大豆浸出車間汽提預冷凝器設計與能效研究

摘 要：本文研究了大豆浸出車間汽提預冷凝器的設計與能效。首先，探討了汽提預冷凝器的設計，對氣相進口組成、氣相冷凝特性以及設計條件等方面進行了詳細分析和論證。其次，進行校核分析，保證設計的可行性和有效性。最后，對汽提預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。研究結果顯示，本文設計的預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。引入預冷凝器后，每天可節省約8200kg水蒸氣和約75kW·h的電量。年節省費用約為56.28萬元，其中蒸汽費用54.03萬元，電費2.25萬元。結論指出，優化預冷凝器設計在實際應用中能顯著提升能效并降低生產成本，為大豆油提取行業提供了重要的節能降耗方案。

關鍵詞：大豆；浸出車間；汽提預冷凝器；能效

中圖分類號：TS 223" " " " " " " 文獻標志碼：A

在現代工業大豆加工過程中，提高能效并降低運營成本是持續追求的目標。汽提預冷凝器是大豆油浸出生產線中的關鍵設備，回收和利用溶劑的蒸發熱量不僅能顯著節省能源，還有助于提高整體生產效率。本文旨在探索汽提預冷凝器的設計優化及其對能效的具體影響，以期為大豆油提取行業提供節能降耗的可行方案。

1 理論基礎

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。混合物被送入蒸餾塔，經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品。

1.2 預冷凝器的作用

預冷凝器在大豆油提取過程中的汽提段具有至關重要的作用，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，預冷凝器將溶劑蒸汽轉換回液態，以便循環使用。該回收過程對降低操作成本和環境影響至關重要，可減少新溶劑的需求和揮發性有機化合物（VOC）的排放。有效的預冷凝器設計可以顯著提高整個浸出工序的能效和經濟效益[1]。

2 汽提預冷凝器設計

2.1 設計參數確定

2.1.1 溫度和壓力要求

在大豆浸出車間中，設計汽提預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定性。汽提預冷凝器的進、出口溫度是關鍵參數之一。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，預冷凝器內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泄漏問題。為了優化能效，預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，以保證設計的熱傳導效率達到預期目標。此外，還需要考慮環境溫度對設備性能的影響。例如在環境溫度為25.6℃的情況下，預冷凝器的實際冷凝效率為85.9%，進一步驗證了設計參數的合理性。

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冷凝器的設計。n-hexane的沸點為68.7℃，密度為0.659g/cm3，在操作溫度范圍內，其黏度和熱導率分別為0.3mP·s和0.14W/m·K。設計預冷凝器時，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流量通常為850.5kg/h～

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

2.2 設計條件

假設該設備日處理大豆為1000t，進入氣提裝置的混合氣體中的混合油濃度能夠達到95%，汽提預冷凝器設計基礎信息以噴淋量與大豆質量比值（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冷凝器。為方便汽提預冷凝器裝置排液，可將其換熱器部分設置為臥式管殼式，其中液體走管程，氣相走殼程[2]。該部分設計參數見表1。

根據表1數據，使用換熱器設計軟件得出平均傳熱溫差為10.9℃～11.3℃，總傳熱系數約為1453kJ/（m2·℃·h），由此可得假設狀態下汽提預冷凝器導熱部分的面積為S=791713÷（11.1×1463）≈48.8m2。

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

2.3 校核分析

結合表1數據，使用換熱器設計軟件再次對所有設計進行校核，結合實際校核數據設定設備所需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%，設備的氣相與新鮮溶劑的進、出口大小分別設計為DN200、DN80，詳細數據匯總見表2。

由表2可知，殼側的實際壓力降為0.1kPa，遠低于允許的最大壓力降1kPa，而管側的實際壓力降為11.6kPa，同樣低于設定的最大允許壓力降40kPa，表明所設計的換熱器在保持壓力降方面表現優異，完全達到了預期的工藝要求。同時，數據也顯示管外側的膜傳熱系數最低，僅為2938kJ/（m2·℃·h），表明其傳熱阻力最大。管內側的膜傳熱系數稍高，為4799kJ/（m2·℃·h）。在考慮污垢影響的條件下，汽提預冷凝器的總傳熱系數為1413kJ/（m2·℃·h），而在未考慮污垢的情況下，傳熱系數能達到1751kJ/（m2·℃·h）。從換熱器的設計面積來看，即使在考慮污垢的情況下，還有6%的面積余量，說明選用的汽提預冷凝器在規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冷凝器設計中，換熱面積的計算是至關重要的一步。換熱面積直接影響預冷凝器的換熱效率和能效。根據實際操作條件，假設進氣溫度為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，其熱導率為0.14W/m·K。根據如公式（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；A為換熱面積；?Tlm為對數平均溫差。

經過測算，溶劑油的換熱系數U為675W/m2·K，對數平均溫差?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。將這些數值代入公式（1），可以得出換熱面積A為，計算結果顯示需要的換熱面積約為55.7m2。為保證換熱效率，實際設計時需要考慮一定的裕量，通常增加10%～15%的換熱面積，即換熱面積應設計為61.3m2～64.1m2。

2.5 流道設計和布置

2.5.1 流道設計

在汽提預冷凝器的流道設計和布置方面，需要保證溶劑蒸汽與冷卻介質間的高效熱交換。考慮到流量為900.7kg/h，設計的流體流速為1.2m/s～1.5m/s，選擇多流道設計以提高換熱效率。預冷凝器采用螺旋管式結構，內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流速和流量進行計算。假設設計的流速為1.3m/s，流道總橫截面積Atotal可根據公式（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。流道間的間距設計為0.5cm，既保證流體順暢流動，又提高了換熱面積。這種結構設計和布置可有效提高預冷凝器的換熱效率，保證大豆浸出過程中的能效得到優化。

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冷凝器的換熱效率和設備的運行穩定性，因此應保證流道材料具備良好的導熱性能和耐腐蝕性。常用的材料包括不銹鋼和銅。不銹鋼具有優異的耐腐蝕性和較高的機械強度，在化工和食品工業中有應用廣泛。銅具有出色的導熱性能，在需要高效熱傳導的設備中更常見。然而，考慮預冷凝器運行環境中可能存在的腐蝕性介質，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間的高效熱交換。為此，可以采用多流道設計，通過增大流體接觸面積來提高換熱效率。具體來說，可以設計為螺旋管式結構，內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流速和流量計算得出。假設設計的流速為1.3m/s，流道總橫截面積應為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，同時避免流體流動過程中的短路和死角現象。流道間的間距設計為0.5cm，既保證流體順暢流動，又提高了換熱面積。

3 能效與經濟性分析

3.1 效能分析

根據提供的數據分析，選定的汽提預冷凝器能有效處理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。根據水蒸氣的釋放熱量為每千克2300kJ，可以計算出節約的水蒸氣量約為344kg/h，相當于每噸大豆可以節省8.2kg蒸汽，表明每天可以節省大約8200kg的水蒸氣，按照一年300天加工周期計算，年節省的蒸汽總量高達2460t。此外，引入汽提預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的循環水使用量。對于循環泵，假設揚程為30m，水的密度為1000kg/m3，采用離心泵并假設機械效率為75%，則節約的軸功率約為4.14kW。對于每日處理1000t大豆的生產線，引入汽提預冷凝器后，每噸大豆約可節省電量0.1kW·h[4]。

3.2 成本分析

分析大豆浸出車間引入汽提預冷凝器的成本時，首先需要考慮設備投資成本、運行維護成本和潛在的節能效益。設備投資成本方面，汽提預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。根據測算，預冷凝器每小時可節省344kg蒸汽，蒸汽價格約為0.22元/kg，每天約可節省蒸汽費用1801元。每噸大豆可節省電量0.1kW·h，電費價格約為0.75元/kW·h，每天處理1000t大豆約可節省電費75元。綜合上述數據，每年（以300天計算）約可節省蒸汽費用54.03萬元、電費2.25萬元，總節省費用約為56.28萬元。因此，在設備投資回收期內引入汽提預冷凝器具有顯著經濟優勢。

3.3 經濟效益評估

汽提預冷凝器的經濟效益評估主要分為節能效益和環境效益2個方面。首先，節能效益方面，分析大豆浸出車間的生產數據可知，預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。根據每千克水蒸氣釋放熱量為2300kJ的標準，節約的水蒸氣量約為344kg/h，每天節省約8200kg，年節省約2460t。按照0.22元/kg的蒸汽價格計算，年節省費用約為54.03萬元。其次，電能節省方面，每噸大豆約可節省電量0.1kW·h，每天處理1000t大豆約可節省電費75元，年節省電費約為2.25萬元。綜合計算，年節省總費用約為56.28萬元。其次，環境效益方面，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，對環境保護具有積極意義。總之，引入汽提預冷凝器不僅顯著提升了經濟效益，還促進了環保節能的可持續發展。

4 優化方向

4.1 提高傳熱效率

提高汽提預冷凝器的傳熱效率是核心優化方向之一。實現該目標的策略包括采用高熱導率材料構建換熱器，例如銅或不銹鋼，以優化熱傳導過程。同時，設計更精細化的換熱面，例如使用螺旋或鰭片管設計，可以顯著增加單位體積內的熱交換面積，從而提高熱交換效率。此外，應用計算流體動力學（CFD）模擬優化流體流動，可保證流體在預冷凝器內部均勻流動，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

保證預冷凝器的可操作性與維護性對維持長期運行效率至關重要。設計時應考慮易于組裝與拆卸的結構，便于定期清潔和維護作業。例如，采用模塊化設計，使各部分能夠快速替換，減少停機時間。集成先進的監測系統，例如溫度和壓力傳感器，可以實時監控設備運行狀態，預防潛在故障。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

熱回收技術的應用是提升整個浸出車間能效的有效方法。可設計高效的熱回收系統，回收利用汽提過程中的余熱，例如可預熱進入預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。熱回收系統應設計能夠適應不同操作條件下的熱負荷變化，保證系統的穩定運行和良好的能效優化。

5 結語

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

參考文獻

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