浸出車間蒸脫機結構及關鍵操作參數控制

高 偉，溫小榮，余 沁

(邁安德集團有限公司，江蘇 揚州 225127)

豆粕是家畜日糧中質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]。豆粕是大豆經過清理、破碎、壓坯、膨化、浸出、蒸脫、干燥和冷卻工序得到的產品。豆粕的蒸脫、干燥和冷卻是通過浸出車間的關鍵設備蒸脫干燥機(DTDC)進行的。DTDC由預脫層、混脫層、直接汽層、抽氣層、干燥層和冷卻層組成。大型項目DTDC中蒸脫部分(DT)和干燥冷卻部分(DC)是分開設計的，小型項目DT和DC一般制作成一體。

蒸脫機設計和運行性能的好壞直接影響豆粕質量的好壞和操作成本的高低。豆粕質量的控制主要體現在豆粕殘溶、豆粕水分、脲酶等指標；操作成本的控制點主要是蒸汽消耗、電耗。

本文主要對DT的主要結構和關鍵操作參數進行介紹與綜述，期望為DT設計人員和生產操作者提供一些參考。

1 DT結構

典型的DT結構如圖1所示，主要由氣相出口、DT進料口、預脫層、混脫層、直接汽層和旋轉下料閥組成。

圖1 典型的DT結構

2 預脫層結構及控制

預脫層是通過底部夾層對濕粕進行間接加熱，從而使粕中溶劑蒸發。預脫層夾層蒸汽壓力正常控制在0.8 MPa以上，溫度高于175℃。DT中預脫層數量可多至7層，或可少至1層，具體數量根據產量確定。通常DT預脫層與外壁之間有環形通道，便于提供下部氣相往上運動的通道；有些廠家將氣相通道設計在攪拌軸與預脫盤之間。

通常濕粕進入預脫層的溫度為58℃，粕殘溶為25%～32%，對于坯片料，濕粕殘溶含量相對較高，接近30%，對于膨化料，濕粕殘溶相對較低，接近25%。因為預脫層只能通過夾層上表面對濕粕間接加熱，所以控制料層較低，料層高度在150～300 mm之間。在預脫層濕粕的溫度由剛進入時的58℃上升至正己烷的沸點68℃，從浸出器進入蒸脫機的濕粕中10%～25%溶劑在預脫層被去除。

濕粕在預脫層每一層設計有出料口的停留時間為DT轉一圈的時間，DT的轉速通常為 9～15 r/min，也即濕粕在每一層的停留時間為4～7 s。

3 混脫層結構及控制

混脫層同時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，壓力和溫度與預脫層的一致。

混脫層一般設計在預脫層的正下方，通常設計1～4層。混脫層設計有透氣孔，用于下層氣體通過并進入料層中。DT透氣孔主要有3種設計形式，最初的透氣孔是由1982年Schumacher設計，該設計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，開孔率設計為2%～4%；最近的DT透氣孔形式為1997年由Kemper等設計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]。

豆粕從預脫層進入混脫層首層——DT最為關鍵的一層。混脫層首層設計為高料層，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，使豆粕蛋白發生變性，溶解度由90%降至45%。

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

混脫層料層高度可通過自動機械料門、旋轉下料閥、喇叭口和氣動料門控制。自動機械料門通過調節外部配重來調節料層高度；旋轉下料閥通過變頻電機與料位傳感器PID控制料層高度；喇叭口通過溜槽口高度設計來得到所需高度；氣動料門通常與自動機械料門和旋轉下料閥配合使用。

4 直接汽層結構及控制

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計有大量的小孔，用于直接汽進入料層。直接汽層孔徑和數量是根據直接汽流量決定的，通常直接汽層壓力設計為0.35～0.7 MPa。車間供應的直接汽壓力通常為0.8 MPa以上，通過流量調節閥后，水蒸氣變為0.35～0.7 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。對于大豆來說，經過混脫層和直接汽層，其抗營養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間的延長不斷降低。蛋白溶解度也隨停留時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間的變化趨勢

直接汽對上部料層的升力可減小DT的電流，直接汽量增加時，DT電流較低，直接汽量減小或關閉時，DT電流急劇增加，增加到斷路器保護值時能導致DT跳閘。DT的料層高度通常通過旋轉下料閥控制，旋轉下料閥配有變頻電機，料層高度與電機頻率PID控制。DT直接汽量由薄膜氣動調節閥根據DT頂部氣相溫度由PID控制，DT氣相溫度高時，薄膜氣動調節閥開度減小；氣相溫度低時，薄膜氣動調節閥開度相應增加。

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行蒸發。根據Aspen Plus數據，水和正己烷沸點分別為100.02℃和68.73℃，兩者的混合物具有最低共沸點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62℃，共沸組成為94%的正己烷和6%的水蒸氣，與Aspen Plus的模擬結果有所偏差，但偏差很小。當氣相中正己烷含量小于94%時，正己烷含量越小，混合氣的露點越高。實際生產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℃，對應的氣相組成為91%正己烷和9%的水蒸氣。DT的氣相經過干式或濕式捕集其中的粕沫后作為第一蒸發器的熱源，將混合油濃縮至75%～85%，經過換熱后的氣相溫度降至62℃，進入下一級節能器，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 正己烷與水的露點線

6 結束語

優良的蒸脫機操作建立在對蒸脫機結構的理解和關鍵參數的控制上。預脫層脫除濕粕中10%～25%的溶劑，防止豆粕在混脫層結塊；混脫層第一層是尤為關鍵的一層，大量水蒸氣在該層冷凝，豆粕離開該層時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，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能和降低溶耗的重要方向。