浸出車間蒸脫機(jī)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵操作參數(shù)控制

高 偉，溫小榮，余 沁

(邁安德集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

豆粕是家畜日糧中質(zhì)量較好的植物蛋白飼料之一，除蛋氨酸略缺乏外，其他氨基酸都接近理想平衡[1]。豆粕是大豆經(jīng)過清理、破碎、壓坯、膨化、浸出、蒸脫、干燥和冷卻工序得到的產(chǎn)品。豆粕的蒸脫、干燥和冷卻是通過浸出車間的關(guān)鍵設(shè)備蒸脫干燥機(jī)(DTDC)進(jìn)行的。DTDC由預(yù)脫層、混脫層、直接汽層、抽氣層、干燥層和冷卻層組成。大型項(xiàng)目DTDC中蒸脫部分(DT)和干燥冷卻部分(DC)是分開設(shè)計(jì)的，小型項(xiàng)目DT和DC一般制作成一體。

蒸脫機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能的好壞直接影響豆粕質(zhì)量的好壞和操作成本的高低。豆粕質(zhì)量的控制主要體現(xiàn)在豆粕殘溶、豆粕水分、脲酶等指標(biāo)；操作成本的控制點(diǎn)主要是蒸汽消耗、電耗。

本文主要對(duì)DT的主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵操作參數(shù)進(jìn)行介紹與綜述，期望為DT設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)操作者提供一些參考。

1 DT結(jié)構(gòu)

典型的DT結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由氣相出口、DT進(jìn)料口、預(yù)脫層、混脫層、直接汽層和旋轉(zhuǎn)下料閥組成。

圖1 典型的DT結(jié)構(gòu)

2 預(yù)脫層結(jié)構(gòu)及控制

預(yù)脫層是通過底部夾層對(duì)濕粕進(jìn)行間接加熱，從而使粕中溶劑蒸發(fā)。預(yù)脫層夾層蒸汽壓力正常控制在0.8 MPa以上，溫度高于175℃。DT中預(yù)脫層數(shù)量可多至7層，或可少至1層，具體數(shù)量根據(jù)產(chǎn)量確定。通常DT預(yù)脫層與外壁之間有環(huán)形通道，便于提供下部氣相往上運(yùn)動(dòng)的通道；有些廠家將氣相通道設(shè)計(jì)在攪拌軸與預(yù)脫盤之間。

通常濕粕進(jìn)入預(yù)脫層的溫度為58℃，粕殘溶為25%～32%，對(duì)于坯片料，濕粕殘溶含量相對(duì)較高，接近30%，對(duì)于膨化料，濕粕殘溶相對(duì)較低，接近25%。因?yàn)轭A(yù)脫層只能通過夾層上表面對(duì)濕粕間接加熱，所以控制料層較低，料層高度在150～300 mm之間。在預(yù)脫層濕粕的溫度由剛進(jìn)入時(shí)的58℃上升至正己烷的沸點(diǎn)68℃，從浸出器進(jìn)入蒸脫機(jī)的濕粕中10%～25%溶劑在預(yù)脫層被去除。

濕粕在預(yù)脫層每一層設(shè)計(jì)有出料口的停留時(shí)間為DT轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間，DT的轉(zhuǎn)速通常為 9～15 r/min，也即濕粕在每一層的停留時(shí)間為4～7 s。

3 混脫層結(jié)構(gòu)及控制

混脫層同時(shí)具有直接加熱和間接加熱，直接汽主要來自直接汽層通入的水蒸氣和下層蒸發(fā)出來的正己烷氣體；間接蒸汽為新鮮水蒸氣，壓力和溫度與預(yù)脫層的一致。

混脫層一般設(shè)計(jì)在預(yù)脫層的正下方，通常設(shè)計(jì)1～4層。混脫層設(shè)計(jì)有透氣孔，用于下層氣體通過并進(jìn)入料層中。DT透氣孔主要有3種設(shè)計(jì)形式，最初的透氣孔是由1982年Schumacher設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)利用空心支撐螺栓作為透氣孔，開孔率為1%～2%[2]；1985年Mason利用空心支撐鋼管作為透氣孔，開孔率設(shè)計(jì)為2%～4%；最近的DT透氣孔形式為1997年由Kemper等設(shè)計(jì)的利用不銹鋼篩條作為透氣孔，開孔率接近10%，這種大開孔率有利于蒸汽的均勻分布[3]。

豆粕從預(yù)脫層進(jìn)入混脫層首層——DT最為關(guān)鍵的一層。混脫層首層設(shè)計(jì)為高料層，料層高度為1 000～1 200 mm。直接蒸汽在混脫層首層被大量冷凝，在直接汽和間接汽的作用下，豆粕溫度由68℃迅速上升至100℃，由于水蒸氣的冷凝，豆粕水分急劇上升至17%～21%。溫度和水分的上升，使豆粕蛋白發(fā)生變性，溶解度由90%降至45%。

豆粕離開混脫層首層時(shí)，99%的溶劑已被脫除，混脫層第二層料層高度通常設(shè)計(jì)為1 000 mm，以便提供足夠的時(shí)間用于溶劑脫除和烤粕。

混脫層料層高度可通過自動(dòng)機(jī)械料門、旋轉(zhuǎn)下料閥、喇叭口和氣動(dòng)料門控制。自動(dòng)機(jī)械料門通過調(diào)節(jié)外部配重來調(diào)節(jié)料層高度；旋轉(zhuǎn)下料閥通過變頻電機(jī)與料位傳感器PID控制料層高度；喇叭口通過溜槽口高度設(shè)計(jì)來得到所需高度；氣動(dòng)料門通常與自動(dòng)機(jī)械料門和旋轉(zhuǎn)下料閥配合使用。

4 直接汽層結(jié)構(gòu)及控制

通入直接汽層的直接汽量占DT總耗汽量的75%，直接汽夾層上表面設(shè)計(jì)有大量的小孔，用于直接汽進(jìn)入料層。直接汽層孔徑和數(shù)量是根據(jù)直接汽流量決定的，通常直接汽層壓力設(shè)計(jì)為0.35～0.7 MPa。車間供應(yīng)的直接汽壓力通常為0.8 MPa以上，通過流量調(diào)節(jié)閥后，水蒸氣變?yōu)?.35～0.7 MPa的過熱蒸汽(150～160℃)。因此，DT直接汽層夾層上表面溫度通常為155℃左右。

經(jīng)過直接汽層，豆粕殘溶可降至100～500 mg/kg，溫度由100℃上升至105～110℃，水分相比混脫層降低1%左右。對(duì)于大豆來說，經(jīng)過混脫層和直接汽層，其抗?fàn)I養(yǎng)因子胰蛋白酶抑制劑和脲酶隨著溫度和水分上升以及停留時(shí)間的延長不斷降低。蛋白溶解度也隨停留時(shí)間的延長呈下降的趨勢，如圖2所示。在混脫層和直接汽層每停留1 min，蛋白溶解度降低接近1%。

圖2 豆粕蛋白溶解度隨停留時(shí)間的變化趨勢

直接汽對(duì)上部料層的升力可減小DT的電流，直接汽量增加時(shí)，DT電流較低，直接汽量減小或關(guān)閉時(shí)，DT電流急劇增加，增加到斷路器保護(hù)值時(shí)能導(dǎo)致DT跳閘。DT的料層高度通常通過旋轉(zhuǎn)下料閥控制，旋轉(zhuǎn)下料閥配有變頻電機(jī)，料層高度與電機(jī)頻率PID控制。DT直接汽量由薄膜氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)DT頂部氣相溫度由PID控制，DT氣相溫度高時(shí)，薄膜氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度減小；氣相溫度低時(shí)，薄膜氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度相應(yīng)增加。

5 DT氣相溫度控制

相同的出粕殘溶條件下，DT氣相溫度的高低反映了DT蒸汽利用效率的高低。來自直接汽層的蒸汽的大量冷凝提供了足夠的表面濕度使正己烷和水作為共沸混合物進(jìn)行蒸發(fā)。根據(jù)Aspen Plus數(shù)據(jù)，水和正己烷沸點(diǎn)分別為100.02℃和68.73℃，兩者的混合物具有最低共沸點(diǎn)61.43℃，共沸組成為94.73%的正己烷和5.27%的水蒸氣。

正己烷和水分露點(diǎn)線如圖3所示[4]。由圖3可以看出，正己烷和水具有最低共沸點(diǎn)62℃，共沸組成為94%的正己烷和6%的水蒸氣，與Aspen Plus的模擬結(jié)果有所偏差，但偏差很小。當(dāng)氣相中正己烷含量小于94%時(shí)，正己烷含量越小，混合氣的露點(diǎn)越高。實(shí)際生產(chǎn)過程中氣相溫度控制越低，DT的能耗越小，通常DT的氣相溫度為72℃，對(duì)應(yīng)的氣相組成為91%正己烷和9%的水蒸氣。DT的氣相經(jīng)過干式或濕式捕集其中的粕沫后作為第一蒸發(fā)器的熱源，將混合油濃縮至75%～85%，經(jīng)過換熱后的氣相溫度降至62℃，進(jìn)入下一級(jí)節(jié)能器，用于給新鮮溶劑加熱，未被利用完的氣相最終在DT中冷凝回收。

圖3 正己烷與水的露點(diǎn)線

6 結(jié)束語

優(yōu)良的蒸脫機(jī)操作建立在對(duì)蒸脫機(jī)結(jié)構(gòu)的理解和關(guān)鍵參數(shù)的控制上。預(yù)脫層脫除濕粕中10%～25%的溶劑，防止豆粕在混脫層結(jié)塊；混脫層第一層是尤為關(guān)鍵的一層，大量水蒸氣在該層冷凝，豆粕離開該層時(shí)99%的溶劑被脫除，料層高度為1 000～1 200 mm，并帶雙層刮刀攪拌；直接汽層最終將粕殘溶降至100～500 mg/kg。DT的氣相溫度是重要的控制參數(shù)，一般由直接汽通入量控制，如何在更低的氣相溫度下獲得更低豆粕殘溶是浸出車間節(jié)能和降低溶耗的重要方向。