基于模糊分散控制的雙層攪拌微波反應釜混料均勻性自適應研究

呂志敏

(濮陽職業技術學院，河南 濮陽 457000)

隨著物料自動化攪拌控制技術的不斷發展，微波反應釜被廣泛應用于食品、石油化工等多個行業中，不僅有效提高了生產效率，還節約了大量的人力物力，但隨著技術的不斷發展，對其物料攪拌均勻度以及效率的要求隨之提高[1]。如何提高微波反應釜物料攪拌的均勻度及效率，成為當前該領域研究的熱點[2]。

夏國標等[3]提出了基于顏基比和進料速度自適應控制的混合攪拌均衡控制方法，有效實現了均衡控制，但該方法進行雙層攪拌結構微波反應釜的物料混合均勻控制的自適應性較差；楊文等[4]提出模糊反饋調節的基于雙層攪拌結構微波反應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，提高了工作效率，但該設計加大了微波反應釜內工作環境的復雜度，對其物料攪拌均勻度考慮甚少。

基于上述問題，試驗擬提出基于模糊分散控制技術的雙層攪拌結構微波反應釜的物料混合均勻控制方法，通過混合攪拌設備、混合攪拌介質、混合攪拌時間等，提高料物攪拌的混合均勻控制能力等，旨在提高微波反應釜物料攪拌的均勻度及效率。

1 雙層攪拌微波反應釜結構分析

微波反應釜由擋板、出氣口、攪拌槳等部件構成(見圖1)。微波反應釜的主密封口采用A型雙線密封，其余密封點均采用圓弧面與平面、圓弧面與圓弧面的線接觸密封形式，依靠接觸面的高精度和光潔度，達到良好的密封效果[6]。微波反應釜的釜體外裝有桶型碳化硅爐芯，電爐絲穿于爐芯中，其端頭由爐殼側下部穿出，通過接線螺柱、橡套電纜與控制器相連。微波反應釜裝有壓力表、爆破膜安全裝置、汽液相閥、溫度傳感器等，便于隨時了解釜內的反應情況，調節釜內的介質比例，并確保安全運行，聯軸器主要由具有很強磁力的一對內外磁環組成，中間有承壓的隔套等。攪拌時，上層攪拌槳和下層攪拌槳附近軸向和徑向均產生比較明顯的流動。該微波反應釜中設計比較突出的為攪拌槳、攪拌軸以及擋板3個重要部件[7]。

1. 擋板 2. 攪拌軸 3. 雙層攪拌槳 4. 筒體 5. 進氣口 6. 出氣口 7. 靜區域 8. 動區域 9. 球形封頭 10. 氣體分布器

圖1 雙層微波反應釜內部主要部件結構示意圖

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

1.1 攪拌槳

市場上出現的攪拌槳葉種類繁多，比較常見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]。試驗選擇的是標準六直葉圓盤渦輪式攪拌槳(見圖2)。該攪拌槳便于產生徑向流，其轉速較快(200 r/min)、剪切力較強，攪拌電機功率為250 W。

圖2 標準六直葉圓盤渦輪式攪拌槳結構

攪拌槳在工作過程中與力的大小和流體的物理性質相關，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

依據攪拌軸在機械中所處的環境，攪拌軸可選擇防腐性能高、表面硬度高的耐磨材質，試驗選擇不銹鋼材質，并對其表面進行鍍鉻處理，提高表面的強度和耐磨性能。

攪拌軸在工作過程中彎矩很小，所以用扭轉強度來確定攪拌軸直徑。

(3)

式中：

zτ——攪拌軸的可用扭轉力，N/kg；

ξ——攪拌軸所受的扭矩，N·m；

ψτ——攪拌軸的抗扭截面系數，mm3。

1.3 擋板

在微波反應釜中，擋板能使反應釜攪拌得更加均勻。當微波反應釜沒有擋板時，在啟動之后物料會跟隨攪拌軸的快速旋轉產生離心力，導致攪拌軸中心位置的液面較低，而微波反應釜內壁周圍液面位置較高，不利于微波反應釜攪拌均勻。為了避免這種現象的出現，設計微波反應釜時選擇放置6片雙層擋板，每層擋板之間為120°，上下兩層之間設為60°，按照擋板與動區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，還可改變微波反應釜內的環境。微波反應釜的擋板設置示意圖如圖3所示。

圖3 微波反應釜擋板設計示意圖

2 微波反應釜的物料混合控制因素分析和控制對象描述

2.1 控制因素分析

(4)

(5)

設定雙層攪拌結構微波反應釜的反滲透系數為v，v=(θ1,θ2,…,θn)，在恒壓運行工況下，得到微波反應釜的物料混合均衡反饋線性化調節系數為：

pi(t)=

(6)

隨著微波反應釜循環運行中水溫的升高，物料截留率升高，此時微波反應釜儲水罐中有機物濃度控制模型為：

(7)

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

(8)

(9)

2.2 雙層攪拌結構性調節

以雙層攪拌結構微波反應釜的混合攪拌時間與混合攪拌次數為關聯特征量，采用模糊PID控制方法進行微波反應釜的物料雙層攪拌結構自適應控制[11]，得到反滲透組件抗膜的控制律：

(10)

(11)

根據上述分析，采用玻璃珠和氧化鋁珠作為物料混合攪拌介質，進行雙層攪拌的誤差反饋調節。

3 微波反應釜的物料混合均勻優化控制

3.1 優化控制函數

在構建了雙層攪拌結構微波反應釜混合均勻攪拌控制因素分析模型的基礎上，進行微波反應釜的物料混合均勻控制的優化，基于模糊分散控制技術的雙層攪拌結構微波反應釜的物料混合均勻控制方法[12]，構建雙層攪拌結構微波反應釜的混合均勻性攪拌可靠性調節參量集：

(12)

在反滲透組件約束下，得到微波反應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，進行雙層攪拌的誤差反饋調節和自適應控制，得到優化的雙層攪拌結構微波反應釜的物料混合均勻控制律為：

(14)

在膜比通量衰減速率進化下，得到膜組件的抗滲透動態調節參量分布為CHi(i∈C1)，進水隔網定向角度調整為45°，得物料混合均勻控制的優化控制函數表述為：

(15)

物料混合均勻控制的優化控制函數可進行雙層攪拌結構微波反應釜的物料混合均勻調節，實現了雙層攪拌結構微波反應釜的物料混合均勻控制。

3.2 湍流模型

由于攪拌軸、擋板等結構的存在，微波反應釜內流體存在較強的流線彎曲、漩渦和旋轉的情況，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生的湍流動能，J；

Gb——由浮力產生的湍流動能，J；

YM——過渡擴散產生的波動；

C2、C1ε——常量；

Sk、Sε——可根據具體需求用戶自行進行定義。

在微波反應釜工作過程中，釜內的流動環境非常復雜，通過該模型來修正微波反應釜內的工作環境，處理攪拌槳葉、擋板、攪拌軸以及其他靜止區域，可確保物料混合均勻控制。

4 試驗與結果分析

為了驗證試驗方法的有效性，選擇Microtrac S-3500激光粒度測試儀為試驗設備，直徑1.6，1.8～2.0，2.4～2.8 mm 的磁微粒為混合攪拌介質，進行雙層攪拌結構微波反應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，雙層攪拌結構微波反應釜中物料組成分布見表1。由表1可知，各直徑的磁微粒介質進行雙層攪拌混合控制后，反應釜中的物料組成均勻可控。

表1雙層攪拌結構微波反應釜中的物料組成分布

Table1Compositionofmaterialsinmicrowavereactorwithdouble-layerstirringstructure mg/kg

樣本區域鹽磷鉀A區14390150B區15660140C區436040D區13456140E區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，進行雙層攪拌結構微波反應釜混合均勻攪拌，測試在不同的玻璃珠、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進行雙層攪拌，物料混合控制均勻性較好。

圖4 微波反應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，進行雙層攪拌的誤差反饋調節和自適應控制，混合攪拌90 min，在直徑小的微粒中，得到混合攪拌介質物料吸收指數分布、消耗指數分布以及生產效率指數分布如表2所示。由表2可知，通過微波反應釜的物料雙層攪拌結構自適應調節，提高了物料混合攪拌的均勻性。

測試混合攪拌物料攪拌的養分平衡指數分布指標見表3。由表3可知，通過混合攪拌介質，提高了微波反應釜的物料養分平衡指標與平衡率。

表2 混合攪拌介質物料的分布指數

表3微波反應釜的物料攪拌平衡指標

Table3Nutrientbalance,balanceindexandbalancerateindexofmaterialagitationinmicrowavereactor

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

分析物料混合的養分吸收量與攪拌控制的關系，得到微波反應釜的物料雙層攪拌吸收增量分布如圖5所示。由圖5可知，采用試驗方法進行雙層攪拌結構微波反應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定性較好。

圖5 微波反應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 結論

試驗研究了相關因素下雙層攪拌結構微波反應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構微波反應釜的物料混合均勻性分析的試驗材料、儀器和測試方法。結果表明，采用玻璃珠和氧化鋁珠作為物料混合的攪拌介質，進行雙層攪拌的誤差反饋調節和自適應控制，可實現雙層攪拌結構微波反應釜的物料混合均勻性能，提高物料混合均勻性。后續可研究適當增加雙層攪拌結構微波反應釜的混合攪拌時間與混合攪拌次數，從而提升試驗結果的準確性。