)中，利用壓縮空氣作為氣缸的動(dòng)力源，特別適合超臨界萃取釜的頻繁開(kāi)啟，且要求快速開(kāi)閉的工作場(chǎng)合，該裝置利用各執(zhí)行氣缸對(duì)萃取釜上平蓋進(jìn)行升降、旋轉(zhuǎn)；對(duì)卡箍進(jìn)行開(kāi)閉、自動(dòng)鎖緊。

[關(guān)鍵詞]超臨界萃??；快速開(kāi)閉；自動(dòng)鎖緊；安全環(huán)保

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ052 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）22-0363-01

1.引言

高壓萃取釜是超臨界CO2萃取技術(shù)（Supercritical Fluid Extraction， SPE）裝備中的核心設(shè)備，高壓萃取釜開(kāi)閉的快速、安全可靠對(duì)超臨界CO2萃取技術(shù)裝置運(yùn)行起決定作用。通常情況下，高壓萃取釜實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)閉自動(dòng)工作的動(dòng)力為電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)，電動(dòng)和液動(dòng)開(kāi)閉裝置均存在裝置的外形尺寸大、結(jié)構(gòu)笨重、制造成本高、安裝調(diào)試難度大，液動(dòng)會(huì)出現(xiàn)漏油對(duì)食品和藥物萃取造成產(chǎn)品污染等超臨界工作環(huán)境不允許的情況，因此，研究一種萃取釜?dú)鈩?dòng)快速開(kāi)閉裝置，對(duì)于超臨界CO2萃取成套裝備具有很重要的意義。

2.技術(shù)背景

超臨界流體萃取技術(shù)是提取與分離結(jié)合的一項(xiàng)新型化工工藝技術(shù)，是利用CO2相平衡理論在多元相行為的超臨界狀態(tài)下的流體作為萃取溶劑，對(duì)物料進(jìn)行滲透溶解，從中萃取、分離出有效組分的一種新型技術(shù)。

一般工業(yè)化裝置是在小型試驗(yàn)萃取研究與中型試驗(yàn)完成后進(jìn)行工業(yè)化放大的產(chǎn)品提取批生產(chǎn)裝置，其萃取釜工作壓力常為35～55MP左右，為既能實(shí)現(xiàn)釜體的快速開(kāi)閉，又能確保釜體開(kāi)閉安全、操作可靠、自動(dòng)化程度高。

3.萃取釜?dú)鈩?dòng)快速開(kāi)閉裝置的組成及工作原理分析

超臨界CO2流體萃取釜?dú)鈩?dòng)快速開(kāi)閉裝置的組成如圖1所示。該裝置由主體部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，其中主體結(jié)構(gòu)有：立架、轉(zhuǎn)臂、連接件、滾輪組件、軌道架、行程開(kāi)關(guān)組件、感應(yīng)裝置等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有：升降氣缸1件、轉(zhuǎn)臂氣缸1件、卡箍鎖止氣缸2件、插銷(xiāo)氣缸2件、空壓機(jī)及相關(guān)附屬件1套。見(jiàn)圖1。

其工作原理就是，萃取工作結(jié)束后，確認(rèn)萃取釜內(nèi)壓力為0時(shí)，啟動(dòng)開(kāi)蓋程序，插銷(xiāo)氣缸動(dòng)作到位后，卡箍氣缸動(dòng)作，帶動(dòng)卡箍轉(zhuǎn)動(dòng)到位，平蓋氣缸動(dòng)作，平蓋緩慢升起到位后轉(zhuǎn)臂離開(kāi)萃取釜體中心開(kāi)蓋結(jié)束，進(jìn)行物料裝卸。當(dāng)萃取釜裝好待萃取的物料，啟動(dòng)關(guān)蓋程序，轉(zhuǎn)臂氣缸動(dòng)作轉(zhuǎn)臂到位（自動(dòng)對(duì)正萃取釜體中心），平蓋提升氣缸動(dòng)作，平蓋緩慢下降到位，卡箍氣缸動(dòng)作，帶動(dòng)卡箍轉(zhuǎn)動(dòng)到位，壓緊平蓋，插銷(xiāo)氣缸動(dòng)作，插銷(xiāo)鎖止卡箍，關(guān)蓋完成。萃取釜開(kāi)蓋與關(guān)蓋全過(guò)程均一鍵完成，自動(dòng)化程度高、工作穩(wěn)定安全可靠。

氣動(dòng)原理圖見(jiàn)圖2。

此新型結(jié)構(gòu)快速開(kāi)閉裝置結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕、制造成本低、無(wú)污染、便于安裝調(diào)試、使用過(guò)程中不易變形、操作方便，萃取釜開(kāi)閉速度快，機(jī)械化程度高。

4.執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸及氣動(dòng)元件的選型

4.1 確定氣缸的缸徑

4.1.1 提升氣缸的理論推、拉力計(jì)算：

提升氣缸以上、下垂直形式安裝操作，即：

氣缸實(shí)際推力

查廣東肇慶方大氣動(dòng)樣本，取D=250mm，P=0.6MPa

提升重量=上平蓋重854kg+上平蓋與萃取釜內(nèi)壁摩擦力約200kg=1054kg

氣缸理論拉力

根據(jù)D=250mm查得d=63mm

式中：——?dú)飧桌碚撏屏Γ╧gf）

——?dú)飧桌碚摾Γ╧gf）

D——?dú)飧赘淄矁?nèi)徑（cm）

d——?dú)飧谆钊麠U直徑（cm）

P——?dú)飧坠ぷ鲏毫Γǎ?/p>

其中：1kgf=9.8N，1=1bar

因提升氣缸以上、下垂直形式安裝，其實(shí)際推力為理論推力的一半，所以氣缸的選型應(yīng)以理論拉力計(jì)算為選型依據(jù)。綜合考慮在操作過(guò)程中，壓縮空氣的不穩(wěn)定性、萃取釜卡箍、上平蓋、筒體端部結(jié)構(gòu)尺寸以及萃取釜的使用情況，取安全系數(shù)不低于2.5，確定提升氣缸型號(hào)為QGBⅠ-FQ250x350-L3。完全能滿足使用要求。

4.1.2 卡箍氣缸的理論推、拉力計(jì)算：

卡箍氣缸以橫向水平安裝操作，考慮機(jī)械慣性因素，氣缸實(shí)際推力與理論推力相等，即實(shí)際≈F

卡箍重為773kg，水平方向的分力約為285kg，取D=125mm，P=0.6MPa

因卡箍氣缸以橫向水平形式安裝，其實(shí)際推力與理論推力相等，氣缸的選型應(yīng)以理論推力計(jì)算為選型依據(jù)。同樣綜合考慮在操作過(guò)程中，壓縮空氣的不穩(wěn)定性、、萃取釜卡箍、上平蓋、筒體端部結(jié)構(gòu)尺寸以及萃取釜的使用情況，取安全系數(shù)不低于2.5，確定提升氣缸型號(hào)為QGB-J125x200-L3。完全能滿足使用要求。

4.1.3 轉(zhuǎn)臂氣缸的理論推、拉力計(jì)算：

轉(zhuǎn)臂氣缸所承受的推、拉力為上平蓋重量在水平方向上的分力：

上平蓋重854 kg，推、拉力與重力間的夾角為30°，即水平分力

F=854/tg30°=854/0.577=1480 kg

轉(zhuǎn)套與主軸之間采用調(diào)心滾子軸承，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得調(diào)心滾子軸承的摩擦系數(shù)一般為0.002～0.0025，取摩擦系數(shù)為0.0025，為此水平分力轉(zhuǎn)換成的摩擦力f=mμ=1480x0.0025=3.7，為此轉(zhuǎn)臂氣缸所克服的摩擦力很小。則所需的推、拉力也很小。但考慮到制造過(guò)程中公差累積，軸承與主軸間的表面精度達(dá)不到以及長(zhǎng)期磨損、氣壓不穩(wěn)等因數(shù)。同時(shí)考慮方便采購(gòu)，確定轉(zhuǎn)臂氣缸型號(hào)與卡箍氣缸一樣為QGB-Z125x500-L3。完全能滿足使用要求。