基于模糊分散控制的雙層攪拌微波反應(yīng)釜混料均勻性自適應(yīng)研究

呂志敏

(濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000)

隨著物料自動(dòng)化攪拌控制技術(shù)的不斷發(fā)展，微波反應(yīng)釜被廣泛應(yīng)用于食品、石油化工等多個(gè)行業(yè)中，不僅有效提高了生產(chǎn)效率，還節(jié)約了大量的人力物力，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)其物料攪拌均勻度以及效率的要求隨之提高[1]。如何提高微波反應(yīng)釜物料攪拌的均勻度及效率，成為當(dāng)前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[2]。

夏國(guó)標(biāo)等[3]提出了基于顏基比和進(jìn)料速度自適應(yīng)控制的混合攪拌均衡控制方法，有效實(shí)現(xiàn)了均衡控制，但該方法進(jìn)行雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合均勻控制的自適應(yīng)性較差；楊文等[4]提出模糊反饋調(diào)節(jié)的基于雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜分散混合控制方法，可提高物料攪拌效率，但該方法的模糊度較大，抗干擾性能較弱；徐璐等[5]提出采用多相流模型等和多重參考系方法，增加了攪拌槳層數(shù)，提高了工作效率，但該設(shè)計(jì)加大了微波反應(yīng)釜內(nèi)工作環(huán)境的復(fù)雜度，對(duì)其物料攪拌均勻度考慮甚少。

基于上述問(wèn)題，試驗(yàn)擬提出基于模糊分散控制技術(shù)的雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合均勻控制方法，通過(guò)混合攪拌設(shè)備、混合攪拌介質(zhì)、混合攪拌時(shí)間等，提高料物攪拌的混合均勻控制能力等，旨在提高微波反應(yīng)釜物料攪拌的均勻度及效率。

1 雙層攪拌微波反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)分析

微波反應(yīng)釜由擋板、出氣口、攪拌槳等部件構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。微波反應(yīng)釜的主密封口采用A型雙線(xiàn)密封，其余密封點(diǎn)均采用圓弧面與平面、圓弧面與圓弧面的線(xiàn)接觸密封形式，依靠接觸面的高精度和光潔度，達(dá)到良好的密封效果[6]。微波反應(yīng)釜的釜體外裝有桶型碳化硅爐芯，電爐絲穿于爐芯中，其端頭由爐殼側(cè)下部穿出，通過(guò)接線(xiàn)螺柱、橡套電纜與控制器相連。微波反應(yīng)釜裝有壓力表、爆破膜安全裝置、汽液相閥、溫度傳感器等，便于隨時(shí)了解釜內(nèi)的反應(yīng)情況，調(diào)節(jié)釜內(nèi)的介質(zhì)比例，并確保安全運(yùn)行，聯(lián)軸器主要由具有很強(qiáng)磁力的一對(duì)內(nèi)外磁環(huán)組成，中間有承壓的隔套等。攪拌時(shí)，上層攪拌槳和下層攪拌槳附近軸向和徑向均產(chǎn)生比較明顯的流動(dòng)。該微波反應(yīng)釜中設(shè)計(jì)比較突出的為攪拌槳、攪拌軸以及擋板3個(gè)重要部件[7]。

1. 擋板 2. 攪拌軸 3. 雙層攪拌槳 4. 筒體 5. 進(jìn)氣口 6. 出氣口 7. 靜區(qū)域 8. 動(dòng)區(qū)域 9. 球形封頭 10. 氣體分布器

圖1 雙層微波反應(yīng)釜內(nèi)部主要部件結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 Structure of main components in double-layer microwave reactor

1.1 攪拌槳

市場(chǎng)上出現(xiàn)的攪拌槳葉種類(lèi)繁多，比較常見(jiàn)的有螺旋式四葉攪拌槳、螺旋槳式三葉片攪拌槳、渦輪式攪拌槳、溶解式攪拌槳、錨式攪拌槳等[8]。試驗(yàn)選擇的是標(biāo)準(zhǔn)六直葉圓盤(pán)渦輪式攪拌槳(見(jiàn)圖2)。該攪拌槳便于產(chǎn)生徑向流，其轉(zhuǎn)速較快(200 r/min)、剪切力較強(qiáng)，攪拌電機(jī)功率為250 W。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)六直葉圓盤(pán)渦輪式攪拌槳結(jié)構(gòu)

攪拌槳在工作過(guò)程中與力的大小和流體的物理性質(zhì)相關(guān)，故其攪拌槳功率為：

P=2τNτ，

(1)

τ=103LFg，

(2)

式中：

τ——扭矩，N·m；

Fg——受感器所受的力，N/kg；

L——鐵桿頂部至槽中心的距離，m。

1.2 攪拌軸

依據(jù)攪拌軸在機(jī)械中所處的環(huán)境，攪拌軸可選擇防腐性能高、表面硬度高的耐磨材質(zhì)，試驗(yàn)選擇不銹鋼材質(zhì)，并對(duì)其表面進(jìn)行鍍鉻處理，提高表面的強(qiáng)度和耐磨性能。

攪拌軸在工作過(guò)程中彎矩很小，所以用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來(lái)確定攪拌軸直徑。

(3)

式中：

zτ——攪拌軸的可用扭轉(zhuǎn)力，N/kg；

ξ——攪拌軸所受的扭矩，N·m；

ψτ——攪拌軸的抗扭截面系數(shù)，mm3。

1.3 擋板

在微波反應(yīng)釜中，擋板能使反應(yīng)釜攪拌得更加均勻。當(dāng)微波反應(yīng)釜沒(méi)有擋板時(shí)，在啟動(dòng)之后物料會(huì)跟隨攪拌軸的快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，導(dǎo)致攪拌軸中心位置的液面較低，而微波反應(yīng)釜內(nèi)壁周?chē)好嫖恢幂^高，不利于微波反應(yīng)釜攪拌均勻。為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)微波反應(yīng)釜時(shí)選擇放置6片雙層擋板，每層擋板之間為120°，上下兩層之間設(shè)為60°，按照擋板與動(dòng)區(qū)域之間的距離均相等放置。不僅可以提高攪拌混合的效率和均勻度，還可改變微波反應(yīng)釜內(nèi)的環(huán)境。微波反應(yīng)釜的擋板設(shè)置示意圖如圖3所示。

圖3 微波反應(yīng)釜擋板設(shè)計(jì)示意圖

2 微波反應(yīng)釜的物料混合控制因素分析和控制對(duì)象描述

2.1 控制因素分析

(4)

(5)

設(shè)定雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的反滲透系數(shù)為v，v=(θ1,θ2,…,θn)，在恒壓運(yùn)行工況下，得到微波反應(yīng)釜的物料混合均衡反饋線(xiàn)性化調(diào)節(jié)系數(shù)為：

pi(t)=

(6)

隨著微波反應(yīng)釜循環(huán)運(yùn)行中水溫的升高，物料截留率升高，此時(shí)微波反應(yīng)釜儲(chǔ)水罐中有機(jī)物濃度控制模型為：

(7)

以通量衰減速率作為約束參量，構(gòu)建微波反應(yīng)釜反滲透膜控制模型，得通量衰減控制的反滲透膜運(yùn)行模型[10]，由微波反應(yīng)釜的物料混合輸入向量Y(i)可得機(jī)器人的剛性驅(qū)動(dòng)特征量為：

(8)

(9)

2.2 雙層攪拌結(jié)構(gòu)性調(diào)節(jié)

以雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的混合攪拌時(shí)間與混合攪拌次數(shù)為關(guān)聯(lián)特征量，采用模糊PID控制方法進(jìn)行微波反應(yīng)釜的物料雙層攪拌結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制[11]，得到反滲透組件抗膜的控制律：

(10)

(11)

根據(jù)上述分析，采用玻璃珠和氧化鋁珠作為物料混合攪拌介質(zhì)，進(jìn)行雙層攪拌的誤差反饋調(diào)節(jié)。

3 微波反應(yīng)釜的物料混合均勻優(yōu)化控制

3.1 優(yōu)化控制函數(shù)

在構(gòu)建了雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜混合均勻攪拌控制因素分析模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行微波反應(yīng)釜的物料混合均勻控制的優(yōu)化，基于模糊分散控制技術(shù)的雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合均勻控制方法[12]，構(gòu)建雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的混合均勻性攪拌可靠性調(diào)節(jié)參量集：

(12)

在反滲透組件約束下，得到微波反應(yīng)釜的物料混合攪拌的膜通量衰減因素為：

PF=

{f(X)=[f1(X),f2(X),…,fr(X)]|X∈{X*}}。

(13)

采用玻璃珠和氧化鋁珠作為物料混合的攪拌介質(zhì)，進(jìn)行雙層攪拌的誤差反饋調(diào)節(jié)和自適應(yīng)控制，得到優(yōu)化的雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合均勻控制律為：

(14)

在膜比通量衰減速率進(jìn)化下，得到膜組件的抗?jié)B透動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)參量分布為CHi(i∈C1)，進(jìn)水隔網(wǎng)定向角度調(diào)整為45°，得物料混合均勻控制的優(yōu)化控制函數(shù)表述為：

(15)

物料混合均勻控制的優(yōu)化控制函數(shù)可進(jìn)行雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合均勻調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合均勻控制。

3.2 湍流模型

由于攪拌軸、擋板等結(jié)構(gòu)的存在，微波反應(yīng)釜內(nèi)流體存在較強(qiáng)的流線(xiàn)彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)的情況，故湍流模型選用帶旋流修正的 Realizablek-ε模型[13]，即：

(16)

(17)

式中：

Gk——由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；

Gb——由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；

YM——過(guò)渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；

C2、C1ε——常量；

Sk、Sε——可根據(jù)具體需求用戶(hù)自行進(jìn)行定義。

在微波反應(yīng)釜工作過(guò)程中，釜內(nèi)的流動(dòng)環(huán)境非常復(fù)雜，通過(guò)該模型來(lái)修正微波反應(yīng)釜內(nèi)的工作環(huán)境，處理攪拌槳葉、擋板、攪拌軸以及其他靜止區(qū)域，可確保物料混合均勻控制。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證試驗(yàn)方法的有效性，選擇Microtrac S-3500激光粒度測(cè)試儀為試驗(yàn)設(shè)備，直徑1.6，1.8～2.0，2.4～2.8 mm 的磁微粒為混合攪拌介質(zhì)，進(jìn)行雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合均衡性攪拌控制，混合攪拌30 min后分析物料的均勻性，雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜中物料組成分布見(jiàn)表1。由表1可知，各直徑的磁微粒介質(zhì)進(jìn)行雙層攪拌混合控制后，反應(yīng)釜中的物料組成均勻可控。

表1雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜中的物料組成分布

Table1Compositionofmaterialsinmicrowavereactorwithdouble-layerstirringstructure mg/kg

樣本區(qū)域鹽磷鉀A區(qū)14390150B區(qū)15660140C區(qū)436040D區(qū)13456140E區(qū)15654150

按表1的物料成分分布，以40 mil-40°和 40 mil-45°兩種膜作為物料攪拌介質(zhì)，進(jìn)行雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜混合均勻攪拌，測(cè)試在不同的玻璃珠、氧化鋁珠和氧化鋯珠作為攪拌微粒介質(zhì)下的粒徑大小分布如圖4所示。由圖4可知，采用玻璃珠和氧化鋁珠混合作為物料攪拌介質(zhì)進(jìn)行雙層攪拌，物料混合控制均勻性較好。

圖4 微波反應(yīng)釜物料混合攪拌控制的粒徑分布

Figure 4 Particle size distribution of material mixing and stirring control in microwave reactor

采用玻璃珠和氧化鋁珠作為物料混合的攪拌介質(zhì)，進(jìn)行雙層攪拌的誤差反饋調(diào)節(jié)和自適應(yīng)控制，混合攪拌90 min，在直徑小的微粒中，得到混合攪拌介質(zhì)物料吸收指數(shù)分布、消耗指數(shù)分布以及生產(chǎn)效率指數(shù)分布如表2所示。由表2可知，通過(guò)微波反應(yīng)釜的物料雙層攪拌結(jié)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高了物料混合攪拌的均勻性。

測(cè)試混合攪拌物料攪拌的養(yǎng)分平衡指數(shù)分布指標(biāo)見(jiàn)表3。由表3可知，通過(guò)混合攪拌介質(zhì)，提高了微波反應(yīng)釜的物料養(yǎng)分平衡指標(biāo)與平衡率。

表2 混合攪拌介質(zhì)物料的分布指數(shù)

表3微波反應(yīng)釜的物料攪拌平衡指標(biāo)

Table3Nutrientbalance,balanceindexandbalancerateindexofmaterialagitationinmicrowavereactor

物料養(yǎng)分平衡/(kg·mol-1)平衡指數(shù)平衡率/%氮14.64.0134.6磷4.56.4-5.6鉀134.665.7-41.8

分析物料混合的養(yǎng)分吸收量與攪拌控制的關(guān)系，得到微波反應(yīng)釜的物料雙層攪拌吸收增量分布如圖5所示。由圖5可知，采用試驗(yàn)方法進(jìn)行雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合控制均勻性較好，物料混合均勻控制雙層攪拌穩(wěn)定性較好。

圖5 微波反應(yīng)釜的物料雙層攪拌吸收增量分布

Figure 5 The increment distribution of material double-layer agitation absorption in microwave reactor

5 結(jié)論

試驗(yàn)研究了相關(guān)因素下雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合均勻性控制方法，分析了控制約束模型、控制算法和雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合均勻性分析的試驗(yàn)材料、儀器和測(cè)試方法。結(jié)果表明，采用玻璃珠和氧化鋁珠作為物料混合的攪拌介質(zhì)，進(jìn)行雙層攪拌的誤差反饋調(diào)節(jié)和自適應(yīng)控制，可實(shí)現(xiàn)雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的物料混合均勻性能，提高物料混合均勻性。后續(xù)可研究適當(dāng)增加雙層攪拌結(jié)構(gòu)微波反應(yīng)釜的混合攪拌時(shí)間與混合攪拌次數(shù)，從而提升試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。