超声振动辅助制粒成型的机理研究与数值模拟

摘要

从生物质中提取糖是未来的可再生能源发展方向之一。生物质是指草本类植物、树木和农业废弃物中不可食用的部分。生物质糖化技术是将生物质转化成为各种单糖（葡萄糖、果糖等)，进而转化为各种化学制品、燃料等其他产物。目前缺乏有效的预处理方法已经成为限制生物质糖化技术大规模生产的技术瓶颈之一，超声振动辅助制粒成型技术是一种新型的预处理技术，并且具备功能:1）提高生物质密度，降低运输成本;2）提高生物质干燥度并减少细菌滋生，利于长时间存储;3）将生物质在水解过程（用酶将生物质转化成糖的过程）中的出糖率提高了20％。
　　本文包含了超声振动辅助制粒成型实验和数值模拟，全文结构如下:
　　(1)第一章对本论文进行了系统的介绍，包含研究背景和研究目的。
　　(2)第二章首先系统介绍了制粒成型系统的整体结构设计，包括了超声波发生器、超声换能器、变幅杆等设计与选用。在本次设计中选用它激式震荡电路结构的超声发生器、PZT-8压电陶瓷，计算了前后盖板长度、钛合金材料的指数变幅杆尺寸，设计出满足实验要求的变幅杆。
　　(3)第三章运用单因素实验设计，研究了影响木屑材料成型因素。研究发现压力、超声功率、粉末粒径、含水率均对颗粒密度及抗碎性有作用，并探讨这些参数对颗粒质量作用规律。
　　(4)第四章研究超声功率对颗粒表征的影响，研究表明低超声功率(40％)不影响木屑纤维的形态结构，随着超声功率的增加，木屑表面出现纹孔，当超声功率增加至80％时纹孔数目增加且非常明显;超声作用不会破坏木屑中原有的化学键及化学基团;木屑的热分解规律基本一致，但随着超声功率的增加，木屑颗粒的热稳定性有所提高;随着超声功率的增加，木屑颗粒的结晶度增加。
　　(5)第五章依据TG-DTG曲线运用热分析动力学对木屑热解过程分析，研究表明:超声预处理方法使木屑热解过程的动力学参数产生不同程度的变化，使木屑主要热解阶段所遵循的机制函数发生了变化，未经处理的木屑和20％超声功率处理后的木屑热解过程最概然机理函数为第5号函数，积分形式机理函数为(1-2/3×α)-(1-α)2/3，微分形式机理函数为3/2×[(1-α)-1/3-1]-1,40％、60％、80％超声功率处理后木屑热解最概然机理函数为第2号函数，积分形式机理函数为α2，微分形式机理函数为1/2α-1。超声处理能在不同程度上降低木屑热解的表观活化能，从297 kJ/mol降至255 kJ/mol。
　　(6)第六章利用ABAQUS软件对超声辅助制粒成型过程中生物质非线性受力变形进行有限元模拟，结果发现随着超声振幅的增加，材料表面受到更加均匀的表面应力分布，材料表面受到的最大应力值逐渐减小。
　　(7)第七章是对本论文的总结及对未来研究提出的意见和规划。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 生物质制粒成型技术

1．2．1 生物质制粒成型技术发展历史及现状

1．2．2 生物质制粒成型工艺现状

1．3 生物质制粒成型机理及影响因素

1．3．1 原料种类

1．3．2 原料粉碎后的粉末尺寸

1．3．3 原料含水率

1．3．4 制粒成型压力的研究

1．4 超声预处理的原理与发展应用

1．5 课题研究概况

1．5．1 课题来源

1．5．2 研究意义

1．5．3 研究内容

第二章 超声振动辅助制粒设备的设计与研发

2．1 引言

2．2 超声振动辅助制粒系统的结构及选型

2．2．1 超声发生器的选用

2．2．2 超声换能器的选用

2．2．3 超声换能器材料的选用

2．2．4 变幅杆结构和材料的选用

2．3 超声振动辅助制粒成型系统的设计

2．3．1 超声换能器设计

2．3．2 超声变幅杆的设计

2．4 本章小结

第三章 影响超声振动辅助制粒颗粒质量的研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料制备

3．2．2 实验装置

3．2．3 实验步骤

3．2．4 实验设计

3．2．5 颗粒密度与抗碎性测试方法

3．3 结果与分析

3．3．1 压应力对颗粒密度和抗碎性的影响

3．3．2 超声功率对颗粒密度和抗碎性的影响

3．3．3 含水率对颗粒密度和抗碎性的影响

3．3．4 粒径对颗粒密度和抗碎性的影响

3．4 本章小结

第四章 超声功率对成型颗粒表征的研究

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．2 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 颗粒表面形貌变化

4．3．2 傅立叶红外光谱分析

4．3．3 超声成型颗粒热重分析

4．3．4 成型颗粒结晶度测试

4．3．5 成型颗粒元素组成变化特性

4．4 本章小结

第五章 超声振动辅助制粒成型颗粒热解动力学分析

5．1 引言

5．2．3 动力学反应中变化率及机理函数的确定

5．3 动力学参数求解方法

5．4 本章小结

第六章 超声振动辅助制粒过程的数值模拟与仿真

6．1 引言

6．2 有限单元法及ABAQUS软件简介

6．2．1 有限单元法

6．2．2 ABAQUS软件简介

6．3．2 成型模型的建立

6．4 模拟结果分析

6．4．1 不同超声功率对颗粒致密性的影响

6．4．2 工具头下压材料阶段(step 2)应力随时间的变化

6．4．3 超声振动阶段(step 3)应力随时间的变化

6．4．4 不同超声振幅作用下的应力变化

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

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