干式-冷凝真空脫臭系統在食用油精煉過程中的應用

真空系統 周人楷 無錫中糧工程科技有限公司

  根據國內外真空脫臭系統的發展現狀及趨勢,結合干式-冷凝真空脫臭系統工作原理、工作方式,分析了該技術在油脂精煉脫臭過程中的能源消耗狀況及經濟效益,顯示出廣闊的應用前景。

  近年來,我國油脂加工產業發展迅速,上規模企業近1500家。2010年食用植物油加工業年處理油料能力為13111.1萬t、油脂精煉能力為3972.5萬t;食用油品種繁多,品種以大豆油、菜籽油、棕櫚油和花生油為主,4個品種產量達1984.8萬t,占食用植物油實際總產量的88.5%。油脂精煉生產過程中蒸汽消耗約占總動力成本的80%左右,是節能技術應用的重點區域。《“十二五”節能減排綜合性工作方案》主要目標要求到2015年全國萬元國內生產總值能耗下降到0.869t標準煤,比2010年的1.034t標準煤下降16%。作為用能大戶,食用油脂加工行業面臨的節能減排形勢也十分嚴峻。

  隨著科學技術的發展,干式-冷凝真空脫臭系統作為一種新型節能技術發展日益成熟,有望降低精煉過程中的蒸汽量和用水量能源消耗,成為降低油脂加工企業生產成本的重要手段之一。

1、國內外發展概況和趨勢

  油脂精煉真空脫臭系統主要有噴射大氣冷凝系統、低溫堿液冷凝真空系統、預脫臭系統以及干式-冷凝真空脫臭系統。現我國大部分油脂精煉生產線采用傳統的噴射大氣冷凝真空脫臭系統。盡管前期投入費用低,但是能耗極高,所需蒸汽消耗約占總蒸汽量60%~85%。相比傳統工藝,美國、德國等多個廠家采用低溫堿液冷凝真空系統,用二級真空泵聯用一臺水環真空泵替代了傳統的四級蒸汽噴射泵,用低溫堿液替代了30℃的循環水,提高了脂肪酸的捕集效果,降低了動力蒸汽的耗量,節能效果達到40%以上。印度MECPRO公司采用預脫臭法,用脫色油經節能器加熱、除氣罐除去一些不溶的過氧化物,再經閃蒸器除去游離脂肪酸及其他含臭物質后,進入脫臭塔脫臭的工藝,使直接蒸汽消耗降至通常水平的70%。

  另外,脫臭工藝中的水耗也是精煉脫臭工藝中關注的焦點問題。傳統噴射大氣冷凝真空脫臭系統需要大量的冷卻水,并排放大量廢水。以400t/d食用油精煉生產線為例,冷凝器及冷卻塔用水為250m3/h,廢水排放為3.9t/h,按300d工作時間計算,年用水量為180萬t,年產污水2.8萬t。低溫堿液冷凝真空系統和預脫臭系統盡管節能效果明顯,但還是沒有解決水耗高以及污水排放量大的問題。

  相對于上述3種真空脫臭系統,干式-冷凝真空脫臭系統近年來得到快速發展,成為一種新型高效的節能技術。干式-冷凝真空脫臭系統最早在1969年由Martinenghi G.B.首次提出該項技術的雛形,用-40℃~-15℃的溫度凝華油脂脫臭工藝蒸汽中的可凝氣,從而減輕下級真空泵負荷。1984年,Merk等對該技術又進行改進,將“干冷器”稱為“間接冷凝器”,為強化傳熱效果,他提出間接冷凝器內流體雷諾數應低于2300,流體流動方向上通道面積應視氣體量而變化,且流體入口處和出口處的雷諾數應保持基本一致。1986年,Hansted F.對干式-冷凝真空脫臭系統進行改進,并稱丹麥Atlas公司的首臺工業化裝置于1983年于丹麥大豆餅工廠投入工業應用,節能效果良好。2001 年,LinesJ.R.對該系統冷凝器進行革新設計,在規模為34t/h油脂脫臭生產中的能耗指標顯示出該系統的低能耗優勢。目前,德國Korting、丹麥Atlas及美國Graham公司在該項技術方面處于領先地位。

  相比于噴射大氣冷凝系統、低溫堿液冷凝真空系統、預脫臭系統3種脫臭方式,干式-冷凝真空脫臭工藝具有顯著的優點:

  (1)能耗方面:不需要使用多級蒸汽噴射泵、大氣冷凝器等裝置,所需蒸汽壓力降低,蒸汽用量也大幅減少;幾乎無需冷卻循環水,無需冷卻循環水泵。

  (2)環保方面:幾乎無廢水排放,易于分離處理;最終排出的氣體中幾乎不含有揮發性物質,無臭氣。

  (3)操作方面:真空穩定,操作靈活,可調節性好,自動化程度高且安全可靠,適合氣量多變的要求。

  (4)土建維護方面:占用空間小,容易接近,管理維修工作量小。

  干式-冷凝真空脫臭系統在我國還屬于新興技術,必將受到越來越多的油脂加工企業重視及油脂科研工作者的深入探討,從而更好地為油脂加工產業服務。

2、工作原理

  在水的三相圖(圖1)中,在水的三相點(0 ℃[32°F],0.61kPa),只存在氣相水汽和固相冰兩種狀態;水汽會直接冷凝成冰(反升華),與水蒸氣冷凝成水的“濕”冷凝不同,這種冷凝形式可稱之謂“干”冷凝。

水三相圖

圖1 水三相圖

  干式-冷凝真空脫臭技術在水的三相點參數條件以下,將從脫臭塔中吸入的水蒸氣與游離脂肪酸等物質,采用干式-冷凝的方式使之不經過液相狀態,在冷凝器冷卻管傳熱面上直接凍結成固相而附著在冷凝管表面,然后再行除去的工藝方法,經過冷凝器后實際上流向噴射泵的僅有空氣。

3、工作方式

  干式-冷凝真空脫臭系統,主要是由汽阱系統、除冰系統、非冷凝真空系統和制冷裝置4部分組成。干式-冷凝真空脫臭系統工作方式見圖2。

干式-冷凝真空脫臭系統工作方式

圖2 干式-冷凝真空脫臭系統工作方式

  (1)經由脂肪酸洗滌器的脫臭蒸汽進入冷凝器,在冷凝器表面冷凝結成固體而附著在冷凝器表面,不凝結汽體被機械羅茨泵系統排空。

  (2)汽阱系統和除冰系統工作方式:由2組冷凝器串聯連接,每組冷凝器由2臺雙管程雙殼程交叉運行的冷凝器并聯組成,當1臺冷凝器工作時,另一臺則處于除冰狀態。當1臺冷凝器的工藝閥、真空閥、冷卻閥和排液閥關閉時,除冰蒸汽閥開啟,蒸汽通過除冰蒸汽閥進入冷凝器,使附著在冷凝器表面的冰晶完全溶化,開啟排液閥使溶化的脂肪酸混合物全部流入下方的暫存罐中。此時除冰結束,關閉除冰蒸汽閥和排液閥,緩慢開啟冷卻閥冷卻冷凝器使冷凝器中殘留的水蒸氣冷凝成冰,殘留水汽凝結成冰時可使該冷凝器內形成真空,其水汽壓力會等于或優于正在工作的冷凝器內真空度。當殘留水汽完全被冷凝后,開啟真空閥和工藝閥,冷凝器進入工作狀態。關閉和開啟相應閥門使另一冷凝器進入除冰狀態。第1組冷凝器上裝有熱水管道,以便沖洗冷凝器管外壁上附著難以除盡的物質。脂肪酸暫存罐與脂肪酸罐連接,溶化的脂肪酸混合物經暫存罐流入脂肪酸分離罐進行脂肪酸與水的分離。

  (3)非冷凝真空系統:由2臺一級羅茨泵、1臺二級羅茨泵、1臺三級羅茨泵、1臺水環真空泵、1臺冷凝器和1臺汽液分離器組成。經過汽阱系統后的汽體中基本不含有脂肪酸揮發物和水蒸氣,該汽體經過羅茨泵系統后在水環泵中與經過冷凝器冷凝的循環廢液混合,汽體中部分可溶物溶入廢液中,汽液混合物進入汽液分離器最后進行汽液分離,分離出來的液體進入廢液循環管路,不溶性汽體排空。

  (4)制冷裝置:由1臺載冷劑暫存罐、2臺串聯的冷凝器、2臺串聯的標準螺桿式冷凍機組和1臺載冷劑輸送泵組成。載冷劑由汽阱系統返回載冷劑暫存罐,然后進入冷凝器中與冷凍機組輸出的液氨進行熱交換,冷凝至-20℃左右的載冷劑最后通過載冷劑輸出泵輸送到汽阱系統中。

4、經濟效益

表1 干式-冷凝真空脫臭系統經濟效益分析

干式-冷凝真空脫臭系統經濟效益分析

  為進一步完善干式-冷凝真空脫臭節能技術,將研制出的干式-冷凝系統應用于某油脂加工企業400t/d精煉生產線的改造工程,并同原有傳統噴射真空系統相比較,分析了該系統的造價、能耗等經濟指標。

  從表1可以看出,以該400t/d精煉生產線年加工300d計,與傳統噴射真空系統相比,采用干式-冷凝真空脫臭系統可以節省蒸汽12729.6t,節約用水28800t,減少污水排放25459.2t,年節省成本268.25萬元。該干式-冷凝真空脫臭系統在降低蒸汽和用水消耗方面具有顯著優勢,有利于降低油脂加工企業經營成本,提高企業市場競爭力。

5、應用前景

  在能源價格越來越高,社會對環保要求越來越嚴格的情況下,作為能耗高、污染較大的食用油脂加工企業來說,尋求節能環保的工藝技術是企業長遠發展的必然要求。干式-冷凝真空脫臭系統在節能環保方面的有著顯著的優勢,它的應用可使企業達到節能減排的目標,為企業帶來可觀的經濟效益和社會效益,符合社會發展對企業的要求,是我國油脂精煉技術發展史上的一次變革,必將在我國食用油脂工業中逐步地得到應用和發展。