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煙草提取液蒸發濃縮器新型全自動超聲波除垢技
來源:???作者:admin ???發布時間: 2016-11-16 14:52???瀏覽:
煙草提取液蒸發濃縮器新型全自動超聲波除垢技
上海興全電力技術有限公司
近年來，重視環境保護工作，注重節能、綠色、環保，追求可持續發展，在國際煙草業已漸成潮流?？沙掷m發展意味著切實維護、合理使用自然資源，意味著在發展計劃中和制定政策時納入對環境的關注和考慮，以進一步協調好煙草行業發展與資源環境保護的關系。
國家局提出，煙草行業節能減排工作，要提高能源利用率，創建資源節約型、環境友好型行業。近些年來，煙草行業高度重視節能減排工作，采取了切實可行的措施，降低能源消耗水平，減少污染物排放總量。國家煙草專賣局，每年根據行業節能減排的總體情況，提出工作要求，對節能減排年度工作安排部署，并提出目標。各煙草企業，按照國家局制定的節能減排的工作方針，不斷加大節能減排的工作力度，收到了較好成效。煙草行業，應根據自身需要，廣泛應用節能減排新技術，創建循環經濟模式，推動企業節能減排管理工作，從單純末端治理，向污染預防控制的模式過渡。經濟增長方式，從粗放型，逐漸向集約型轉變，促進企業可持續發展，具有十分重要的意義。
節能減排系統，以污染排放最小化和資源利用最大化為設計目標，是將可持續發展、生態平衡與清潔生產等融為一體的經濟運行模式。
濃縮是食品熱加工工藝中的重要單元，而濃縮過程中的工藝參數是生產的重要環節。煙草提取液在蒸發濃縮過程中會在蒸發器上形成一層污垢，降低設備換熱效率，增大能耗，造成物料流失，嚴重結垢時甚至會堵塞換熱管，帶來安全隱患。解決蒸發器結垢問題的傳統方法有減小換熱溫差與附加外循環設備加大液體流速兩種，但是應用到煙草蒸發器上的防、除垢效果均不大，為此，本文介紹一種新型高效在線防垢除垢技術——新型在線全自動超聲波防垢除垢技術。
我國對于污垢的研究相對滯后，結垢造成的損失更為嚴重。粗略估計出我國每年因換熱設備結垢問題給工業帶來的經濟損失為 100 億元以上。我國單單火電廠由于污垢問題造成的損失就超過了國民生產總值的 0.1%。因此，污垢的處理已經迫在眉睫，對于節能和提高生產能力等都具有重要意義。
在各種行業中，煙草行業對我國經濟有著重大的影響，涉及農業、工業和商業三大產業，而且我國是全世界最大的煙草生產與消費國，生產并消費了全球 1/3的卷煙，有 3.5 億煙民，占世界總數的近四分之一，在煙草種植面積、煙草產量、煙草生產速度、煙草銷量、吸煙人數、吸煙人數增加數量和煙草稅收增長七個方面均為世界第一。據統計，2013 年煙草行業實現工商稅利為 9559.86 億元，相比往年增長 910.47 億元，增長率為 10.53%，上繳財政 8161.22 億元，同比增長 1000億元，增長率為 13.9%，連續十幾年排在各行業之首。煙草行業不僅對國家經濟有著重大的影響，更涉及到眾多煙草種植者、卷煙經營戶及煙民的切身利益，因此解決煙草行業目前存在的技術問題，進一步提高煙草生產及加工效率十分重要。
據統計，在煙葉的采摘收獲過程中會產生約 5%的次級煙葉，煙葉復烤及卷煙加工過程也會產生約 1/3 的邊角料，即煙梗、碎葉、煙末等。如果將這些物料重新加工利用起來，制備成質量接近甚至優于天然煙葉質量的產品，則能夠最大限度的提高煙葉原料利用率，降低生產成本，提高產量。重新加工處理后的煙草產品就稱為“煙草薄片”，目前，常見的煙草薄片制備方法有輥壓法、稠漿法和造紙法三種，前兩種方法因為制備的薄片物理性能差，成片脆性大等問題已較少使用，第三種造紙法制備的薄片密度小，柔軟性和燃燒性能高，而且焦油釋放量也低，所以目前，國內煙草薄片廠家已經基本使用造紙法生產煙草薄片。
與造紙工藝類似，造紙法煙草薄片的生產一般需要經過原料預處理、萃取、濃縮、制漿、抄造、涂布、后處理等工序，從原材料到煙草薄片總體上基本是將原料中的煙梗、煙末用水和有機溶劑萃取，萃取后的煙梗、煙末送到打漿機上打漿，漿液再經過抄紙機成形制成薄片片基，萃取液則濃縮、加香料等處理后噴涂到片基上，最后干燥成型制成煙草薄片。具體工藝可參考下圖 。
其中萃取液的濃縮環節是影響煙草薄片質量的關鍵工藝，濃縮必須考慮濃縮效率與濃縮質量，溫度太高，提取液中的致香成分容易揮發，有機物變性使濃縮液質量變差，溫度太低則濃縮時間加長，無法保證濃縮的效率，而且在濃縮環節中，由于煙草提取液為熱敏性物質，受熱后容易在蒸發濃縮設備的換熱面上形成污垢，降低換熱器傳熱系數，一些結垢嚴重的蒸發器甚至每個星期都需要停機維護一天，嚴重影響蒸發濃縮的效率，制約了卷煙制作工藝中煙草薄片生產能力的提高。
煙草蒸發器結垢問題與很多因素有關，如換熱溫差，液體循環速度，提取液的物性參數和換熱面的結構等等，其中蒸發濃縮工藝參數對結垢有著直接的影響，換熱溫差過大或者提取液在換熱管內沸騰循環速度過低都容易導致結垢，但是改變工藝參數降低換熱溫差又會使濃縮效率變低，加快液體循環速度也需要附加循環泵，能耗上升，循環泵也會發生結垢現象等，所以在不影響蒸發濃縮效率及濃縮質量的前提下，以防止換熱管結垢為目的的優化濃縮工藝參數的研究工作十分必要，也為接下來的具體防、除垢技術打下基礎。
濃縮原理的介紹：
一般來說，濃縮是將溶劑與溶質分離的過程，根據濃縮目的的不同可將濃縮分為三類：
（1）提高溶液的濃度，即去除溶液中的一部分溶劑，達到提高溶液濃度目的。如煙草薄片制備中提取液的濃縮，飲品中牛奶、果汁、咖啡、中藥等的濃縮。
（2）回收分離出來的溶劑。如海水淡化，提純滲漉溶液得到酒精，丙烷脫瀝青，回收丙酮等低沸點物質，回收溶劑一般是為了循環再利用，節約成本，也減少了對環境的污染。
（3）濃縮結晶獲得溶質。例如速溶咖啡、速溶奶茶，藥品沖劑，葡萄糖的制備等等。通過濃縮操作，可以將產品的質量和體積大幅度減小，以便于儲存、運輸、包裝等后處理，同時濃縮也降低了產品水分含量，抑制了微生物的生長，防止霉變。
根據濃縮原理的不同又有蒸發濃縮、冷凍濃縮、膜濃縮和微波濃縮等。蒸發濃縮即加熱溶液，使溶液中的溶劑分子獲得足夠克服分子間作用力的能量后逸出溶液的過程。蒸發濃縮利用了氣液相平衡原理，屬于平衡濃縮，當濃縮器中氣液相達到平衡以后就很難進一步提高溶液濃度，所以需要提供持續的熱源和及時排出蒸汽。冷凍濃縮即降低溶液的溫度，使溶液中凝固點較低的溶劑分子結成固體塊狀，然后用機械方法去除溶劑以達到提高溶液濃度的方法。冷凍濃縮能較好的保持物料原有的芳香物質和營養物質，產品質量較高，高檔飲品、藥品的制備中經常用到冷凍濃縮，但要防止溶液局部過冷而導致溶質與溶劑結塊而起不到濃縮的目的。膜濃縮則是一種類似過濾的濃縮方法，即施加一定的外力，并利用半透膜來分離溶質與溶劑分子，膜孔徑的大小決定著濃縮效果，孔徑過大起不到過濾溶質的作用，孔徑過小則溶質容易吸附以及堵塞半透膜，影響濃縮的進行。第四種濃縮方法是微波濃縮，即提供高頻率的交變電磁場，使溶液中的極性分子在短時間內劇烈轉動，分子間劇烈摩擦，分子獲得足夠克服分子間作用力的能量后逸出溶液，從而增大溶液濃度。微波濃縮加熱時間短，效率高，甚至可以讓物料在常溫下快速濃縮，從而維持了物料原有的色香味和營養物質，但要嚴格控制熱量與水分的傳遞，否則會引起局部過熱，導致濃縮不均勻。
具體到煙草提取液的濃縮則一般采用的是蒸發濃縮方法，因為冷凍濃縮雖然濃縮質量高，但是冰塊與溶液的分離步驟較難實現，濃縮效率不高，另外煙草提取液為多種大分子有機物的混合物，使用膜濃縮容易堵塞半透膜，使濃縮也無法進行，再者，微波濃縮由于特殊的濃縮原理對提取液中的有機物有一定的影響，也不宜使用。
3 蒸發濃縮設備
常用的蒸發濃縮設備器有循環式與膜式兩種，循環式蒸發器有中央循環管式、懸框式、強制循環式蒸發器等，膜式蒸發器有升膜式、降膜式、刮板膜式蒸發器等。煙草提取液蒸發濃縮用到的設備一般為升膜式蒸發器。
如上圖所示，升膜式蒸發器大體包括加熱室與蒸發室兩部分，加熱室是溶液受熱的地方，溶液由加熱室下部通入換熱，在加熱室內溶液上升一段距離后快速沸騰成為氣液混合物，混合物在管中心以極高的速度旋轉上升帶動上部未沸騰的溶液，并把溶液拉拽成薄膜狀后沿管壁上升，傳熱系數很高，傳熱量很大。蒸發產生的二次蒸汽夾雜著液滴從列管頂部噴出，流向一側的蒸發室內，蒸發室頂部設有氣液分離器以最大限度的回收二次蒸汽中的液體成分，其中液體回流至蒸發器繼續蒸發，氣體則通入冷凝裝置成為冷凝水。 升膜式蒸發器換熱效率高，換熱效果好，可以作為快速蒸發濃縮設備，特別適合蒸發量大、易起泡、粘度小的物料的濃縮，但不適合易結垢、易結晶和粘度較大的物料的濃縮。
煙草提取液為多種有機物的混合物，含有多種固體顆粒，成垢粒子較多，并且提取液進入蒸發器前的粘度約為水的 85 倍，因此受熱很容易在換熱面上結垢，但是根據煙草薄片整體的制備工藝，提取液經過濃縮后的波美度要提高近一倍，提取液的蒸發量又要求很大，所以從蒸發器的選型來看，基本上所有蒸發器都難以滿足易結垢的煙草提取液的快速濃縮。因為傳統的中央循環管式蒸發器雖然結構簡單，但換熱量小，抗垢性差，并且結垢以后清洗十分不便；懸框式蒸發器在清洗方便性上得到改進，但其換熱量及抗垢性依舊很差；刮板式蒸發器的抗垢性最強，但是其對設備的安裝精度及維護要求都最高，其換熱量也較小，也不適合煙草提取液的蒸發濃縮；降膜式蒸發器的換熱量大，但是由于液體是靠重力成膜態換熱，成膜均勻性不好，而且降膜式蒸發器一般為單程蒸發，對于需要長時間蒸發濃縮的煙草提取液也不適合。綜合考慮換熱量及防、除垢兩方面，選擇升膜式蒸發器并采取強制循環以加大液體循環速度的方案可行性較高。
4 濃縮工藝參數的優化
一般根據產品及其加工工藝的不同，蒸發濃縮可分為加壓濃縮（如磷銨料漿加壓濃縮、丙烷加壓脫瀝青過程等）、常壓濃縮和低壓濃縮，但各個濃縮方法不是毫無關系、相互分離的，實際操作中往往會將一效蒸發器加壓或者常壓處理，末尾幾效低壓處理，以提高二次蒸汽利用率，節約能源。采用常壓濃縮時，設備結構簡單，操作方便，成本也低，但是對于一些熱敏性、高溫易結垢的物料則難以保證濃縮的質量，在煙草提取液的濃縮中要求各效均為低壓濃縮以提高濃縮效率，并且低壓即意味著有機物沸騰溫度低，其中的低沸點易揮發的制香物質能夠較好的保留下來，保證了煙草提取液的質量。低壓真空濃縮傳熱效率高、傳熱量大，濃縮產生的蒸汽可以作為后面幾效蒸發器的熱源，經濟性高，但是低壓真空濃縮需要一次性投入較多的費用來提供產生真空度的設備，而且對蒸發器的結構強度、氣密性等要求也高。對于煙草提取液的濃縮工藝，國內學者進行了相應的研究中，韓卿等分析了三種蒸發濃縮工藝，他們指出：不管是常壓還是真空濃縮，提取液中的總糖與總煙堿含量損失都很少，但真空濃縮工藝能更好的保存提取液中總糖與總煙堿的含量，濃縮時間也更短，并且采用真空濃縮工藝，濃縮溫度較低，能很好的保存提取液中的致香成分。韓卿等還指出：生產原料中的煙梗與碎煙葉含有的灰分較高，蒸發濃縮時容易附著在蒸發器上引起結垢問題。所以說，合理優化煙草提取液濃縮工藝參數，提高提取液的濃縮效率和濃縮質量顯得尤為重要。
5.本文主要介紹內容
蒸發器結垢是一個普遍且相當復雜的問題，涉及傳熱學、化學、流體力學等諸多學科，影響結垢的因素較多，而一般研究蒸發器結垢問題是在特定的工藝條件下進行的，未考慮蒸發濃縮工藝參數的影響，因此本文從優化蒸發濃縮工藝出發，針對特定的煙草提取液，獲得最優的工藝參數，然后結合具體防、除垢技術，對煙草蒸發器結垢問題進行研究。目前研究蒸發器結垢問題主要有強化換熱和防止換熱面結垢兩個方向，但傳統的研究思想將防、除垢與強化換熱二者分離開來，單一的去研究其中某一方面，而應該注意的是換熱設備中的結垢問題與傳熱邊界層聯系緊密，超過 90%以上的換熱器都存在著結垢問題，所以單方面的研究已經顯得力不從心，于是本文介紹的新型全自動超聲波除垢技術，是目前除垢防垢能力比較強的一種技術，同時具有很好的強化換熱功能，是解決蒸發器結垢的有效方法。
目前換熱技術正在向節能降耗這一宗旨發展，換熱器一直被廣泛用于化工、石油和能源系統。在工程實踐中，需要對換熱器進行選型以及設計方案的擬定，而換熱器內部的流動規律和流場分布情況極其重要，由于難以觀測到換熱器內部的流動與換熱情況，流場的不確定性使得換熱器內產生了“黑匣子效應”，正因為如此，需要根據熱交換介質的不同對換熱器進行合理的機械設計與性能評估，且濃縮換熱設備中的換熱過程復雜多變，有許多不可控因素制約了換熱設備的性能，為此有必要對重組煙葉中的濃縮環節中的換熱設備進行探索研究，著手提高換熱設備的換熱性能，達到節能降耗的目的。加快換熱器技術的研發步伐，改善和提高換熱器的換熱性能有助于節能降耗，對于能源的結構調整和資源的充分開發利用有著重要的意義。本文介紹的型全自動超聲波除垢技術，在應用中完全避免以往的除垢技術的效果受外界因素的影響，而只與蒸發設備的構造有關，在應用效果方面是一種高效的“傻瓜式”防垢除垢技術。
下圖是不同國家的能源利用情況：
6.新型XQC超聲波防垢除垢技術原理和方法
在重組煙葉的工藝過程中，萃取液的換熱環節對煙草薄片的質量有著重要的影響，濃縮必須考慮濃縮換熱器的濃縮質量與換熱效率。濃縮換熱設備中的換熱過程復雜多變，煙草提取液的成分復雜，含有多種有機物，其中包括油脂、總糖、還原糖、蛋白質等，換熱器在運行一段時間后容易結垢，從而導致換熱器傳熱系數降低，影響到換熱器的傳熱性能，當污垢形成較快或者是結垢情況比較嚴重時，很容易造成換熱管束的堵塞現象，使得設備停車清洗保養，降低了工作效率，因此必須找到合適的解決途徑。
7.新型XQC超聲波防垢除垢技術實際應用
該技術的核心特點是由一種特殊高頻振動功能材料制成的能量轉換器（以下簡稱換能器）將可調頻的高頻電信號同步轉化成機械振動能量，將換能器直接焊接在需除垢器設備的外表面，能量振蕩脈沖波通過換熱設備的金屬外壁傳遞到換熱面上，再傳遞給循環介質, 產生一系列的物理效應作用，從而實現除垢防垢的目的。該技術可以不停機安裝，不影響原設備的正常工作，給安裝、運行和維護帶來了極大的方便。
改變了人們傳統的防垢除垢的思維，在本項目之前的防垢除垢技術包括化學方法和物理方法，其原理是 “讓循環工質里的成垢物質不粘附在換熱壁上”，本項目提出的思路是“換熱壁不讓循環工質里的成垢物質粘附”。把原來的被動防垢改變成主動的防垢方式，即原來的換熱壁是被動的防垢，自己本身沒有任何的防垢能力，只是希望循環工質里的成垢物質盡量的減少主動粘附到本身壁面的機會和數量；而本項目提出的方法是熱壁面能做到不論換熱工質里的成垢物質有多少，都無法粘附到壁面上，不但具有很好的防垢功能，而且具有非常好的強化換熱效果。
8.新型XQC超聲波防垢除垢技術在煙草行業蒸發器上應用的實際意義
（1）提高產品質量：
研究發現，煙草蒸發濃縮時間和溫度對揮發性致香成分含量有重要的影響，總體上低溫濃縮的感官評吸質量最優，這說明煙草有機物在低溫環境下保存較好，濃縮質量較高，但研究發現低溫濃縮時間很長，效率很低，所以不宜采用過低溫度的濃縮工藝。假如能夠保證蒸發器高效換熱，就可以解決上述問題，在較高溫度下，高效換熱，快速濃縮，在最短時間內完成濃縮任務，這樣就可以有效保證產品質量。
另外，如果蒸發器在結垢的狀態下運行，由于垢的導熱系數只是金屬的1/50左右，要想達到預計的濃縮效果，需要很長的時間，而嚴重影響產品質量；還有就是結垢是從濃縮液中析出的，即也會造成濃縮液的成份發生變化，也會影響產品質量。
（2）提高濃縮效率：
一般認為，影響蒸發器濃縮效率的主要因素為管壁結垢，而結垢是由于提取液濃縮中產生的氣泡附著在管壁上，并隨著蒸發的進行變大，破裂，氣泡底部的微液層迅速蒸發，微液層的濃度迅速上升，從而導致在管壁上結垢．如果采用新型全自動超聲波除垢技術，結垢的情況就會改善（或不結垢），從而使濃縮效率得到提升，本超聲波除垢技術可以使濃縮節能效率可以提高40%以上。
