大豆浸出車間汽提預(yù)冷凝器設(shè)計與能效研究

摘 要：本文研究了大豆浸出車間汽提預(yù)冷凝器的設(shè)計與能效。首先，探討了汽提預(yù)冷凝器的設(shè)計，對氣相進口組成、氣相冷凝特性以及設(shè)計條件等方面進行了詳細分析和論證。其次，進行校核分析，保證設(shè)計的可行性和有效性。最后，對汽提預(yù)冷凝器的能效進行了深入分析，探討提升能效的途徑和策略。研究結(jié)果顯示，本文設(shè)計的預(yù)冷凝器每小時可處理33333kg新鮮溶劑，將其溫度從48℃升至58℃，每小時回收總熱量為791713kJ。引入預(yù)冷凝器后，每天可節(jié)省約8200kg水蒸氣和約75kW·h的電量。年節(jié)省費用約為56.28萬元，其中蒸汽費用54.03萬元，電費2.25萬元。結(jié)論指出，優(yōu)化預(yù)冷凝器設(shè)計在實際應(yīng)用中能顯著提升能效并降低生產(chǎn)成本，為大豆油提取行業(yè)提供了重要的節(jié)能降耗方案。

關(guān)鍵詞：大豆；浸出車間；汽提預(yù)冷凝器；能效

中圖分類號：TS 223" " " " " " " 文獻標志碼：A

在現(xiàn)代工業(yè)大豆加工過程中，提高能效并降低運營成本是持續(xù)追求的目標。汽提預(yù)冷凝器是大豆油浸出生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備，回收和利用溶劑的蒸發(fā)熱量不僅能顯著節(jié)省能源，還有助于提高整體生產(chǎn)效率。本文旨在探索汽提預(yù)冷凝器的設(shè)計優(yōu)化及其對能效的具體影響，以期為大豆油提取行業(yè)提供節(jié)能降耗的可行方案。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 油脂提取過程簡介

油脂提取是將油料作物中的油脂分離出來的過程，通常使用溶劑浸出方法。在大豆油提取中，先將大豆清潔并破碎成小片或粉末，以增加表面積，再使用溶劑（通常是正己烷）來萃取油脂。在該過程中，溶劑與大豆接觸，溶解其油脂，形成油-溶劑混合物?；旌衔锉凰腿胝麴s塔，經(jīng)過加熱分離出油和溶劑，溶劑被回收再利用，而提取的油則進一步精煉成可銷售的產(chǎn)品。

1.2 預(yù)冷凝器的作用

預(yù)冷凝器在大豆油提取過程中的汽提段具有至關(guān)重要的作用，其主要功能是冷凝和回收從蒸餾塔排出的溶劑蒸汽，不僅可以減少溶劑的損失，還可以降低能源消耗。通過冷卻這些蒸汽，預(yù)冷凝器將溶劑蒸汽轉(zhuǎn)換回液態(tài)，以便循環(huán)使用。該回收過程對降低操作成本和環(huán)境影響至關(guān)重要，可減少新溶劑的需求和揮發(fā)性有機化合物（VOC）的排放。有效的預(yù)冷凝器設(shè)計可以顯著提高整個浸出工序的能效和經(jīng)濟效益[1]。

2 汽提預(yù)冷凝器設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)確定

2.1.1 溫度和壓力要求

在大豆浸出車間中，設(shè)計汽提預(yù)冷凝器需要明確溫度和壓力要求，以保證其在實際運行中的高效性和穩(wěn)定性。汽提預(yù)冷凝器的進、出口溫度是關(guān)鍵參數(shù)之一。典型的進氣溫度一般為85.3℃～92.7℃，而冷凝后出氣溫度需要降至40.5℃～45.8℃，以保證溶劑的有效冷凝和回收。在壓力方面，預(yù)冷凝器內(nèi)部的操作壓力通常為0.09MPa～0.12MPa，以保證冷凝器能夠正常工作且不出現(xiàn)泄漏問題。為了優(yōu)化能效，預(yù)冷凝器需要在不同工況下進行熱平衡分析。例如，特定溫度下的冷凝負荷計算顯示，當進氣溫度為90.4℃、出氣溫度為42.3℃時，冷凝熱負荷為1125.7kJ/kg，以保證設(shè)計的熱傳導(dǎo)效率達到預(yù)期目標。此外，還需要考慮環(huán)境溫度對設(shè)備性能的影響。例如在環(huán)境溫度為25.6℃的情況下，預(yù)冷凝器的實際冷凝效率為85.9%，進一步驗證了設(shè)計參數(shù)的合理性。

2.1.2 物料特性和流量

大豆浸出過程中使用的主要溶劑是六號溶劑油（n-hexane），其物料特性直接影響汽提預(yù)冷凝器的設(shè)計。n-hexane的沸點為68.7℃，密度為0.659g/cm3，在操作溫度范圍內(nèi)，其黏度和熱導(dǎo)率分別為0.3mP·s和0.14W/m·K。設(shè)計預(yù)冷凝器時，需要考慮溶劑的蒸汽壓力特性，例如90.4℃時的蒸汽壓力約為35.1kPa，以保證冷凝過程中的有效熱交換。流量方面，大豆浸出車間的溶劑循環(huán)流量通常為850.5kg/h～

925.3kg/h，在該流量范圍內(nèi)，預(yù)冷凝器需要設(shè)計合理的換熱面積，以滿足生產(chǎn)需求。根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，預(yù)冷凝器在流量為900.7kg/h下的冷凝效率最高，為89.7%。為保證換熱效果，流體流速設(shè)計為1.2m/s～1.5m/s，換熱系數(shù)應(yīng)保持在600W/m2·K～750W/m2·K。對物料特性和流量進行精確計算和模擬，可以確定預(yù)冷凝器的尺寸和配置，以獲得最佳能效并保證運行穩(wěn)定性。

2.2 設(shè)計條件

假設(shè)該設(shè)備日處理大豆為1000t，進入氣提裝置的混合氣體中的混合油濃度能夠達到95%，汽提預(yù)冷凝器設(shè)計基礎(chǔ)信息以噴淋量與大豆質(zhì)量比值（0.8）為例計算，那么新鮮溶劑的實際流量為1000÷24×0.8×1000≈33333kg/h。

新鮮溶劑需要在分水箱中提升48℃，再開放閘口使其進入汽提預(yù)冷凝器。為方便汽提預(yù)冷凝器裝置排液，可將其換熱器部分設(shè)置為臥式管殼式，其中液體走管程，氣相走殼程[2]。該部分設(shè)計參數(shù)見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，使用換熱器設(shè)計軟件得出平均傳熱溫差為10.9℃～11.3℃，總傳熱系數(shù)約為1453kJ/（m2·℃·h），由此可得假設(shè)狀態(tài)下汽提預(yù)冷凝器導(dǎo)熱部分的面積為S=791713÷（11.1×1463）≈48.8m2。

考慮該設(shè)備的實際工作余量情況，在上述參數(shù)下，可選擇型號為BEM500×4500mm的氣提裝置列管換熱器，設(shè)備的換熱面積、長度、內(nèi)徑、列管尺寸、厚度和管程程數(shù)分別為55m2、4500mm、500mm、19mm、1.2mm和3，該設(shè)備的管程和殼程間使用逆流換熱[3]。

2.3 校核分析

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，使用換熱器設(shè)計軟件再次對所有設(shè)計進行校核，結(jié)合實際校核數(shù)據(jù)設(shè)定設(shè)備所需4個折流板，間距為800mm，切向為左、右切，實際所需切除比例可控制在40%～45%，設(shè)備的氣相與新鮮溶劑的進、出口大小分別設(shè)計為DN200、DN80，詳細數(shù)據(jù)匯總見表2。

由表2可知，殼側(cè)的實際壓力降為0.1kPa，遠低于允許的最大壓力降1kPa，而管側(cè)的實際壓力降為11.6kPa，同樣低于設(shè)定的最大允許壓力降40kPa，表明所設(shè)計的換熱器在保持壓力降方面表現(xiàn)優(yōu)異，完全達到了預(yù)期的工藝要求。同時，數(shù)據(jù)也顯示管外側(cè)的膜傳熱系數(shù)最低，僅為2938kJ/（m2·℃·h），表明其傳熱阻力最大。管內(nèi)側(cè)的膜傳熱系數(shù)稍高，為4799kJ/（m2·℃·h）。在考慮污垢影響的條件下，汽提預(yù)冷凝器的總傳熱系數(shù)為1413kJ/（m2·℃·h），而在未考慮污垢的情況下，傳熱系數(shù)能達到1751kJ/（m2·℃·h）。從換熱器的設(shè)計面積來看，即使在考慮污垢的情況下，還有6%的面積余量，說明選用的汽提預(yù)冷凝器在規(guī)模和型號上是合適的，能夠有效滿足工藝與實際使用需求[3]。

2.4 換熱面積計算

在大豆浸出車間的汽提預(yù)冷凝器設(shè)計中，換熱面積的計算是至關(guān)重要的一步。換熱面積直接影響預(yù)冷凝器的換熱效率和能效。根據(jù)實際操作條件，假設(shè)進氣溫度為90.4℃，出氣溫度為42.3℃，流量為900.7kg/h，使用的溶劑為六號溶劑油，其熱導(dǎo)率為0.14W/m·K。根據(jù)如公式（1）所示的換熱公式進行計算。

Q=U·A·?Tlm （1）

式中：Q為換熱量；U為換熱系數(shù)；A為換熱面積；?Tlm為對數(shù)平均溫差。

經(jīng)過測算，溶劑油的換熱系數(shù)U為675W/m2·K，對數(shù)平均溫差?Tlm為26.9K。在此條件下，換熱量Q為1125.7kJ/kg，乘以流量，得出總換熱量為1013.4kW。將這些數(shù)值代入公式（1），可以得出換熱面積A為，計算結(jié)果顯示需要的換熱面積約為55.7m2。為保證換熱效率，實際設(shè)計時需要考慮一定的裕量，通常增加10%～15%的換熱面積，即換熱面積應(yīng)設(shè)計為61.3m2～64.1m2。

2.5 流道設(shè)計和布置

2.5.1 流道設(shè)計

在汽提預(yù)冷凝器的流道設(shè)計和布置方面，需要保證溶劑蒸汽與冷卻介質(zhì)間的高效熱交換?？紤]到流量為900.7kg/h，設(shè)計的流體流速為1.2m/s～1.5m/s，選擇多流道設(shè)計以提高換熱效率。預(yù)冷凝器采用螺旋管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置多條平行流道，保證蒸汽均勻分布并充分冷凝。每個流道的橫截面積需要根據(jù)流速和流量進行計算。假設(shè)設(shè)計的流速為1.3m/s，流道總橫截面積Atotal可根據(jù)公式（2）進行計算。

Q=Atotal×u×ρ （2）

式中：ρ為溶劑油密度0.659g/cm3。

由此可計算得出Atotal得值約為1050.9cm2。為保證高效換熱，設(shè)計為20個流道，每個流道的橫截面積為52.5cm2。流道的布置采用交錯排列方式，保證每個流道都能充分接觸冷卻介質(zhì)。流道間的間距設(shè)計為0.5cm，既保證流體順暢流動，又提高了換熱面積。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置可有效提高預(yù)冷凝器的換熱效率，保證大豆浸出過程中的能效得到優(yōu)化。

2.5.2 流道材料選擇與布置方法

流道材料的選擇與布置會直接影響預(yù)冷凝器的換熱效率和設(shè)備的運行穩(wěn)定性，因此應(yīng)保證流道材料具備良好的導(dǎo)熱性能和耐腐蝕性。常用的材料包括不銹鋼和銅。不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性和較高的機械強度，在化工和食品工業(yè)中有應(yīng)用廣泛。銅具有出色的導(dǎo)熱性能，在需要高效熱傳導(dǎo)的設(shè)備中更常見。然而，考慮預(yù)冷凝器運行環(huán)境中可能存在的腐蝕性介質(zhì)，不銹鋼通常是更合適的選擇。在流道的布置方面，需要保證溶劑蒸汽與冷卻介質(zhì)間的高效熱交換。為此，可以采用多流道設(shè)計，通過增大流體接觸面積來提高換熱效率。具體來說，可以設(shè)計為螺旋管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置多條平行流道，以保證蒸汽均勻分布并充分冷凝。流道的橫截面積需要根據(jù)流速和流量計算得出。假設(shè)設(shè)計的流速為1.3m/s，流道總橫截面積應(yīng)為1050.9cm2。為保證高效換熱，可以將流道分為20個，每個流道的橫截面積為52.5cm2。流道的布置采用交錯排列方式，保證每個流道都能充分接觸冷卻介質(zhì)，同時避免流體流動過程中的短路和死角現(xiàn)象。流道間的間距設(shè)計為0.5cm，既保證流體順暢流動，又提高了換熱面積。

3 能效與經(jīng)濟性分析

3.1 效能分析

根據(jù)提供的數(shù)據(jù)分析，選定的汽提預(yù)冷凝器能有效處理33333kg/h的新鮮溶劑，將其溫度從48℃升至58℃，從而回收總熱量為791713kJ/h。根據(jù)水蒸氣的釋放熱量為每千克2300kJ，可以計算出節(jié)約的水蒸氣量約為344kg/h，相當于每噸大豆可以節(jié)省8.2kg蒸汽，表明每天可以節(jié)省大約8200kg的水蒸氣，按照一年300天加工周期計算，年節(jié)省的蒸汽總量高達2460t。此外，引入汽提預(yù)冷凝器還能有效降低汽提冷凝器的工作負荷，進而減少循環(huán)水泵的電能消耗。計算表明，在進出水溫差5℃的條件下，每小時可以減少約38m3的循環(huán)水使用量。對于循環(huán)泵，假設(shè)揚程為30m，水的密度為1000kg/m3，采用離心泵并假設(shè)機械效率為75%，則節(jié)約的軸功率約為4.14kW。對于每日處理1000t大豆的生產(chǎn)線，引入汽提預(yù)冷凝器后，每噸大豆約可節(jié)省電量0.1kW·h[4]。

3.2 成本分析

分析大豆浸出車間引入汽提預(yù)冷凝器的成本時，首先需要考慮設(shè)備投資成本、運行維護成本和潛在的節(jié)能效益。設(shè)備投資成本方面，汽提預(yù)冷凝器的購置和安裝費用約為36.5萬元。運行維護成本主要包括定期清洗、維修和更換易損部件，年均費用約為3.2萬元。其次需要考慮汽提預(yù)冷凝器的能效提升，減少蒸汽和電能的消耗，進而降低運營成本。根據(jù)測算，預(yù)冷凝器每小時可節(jié)省344kg蒸汽，蒸汽價格約為0.22元/kg，每天約可節(jié)省蒸汽費用1801元。每噸大豆可節(jié)省電量0.1kW·h，電費價格約為0.75元/kW·h，每天處理1000t大豆約可節(jié)省電費75元。綜合上述數(shù)據(jù)，每年（以300天計算）約可節(jié)省蒸汽費用54.03萬元、電費2.25萬元，總節(jié)省費用約為56.28萬元。因此，在設(shè)備投資回收期內(nèi)引入汽提預(yù)冷凝器具有顯著經(jīng)濟優(yōu)勢。

3.3 經(jīng)濟效益評估

汽提預(yù)冷凝器的經(jīng)濟效益評估主要分為節(jié)能效益和環(huán)境效益2個方面。首先，節(jié)能效益方面，分析大豆浸出車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，預(yù)冷凝器每小時可處理33333kg新鮮溶劑，將其溫度從48℃升至58℃，每小時回收總熱量為791713kJ。根據(jù)每千克水蒸氣釋放熱量為2300kJ的標準，節(jié)約的水蒸氣量約為344kg/h，每天節(jié)省約8200kg，年節(jié)省約2460t。按照0.22元/kg的蒸汽價格計算，年節(jié)省費用約為54.03萬元。其次，電能節(jié)省方面，每噸大豆約可節(jié)省電量0.1kW·h，每天處理1000t大豆約可節(jié)省電費75元，年節(jié)省電費約為2.25萬元。綜合計算，年節(jié)省總費用約為56.28萬元。其次，環(huán)境效益方面，由于蒸汽消耗減少，鍋爐的燃料使用量降低，進而二氧化碳和其他有害氣體的排放減少了，對環(huán)境保護具有積極意義?？傊?，引入汽提預(yù)冷凝器不僅顯著提升了經(jīng)濟效益，還促進了環(huán)保節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展。

4 優(yōu)化方向

4.1 提高傳熱效率

提高汽提預(yù)冷凝器的傳熱效率是核心優(yōu)化方向之一。實現(xiàn)該目標的策略包括采用高熱導(dǎo)率材料構(gòu)建換熱器，例如銅或不銹鋼，以優(yōu)化熱傳導(dǎo)過程。同時，設(shè)計更精細化的換熱面，例如使用螺旋或鰭片管設(shè)計，可以顯著增加單位體積內(nèi)的熱交換面積，從而提高熱交換效率。此外，應(yīng)用計算流體動力學(xué)（CFD）模擬優(yōu)化流體流動，可保證流體在預(yù)冷凝器內(nèi)部均勻流動，避免死角和短路流，從而使熱交換效果最大化。

4.2 增強可操作性與維護性

保證預(yù)冷凝器的可操作性與維護性對維持長期運行效率至關(guān)重要。設(shè)計時應(yīng)考慮易于組裝與拆卸的結(jié)構(gòu)，便于定期清潔和維護作業(yè)。例如，采用模塊化設(shè)計，使各部分能夠快速替換，減少停機時間。集成先進的監(jiān)測系統(tǒng)，例如溫度和壓力傳感器，可以實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，預(yù)防潛在故障。此舉不僅提升了操作便利性，還有助于提前識別性能下降的原因，進行預(yù)防性維護，從而降低長期運營成本[5]。

4.3 熱回收利用

熱回收技術(shù)的應(yīng)用是提升整個浸出車間能效的有效方法。可設(shè)計高效的熱回收系統(tǒng)，回收利用汽提過程中的余熱，例如可預(yù)熱進入預(yù)冷凝器的溶劑或為其他需要加熱的工藝流程提供熱能。這種做法不僅減少了對外部熱能的需求，也顯著減低了能源消耗和運營成本。熱回收系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計能夠適應(yīng)不同操作條件下的熱負荷變化，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和良好的能效優(yōu)化。

5 結(jié)語

綜上所述，本文對大豆浸出車間汽提預(yù)冷凝器的設(shè)計與能效進行了深入研究，優(yōu)化預(yù)冷凝器設(shè)計，使其能夠在實際應(yīng)用中提升能效并降低生產(chǎn)成本。試驗結(jié)果表明，改進預(yù)冷凝器設(shè)計不僅可以有效節(jié)約水蒸氣和電能，還能減輕冷凝器的負荷，從而提高整個浸出工藝的經(jīng)濟性和環(huán)境友好性。每小時可處理33333kg新鮮溶劑，每天約可節(jié)省8200kg水蒸氣和75kW·h電量，年節(jié)省費用約為56.28萬元。未來研究可進一步探索更多創(chuàng)新設(shè)計，持續(xù)推動行業(yè)的節(jié)能減排進程。

參考文獻

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