玉米淀粉工業中蒸發工藝模擬分析范文
本站小編為你精心準備了玉米淀粉工業中蒸發工藝模擬分析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
關鍵詞:玉米濕法加工;多效蒸發;節能改造;流程模擬
近年來，中國玉米淀粉工業正以年產量19.8%的增速迅速發展［1］。濕磨法玉米淀粉生產工藝憑借其淀粉收率高、生產工藝簡單等優勢，占據了主要份額［2］。其中，玉米漿蒸發工序是濕磨法的重要環節。在玉米漿加工工序中，玉米漿稀浸泡液中的水含量高，而干物質含量很低，所以為了充分回收玉米漿稀溶液中的有機成分和營養物質，去除玉米漿稀溶液中多余的水分，使蒸發濃縮后的玉米漿濃度能夠滿足產品及下游生產要求，必須要對其進行蒸發濃縮。在蒸發工序中，比較成熟的節能技術有蒸汽機械再壓縮(MVR)技術、蒸汽熱力再壓縮(TVR)技術、多效蒸發技術等。其中，MVR技術是使用超高速直接式蒸汽壓縮機將濃縮產生的二次蒸汽升溫、升壓后返回蒸發器殼程重新使用，其節能效果明顯，連續生產時可以完全不產生蒸汽，僅使用電力驅動濃縮過程;TVR技術中鍋爐蒸汽進入多效蒸發器1效殼程時必然要減壓，利用文丘里效應將原本引入2效殼程的二次閃蒸汽回收一部分，與主蒸汽一起送進1效殼程，節約新蒸汽用量，該工藝雖然節能效果有限，但投資相對較低［2］;多效蒸發濃縮技術的原理是溶液沸點隨著壓力的降低而降低，當前一效蒸發單元產生的二次蒸汽溫度高于后一效的溶液沸點(壓力較前一效低)且滿足傳熱溫差即可換熱［3］，實現蒸發操作。與單效蒸發相比，多效蒸發技術節能效果顯著，而如果將管束廢氣引入玉米漿多效蒸發器作為熱源，在連續運行的情況下則可以實現降低蒸汽消耗的同時幾乎不增加電耗，是最佳的節能方式。在多效蒸發研究中，楊凱業等［4］應用AspenPlus對制糖工業中的多效蒸發單元進行模擬，采用換熱模塊HEATX、降壓閥模塊PDROP和分流器FSPLIT組合建立蒸發器模型，通過對比，驗證了五效蒸發模型的可行性。史航等［5］利用AspenPlus模擬了基于MVR技術的多效蒸發過程，并利用有效能分析法對多效蒸發效數、MVR加入位置進行了分析，最終得出六效蒸發的有效能效率最高，達到0.568，且MVR在多效蒸發中的加入位置越靠前，節能效果越好。梁虎等［6］提出了一種多效蒸發系統優化設計模型，以年度總費用最小為目標，建立了多效蒸發的熱經濟學模型，并采用該模型對NaOH蒸發工序進行優化設計，年度總費用節省10%以上。多效蒸發作為一種高效節能的分離技術在實際工業中應用廣泛，但在不同的生產工藝中，多效蒸發系統的實際配置與操作情況各不相同，需要有針對性地開展系統評價與優化。我國北方某玉米淀粉生產企業在玉米漿蒸發工序中采用多效蒸發技術脫除水分，本文基于該廠的實際生產數據，深入探究多效蒸發工序的技術要點，利用AspenPlus軟件(Version10.0)對該過程進行建模和優化分析，以期得到更好的節能效果，為實際生產過程提供參考。
1玉米漿稀浸泡液多效蒸發工藝
1.1多效蒸發工藝簡介
蒸發器在生產過程中需要消耗大量蒸汽，為節約新鮮蒸汽，將多臺蒸發器串聯組成多效蒸發器，多效蒸發要求后一效的操作壓力小于前一效，前一效蒸發產生的二次蒸汽作為后一效蒸發器的加熱蒸汽，二次蒸汽在后一效中冷凝，為溶液的蒸發提供熱量。多效蒸發技術的優點是可以多次利用二次蒸汽，僅需在第1效使用新鮮蒸汽。單效與多效蒸發器新鮮蒸汽消耗量對比如表1。蒸發器按操作壓力可分為常壓、加壓和減壓操作;按溶液在蒸發器中的運動情況可分為循環型、單程型和直接接觸型。其中，循環型指沸騰溶液在加熱室多次通過加熱表面，根據循環運動的驅動力又可進一步分為自然循環和強制循環型;單程型指沸騰溶液在加熱室中一次通過加熱表面，可分為升膜式、降膜式、攪拌薄膜式和離心薄膜式;直接接觸型指加熱介質和溶液直接接觸傳熱，例如浸沒燃燒式蒸發器［7］。多效蒸發工藝有并流、逆流和混流3種流程。混流加料是逆流加料和并流加料的交叉組合。并流加料時溶液流向和加熱蒸汽流向相同，并流加料的優點有:①溶液從壓力(溫度)較高的蒸發器流向壓力(溫度)較低的蒸發器，溶液可依靠各效間的壓差流動而不需泵送;②溶液進入壓力(溫度)較低的下一效時處于過熱狀態，因而會產生額外的氣化，得到較多的二次蒸汽;③完成液在末效排出，其溫度最低，故總的熱量消耗較低。并流加料的缺點是，由于各效中溶液的濃度依次增高，而溫度依次降低，因此溶液的黏度增加較快，使加熱室的傳熱系數依次下降，這將導致整個蒸發裝置生產能力的下降或傳熱面積的增加。逆流加料時溶液流向和加熱蒸汽流向相反，其優點是，溶液濃度在各效中依次增高的同時，溫度也隨之增高，因而各效內溶液的黏度變化不大，這種流程適用于黏度隨濃度和溫度變化較大的溶液蒸發［8］。逆流加料的缺點有［9］:①溶液在效間是從低壓流向高壓的，因而必須用泵輸送;②溶液在效間是從低溫流向高溫，每一效的進料相對而言均為冷液，沒有自蒸發，產生的二次蒸汽量少于并流流程;③完成液在第1效排出，其溫度較高，帶走熱量較多而且不利于熱敏性料液的蒸發。在蒸發濃縮過程中，玉米漿稀浸泡液中的可溶性物質會在加熱管表面粘附而形成積垢，使傳熱效率下降。而且玉米漿稀浸泡液中含有熱敏性物質，在高溫下停留時間過長會引起蛋白質變性，所以應該減少溶液在蒸發器中的停留時間，提高溶液的流動速度。同時，查看蒸發器結垢情況，定時和及時清洗蒸發器是提高蒸發器蒸發效率、保證生產正常運行的重要措施。多效蒸發工序的研究和應用雖然已經很成熟，但是針對不同的工序仍然存在著不同的優化和節能要點。
1.2玉米漿多效蒸發工藝節能技術要點
(1)在第1效蒸發器前增加1臺以廢氣為熱源的預熱器，使進入2效蒸發器的物料溫度提高，減少1效和2效蒸發器的生產負荷，這臺預熱器使用前效的廢氣加熱，提高蒸汽利用率。(2)將其他產品干燥過程產生的廢氣，經過過濾、洗滌后產生的余熱氣與新蒸汽混合后進入3效蒸發器使用，這些廢氣的使用能夠降低新鮮蒸汽的消耗。(3)將各種干燥機、換熱器排出的二次蒸汽加入2/3效蒸發器中使用，該技術的重點是高溫冷凝汽的回收和二次蒸汽的生產。在玉米漿蒸發濃縮節能技術中，管束干燥機的廢氣回收洗滌是技術的關鍵，廢氣首先經過旋風分離器分離干物質，然后再進入洗滌塔洗滌，這樣才能與新鮮蒸汽混合使用［2］。
2工藝流程與模擬計算
本文研究的工藝是在玉米漿蒸發濃縮階段采用由6臺升降膜式蒸發器串聯組成的多效蒸發系統，為降低新鮮蒸汽的用量，引入經過洗滌后的干燥尾氣作為部分蒸發器的熱源。該工藝節能效果顯著，顯著降低了新鮮蒸汽的用量，極大地提升了企業的經濟效益。該工藝采用錯流法，工藝流程如圖1所示，其中每臺蒸發器的溫度和壓力如表2所示。工程中采用5t/h(0.8MPa)的新鮮蒸汽作為第1效蒸發器的熱源，同時引入了44.1t/h(壓力為101.325kPa、溫度為90℃)的干燥廢氣(干燥廢氣主要由空氣和水組成，其中水的摩爾分數為0.688)作為第3效蒸發器的熱源，玉米漿稀溶液的組成及濃縮后的組成如表3所示。AspenPlus作為應用最為廣泛的大型流程模擬軟件，擁有完整的單元操作模塊和強大的物性數據庫，能夠對大部分化工流程進行物料衡算和能量衡算。本文采用AspenPlus對上述玉米漿稀溶液多效蒸發過程進行模擬與優化，選用NRTL作為全局物性方法［10］，選取換熱器HeatX、泵Pump和閃蒸罐Flash3個模塊組成一個基本單元，模擬一臺升降膜式蒸發器［11］，并根據圖1所示的工藝流程進行建模，建模流程如圖2所示。模擬結果見表4。其中，由干燥廢氣直接或間接提供熱源的蒸發器的蒸發水量在15t/h左右，而由新鮮蒸汽直接或間接提供熱源的蒸發器的蒸發水量小于5t/h。該數據滿足熱力學定律，且與工廠實際數據接近，數據誤差在允許范圍內，可以在該模型的基礎上對工藝過程進行優化。
3優化與討論
3.1進料溫度優化
進料溫度是影響多效蒸發效果的重要參數，利用AspenPlus對玉米漿稀溶液溫度進行靈敏度分析，保持每一效操作壓力不變，得到了玉米漿稀溶液中水的總蒸發量隨進料溫度的變化情況，如圖3所示。由圖3可知，進料溫度越高則總蒸發水量越多，即蒸發效果越好。因此在進料前增加1臺預熱器，對待蒸發的稀浸泡液進行預熱，可減小多效蒸發系統的生產負荷，降低新鮮蒸汽的使用量。對原工藝進行改進，可采用換熱后的干燥尾氣作為預熱器熱源，根據熱量衡算，經換熱后玉米漿稀溶液可被預熱至66℃。規定總的蒸發水量仍為47.67t/h，每效的壓力也保持不變，對改進后的流程進行模擬，結果見表5。由模擬結果可知新鮮蒸汽用量為4.61t/h，較原工藝減少了0.39t/h。表5加預熱器后模擬結果項目第5效第3～5效第4效第3效蒸發水量/(t•h－1)3.9115.473.7215.50項目第1效第2效總蒸發水量蒸發水量/(t•h－1)4.504.5847.67將增設預熱器前后的多效蒸發系統中每一效蒸發水量進行對比，如圖4所示。通過對玉米漿稀溶液進行預熱，導致第1臺蒸發器(即第5效蒸發器)的蒸發量提高，降低了其生產負荷。由于新鮮蒸汽用量減少，所以由新鮮蒸汽作為熱源的第2效以及由其二次蒸汽作為熱源的第2、4效的水分蒸發量減少。由此可見，預熱溫度的選擇不僅能夠影響新鮮蒸汽的用量，還能夠顯著影響各效之間的協調與配合。圖4每效蒸發水量對比
3.2工藝流程優化
該廠在多效蒸發工序所采用的混流加料法中存在局部并流加料。由1.1節可知，并流加料過程玉米漿黏度增加較快，容易導致積垢，不僅降低換熱器的傳熱效率，而且會加大蒸發器清洗的費用和負擔［12］，所以本文將該多效蒸發工藝流程改為純逆流，新鮮蒸汽由第2效蒸發器加入，干燥尾氣由第3～5效蒸發器加入，保持水分蒸發量不變，改進后。將增設預熱器前后的多效蒸發系統中每一效蒸發水量進行對比，如圖4所示。通過對玉米漿稀溶液進行預熱，導致第1臺蒸發器(即第5效蒸發器)的蒸發量提高，降低了其生產負荷。由于新鮮蒸汽用量減少，所以由新鮮蒸汽作為熱源的第2效以及由其二次蒸汽作為熱源的第2、4效的水分蒸發量減少。由此可見，預熱溫度的選擇不僅能夠影響新鮮蒸汽的用量，還能夠顯著影響各效之間的協調與配合。
3.2工藝流程優化
該廠在多效蒸發工序所采用的混流加料法中存在局部并流加料。由1.1節可知，并流加料過程玉米漿黏度增加較快，容易導致積垢，不僅降低換熱器的傳熱效率，而且會加大蒸發器清洗的費用和負擔［12］，所以本文將該多效蒸發工藝流程改為純逆流，新鮮蒸汽由第2效蒸發器加入，干燥尾氣由第3～5效蒸發器加入，保持水分蒸發量不變，改進后的工藝流程如圖5所示，模擬結果見表6。通過模擬結果可知，新鮮蒸汽用量為3.33t/h，較原工藝(未加預熱器前)節約了1.67t/h。分析原因可知，在原混流多效蒸發工藝中，干燥尾氣由第3效蒸發器加入，該效的壓力為40.6kPa，此時玉米漿的飽和溫度約為77℃，經過該換熱器，干燥尾氣中約40.74%的水蒸氣被液化;而在優化后的逆流多效蒸發工藝中，干燥尾氣由第3～5效加入，該換熱器的壓力為23.4kPa，此時玉米漿飽和溫度約為64℃，經換熱后，干燥尾氣中約48.31%的水蒸汽被液化，由于汽化潛熱比較大，干燥尾氣中水蒸氣被液化的量增加，放出的熱量也會大量增加，相應地減少了新鮮蒸汽的用量。
4結論
本文介紹了玉米淀粉蒸發工序和多效蒸發工序中的節能技術，并采用AspenPlus對企業現運行的六效蒸發系統進行模擬。模擬結果接近工廠真實數據，證明了模型的有效性，可基于該流程進行工藝參數的調整和優化。為了提高多效蒸發系統的節能效果，提出了兩種節能策略:一是在六效蒸發系統前增設1臺板式預熱器，預熱玉米漿稀溶液，可節約0.39t/h蒸汽;二是將工藝流程由混流改為逆流，增大了干燥尾氣的利用率，節約了1.67t/h新鮮蒸汽的用量。該模擬流程對于指導現場操作具有一定意義，優化方案也為實際生產的節能改造提供了參考。
參考文獻
［1］王奕嬌，張慶柱，朱金鳴．我國玉米深加工現狀及其發展建議［J］．農機化研究，2010，32(9):245－248．
［2］白坤．玉米淀粉工程技術［M］．北京:中國輕工業出版社，2009．
［3］趙文華．多效蒸發技術在煤化工廢水工程領域的應用［J］．煤炭加工與綜合利用，2018，(12):45－48．
［4］楊凱業，陳礪，嚴宗誠，等．制糖多效蒸發過程的模擬與分析［J］．節能技術，2016，34(3):195－199．
［5］史航，施云海，陳迎，等．MVR與多效蒸發聯用的有效能分析［J］．節能技術，2018，36(3):270－275．
［6］梁虎，王黎．多效蒸發系統優化設計研究［J］．化學工程，1997，25(6):48－51．
［7］李詠梅．玉米化工用多效蒸發器的優化分析［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2009．
［8］高妍，沈延順，張帆，等．低溫余熱回用的逆流三效蒸發節能工藝設計［J］．石化技術與應用，2018，36(6):58－62．
［9］鄧超，包艷珍，張嫚，等．三效降膜蒸發器在糖精鈉生產中的應用［J］．河南科技，2014，(8):72－72．
［10］張懷慶．基于AspenPlus平臺資源節約型木質纖維素乙醇生產工藝流程模擬［D］．上海:華東理工大學，2011．
［11］管東強．三效逆流降膜蒸發裝置的AspenPlus模擬［D］．上海:上海交通大學，2013．
［12］李博，張曉冬，喻果．一種復合阻垢劑在玉米漿蒸發器上的應用研究［J］．當代化工，2017，46(5):995－997．
作者：李義 李明鑫 劉俊 李偉達 賈中文 王少靖 趙國興 劉琳琳 劉海軍 都健 佟毅 修志龍 李大勇 單位：吉林中糧生化有限公司
