大豆调质塔的设计计算

2017-12-11曾凡中马志强董可林太仓市宝马油脂设备有限公司江苏太仓215415

中国油脂 2017年10期

关键词：调质热风软化

曾凡中，马志强，董可林(太仓市宝马油脂设备有限公司，江苏太仓 215415)

大豆调质塔的设计计算

曾凡中，马志强，董可林
(太仓市宝马油脂设备有限公司，江苏太仓 215415)

大豆调质塔是大豆脱皮工艺的关键设备，其设计质量对能耗、生产效果的影响很大。以500 t/d 大豆调质塔为例，阐述了通过物料衡算和热量衡算来进行大豆调质塔的结构设计计算过程，对大豆调质塔的设计制造具有指导意义。

大豆；调质塔；软化；设计；计算

近些年大豆脱皮工艺应用比较普遍，该工艺以生产高蛋白质含量的豆粕和提高大豆油质量为目标，并可以得到富含纤维的大豆皮，是提高油脂工厂经济效益的重要途径。大豆调质塔是大豆脱皮工艺中的关键设备[1]，大豆经清理后进入大豆调质塔进行处理，既能对大豆进行加热调质软化，也能在较短时间内降低大豆水分，使大豆满足脱皮、轧坯所需的适宜温度、水分和物理特性，是软化锅和烘干机功能的组合体。现在中大型油脂工厂新建的以大豆为原料的生产线基本上都采用大豆脱皮工艺，因此大豆调质塔成了中大型以大豆为原料的油脂工厂的“标配”。

大豆调质塔的工作原理是利用蒸汽间接加热和热风直接烘干脱水。间接蒸汽加热，既提高大豆温度，使大豆得到充分的软化，又对大豆起到干燥脱水作用，而热风以对流形式直接接触大豆，脱除大豆水分，带走水汽，也对大豆起到加热升温的作用。

大豆调质塔是积木式结构，同一系列按模块化设计、制造[2]，根据不同的产量使用不同的模块数量，产品以模块运输，在现场组装。大豆调质塔主要结构由多层组成，包括进料段、加热层、热风层、出料段等结构，多重加热层、热风层间隔排布。加热层采用椭圆管错位排列，热传导和物料导流性好，低压蒸汽加热，热风层采用角状通风盒，出料段由几组旋转阀组成。

本文根据大豆预处理工艺需要，设计一种结构合理、能耗低，具有较好软化、调质功能的大豆调质塔，计算过程以500 t/d大豆调质塔为例。

1 设计计算

1.1 参数选取

(1)原料大豆，水分E1=14%，温度t1=20℃，处理量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)大豆经过调质处理后，出料时温度t2=65℃，出料时水分E2=9%，则干基含水率X2=9%/(1-9%)=0.099(kg/kg)。

(4)椭圆管加热所用的蒸汽绝压0.12 MPa，温度104.5℃，进口温度T1=104.5℃，出口温度T2=104.5℃，其汽化热r=2 246.8 kJ/kg=624W·h/kg。

(5)20℃大豆比热容c大豆20=2.231 kJ/(kg·℃)，65℃大豆比热容c大豆65=1.963 kJ/(kg·℃)，水比热容c水=4.183 kJ/(kg·℃)，干空气比热容c=1.01 kJ/(kg·℃)，20℃水蒸气的焓值为2 530.1 kJ/kg，65℃水蒸气的焓值为2 615.5 kJ/kg，120℃水蒸气的焓值为2 708.9 kJ/kg，空气总压P=1.013×105Pa。椭圆形加热管传热系数取K=30 W/(m2·℃)。

热风由20℃空气经空气加热器加热到120℃后进入调质塔，从调质塔排出时65℃，空气状态参数如下：

空气温度20℃时，相对湿度取φ=60%，饱和水汽分压pS=2 334.6 Pa，则湿度H20=0.008 7 kg/kg干空气，焓I20=42.21 kJ/kg干空气；

热风温度120℃时，湿度H120=H20，焓I120=144.77 kJ/kg干空气；

排风温度65℃时，此时相对湿度的选取应使空气中水汽分压低于大豆表面的水汽分压，饱和水汽分压pS=25 014 Pa，则湿度H65=0.108 2 kg/kg干空气，焓I65=348.65 kJ/kg干空气。

1.2 物料衡算

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

(2)空气消耗量：

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

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

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

空气体积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 热量衡算

对调质塔进行热量衡算，为简化计算，不计入热损失。

(1)大豆带入热量Q1：Q1=Gc大豆20t1=1.791×104×2.231×20=799 144(kJ/h)。

(2)热风带入热量Q2：Q2=L·I120=11 518×144.77=1 667 460(kJ/h)。

(3)间接蒸汽带入热量Q3：待求。

(4)大豆带出热量Q4：Q4=Gc大豆65t2=1.791×104×1.963×65=2 285 226(kJ/h)。

(5)废气带出热量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 加热层的计算

平均温度差Δtm：

Δt1=T1-t1=104.5-20=84.5(℃)；

Δt2=T2-t2=104.5-65=39.5(℃)；

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

加热层总换热面积F：

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

F实=1.1×F理=1.1×600.23=660.25(m2)；

因此取换热面积F=660 m2。

1.5 加热层的结构设计

根据以上计算结果，把加热层设计为6层，平均每层换热面积110 m2，换热管为椭圆形无缝钢管，规格选80 mm×40 mm×2.5 mm的碳钢管，换热面积0.194 m2/m，而考虑到产品系列化设计的要求，故将加热层长宽尺寸定为2 800 mm×2 800 mm，因此椭圆管每根长2 800 mm，则每根的换热面积为F每根=0.194 m2/m×2 800 mm=0.543 m2，每层加热层的换热管数n=110/0.543=202.58(根)≈203(根)。

换热管排列方式为菱形排列，椭圆管长径纵向，短径横向，排列尺寸主要参数：纵向间距取值100 mm，横向间距取值95 mm，椭圆管的排列应既保证与大豆之间的充分接触，以提高换热效果，又应保证大豆靠重力下流的顺畅。根据以上数据对每层蒸汽加热层的椭圆管进行排列，共需7层，每层29根，共计203根。因此加热层的外形尺寸为：长×宽×高=2 800 mm×2 800 mm×700 mm。

加热层所需蒸汽量M总：M总=Q3/r=3 834 373/2 246.8=1 707(kg/h)。

1.6 热风层的设计

热风层设计为3层，间隔排列在每2层加热层之后。每层热风层设置热风进口和排风口，相应设置的角状通风盒也分为进风角状盒和排风角状盒，热风从进风角状盒进入塔内，穿过大豆层，再通过排风角状盒排出。热风行程仅在热风层内，故应设计适宜的角状盒数量和热风层高度，热风的风速应在适宜的范围内，包括角状通风盒端面进气和出气速度，以及热风通过大豆层的平均风速等，即而使大豆受热干燥均匀，增强热风烘干效果。大豆在通过充分的蒸汽间接加热时，温度上升，内部水分被逐渐蒸发出来，存在于大豆表面和大豆间隙中，热风的作用就是将这些湿热水汽带走，这样就既保证了较好的软化调质效果，又能在较短时间内降低水分。

热风层在进行结构设计时，长、宽尺寸跟加热层一致，其层高取决于角状通风盒的尺寸及排列方式，角状通风盒的截面尺寸取值如下：宽度为100 mm，垂直边高度为75 mm，斜顶夹角为60°，角状通风盒排列时，水平间距240 mm，上下层错开，上下层间距240 mm，且进风角状盒和排风角状盒间隔排列。因此，每层热风层里，角状盒共46个，排为4层，热风层的外形尺寸为：长×宽×高=2 800 mm×2 800 mm×1 000 mm。

1.7 热风系统的设计

包括空气加热器的结构和耗汽量等的设计计算、风机的风量、风压、功率等计算、除尘设备和热风管网的设计等，根据前述已知参数和调质塔的设计参数进行计算，这里从略。

1.8 调质塔总体结构和工艺流程

调质塔横截面为正方形2 800 mm×2 800 mm的立方体结构，从上向下依次为进料层、三段加热层-热风层、出料层，进料段和出料段均为锥体形，总高度约13.7 m。进料层应有料位报警或料位控制，并与出料机构联锁，有能够使进料的大豆均匀下落分布的装置。加热层共6层，而热风层共4层，两者间隔分布，增加的1层热风层位于进料层下，其作用是利用热风余热。出料层由数个旋转下料机构并列构成，与进料层料位控制相联锁。风网系统由2台风机组成，一台风机向2层热风层送热风，另一台风机作用是利用废气余热，向其他热风层送风。控制系统应为智能化控制系统，有良好的人机界面，以出料段来控制进料段料位，并跟进料输送设备联锁，以出料段大豆的温度来控制加热层的蒸汽量，以出料段大豆的水分含量来控制热风层的热风温度。在设计调质塔工艺流程时应考虑风速要求和热风余热的利用，以达到较好的调质和节能效果。

500 t/d大豆调质塔技术参数见表1。