群锅蒸煮实验装置的研制

胡明辅 李淑兰 陈克利 别 玉

(昆明理工大学化学工程学院，云南昆明，650224)

群锅蒸煮实验装置的研制

胡明辅 李淑兰 陈克利 别 玉

(昆明理工大学化学工程学院，云南昆明，650224)

介绍了群锅蒸煮实验装置的基本原理、主要结构、锅体设计、实验过程等。该装置主要结构包括:箱体和机架、箱盖运动系统、蒸煮群锅运动系统、加热测量控制系统。该装置的优点是一次可同时进行8锅以上蒸煮实验，同时还具有加热均匀、温度控制精确、密封可靠、操作简单的特点。

群锅蒸煮;实验装置;研制

目前在用的造纸实验蒸煮锅，大多容积为15 L，为了提高效率，有的实验是在15 L电热蒸煮锅内套装几个小罐进行［1］。原理同蒸球和立式蒸煮锅。搅拌方式有类似蒸球的容器绕自身水平轴线转动搅拌和类似立式蒸煮锅的介质循环搅拌，加热方式多为电加热。每次只能蒸煮1锅或最多4小罐，蒸煮曲线固定，如需要调整蒸煮曲线则要反复多次才能实现，蒸煮效率较低。针对这一问题，昆明理工大学立项开发了“群锅造纸蒸煮实验装置”。这种群锅造纸蒸煮实验装置与目前在用的实验蒸煮锅的不同之处在于一次可完成小容量多锅蒸煮，而且蒸煮中的各小锅可根据需要在不同的温度、不同的时段随意取出或放入，也可向锅内加汽［2］。该装置具有实验效率高，同时还具有加热搅拌均匀、温度控制精确、密封可靠、操作简单的特点。用于本科学生的蒸煮及压力反应实验，最大可满足8～12人的一对一实验;用于科研则一次可设置8～12个不同条件的蒸煮与压力反应，比国内普遍采用的实验室蒸煮设备在效率上提高了2～3倍以上。

1 群锅造纸蒸煮实验装置原理

1.1 基本结构

群锅造纸蒸煮实验装置的总体结构如图1所示，主要结构包括4个部分:①箱体和机架。机架用于包容箱体和支承两套运动系统;②箱盖运动系统。由电动机、减速器、链轮机构、导轨、导轮及行程开关组成，完成箱盖的平稳打开与密封关闭;③蒸煮群锅运动系统。由电动机、减速器、链轮机构、花盘式支架及转轴组成，完成群锅的固定和驱动群锅在箱体导热油中绕花盘式支架的转轴转动;④加热测量控制系统。导热油由多组铂热电阻加热器加热，用热电偶测量，并用智能数显温控仪控制和显示温度。

图1 群锅造纸蒸煮实验装置总体结构

1.2 工作原理及实验过程

群锅蒸煮实验装置适用于化学法蒸煮各种植物纤维原料。根据不同的原料、蒸煮方法以及预期的蒸煮效果，可以设计不同的影响因素，如蒸煮温度、蒸煮时间、搅拌强度，加上不同小罐可设置的诸如液固比、用碱量和浓度等来寻找最佳工艺条件。

群锅蒸煮实验装置的工作原理是由两套运动系统和一套加热测量控制系统来完成对植物纤维原料介质加热和搅拌的蒸煮过程。

箱盖运动系统中箱盖设计为升降式，升起时将装好植物纤维原料及相应化学药液的群锅一个个水平装入花盘式固定支架和花盘式活动支架中，上好活动支架上紧定锅体的旋钮，以保证群锅的轴向位置。当群锅固定好后，启动箱盖运动系统，群锅随箱盖下降沉入箱体导热油中，箱盖平稳盖紧箱体，箱盖与箱体之间为静密封，密封比较可靠。

蒸煮群锅运动系统的动力系统置于箱盖上，通过一个链轮机构将运动和动力传递至花盘式固定支架和花盘式活动支架的转轴上，水平放置于两支架内的蒸煮群锅随之转动。群锅的每一个锅体不是绕自身轴线转动，而是绕花盘式支架的转轴转动，使化学药剂的水溶液能与被处理的植物纤维原料充分混合，搅拌比较均匀，其搅拌强度可通过转轴转速进行调整，采用电动机变频调速即可。群锅中的每个单锅与转轴等距，油浴时间相同，因而搅拌和加热条件完全相同，且一次能完成多锅蒸煮实验，具有非常高的效率。

蒸煮时，群锅随箱盖关闭并没入箱体导热油中油浴加热，由箱盖上的动力系统驱动群锅绕花盘式支架的转轴作旋转运动，完成加热和搅拌的蒸煮过程。蒸煮终了时，群锅随箱盖升起离开箱体导热油，待油淋净，松开花盘式支架上的紧定旋钮，即可水平取放群锅进行加料和卸料，操作简单。

实验中可根据各锅设定的不同的蒸煮时间适时取出。此时可升起箱盖，取出预先确定的小罐即可恢复运转。群锅转动系统和箱盖运动系统是非门关系，群锅转动系统工作时，箱盖运动系统是不能运动的。同理，箱盖运动系统工作时，群锅转动系统就不工作。

2 群锅造纸蒸煮实验装置运动系统设计

2.1 箱盖运动系统

图2为箱体和机架与箱盖运动系统结构。从图2看出，机架1由两部分组成，左侧的主要部分用来固定箱体2，右侧的框架用来支承箱盖运动系统的电动机及减速器等。竖直放置的电动机5通过联轴器与蜗轮蜗杆减速器3连接，安装在蜗轮蜗杆减速器输出轴上的链轮4带动链条6驱动链轮7转动，链轮7又带动传动轴8传动，传动轴8的两端各安装一个链轮9，链轮9又通过链条10带动轴承13上的链轮14转动，轴承13安装在支承架11上，链条10的一端与两拉杆12铰接，拉杆12的一端与L形接头15铰接，L形接头15的一个面既焊接在箱盖16上，又焊接在导轨17上，导轨17的升降距离由两个行程开关18控制，为了保证导轨的垂直，在机架的8个节点处安有8对导轮。整个系统保证箱盖水平升降时能平稳打开与密封关闭。

图2 箱体和机架与箱盖启闭运动结构

2.2 蒸煮群锅运动系统

图3为蒸煮群锅运动系统及其与箱体和机架的结构关系，图3中拆去9～15、17、18号零件。群锅蒸煮的动力系统由调频电动机26通过联轴器将运动和动力传递给减速器25，减速器输出轴上的主动链轮22通过链条21驱动从动链轮20转动，从而驱动转轴30转动，转轴30由左轴承架19和右轴承架24支承，为防止导热油由链传动机构带出，在主动链轮上加一链轮罩23。转轴30上安装有花盘式固定支架28和花盘式活动支架32，固定支架28与轴承的距离由定位轴套27确定。29为蒸煮群锅上用于加气体介质的角阀。蒸煮群锅31由蝴蝶螺栓33紧定，以防止锅体移动和转动，34为导轨导轮，35为导轮轴，用于保证导轨的垂直运动。36为导热油铂热电阻加热器。整个系统保证群锅的固定，驱动群锅在箱体导热油中绕花盘式支架的转轴转动油浴加热。

2.3 加热控制数显系统

加热测量控制系统为多组铂热电阻加热器和智能数显温控仪。采用多组铂热电阻的目的是能快速升温和方便控制。导热油温度用热电偶测量，用智能数显温控仪控制和显示温度，蒸煮群锅由油浴加热，因而加热均匀，温度控制精确。

3 群锅设计

3.1 群锅设计

群锅锅体形状为一圆柱形壳体，与锅盖的连接为螺纹连接。为了方便锅盖的装拆，在锅体和锅盖外侧分别设置一对平面凸台。锅盖上还安装一接管和角阀，用于排气和注入工艺气体。阀杆与单个锅体的轴线同轴，接管与阀杆垂直。在锅盖的靠近锅体一侧还设有气体分布器。群锅锅体是一外部加热内部受压的容器，蒸煮液为强腐蚀性介质，锅体壁厚按GB150设计，锅体材料采用316 L不锈钢。

3.2 群锅支撑结构设计

群锅的支承结构有花盘式固定支架和花盘式活动支架，其基本结构相同。图4为花盘式活动支架，比花盘式固定支架多了一组紧定旋钮。花盘式固定支架和花盘式活动支架固定在转轴的两端，每个锅体简支在两支架的孔中。群锅的轴线距转轴轴线的距离与箱体大小和群锅的数量、直径有关。

图4 花盘式群锅活动支架

4 结语

4.1 由于使用了群锅，单个锅体不是绕自身轴线转动，而是绕花盘式支架的轴线转动，使化学药液能与被处理的植物纤维原料充分混合，再加上群锅使用油浴加热，各部位的温度较一致，因此，可以减少介质容量，单锅50～2000 mL，可以节省实验材料。

4.2 置于花盘式支架孔中的群锅水平放置，蒸煮时，群锅随箱盖沉入箱体导热油中油浴加热，由箱盖上的动力系统驱动群锅绕花盘式支架的转轴转动，完成加热和搅拌的蒸煮过程。群锅中的每个单锅与转轴等距，油浴时间相同，因而搅拌和加热条件完全相同，且一次完成多锅蒸煮实验。本设计为便于适应不同大小的蒸煮锅，设计了可以调换的两种花盘式支架，大锅支架可装8个，小锅可装12个，具有较高的实验效率。

4.3 置于花盘式支架上的群锅水平放置，取放蒸煮群锅时，群锅随箱盖升起离开箱体热油，松开花盘式支架上的紧定旋钮，即可水平取放群锅进行加料、卸料或充气，轻松实现不同蒸煮时间与温度下的取样，操作简单且易于控制。

图3 箱体和机架与蒸煮群锅运动机构

4.4 箱盖的升降通过链轮机构单独驱动，运动的准确性由置于机架上的垂直导轨、行程开关和机架上8个节点处的导轮保证，箱体与箱盖之间为静密封。具有运动平稳准确，密封可靠的特点。

4.5 加热测量控制系统，导热油由多组铂热电阻加热器加热，用智能数显温控仪控制和显示温度，蒸煮群锅在导热油中被加热，具有加热均匀，温度控制精确的特点。

4.6 群锅运动系统和箱盖启闭系统是非门关系，群锅转动系统工作时，箱盖启闭系统不能运动。同理箱盖启闭系统工作时，群锅转动系统就不工作，操作安全稳定。

［1］周学飞，刘宏华，朱正良．思茅松乙醇-硫酸盐法制浆性能研究［J］．中国造纸学报，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，钢制压力容器［S］．北京:中国标准出版社，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

胡明辅先生，教授;主要从事过程装备及新能源装备研究工作。

2011-07-20(修改稿)

本课题为国家自然科学基金项目“蔗渣生物预处理节能清洁化氧碱制浆的研究”(20567001)。

(责任编辑:赵旸宇)