低温脱溶机关键技术的研究

浸出制油工艺中低温脱溶机质量的好坏，不仅关系着溶剂消耗指标的高低，而且对粕中蛋白质品质好坏也至关重要。低温脱溶机是生产大豆、花生等浓缩蛋白、分离蛋白和组织蛋白所需原料的一项关键设备。近年来我国双低油菜籽发展很快，棉籽转基因品种的发展也居世界前列，油菜籽和棉籽的产量均已跃居世界首位。双低油菜籽脱皮后生产的高蛋白低变性菜籽粕是优质饲料和生产优质饲料蛋白和氨基酸的原料；高蛋白低棉酚含量的优质棉籽粕是优质的抗生素等药用培养基，低温脱溶技术也有望在这些方面做出一定的成效。因此，需要研究开发高效的低温脱溶技术和新型的低温脱溶设备，以满足油料蛋白综合加工利用的市场需求［1,2］。
1 低温脱溶机的构成及工作机理
   低温脱溶机是在保证豆粕中蛋白质不变性的条件下，利用蒸汽热量间接地将豆粕中的溶剂去除的装置，它是低温脱溶工艺中重要的设备。
   豆粕低温脱溶工艺流程如图1所示。浸出后的湿粕经闭风器、下料斗进入1号螺旋刮板脱溶机(简称A筒),被螺旋刮板翻起并向出料口推移，与此同时,经溶剂蒸气加热的过热溶剂气体与物料逆向接触,在间接蒸汽的加热作用下,将湿粕中约98%的溶剂脱除。脱除大部分溶剂的粕经闭风器进入2号螺旋刮板脱溶机(简称B筒) ,当粕在B筒内被翻起并向前移动的同时，与B筒两端喷入的适量直接蒸汽接触,并在负压状态下达到了脱除溶剂的目的,使粕中残溶达到国家规定的要求。由B筒出来的粕经流化床烘干去除水分后,进入粕库包装储藏［3］。
   以该低温脱溶工艺中的关键设备之一——螺旋刮板脱溶机(A筒)为例进行设计研究。低温脱溶机的结构示意图如图2所示。从图2可知，低温脱溶机由进料口、轴体、进气口、壳体、轴头、链传动、减速器、电机、出料口、支撑体、出气口等组成。从功能上来分，低温脱溶机包括支撑系统、执行系统、驱动及传动系统等。
1湿粕刮板； 2、7、8、11闭风器； 3下料斗； 4A筒； 5、14、22风机； 6、16旋风分离器； 9绞龙； 10B筒； 12流化床；13空气加热器； 15出粕刮板； 17溶剂气体加热器；18湿式捕集器； 19冷凝器； 20粕沉降器； 21水洗罐
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1.进料口； 2.轴体； 3.进气口； 4.壳体； 5.轴头； 6.链传动； 7.减速器； 8.电机； 9.出料口； 10.支撑体； 11.出气口
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   （1）驱动与传动机构。由于工作环境潮湿，灰尘较大，并且传动距离较远，采用交流异步电动机进行驱动，通过行星摆线针轮减速器进行减速，减速器输出轴与主轴之间的传动选用链传动方式。
   （2）执行系统。运用绞龙翻动物料，并推动物料以控制其走向。
   （3）支撑系统。由于加热的需要，采用双层壳体,并在两层之间用肋板加强，使强度提高。
   设计要求为:①粕处理量为100 t/d；②绞龙转速为30～40 r/min；③绞龙主体跨度15 m；④采用壳体夹层加热方式，工作压强为0.6 MPa。
2 关键技术的研究
2.1 驱动系统选择及链传动优化设计
2.1.1 驱动系统的选择 根据低温脱溶机的工作环境和工作要求，驱动电机选用交流异步电动机，其性能参数如表1所示［4］。
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表1 交流异步电动机性能指标
   由于电动机是高转速、低扭矩的驱动机构，需采用减速器来进行减速和提高扭矩，减速器采用行星摆线针轮减速器。筒体要求转速为30～40 r/min,电机的额定转速为1 500 r/min,应选转速比i为1/17，因此减速器的输出轴额定转速n为88 r/min。由于工作环境及传动距离的需要，采用链传动机构来实现传动连接的功能。
2.1.2 链传动的优化设计 由于链传动具有齿轮传动和带传动的特点，因此其运动较为复杂，常规的设计方法具有一定的局限性，不仅需要一定的设计经验，而且计算工作量较大，设计结果未必是优化的方案。为此将优化设计方法用于该链传动的设计，其目的在于充分发挥链的最大传递功率,确定出所需的最少链排数,然后在此基础上紧凑尺寸，优选其他设计参数。
   （1）设计变量的确定。已知链传动的功率、主动轮转速n1和从动轮转速n2 、工作载荷性质、工作时间等条件，确定小链轮齿数z1 、链节距t、链节数La 和链排数m，设计变量取为：
   X=［x1，x2，x3，x4 ］T=［ z1,t,La, m ］T
(1)
  （2）目标函数的建立。根据已知条件，以发挥链传动系统最大传动能力为目标,求解设计变量。取多排链传动的功率达到最大（即它的倒数最小）作为目标函数。
   f(x)min=kAp/(p0kzkakikm)
(2)
式中:f(x)——目标函数；
kA——工作情况系数；
kz——轮齿数系数；
ka——中心距系数;
ki——传动比系数；
km——多列链系数；
p——链传动的额定功率；
p0——单排链传动的功率。
 （3）约束条件的确定及其优化分析。
  链轮齿数的约束：Zmin≤Z1≤Zmax（3）
  链节距的约束：tmin≤t≤tmax（4）
  传动中心距的约束：amin≤a≤amax(5)
  链速的约束：Vmin≤V≤Vmax(6)
  根据式（1）~（6）中设计变量、目标函数和约束条件的特点，选用“内点罚函数优化法”进行优化求解。内点罚函数法的基本思想是在可行域内部，将不等式约束构造一种惩罚函数,使原本有不等式约束问题转化为一系列的无约束寻优问题。在同一轮迭代中，当迭代点越靠近约束边界，罚函数的惩罚项惩罚越剧烈，函数值将迅速趋坏，从而保证寻优迭代始终在可行域内进行。随着一系列的无约束问题迭代，惩罚项作用渐弱，迭代点将不断靠近约束边界，最终收敛于原问题的最优解。由于这种罚函数方法的寻优路线是从可行域内部逐渐逼近最优点的，故称内点罚函数法［5-7］。运用C语言编制计算机程序，经过迭代计算，计算结果如表2所示。
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表2 链传动的主要参数
2.2 轴体结构的设计
  轴体由轴头6、法兰1（左右）、左右支撑板筋2、5，A型角钢4和B型角钢3等组成，轴体结构如图3所示。轴体中间用8根角钢支撑,角钢和轴体间用法兰连接,轴与法兰之间采用焊接连接,角钢安装在法兰的加强肋上,每根角钢端部用螺栓实现可拆连接。
1法兰； 2左支撑板筋； 3B型角钢； 4A型角钢；5右支撑板筋； 6轴头
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图3 轴体结构示意图
  左轴头除了有支撑的作用外，还得从轴头中通入蒸汽，并在内部设有蒸汽出入口和集水室。将蒸汽加热管固定在8根角钢的6根上，为了维修方便，将其中未安装加热管的2根角钢设置成可拆的。在角钢外部要绕绞龙的叶片。在每根角钢上安装1块拨料板，在轴向方向上平均分布,该拨料板有助于推动物料流动,避免物料在筒内阻塞,使豆粕在筒内翻滚均匀,加热效果更好。

2.3 筒体结构的设计
   筒体结构示意图如图4所示，为双层结构，最大外径为1 520 mm，壳体厚度为12 mm，两层间距为48 mm。夹层间通入蒸汽加热，为使加热均匀，在筒体上部布置有5个蒸汽入口，下面有5个乏汽出口。

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图4 筒体结构示意图
   蒸汽的工作温度为150 ℃，压强为0.6 MPa,而各口与筒体的连接方式为焊接。

2.4 低温脱溶机的密封
   低温脱溶机的内部是采用负压方式工作的。因为压力降低，可使溶剂的挥发点降低，保证蛋白质在该温度点不变性。密封原理是采用某种特制的机构，以彻底切断泄漏通道的方法，达到阻止泄漏的目的。
   根据密封元件间有无相对运动把密封分为静密封和动密封两大类［8,9］。静密封可分为：非接触式密封，如迷宫密封；接触式密封，如O形圈密封。O形圈密封是最常见的密封方式，结构简单、应用广泛，而且密封效果好。因此，低温脱溶机的静密封采用以丁腈橡胶为材质的O形圈进行密封。动密封方式比较多，如组合密封、O形圈密封、机械密封、迷宫密封、磁流体密封等。这些密封各有其优缺点，其比较见表3。在选择动密封时，要结合具体的工况条件来选择比较经济合理的动密封方式。低温脱溶机的动密封采用组合密封——“旋转格莱圈”密封的方式。
   在设计密封结构时，基本尺寸和精度一定要合适。若密封过紧，虽能防止泄漏，却会引起很大的摩擦损失，降低机械效率，并使密封件的寿命降低；而密封过松，则压紧力不够，会产生泄漏。

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表3 动密封方式优缺点比较

2.5 低温脱溶机的性能试验
   研制的低温脱溶机在图1的豆粕低温脱溶工艺流程中进行试验，从近1个月的试验效果来看，其运转平稳，成品粕符合质量要求。①豆粕水分：（12-15±0.15）%；②豆粕温度：40 ℃以下；③豆粕残溶:闪爆试验合格(从过渡层取样)；④尿素酶活性:ΔpH< 0-3，可完全满足用户要求；⑤豆粕外观:不焦不糊、色泽淡黄、粒度均匀。
3 结束语
 （1）分析了低温脱溶的必要性和低温脱溶的工艺特点，提出了低温脱溶机的设计要求，设计了驱动系统、筒体和轴体结构，以及密封系统等关键零部件。
 （2）提出了低温脱溶机链传动机构设计的目标函数、约束条件和设计变量，建立了优化设计的数学模型，运用优化设计理论设计了低温脱溶机链传动装置。
 （3）性能试验表明，研制的低温脱溶机运转平稳，豆粕质量符合国家标准，达到了设计要求。