活塞料倉(cāng)鏈?zhǔn)匠R界流體連續(xù)萃取器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

祝勇仁 -

超臨界流體萃取技術(shù)(Supercritical Fluid Extraction，SFE)是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新的分離技術(shù)[1]，其原理是根據(jù)待分離物質(zhì)在超臨界流體中溶解度的差異萃取特定成分，以達(dá)到某種分離提純的目的[2]。超臨界流體萃取在各行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展十分迅速[3]，目前在食品、醫(yī)藥、煙草、植物以及石油化工領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用[4-6]。由于二氧化碳(CO2)的臨界溫度(Tc=31.26 ℃)接近室溫，臨界壓力(Pc=7.38 MPa)也不高，具有很好的擴(kuò)散性能，較低的表面張力，無(wú)毒、無(wú)味、不易燃、易于獲得和可循環(huán)使用的特點(diǎn)，因此超臨界CO2流體得到了廣泛的應(yīng)用[7]。各國(guó)對(duì)SFE工藝的研究雖然取得了不少的進(jìn)步，但在SFE設(shè)備方面的研究相對(duì)滯后，萃取需要進(jìn)、卸料操作，是一種間歇性工藝過(guò)程，為提高萃取能力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)萃取，應(yīng)從萃取工藝和設(shè)備入手，進(jìn)行深入研究。目前這一研究已成為國(guó)內(nèi)外的新興課題，主要集中在利用多個(gè)萃取釜的并聯(lián)操作實(shí)現(xiàn)工藝上的連續(xù)萃取。Wanyne R等[8]在閉路管線中通過(guò)切換機(jī)械閥門(mén)的方式對(duì)連續(xù)萃取工藝做了進(jìn)一步的完善，劉欣等[9]設(shè)計(jì)了一種連續(xù)螺旋輸送機(jī)進(jìn)料的SFE設(shè)備，Topolkaracv V A等[10]則采用了雙螺旋桿結(jié)構(gòu)，王魏強(qiáng)等[11]發(fā)明了球式連續(xù)萃取裝置，實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)備的連續(xù)化操作，對(duì)工業(yè)化應(yīng)用起到了促進(jìn)作用。現(xiàn)有采用快開(kāi)結(jié)構(gòu)的間歇式超臨界流體萃取器存在裝卸料時(shí)間長(zhǎng)、開(kāi)合過(guò)程能量損失，一旦快開(kāi)結(jié)構(gòu)自鎖失靈極易產(chǎn)生安全事故等問(wèn)題。前述實(shí)現(xiàn)連續(xù)化萃取的設(shè)備還存在工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，螺旋輸送的給卸料器在傳送過(guò)程中易堵塞、對(duì)萃取物摩擦破壞較嚴(yán)重等問(wèn)題，限制了工程應(yīng)用的進(jìn)一步推廣。為解決上述問(wèn)題，擬研究工藝可行和設(shè)備制造簡(jiǎn)便的一種活塞倉(cāng)式的萃取裝置，采用連續(xù)進(jìn)卸料方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)萃取，提高萃取效率。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需解決活塞倉(cāng)式的萃取釜在萃取高壓下的往復(fù)動(dòng)密封、密封泄露和密封體磨損問(wèn)題，根據(jù)連續(xù)萃取工藝的需要，通過(guò)設(shè)置多個(gè)活塞倉(cāng)，把萃取物料放入活塞倉(cāng)形成活塞料倉(cāng)鏈，實(shí)現(xiàn)連續(xù)萃取。根據(jù)試驗(yàn)分析，對(duì)活塞料倉(cāng)鏈?zhǔn)降倪B續(xù)萃取器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 密封方式對(duì)密封動(dòng)壓力的影響

活塞料倉(cāng)鏈?zhǔn)降倪B續(xù)萃取器由多個(gè)活塞料倉(cāng)萃取釜組成，單個(gè)活塞料倉(cāng)在筒體內(nèi)運(yùn)動(dòng)需滿足動(dòng)密封的要求，參考往復(fù)式壓縮機(jī)的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)[12]，在活塞料倉(cāng)兩側(cè)設(shè)置O形圈，采用多道密封的方式進(jìn)行密封，由于液相連續(xù)給料方式較固相易于實(shí)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)以在固相萃取的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，由于固體粉料在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中對(duì)密封圈會(huì)造成較嚴(yán)重的磨損，因此擬設(shè)計(jì)一種V形粉塵阻擋圈，減少對(duì)密封材料的磨損影響，提高活塞料倉(cāng)的使用壽命。設(shè)計(jì)如圖1(a)所示的活塞密封溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，兩側(cè)的端蓋起到活塞的作用，根據(jù)GB/T 3452.3—2005《液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸》標(biāo)準(zhǔn)，該結(jié)構(gòu)屬于徑向密封。設(shè)計(jì)活塞外徑φd9=60 mm，溝槽寬度b=4.8 mm，溝槽深度t=2.85 mm，O形圈截面直徑3.55 mm，筒體φd4與活塞φd9采用H8/h7配合，活塞的3個(gè)密封溝槽均可安裝O形圈，左右溝槽還可以裝V形粉塵阻擋圈，端蓋與密封溝槽螺紋連接。

1.1 密封材料對(duì)動(dòng)密封壓力的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，選用丁腈橡膠、氟橡膠和聚氨酯作為往復(fù)動(dòng)密封壓力試驗(yàn)的O形橡膠圈材料，由于流體溫度對(duì)動(dòng)密封壓力的影響較小，因此試驗(yàn)在常見(jiàn)的萃取溫度范圍40～60 ℃ 下進(jìn)行測(cè)定。把3種不同材料的O形橡膠圈分別放在

1. 端蓋 2. 密封溝槽 3. 筒體 4. O形圈圖1 活塞試驗(yàn)示意及密封結(jié)構(gòu)Figure 1 Piston test signal and seal structure

兩側(cè)溝槽內(nèi)雙道密封[見(jiàn)圖1(b)]，用超臨界CO2流體進(jìn)行動(dòng)密封壓力和磨損行程測(cè)定，得到如圖2所示的關(guān)系曲線。由圖2可知，O形圈的動(dòng)密封壓力隨磨損行程的增加趨于穩(wěn)定，密封壓力逐漸下降，聚氨酯的動(dòng)密封壓力最高，穩(wěn)定在12 MPa 左右，氟橡膠次之，約10.6 MPa，丁腈橡膠最低約8.8 MPa，且氟橡膠試驗(yàn)后出現(xiàn)嚴(yán)重的溶脹現(xiàn)象，而聚氨酯則無(wú)明顯變化，綜合而言，應(yīng)選用聚氨酯作為動(dòng)密封材料。

圖2 不同材料下密封壓力與磨損行程曲線Figure 2 Sealing pressure and wear trip curve of different materials

1.2 密封圈數(shù)對(duì)動(dòng)密封壓力的影響

再用單道聚氨酯O形圈進(jìn)行往復(fù)動(dòng)密封壓力測(cè)定[見(jiàn)圖1(c)]，與雙道密封相比，得到密封壓力與磨損行程的曲線見(jiàn)圖3。

圖3 不同密封圈數(shù)下密封壓力與磨損行程曲線Figure 3 Sealing pressure and wear trip curve of different sealing rings

由圖3可知，單道聚氨酯O形圈密封壓力與雙道密封呈現(xiàn)出類(lèi)似的效果，即初始密封壓力較高，隨著磨損行程的增加，密封壓力趨于穩(wěn)定(8.3 MPa左右)，其穩(wěn)定密封壓力比雙道密封低約3.7 MPa。

1.3 V形粉塵阻擋圈對(duì)動(dòng)密封壓力的影響

試驗(yàn)顯示聚氨酯材料具有高度的耐磨性，但長(zhǎng)時(shí)間的使用，固體顆粒仍會(huì)對(duì)其產(chǎn)生磨損，影響動(dòng)密封壓力。根據(jù)GB/T 9877—2008《旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈》，設(shè)計(jì)一種V形粉塵阻擋圈，見(jiàn)圖4。

將該V形粉塵阻擋圈與單道聚氨酯O形圈配合使用，見(jiàn)圖5。

測(cè)定其往復(fù)動(dòng)密封壓力得到密封壓力與磨損行程的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖6。

圖4 V形粉塵阻擋圈Figure 4 V-shaped dust barrier

1. 端蓋 2. 密封溝槽 3. 筒體 4. O形圈 5. V形粉塵阻擋圈圖5 O形圈加V形粉塵阻擋圈密封結(jié)構(gòu)Figure 5 Structure of O ring and V-shaped dust barrier seal

圖6 V形粉塵阻擋圈下密封壓力與磨損行程關(guān)系Figure 6 Relationship between sealing pressure and wear travel under V-shaped dust barrier

由圖6可知，V形粉塵阻擋圈對(duì)動(dòng)密封壓力有一定的提高，但提高不明顯。從試驗(yàn)結(jié)果看，固體粉料被集中擋于V形粉塵阻擋圈的上部及凹處，而密封溝槽與O形圈上卻很少，說(shuō)明其能有效地阻擋固體粉料，有利于延長(zhǎng)O形圈的使用壽命。

2 組合方式對(duì)密封泄露量的影響

增加V形粉塵阻擋圈能有效阻擋固體粉料對(duì)O形圈的磨損傷害，有利于提高使用壽命，且對(duì)動(dòng)密封壓力有一定的提高效果，因此，動(dòng)密封泄漏量的測(cè)定試驗(yàn)采取單道O形圈加V形粉塵阻擋圈與雙道O形圈加V形粉塵阻擋圈2種不同密封方式進(jìn)行對(duì)比研究。由于超臨界流體萃取溫度大多在40～60 ℃，研究發(fā)現(xiàn)CO2到達(dá)超臨界狀態(tài)后，溫度的變動(dòng)對(duì)泄漏量的影響較小，因此試驗(yàn)在60 ℃下進(jìn)行密封泄露量的測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同密封方式下泄漏量和密封壓力曲線Figure 7 Curve of the leakage quantity and sealing pressure under different sealing methods

由圖7可知，單道O形圈加V形粉塵阻擋圈在動(dòng)密封壓力5～8 MPa時(shí)，其泄漏量增加不明顯，不到0.5 mL/h；當(dāng)密封壓力超過(guò)8 MPa時(shí)，泄漏量急劇增大，導(dǎo)致密封失效，因此單道O形圈加V形粉塵阻擋圈有效密封壓力為8 MPa。雙道O形圈加V形粉塵阻擋圈情況類(lèi)似，密封壓力在5.6～12.2 MPa時(shí)，其泄漏量不超過(guò)0.5 mL/h；當(dāng)密封壓力超過(guò)12.2 MPa時(shí)，泄漏量急速變大，密封失效，因此雙道O形圈加V形粉塵阻擋圈的有效密封壓力為12.2 MPa。

3 磨損行程試驗(yàn)分析

O形圈的有效磨損行程的測(cè)定可通過(guò)推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，利用千分尺進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)前面的試驗(yàn)結(jié)果，采用聚氨酯O形圈試驗(yàn)，在8 m行程內(nèi)得到的磨損量與磨損行程曲線見(jiàn)圖8。

圖8 磨損行程與磨損量關(guān)系曲線Figure 8 The relationship curve between weartrip and wear quantity

由圖8可知，磨損量在0.08 mm下為初期磨損，0.08～0.10 mm 相當(dāng)于正常磨損，此曲線關(guān)系圖與初期磨損和正常磨損相吻合，由于在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，壓力不斷變化，為得到有效磨損行程，取在11.0～12.2 MPa下的磨損行程為有效磨損行程，換算出試驗(yàn)的有效磨損行程在1.7 m，初期磨損量(0.00～0.08 mm)的有效磨損行程為0.13 m左右。

4 O形圈接觸可靠性分析

O形圈能實(shí)現(xiàn)可靠密封的原理在于密封材料彈性體發(fā)生變形后擠壓溝槽產(chǎn)生了接觸壓力，只要接觸壓力大于內(nèi)壓，即可實(shí)現(xiàn)有效密封，屬于自緊密封。在進(jìn)行混合物萃取時(shí)，萃取釜是在靜態(tài)下工作的，此時(shí)的密封屬于靜密封，萃取完成，移動(dòng)萃取釜的過(guò)程中則屬于動(dòng)態(tài)密封，要保證萃取器能可靠工作，除了動(dòng)密封要求，還有靜密封的要求。由于橡膠材料在外力作用下發(fā)生的變形為幾何和物理雙重非線性變形，因此對(duì)其力學(xué)性能的計(jì)算十分困難，一般在ANSYS模擬中選用Mooney-Rivlin模型進(jìn)行力學(xué)性能常數(shù)的確定研究[14]，此處選用2項(xiàng)Mooney-Rivlin模型模擬O形圈的接觸過(guò)程，O形圈與接觸的筒體、活塞邊界按軸對(duì)稱問(wèn)題處理，劃分網(wǎng)格時(shí)O形圈較密，筒體、活塞網(wǎng)格較疏，以提高計(jì)算速度和精度[15]。O形圈兩側(cè)壓力差分別為0～25，0～26，0～27 MPa 時(shí)進(jìn)行O形圈工作狀態(tài)的模擬，結(jié)果表明：兩側(cè)壓力差在0～25 MPa時(shí)最大接觸壓力約為25.65 MPa，0～26 MPa 時(shí)約為26.28 MPa，0～27 MPa時(shí)約為26.7 MPa?？梢?jiàn)兩側(cè)壓力差為27 MPa時(shí)，O形圈已不能實(shí)現(xiàn)可靠密封，其最大靜密封壓力差為26 MPa。

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校钊屯搀w在內(nèi)壓的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的變形，采用H8/h7配合，當(dāng)筒體在最大公差0.089 mm配合情形下，最易出現(xiàn)泄露，其不同內(nèi)壓下的筒體變形量見(jiàn)表1。

由表1可知，在壓力增大的過(guò)程中，筒體的變形量也在增加，因此在計(jì)算時(shí)不能把筒體當(dāng)成剛性體。在兩側(cè)壓差為10 MPa時(shí)，O形圈在不同內(nèi)壓力下的最大接觸壓力見(jiàn)表2。

表1 筒體在不同內(nèi)壓下的變形量Table 1 The amount of deformation of the tube under different internal pressure

表2 O形圈在不同內(nèi)壓下的最大接觸壓力Table 2 The maximum contact pressure of O ring under different internal pressure MPa

由表2可知，在壓差恒定的情況下，O形圈最大接觸壓力均大于內(nèi)壓，均能滿足密封要求。

5 O形圈有效密封行程計(jì)算

在磨損行程試驗(yàn)中，O形圈的急劇磨損臨界點(diǎn)未得到相應(yīng)測(cè)定，通過(guò)模擬分析可獲得其使用壽命，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定磨損值在0.01 mm時(shí)最大接觸壓力約27 MPa，比此時(shí)的最大內(nèi)壓(26 MPa)大，可實(shí)現(xiàn)有效密封，當(dāng)磨損量逐漸增大到0.14 mm 時(shí)，O形圈的接觸壓力約26 MPa，與此時(shí)最大內(nèi)壓幾乎相等，因此可認(rèn)為聚氨酯O形圈急劇磨損的臨界值為0.14 mm。根據(jù)圖7，正常磨損期的斜率k=(0.10-0.08)÷(1.70-0.13)=0.012 7，即每米行程磨損量為0.012 7 mm，當(dāng)磨損值達(dá)到0.14 mm時(shí)，計(jì)算得磨損行程為0.14÷0.012 7=11.02 m，可見(jiàn)O形圈的有效密封行程為11.02 m。

6 活塞料倉(cāng)鏈?zhǔn)降倪B續(xù)萃取器設(shè)計(jì)

6.1 活塞料倉(cāng)萃取釜及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為對(duì)活塞料倉(cāng)內(nèi)的不同組分混合物進(jìn)行萃取，可對(duì)不同的活塞料倉(cāng)設(shè)計(jì)分級(jí)壓力萃取，分級(jí)壓力設(shè)置為10 MPa，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最高壓力為50 MPa，即各級(jí)萃取壓力設(shè)置為10，20，30，40，50，40，30，20，10 MPa，共需9個(gè)活塞料倉(cāng)，分級(jí)連續(xù)萃取過(guò)程中，各萃取釜活塞倉(cāng)內(nèi)的壓力從10～50 MPa 逐級(jí)升壓，再?gòu)?0～10 MPa逐級(jí)減壓。根據(jù)前面的試驗(yàn)和模擬結(jié)果，采用聚氨酯材料作為O形圈的動(dòng)密封形式，由于V形粉塵阻擋圈能有效提高O形圈的壽命，因此在萃取釜上設(shè)置V形粉塵阻擋圈，在連續(xù)萃取時(shí)，萃取釜在筒體中單向運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)置一個(gè)V形粉塵阻擋圈，在左右兩側(cè)各設(shè)置一道O形圈進(jìn)行密封，考慮端面泄露，設(shè)計(jì)端面密封圈，由于聚氨酯材料較硬，為便于密封圈的安裝，設(shè)計(jì)的萃取釜及密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。

1. 前壓蓋 2. 前端蓋 3. V形粉塵阻擋圈 4. 端面密封O形圈 5. 活塞倉(cāng)體 6. 金屬網(wǎng) 7. 徑向密封O形圈 8. 后壓蓋

圖9 活塞料倉(cāng)萃取釜及密封結(jié)構(gòu)

Figure 9 Piston bunker extraction kettle and seal structure

其中前壓蓋與前端蓋螺紋壓緊，后壓蓋與活塞倉(cāng)體螺紋壓緊，活塞倉(cāng)體與前端蓋螺紋連接。前、后壓蓋設(shè)置成十字型的凹凸結(jié)構(gòu)，便于多個(gè)活塞料倉(cāng)通過(guò)此結(jié)構(gòu)連接成料倉(cāng)鏈，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)萃取?；钊麄}(cāng)體內(nèi)置金屬網(wǎng)，待分離的固態(tài)混合物放置其中?；钊麄}(cāng)體開(kāi)直徑1.5 mm通孔，其外壁與萃取筒體內(nèi)壁存在1.5 mm的環(huán)縫隙。超臨界流體從上部的進(jìn)流孔通過(guò)金屬網(wǎng)，與金屬網(wǎng)內(nèi)的混合物接觸，再通過(guò)下部的排流孔流出，在活塞倉(cāng)體內(nèi)實(shí)現(xiàn)萃取過(guò)程。

6.2 活塞料倉(cāng)鏈?zhǔn)竭B續(xù)萃取器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算

6.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)超臨界流體萃取的流程，設(shè)計(jì)的活塞料倉(cāng)鏈?zhǔn)竭B續(xù)萃取器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。

其工作原理表述：來(lái)自二氧化碳儲(chǔ)罐的氣體經(jīng)預(yù)熱加壓后變成超臨界流體通過(guò)調(diào)壓閥，調(diào)壓到各級(jí)所需的萃取壓力，超臨界流體從進(jìn)流管通過(guò)活塞料倉(cāng)萃取釜上的通孔進(jìn)入金屬網(wǎng)內(nèi)部與待分離混合物進(jìn)行萃取，并通過(guò)排流管排出，再經(jīng)降壓后變成二氧化碳?xì)怏w，析出萃取物，二氧化碳?xì)怏w預(yù)冷后重新進(jìn)入儲(chǔ)罐，可重復(fù)利用。在萃取前，混合物進(jìn)入活塞料倉(cāng)的過(guò)程在萃取流程外進(jìn)行，當(dāng)要將待萃取的活塞料倉(cāng)并入料倉(cāng)鏈時(shí)，放入液壓裝置，通過(guò)十字接頭與前面的活塞料倉(cāng)插接，并通過(guò)兩端液壓缸卡緊，當(dāng)完成一個(gè)活塞料倉(cāng)萃取，需要取出萃取余物并再次裝入固相萃取物時(shí)，通過(guò)電氣和液壓控制兩端的卡緊裝置松開(kāi)，此時(shí)兩端的液壓缸仍舊卡緊，左邊排出側(cè)的液壓缸收縮，右邊入口側(cè)的液壓缸前進(jìn)，在將需要萃取的活塞料倉(cāng)推入筒體的同時(shí)排出完成萃取的活塞料倉(cāng)，完成該動(dòng)作后兩端的卡緊裝置再次卡緊。為便于操作，兩端設(shè)置了放置臺(tái)，放置臺(tái)與料倉(cāng)鏈不接觸，僅為了放入料倉(cāng)鏈和脫離料倉(cāng)鏈時(shí)作為暫時(shí)擱置活塞料倉(cāng)用。由于裝、卸料都在萃取筒體外進(jìn)行，因此使得萃取的過(guò)程實(shí)現(xiàn)了連續(xù)操作，與采用快開(kāi)密封結(jié)構(gòu)的間歇式操作相比，減少了每次進(jìn)、卸料時(shí)的能量損失，同時(shí)也避免了多次操作后快開(kāi)密封結(jié)構(gòu)失效出現(xiàn)爆炸事故，提高了萃取效率[16]。

1. 液壓裝置 2. 放置臺(tái) 3. 液壓缸 4. 卡緊裝置 5. 筒體 6. 換熱器 7. 活塞料倉(cāng)萃取釜 8. 進(jìn)流管 9. 調(diào)壓閥 10. 排流管 11. 金屬網(wǎng) 12. 通孔

圖10 活塞料倉(cāng)鏈?zhǔn)降倪B續(xù)萃取器結(jié)構(gòu)圖

Figure 10 The structure of continuous extractor with piston bin chain

6.2.2 活塞料倉(cāng)抗壓強(qiáng)度校核 由于設(shè)計(jì)壓力p=50 MPa(>35 MPa)，故采用JB 4732—1995(R2005)《鋼制壓力容器 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》, 設(shè)計(jì)溫度150 ℃，根據(jù)欲萃取容量大小，取活塞料倉(cāng)的內(nèi)徑Dip=35 mm，活塞料倉(cāng)的有效長(zhǎng)度Lp=55 mm，由于分級(jí)萃取，各級(jí)壓力不同，壁厚計(jì)算后取大值10.92 mm，調(diào)整至11 mm，即活塞倉(cāng)體的外徑Dop=57 mm，材料選用316L不銹鋼。由于留有1.5 mm環(huán)縫隙，兩側(cè)端蓋的直徑dp=60 mm，因此取萃取器筒體內(nèi)徑Di=60 mm，設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm=103 MPa，載荷組合系數(shù)K=1.0，由于p>0.4KSm，萃取器的筒體壁厚應(yīng)按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

δ——萃取器筒體計(jì)算厚度，mm；

Di——萃取器筒體內(nèi)徑，mm；

Pc——計(jì)算壓力，MPa；

K——載荷組合系數(shù)；

Sm——設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；

e——自然對(duì)數(shù)的底，2.718 28……。

由式(1)求得萃取器的筒體壁厚δ=18.72 mm，實(shí)際取19 mm，得萃取器筒體外徑D0=Di+2δ=98 mm。

料倉(cāng)鏈運(yùn)動(dòng)時(shí)各級(jí)壓力下的單個(gè)活塞料倉(cāng)的受力模型見(jiàn)圖11。

圖11 活塞料倉(cāng)受力圖Figure 11 Force diagram of piston bin chain

已知筒體內(nèi)壁與聚氨酯材料的摩擦系數(shù)為0.18，則入口側(cè)活塞料倉(cāng)承受的壓力最大，有：

(2)

式中：

F——活塞料倉(cāng)承受的前進(jìn)推力，N；

f1——O形圈與筒體內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力，N；

f2——V形粉塵阻擋圈與筒體內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力，N。

根據(jù)表2的接觸壓力值和V形粉塵阻擋圈模擬接觸壓力值可求得所需推力：F=2.16×105N。

兩相鄰活塞料倉(cāng)擠壓產(chǎn)生的壓力為：

(3)

式中：

F2——相鄰活塞料倉(cāng)擠壓壓力，N。

由于萃取過(guò)程中活塞料倉(cāng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，中間的活塞料倉(cāng)內(nèi)壓最高，承受的拉力最大，活塞料倉(cāng)內(nèi)部受力F1按式(4) 計(jì)算：

(4)

式中：

F1——各活塞料倉(cāng)承受的最大拉力，N。

活塞料倉(cāng)的最大擠壓強(qiáng)度σj：

6.2.3 活塞料倉(cāng)壓桿穩(wěn)定性校核 活塞料倉(cāng)的截面慣性矩：

活塞倉(cāng)體開(kāi)孔后的最小截面積：

在最大開(kāi)孔下的慣性半徑：

活塞料倉(cāng)可簡(jiǎn)化為一段鉸支，一段固定，因此取其長(zhǎng)度因素μ=0.70，單節(jié)有效長(zhǎng)度lp=55 mm，則活塞料倉(cāng)的壓桿柔度：

7 結(jié)論

為提高萃取效率，實(shí)現(xiàn)不同壓力下的分級(jí)連續(xù)萃取，設(shè)計(jì)了活塞料倉(cāng)鏈?zhǔn)降倪B續(xù)萃取器，提供了一種連續(xù)萃取的工藝實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)備過(guò)程可靠，制造方便。與雙螺旋進(jìn)給料方式相比，這種活塞料倉(cāng)鏈?zhǔn)降倪B續(xù)進(jìn)卸料裝置能有效解決固體萃取物在進(jìn)卸料過(guò)程中遭受破壞和易堵塞問(wèn)題，同時(shí)不同料倉(cāng)內(nèi)的壓力可實(shí)現(xiàn)萃取過(guò)程中壓力逐級(jí)增加后逐級(jí)降壓的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)萃取物不同組分分級(jí)連續(xù)萃取，與單一壓力的連續(xù)萃取設(shè)備相比，萃取范圍更廣。本次研究未完全考慮流體溫度對(duì)密封和萃取效果的影響，下一步可在常見(jiàn)的萃取溫度范圍內(nèi)(40～60 ℃)進(jìn)行試驗(yàn)，得出溫度對(duì)密封壓力和磨損行程的關(guān)系，選擇不同材料組合密封，優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)及萃取設(shè)備結(jié)構(gòu)。對(duì)更高壓力范圍(50～100 MPa)和更大直徑的活塞密封研究和萃取器設(shè)計(jì)也需要更多的試驗(yàn)，在萃取物是固體粉料情況下對(duì)動(dòng)密封的影響也是一個(gè)關(guān)鍵研究點(diǎn)，可考慮設(shè)計(jì)新型的密封結(jié)構(gòu)對(duì)抗固體粉料的影響從而實(shí)現(xiàn)有效密封，實(shí)現(xiàn)超臨界流體的連續(xù)高效萃取。

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