曾凡中，馬志強，董可林(太倉市寶馬油脂設(shè)備有限公司，江蘇 太倉 215415)

大豆調(diào)質(zhì)塔的設(shè)計計算

曾凡中，馬志強，董可林
(太倉市寶馬油脂設(shè)備有限公司，江蘇 太倉 215415)

大豆調(diào)質(zhì)塔是大豆脫皮工藝的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計質(zhì)量對能耗、生產(chǎn)效果的影響很大。以500 t/d 大豆調(diào)質(zhì)塔為例，闡述了通過物料衡算和熱量衡算來進行大豆調(diào)質(zhì)塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程，對大豆調(diào)質(zhì)塔的設(shè)計制造具有指導(dǎo)意義。

大豆；調(diào)質(zhì)塔；軟化；設(shè)計；計算

近些年大豆脫皮工藝應(yīng)用比較普遍，該工藝以生產(chǎn)高蛋白質(zhì)含量的豆粕和提高大豆油質(zhì)量為目標，并可以得到富含纖維的大豆皮，是提高油脂工廠經(jīng)濟效益的重要途徑。大豆調(diào)質(zhì)塔是大豆脫皮工藝中的關(guān)鍵設(shè)備[1]，大豆經(jīng)清理后進入大豆調(diào)質(zhì)塔進行處理，既能對大豆進行加熱調(diào)質(zhì)軟化，也能在較短時間內(nèi)降低大豆水分，使大豆?jié)M足脫皮、軋坯所需的適宜溫度、水分和物理特性，是軟化鍋和烘干機功能的組合體?，F(xiàn)在中大型油脂工廠新建的以大豆為原料的生產(chǎn)線基本上都采用大豆脫皮工藝，因此大豆調(diào)質(zhì)塔成了中大型以大豆為原料的油脂工廠的“標配”。

大豆調(diào)質(zhì)塔的工作原理是利用蒸汽間接加熱和熱風(fēng)直接烘干脫水。間接蒸汽加熱，既提高大豆溫度，使大豆得到充分的軟化，又對大豆起到干燥脫水作用，而熱風(fēng)以對流形式直接接觸大豆，脫除大豆水分，帶走水汽，也對大豆起到加熱升溫的作用。

大豆調(diào)質(zhì)塔是積木式結(jié)構(gòu)，同一系列按模塊化設(shè)計、制造[2]，根據(jù)不同的產(chǎn)量使用不同的模塊數(shù)量，產(chǎn)品以模塊運輸，在現(xiàn)場組裝。大豆調(diào)質(zhì)塔主要結(jié)構(gòu)由多層組成，包括進料段、加熱層、熱風(fēng)層、出料段等結(jié)構(gòu)，多重加熱層、熱風(fēng)層間隔排布。加熱層采用橢圓管錯位排列，熱傳導(dǎo)和物料導(dǎo)流性好，低壓蒸汽加熱，熱風(fēng)層采用角狀通風(fēng)盒，出料段由幾組旋轉(zhuǎn)閥組成。

本文根據(jù)大豆預(yù)處理工藝需要，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)合理、能耗低，具有較好軟化、調(diào)質(zhì)功能的大豆調(diào)質(zhì)塔，計算過程以500 t/d大豆調(diào)質(zhì)塔為例。

1 設(shè)計計算

1.1 參數(shù)選取

(1)原料大豆，水分E1=14%，溫度t1=20℃，處理量G1=500 t/d=2.083×104kg/h，容重取ρ=730 kg/m3，大豆干基含水率X1=14%/(1-14%)=0.163(kg/kg)。

(2)干大豆量G=2.083×104kg/h×(1-14%)=1.791×104kg/h。

(3)大豆經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，出料時溫度t2=65℃，出料時水分E2=9%，則干基含水率X2=9%/(1-9%)=0.099(kg/kg)。

(4)橢圓管加熱所用的蒸汽絕壓0.12 MPa，溫度104.5℃，進口溫度T1=104.5℃，出口溫度T2=104.5℃，其汽化熱r=2 246.8 kJ/kg=624W·h/kg。

(5)20℃大豆比熱容c大豆20=2.231 kJ/(kg·℃)，65℃大豆比熱容c大豆65=1.963 kJ/(kg·℃)，水比熱容c水=4.183 kJ/(kg·℃)，干空氣比熱容c=1.01 kJ/(kg·℃)，20℃水蒸氣的焓值為2 530.1 kJ/kg，65℃水蒸氣的焓值為2 615.5 kJ/kg，120℃水蒸氣的焓值為2 708.9 kJ/kg，空氣總壓P=1.013×105Pa。橢圓形加熱管傳熱系數(shù)取K=30 W/(m2·℃)。

熱風(fēng)由20℃空氣經(jīng)空氣加熱器加熱到120℃后進入調(diào)質(zhì)塔，從調(diào)質(zhì)塔排出時65℃，空氣狀態(tài)參數(shù)如下：

空氣溫度20℃時，相對濕度取φ=60%，飽和水汽分壓pS=2 334.6 Pa，則濕度H20=0.008 7 kg/kg干空氣，焓I20=42.21 kJ/kg干空氣；

熱風(fēng)溫度120℃時，濕度H120=H20，焓I120=144.77 kJ/kg干空氣；

排風(fēng)溫度65℃時，此時相對濕度的選取應(yīng)使空氣中水汽分壓低于大豆表面的水汽分壓，飽和水汽分壓pS=25 014 Pa，則濕度H65=0.108 2 kg/kg干空氣，焓I65=348.65 kJ/kg干空氣。

1.2 物料衡算

(1)大豆脫水量W：W=G(X1-X2)=1.791×104×(0.163-0.099)=1 146(kg/h)。

(2)空氣消耗量：

干空氣消耗量L：L=W/(H65-H20)=1 146/(0.108 2-0.008 7)=11 518(kg干空氣/h)；

空氣消耗量L0：L0=L(1+H20)=11 518×(1+0.008 7)=11 618(kg/h)；

空氣比容VH：VH=(0.772+1.244H20)×(273+t1)/273=(0.772+1.244×0.008 7)×(273+20)/273=0.84(m3/kg干空氣)；

空氣體積V：V=L·VH=11 518×0.84=9 675(m3/h)。

(3)大豆出料量：G2=G(1+X2)=1.791×104×(1+0.099)=1.968×104(kg/h)。

1.3 熱量衡算

對調(diào)質(zhì)塔進行熱量衡算，為簡化計算，不計入熱損失。

(1)大豆帶入熱量Q1：Q1=Gc大豆20t1=1.791×104×2.231×20=799 144(kJ/h)。

(2)熱風(fēng)帶入熱量Q2：Q2=L·I120=11 518×144.77=1 667 460(kJ/h)。

(3)間接蒸汽帶入熱量Q3：待求。

(4)大豆帶出熱量Q4：Q4=Gc大豆65t2=1.791×104×1.963×65=2 285 226(kJ/h)。

(5)廢氣帶出熱量Q5：Q5=L·I65=11 518×348.65=4 015 751(kJ/h)。

因Q1+Q2+Q3=Q4+Q5，所以Q3=Q4+Q5-Q1-Q2=3 834 373(kJ/h)=1 065 104(W)。

1.4 加熱層的計算

平均溫度差Δtm：

Δt1=T1-t1=104.5-20=84.5(℃)；

Δt2=T2-t2=104.5-65=39.5(℃)；

Δt1/Δt2=2.14，則Δtm=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)=(84.5-39.5)/ln(84.5/39.5)=59.15(℃)。

加熱層總換熱面積F：

F理=Q3/(KΔtm)=1 065 104/(30×59.15)=600.23(m2)；

F實=1.1×F理=1.1×600.23=660.25(m2)；

因此取換熱面積F=660 m2。

1.5 加熱層的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上計算結(jié)果，把加熱層設(shè)計為6層，平均每層換熱面積110 m2，換熱管為橢圓形無縫鋼管，規(guī)格選80 mm×40 mm×2.5 mm的碳鋼管，換熱面積0.194 m2/m，而考慮到產(chǎn)品系列化設(shè)計的要求，故將加熱層長寬尺寸定為2 800 mm×2 800 mm，因此橢圓管每根長2 800 mm，則每根的換熱面積為F每根=0.194 m2/m×2 800 mm=0.543 m2，每層加熱層的換熱管數(shù)n=110/0.543=202.58(根)≈203(根)。

換熱管排列方式為菱形排列，橢圓管長徑縱向，短徑橫向，排列尺寸主要參數(shù)：縱向間距取值100 mm，橫向間距取值95 mm，橢圓管的排列應(yīng)既保證與大豆之間的充分接觸，以提高換熱效果，又應(yīng)保證大豆靠重力下流的順暢。根據(jù)以上數(shù)據(jù)對每層蒸汽加熱層的橢圓管進行排列，共需7層，每層29根，共計203根。因此加熱層的外形尺寸為：長×寬×高=2 800 mm×2 800 mm×700 mm。

加熱層所需蒸汽量M總：M總=Q3/r=3 834 373/2 246.8=1 707(kg/h)。

1.6 熱風(fēng)層的設(shè)計

熱風(fēng)層設(shè)計為3層，間隔排列在每2層加熱層之后。每層熱風(fēng)層設(shè)置熱風(fēng)進口和排風(fēng)口，相應(yīng)設(shè)置的角狀通風(fēng)盒也分為進風(fēng)角狀盒和排風(fēng)角狀盒，熱風(fēng)從進風(fēng)角狀盒進入塔內(nèi)，穿過大豆層，再通過排風(fēng)角狀盒排出。熱風(fēng)行程僅在熱風(fēng)層內(nèi)，故應(yīng)設(shè)計適宜的角狀盒數(shù)量和熱風(fēng)層高度，熱風(fēng)的風(fēng)速應(yīng)在適宜的范圍內(nèi)，包括角狀通風(fēng)盒端面進氣和出氣速度，以及熱風(fēng)通過大豆層的平均風(fēng)速等，即而使大豆受熱干燥均勻，增強熱風(fēng)烘干效果。大豆在通過充分的蒸汽間接加熱時，溫度上升，內(nèi)部水分被逐漸蒸發(fā)出來，存在于大豆表面和大豆間隙中，熱風(fēng)的作用就是將這些濕熱水汽帶走，這樣就既保證了較好的軟化調(diào)質(zhì)效果，又能在較短時間內(nèi)降低水分。

熱風(fēng)層在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，長、寬尺寸跟加熱層一致，其層高取決于角狀通風(fēng)盒的尺寸及排列方式，角狀通風(fēng)盒的截面尺寸取值如下：寬度為100 mm，垂直邊高度為75 mm，斜頂夾角為60°，角狀通風(fēng)盒排列時，水平間距240 mm，上下層錯開，上下層間距240 mm，且進風(fēng)角狀盒和排風(fēng)角狀盒間隔排列。因此，每層熱風(fēng)層里，角狀盒共46個，排為4層，熱風(fēng)層的外形尺寸為：長×寬×高=2 800 mm×2 800 mm×1 000 mm。

1.7 熱風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計

包括空氣加熱器的結(jié)構(gòu)和耗汽量等的設(shè)計計算、風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率等計算、除塵設(shè)備和熱風(fēng)管網(wǎng)的設(shè)計等，根據(jù)前述已知參數(shù)和調(diào)質(zhì)塔的設(shè)計參數(shù)進行計算，這里從略。

1.8 調(diào)質(zhì)塔總體結(jié)構(gòu)和工藝流程

調(diào)質(zhì)塔橫截面為正方形2 800 mm×2 800 mm的立方體結(jié)構(gòu)，從上向下依次為進料層、三段加熱層-熱風(fēng)層、出料層，進料段和出料段均為錐體形，總高度約13.7 m。進料層應(yīng)有料位報警或料位控制，并與出料機構(gòu)聯(lián)鎖，有能夠使進料的大豆均勻下落分布的裝置。加熱層共6層，而熱風(fēng)層共4層，兩者間隔分布，增加的1層熱風(fēng)層位于進料層下，其作用是利用熱風(fēng)余熱。出料層由數(shù)個旋轉(zhuǎn)下料機構(gòu)并列構(gòu)成，與進料層料位控制相聯(lián)鎖。風(fēng)網(wǎng)系統(tǒng)由2臺風(fēng)機組成，一臺風(fēng)機向2層熱風(fēng)層送熱風(fēng)，另一臺風(fēng)機作用是利用廢氣余熱，向其他熱風(fēng)層送風(fēng)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)為智能化控制系統(tǒng)，有良好的人機界面，以出料段來控制進料段料位，并跟進料輸送設(shè)備聯(lián)鎖，以出料段大豆的溫度來控制加熱層的蒸汽量，以出料段大豆的水分含量來控制熱風(fēng)層的熱風(fēng)溫度。在設(shè)計調(diào)質(zhì)塔工藝流程時應(yīng)考慮風(fēng)速要求和熱風(fēng)余熱的利用，以達到較好的調(diào)質(zhì)和節(jié)能效果。

500 t/d大豆調(diào)質(zhì)塔技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 500 t/d大豆調(diào)質(zhì)塔技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)束語

按照以上方法設(shè)計的大豆調(diào)質(zhì)塔結(jié)構(gòu)合理，能耗低，受熱均勻，無過熱現(xiàn)象，大豆蛋白不變性，大豆軟化、調(diào)質(zhì)效果佳，有利于大豆的軋坯、脫皮等后續(xù)處理。以此為基礎(chǔ)進行系列化設(shè)計，產(chǎn)量范圍500～1 000 t/d。

[1] 邱孟柯，肖培軍，陳俊強，等. 大豆調(diào)質(zhì)塔的設(shè)計與開發(fā)[J].糧食與食品工業(yè)，2016,23(1)：77-79.

[2] 周粉富，黃俊強，陳中華. 大豆調(diào)質(zhì)烘干塔[J].中國油脂，2004,29(8)：62-63.

2017-05-19

曾凡中(1979)，男，工程師，主要從事油脂工程工藝設(shè)計工作(E-mail)bmzfz@163.com。

應(yīng)用研究

TS223.2;TQ643

B

1003-7969(2017)10-0154-03