烟草提取液蒸发浓缩器新型全自动超声波除垢技
上海兴全电力技术有限公司
近年来，重视环境保护工作，注重节能、绿色、环保，追求可持续发展，在国际烟草业已渐成潮流。可持续发展意味着切实维护、合理使用自然资源，意味着在发展计划中和制定政策时纳入对环境的关注和考虑，以进一步协调好烟草行业发展与资源环境保护的关系。
国家局提出，烟草行业节能减排工作，要提高能源利用率，创建资源节约型、环境友好型行业。近些年来，烟草行业高度重视节能减排工作，采取了切实可行的措施，降低能源消耗水平，减少污染物排放总量。国家烟草专卖局，每年根据行业节能减排的总体情况，提出工作要求，对节能减排年度工作安排部署，并提出目标。各烟草企业，按照国家局制定的节能减排的工作方针，不断加大节能减排的工作力度，收到了较好成效。烟草行业，应根据自身需要，广泛应用节能减排新技术，创建循环经济模式，推动企业节能减排管理工作，从单纯末端治理，向污染预防控制的模式过渡。经济增长方式，从粗放型，逐渐向集约型转变，促进企业可持续发展，具有十分重要的意义。
节能减排系统，以污染排放最小化和资源利用最大化为设计目标，是将可持续发展、生态平衡与清洁生产等融为一体的经济运行模式。
浓缩是食品热加工工艺中的重要单元，而浓缩过程中的工艺参数是生产的重要环节。烟草提取液在蒸发浓缩过程中会在蒸发器上形成一层污垢，降低设备换热效率，增大能耗，造成物料流失，严重结垢时甚至会堵塞换热管，带来安全隐患。解决蒸发器结垢问题的传统方法有减小换热温差与附加外循环设备加大液体流速两种，但是应用到烟草蒸发器上的防、除垢效果均不大，为此，本文介绍一种新型高效在线防垢除垢技术——新型在线全自动超声波防垢除垢技术。
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防垢除垢技术研究背景及意义
我国对于污垢的研究相对滞后，结垢造成的损失更为严重。粗略估计出我国每年因换热设备结垢问题给工业带来的经济损失为 100 亿元以上。我国单单火电厂由于污垢问题造成的损失就超过了国民生产总值的 0.1%。因此，污垢的处理已经迫在眉睫，对于节能和提高生产能力等都具有重要意义。
在各种行业中，烟草行业对我国经济有着重大的影响，涉及农业、工业和商业三大产业，而且我国是全世界最大的烟草生产与消费国，生产并消费了全球 1/3的卷烟，有 3.5 亿烟民，占世界总数的近四分之一，在烟草种植面积、烟草产量、烟草生产速度、烟草销量、吸烟人数、吸烟人数增加数量和烟草税收增长七个方面均为世界第一。据统计，2013 年烟草行业实现工商税利为 9559.86 亿元，相比往年增长 910.47 亿元，增长率为 10.53%，上缴财政 8161.22 亿元，同比增长 1000亿元，增长率为 13.9%，连续十几年排在各行业之首。烟草行业不仅对国家经济有着重大的影响，更涉及到众多烟草种植者、卷烟经营户及烟民的切身利益，因此解决烟草行业目前存在的技术问题，进一步提高烟草生产及加工效率十分重要。
据统计，在烟叶的采摘收获过程中会产生约 5%的次级烟叶，烟叶复烤及卷烟加工过程也会产生约 1/3 的边角料，即烟梗、碎叶、烟末等。如果将这些物料重新加工利用起来，制备成质量接近甚至优于天然烟叶质量的产品，则能够最大限度的提高烟叶原料利用率，降低生产成本，提高产量。重新加工处理后的烟草产品就称为“烟草薄片”，目前，常见的烟草薄片制备方法有辊压法、稠浆法和造纸法三种，前两种方法因为制备的薄片物理性能差，成片脆性大等问题已较少使用，第三种造纸法制备的薄片密度小，柔软性和燃烧性能高，而且焦油释放量也低，所以目前，国内烟草薄片厂家已经基本使用造纸法生产烟草薄片。
与造纸工艺类似，造纸法烟草薄片的生产一般需要经过原料预处理、萃取、浓缩、制浆、抄造、涂布、后处理等工序，从原材料到烟草薄片总体上基本是将原料中的烟梗、烟末用水和有机溶剂萃取，萃取后的烟梗、烟末送到打浆机上打浆，浆液再经过抄纸机成形制成薄片片基，萃取液则浓缩、加香料等处理后喷涂到片基上，最后干燥成型制成烟草薄片。具体工艺可参考下图 。
其中萃取液的浓缩环节是影响烟草薄片质量的关键工艺，浓缩必须考虑浓缩效率与浓缩质量，温度太高，提取液中的致香成分容易挥发，有机物变性使浓缩液质量变差，温度太低则浓缩时间加长，无法保证浓缩的效率，而且在浓缩环节中，由于烟草提取液为热敏性物质，受热后容易在蒸发浓缩设备的换热面上形成污垢，降低换热器传热系数，一些结垢严重的蒸发器甚至每个星期都需要停机维护一天，严重影响蒸发浓缩的效率，制约了卷烟制作工艺中烟草薄片生产能力的提高。
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烟草蒸发器结垢问题简述
烟草蒸发器结垢问题与很多因素有关，如换热温差，液体循环速度，提取液的物性参数和换热面的结构等等，其中蒸发浓缩工艺参数对结垢有着直接的影响，换热温差过大或者提取液在换热管内沸腾循环速度过低都容易导致结垢，但是改变工艺参数降低换热温差又会使浓缩效率变低，加快液体循环速度也需要附加循环泵，能耗上升，循环泵也会发生结垢现象等，所以在不影响蒸发浓缩效率及浓缩质量的前提下，以防止换热管结垢为目的的优化浓缩工艺参数的研究工作十分必要，也为接下来的具体防、除垢技术打下基础。
浓缩原理的介绍：
一般来说，浓缩是将溶剂与溶质分离的过程，根据浓缩目的的不同可将浓缩分为三类：
（1）提高溶液的浓度，即去除溶液中的一部分溶剂，达到提高溶液浓度目的。如烟草薄片制备中提取液的浓缩，饮品中牛奶、果汁、咖啡、中药等的浓缩。
（2）回收分离出来的溶剂。如海水淡化，提纯渗漉溶液得到酒精，丙烷脱沥青，回收丙酮等低沸点物质，回收溶剂一般是为了循环再利用，节约成本，也减少了对环境的污染。
（3）浓缩结晶获得溶质。例如速溶咖啡、速溶奶茶，药品冲剂，葡萄糖的制备等等。通过浓缩操作，可以将产品的质量和体积大幅度减小，以便于储存、运输、包装等后处理，同时浓缩也降低了产品水分含量，抑制了微生物的生长，防止霉变。
根据浓缩原理的不同又有蒸发浓缩、冷冻浓缩、膜浓缩和微波浓缩等。蒸发浓缩即加热溶液，使溶液中的溶剂分子获得足够克服分子间作用力的能量后逸出溶液的过程。蒸发浓缩利用了气液相平衡原理，属于平衡浓缩，当浓缩器中气液相达到平衡以后就很难进一步提高溶液浓度，所以需要提供持续的热源和及时排出蒸汽。冷冻浓缩即降低溶液的温度，使溶液中凝固点较低的溶剂分子结成固体块状，然后用机械方法去除溶剂以达到提高溶液浓度的方法。冷冻浓缩能较好的保持物料原有的芳香物质和营养物质，产品质量较高，高档饮品、药品的制备中经常用到冷冻浓缩，但要防止溶液局部过冷而导致溶质与溶剂结块而起不到浓缩的目的。膜浓缩则是一种类似过滤的浓缩方法，即施加一定的外力，并利用半透膜来分离溶质与溶剂分子，膜孔径的大小决定着浓缩效果，孔径过大起不到过滤溶质的作用，孔径过小则溶质容易吸附以及堵塞半透膜，影响浓缩的进行。第四种浓缩方法是微波浓缩，即提供高频率的交变电磁场，使溶液中的极性分子在短时间内剧烈转动，分子间剧烈摩擦，分子获得足够克服分子间作用力的能量后逸出溶液，从而增大溶液浓度。微波浓缩加热时间短，效率高，甚至可以让物料在常温下快速浓缩，从而维持了物料原有的色香味和营养物质，但要严格控制热量与水分的传递，否则会引起局部过热，导致浓缩不均匀。
具体到烟草提取液的浓缩则一般采用的是蒸发浓缩方法，因为冷冻浓缩虽然浓缩质量高，但是冰块与溶液的分离步骤较难实现，浓缩效率不高，另外烟草提取液为多种大分子有机物的混合物，使用膜浓缩容易堵塞半透膜，使浓缩也无法进行，再者，微波浓缩由于特殊的浓缩原理对提取液中的有机物有一定的影响，也不宜使用。
3 蒸发浓缩设备
常用的蒸发浓缩设备器有循环式与膜式两种，循环式蒸发器有中央循环管式、悬框式、强制循环式蒸发器等，膜式蒸发器有升膜式、降膜式、刮板膜式蒸发器等。烟草提取液蒸发浓缩用到的设备一般为升膜式蒸发器。
如上图所示，升膜式蒸发器大体包括加热室与蒸发室两部分，加热室是溶液受热的地方，溶液由加热室下部通入换热，在加热室内溶液上升一段距离后快速沸腾成为气液混合物，混合物在管中心以极高的速度旋转上升带动上部未沸腾的溶液，并把溶液拉拽成薄膜状后沿管壁上升，传热系数很高，传热量很大。蒸发产生的二次蒸汽夹杂着液滴从列管顶部喷出，流向一侧的蒸发室内，蒸发室顶部设有气液分离器以最大限度的回收二次蒸汽中的液体成分，其中液体回流至蒸发器继续蒸发，气体则通入冷凝装置成为冷凝水。 升膜式蒸发器换热效率高，换热效果好，可以作为快速蒸发浓缩设备，特别适合蒸发量大、易起泡、粘度小的物料的浓缩，但不适合易结垢、易结晶和粘度较大的物料的浓缩。
烟草提取液为多种有机物的混合物，含有多种固体颗粒，成垢粒子较多，并且提取液进入蒸发器前的粘度约为水的 85 倍，因此受热很容易在换热面上结垢，但是根据烟草薄片整体的制备工艺，提取液经过浓缩后的波美度要提高近一倍，提取液的蒸发量又要求很大，所以从蒸发器的选型来看，基本上所有蒸发器都难以满足易结垢的烟草提取液的快速浓缩。因为传统的中央循环管式蒸发器虽然结构简单，但换热量小，抗垢性差，并且结垢以后清洗十分不便；悬框式蒸发器在清洗方便性上得到改进，但其换热量及抗垢性依旧很差；刮板式蒸发器的抗垢性最强，但是其对设备的安装精度及维护要求都最高，其换热量也较小，也不适合烟草提取液的蒸发浓缩；降膜式蒸发器的换热量大，但是由于液体是靠重力成膜态换热，成膜均匀性不好，而且降膜式蒸发器一般为单程蒸发，对于需要长时间蒸发浓缩的烟草提取液也不适合。综合考虑换热量及防、除垢两方面，选择升膜式蒸发器并采取强制循环以加大液体循环速度的方案可行性较高。
4 浓缩工艺参数的优化
一般根据产品及其加工工艺的不同，蒸发浓缩可分为加压浓缩（如磷铵料浆加压浓缩、丙烷加压脱沥青过程等）、常压浓缩和低压浓缩，但各个浓缩方法不是毫无关系、相互分离的，实际操作中往往会将一效蒸发器加压或者常压处理，末尾几效低压处理，以提高二次蒸汽利用率，节约能源。采用常压浓缩时，设备结构简单，操作方便，成本也低，但是对于一些热敏性、高温易结垢的物料则难以保证浓缩的质量，在烟草提取液的浓缩中要求各效均为低压浓缩以提高浓缩效率，并且低压即意味着有机物沸腾温度低，其中的低沸点易挥发的制香物质能够较好的保留下来，保证了烟草提取液的质量。低压真空浓缩传热效率高、传热量大，浓缩产生的蒸汽可以作为后面几效蒸发器的热源，经济性高，但是低压真空浓缩需要一次性投入较多的费用来提供产生真空度的设备，而且对蒸发器的结构强度、气密性等要求也高。对于烟草提取液的浓缩工艺，国内学者进行了相应的研究中，韩卿等分析了三种蒸发浓缩工艺，他们指出：不管是常压还是真空浓缩，提取液中的总糖与总烟碱含量损失都很少，但真空浓缩工艺能更好的保存提取液中总糖与总烟碱的含量，浓缩时间也更短，并且采用真空浓缩工艺，浓缩温度较低，能很好的保存提取液中的致香成分。韩卿等还指出：生产原料中的烟梗与碎烟叶含有的灰分较高，蒸发浓缩时容易附着在蒸发器上引起结垢问题。所以说，合理优化烟草提取液浓缩工艺参数，提高提取液的浓缩效率和浓缩质量显得尤为重要。
5.本文主要介绍内容
蒸发器结垢是一个普遍且相当复杂的问题，涉及传热学、化学、流体力学等诸多学科，影响结垢的因素较多，而一般研究蒸发器结垢问题是在特定的工艺条件下进行的，未考虑蒸发浓缩工艺参数的影响，因此本文从优化蒸发浓缩工艺出发，针对特定的烟草提取液，获得最优的工艺参数，然后结合具体防、除垢技术，对烟草蒸发器结垢问题进行研究。目前研究蒸发器结垢问题主要有强化换热和防止换热面结垢两个方向，但传统的研究思想将防、除垢与强化换热二者分离开来，单一的去研究其中某一方面，而应该注意的是换热设备中的结垢问题与传热边界层联系紧密，超过 90%以上的换热器都存在着结垢问题，所以单方面的研究已经显得力不从心，于是本文介绍的新型全自动超声波除垢技术，是目前除垢防垢能力比较强的一种技术，同时具有很好的强化换热功能，是解决蒸发器结垢的有效方法。
目前换热技术正在向节能降耗这一宗旨发展，换热器一直被广泛用于化工、石油和能源系统。在工程实践中，需要对换热器进行选型以及设计方案的拟定，而换热器内部的流动规律和流场分布情况极其重要，由于难以观测到换热器内部的流动与换热情况，流场的不确定性使得换热器内产生了“黑匣子效应”，正因为如此，需要根据热交换介质的不同对换热器进行合理的机械设计与性能评估，且浓缩换热设备中的换热过程复杂多变，有许多不可控因素制约了换热设备的性能，为此有必要对重组烟叶中的浓缩环节中的换热设备进行探索研究，着手提高换热设备的换热性能，达到节能降耗的目的。加快换热器技术的研发步伐，改善和提高换热器的换热性能有助于节能降耗，对于能源的结构调整和资源的充分开发利用有着重要的意义。本文介绍的型全自动超声波除垢技术，在应用中完全避免以往的除垢技术的效果受外界因素的影响，而只与蒸发设备的构造有关，在应用效果方面是一种高效的“傻瓜式”防垢除垢技术。
下图是不同国家的能源利用情况：
6.新型XQC超声波防垢除垢技术原理和方法
在重组烟叶的工艺过程中，萃取液的换热环节对烟草薄片的质量有着重要的影响，浓缩必须考虑浓缩换热器的浓缩质量与换热效率。浓缩换热设备中的换热过程复杂多变，烟草提取液的成分复杂，含有多种有机物，其中包括油脂、总糖、还原糖、蛋白质等，换热器在运行一段时间后容易结垢，从而导致换热器传热系数降低，影响到换热器的传热性能，当污垢形成较快或者是结垢情况比较严重时，很容易造成换热管束的堵塞现象，使得设备停车清洗保养，降低了工作效率，因此必须找到合适的解决途径。
7.新型XQC超声波防垢除垢技术实际应用
该技术的核心特点是由一种特殊高频振动功能材料制成的能量转换器（以下简称换能器）将可调频的高频电信号同步转化成机械振动能量，将换能器直接焊接在需除垢器设备的外表面，能量振荡脉冲波通过换热设备的金属外壁传递到换热面上，再传递给循环介质, 产生一系列的物理效应作用，从而实现除垢防垢的目的。该技术可以不停机安装，不影响原设备的正常工作，给安装、运行和维护带来了极大的方便。
改变了人们传统的防垢除垢的思维，在本项目之前的防垢除垢技术包括化学方法和物理方法，其原理是 “让循环工质里的成垢物质不粘附在换热壁上”，本项目提出的思路是“换热壁不让循环工质里的成垢物质粘附”。把原来的被动防垢改变成主动的防垢方式，即原来的换热壁是被动的防垢，自己本身没有任何的防垢能力，只是希望循环工质里的成垢物质尽量的减少主动粘附到本身壁面的机会和数量；而本项目提出的方法是热壁面能做到不论换热工质里的成垢物质有多少，都无法粘附到壁面上，不但具有很好的防垢功能，而且具有非常好的强化换热效果。
8.新型XQC超声波防垢除垢技术在烟草行业蒸发器上应用的实际意义
（1）提高产品质量：
研究发现，烟草蒸发浓缩时间和温度对挥发性致香成分含量有重要的影响，总体上低温浓缩的感官评吸质量最优，这说明烟草有机物在低温环境下保存较好，浓缩质量较高，但研究发现低温浓缩时间很长，效率很低，所以不宜采用过低温度的浓缩工艺。假如能够保证蒸发器高效换热，就可以解决上述问题，在较高温度下，高效换热，快速浓缩，在最短时间内完成浓缩任务，这样就可以有效保证产品质量。
另外，如果蒸发器在结垢的状态下运行，由于垢的导热系数只是金属的1/50左右，要想达到预计的浓缩效果，需要很长的时间，而严重影响产品质量；还有就是结垢是从浓缩液中析出的，即也会造成浓缩液的成份发生变化，也会影响产品质量。
（2）提高浓缩效率：
一般认为，影响蒸发器浓缩效率的主要因素为管壁结垢，而结垢是由于提取液浓缩中产生的气泡附着在管壁上，并随着蒸发的进行变大，破裂，气泡底部的微液层迅速蒸发，微液层的浓度迅速上升，从而导致在管壁上结垢．如果采用新型全自动超声波除垢技术，结垢的情况就会改善（或不结垢），从而使浓缩效率得到提升，本超声波除垢技术可以使浓缩节能效率可以提高40%以上。
