蒸汽喷射器在酒精工业中的应用

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摘 要：淀粉质原料是酒精、葡萄糖、味精等企业的基本原料。在酒精生产中，淀粉需经加热糊化、液化并转化为葡萄糖后才能发酵为酒精。文章对传统加热方法和利用蒸汽喷射器进行加热的方法进行比较和分析。蒸汽喷射器具有体积小，效率高，省时、省汽的优点，应在酒精生产企业中进行大力推广。

关键词：酒精；淀粉质原料；套管式加热器；蒸汽喷射器；高粘液料

中图分类号：TK243 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）02-0036-02

目前，我国现有的90%以上酒精是利用淀粉质原料进行生产的，如玉米、木薯、甘薯等。在酒精生产过程中，淀粉原料需经过糊化（即将不溶于水的淀粉颗粒通过加热的方式将其溶解于水中），形成淀粉糊。未糊化的生淀粉分子不能转化为葡萄糖，也就不能发酵为酒精，降低酒精生产的出酒率。所以，蒸煮加热时淀粉的糊化率的高低直接影响了酒精企业的经济效益。

1 传统加热设备

1.1 锥形蒸煮锅

如图1所示，锥形蒸煮锅从锥形底部引入蒸汽，可利用蒸汽循环搅拌蒸煮原料，因此蒸煮醪液质量较均匀，同时由于下部是锥形，蒸煮醪液的排出也比较方便。缺点是设备比较大型，所占空间也较大，蒸煮时间长，耗用蒸汽大，且为间歇性蒸煮，不利于提高生产效率和降低生产成本。

1.2 套管式加热器

其结构简图如图2所示。套管式加热器按结构不同可分为双套管和三套管两种，但工作原理大致相同。现以双套管为例，说明其工作原理：

高温高压蒸汽在外管、淀粉浆液在内管流动。内管管壁上分布许多直径约为3 mm的小孔，由于蒸汽的压力比淀粉浆液高，所以蒸汽通过大量的小孔时喷入内管，通过小孔时的速度约为40 m/s，通过与待加热的淀粉浆液进行热交换，将淀粉浆液中的淀粉颗粒进行加热蒸煮。该加热器的优点是可以连续性生产，缺点是加热不均匀，液化不充分、能耗较大。且由于蒸汽的温度远高于液料的温度，所以在汽液混合过程中会造成局部过热，甚至会使蒸汽泡周围淀粉焦糖化。

1.3 传统加热工艺的弊端

①会产生汽槌现象。高温蒸汽接触到相对低温的容器管壁会立即冷凝成液体，造成瞬间体积剧减，这就需其周围的水分子迅速移动过来弥补空间，形成噪音与振动，这种现象俗称汽槌。汽槌会对设备带来损害，同时也表明加热系统中不是单一的热液料，而是在液料中仍夹杂着蒸汽，不能使汽、液完全混合而得到单相的热液料。

②难于对高粘液料进行有效加热。由于高粘液料流动性差，用传统的加热器加热时，蒸汽很难在高粘液料中流动，也就很难对其进行有效而均匀的加热。所以必须增加庞大的后熟设备以延长蒸煮时间或加水稀释，或对其进行充分的搅拌，显然要增加生产成本或提高生产难度。

③设备所占空间较大，蒸煮时间较长，耗用蒸汽量大。

2 蒸汽喷射器

蒸汽喷射器是能将蒸汽、液料在瞬间完全混合、搅拌，使液料能达到完全蒸煮效果的设备，它是一种直接接触式的加热设备。

2.1 蒸汽喷射器的基本结构

图3为蒸汽喷射器的结构原理图，它由针阀、进汽口、进料口、器身、喷嘴和协调管等部分组成。

2.2 蒸汽喷射器的工作原理

待蒸煮的液料由进料口通过喷嘴与协调管之间的环形间隙以高速湍流的方式流入（速度达3.5 m/s），高温高压蒸汽则由进汽口通过针阀与喷嘴之间的间隙喷入，并在喷嘴处速度可达340 m/s，两者在喷嘴处高速相互撞击，完全混合，产生强烈的机械剪切作用，热能在瞬间由蒸汽传导给液料，使液料在瞬间被完全均匀蒸煮。

2.3 蒸汽喷射器的喷射机理

设蒸汽工作压力为P1，经喷嘴后以速度v喷入压力为P2的环境，在喷嘴任一截面处的压力为P（图4）。当忽略位能及摩擦力所做的功时，则有如下关系式：

将式（2）代入式（1），并积分简化后得出蒸汽的出口速度v与工作压力P1之间的关系式：

式中，为压力为P1时的蒸汽密度。

从式（3）中可以看出，蒸汽的出口速度与工作蒸汽的压力降有关，显然P2

3 蒸汽喷射器的应用优点

①无汽槌现象。由于蒸汽与液料的混合在喷嘴处瞬间完成，两者高速的运动所产生的机械剪切力使蒸汽与液料的混合和凝结更加彻底，所以在通过喷射器后的热液料中不存在蒸汽泡，也就避免了下游汽槌现象的发生，改善了操作环境。

②能对高粘液料进行加热。用传统的加热设备对高粘液料进行加热，要通过稀释或对其进行充分的搅拌。由于高粘液料在蒸汽喷射器喷嘴处高速喷出时能提供强力的剪切搅拌效果，可以降低高粘液料的浓度。所以在一定范围内不必对高粘液料进行稀释处理，蒸汽喷射器亦能对其进行有效的加热，这为实现高浓度发酵创造了条件。

③可对较大颗粒的淀粉液料进行加热。蒸汽喷射器所具有的强力剪切搅拌作用和液料的高速流动所带来的动力，使其可接受大颗粒淀粉（直径大于2 mm）的液料通过，这对减少原料的粉碎电耗，降低生产成本具有十分重要的意义。

④节约蒸汽用量。蒸汽喷射器特有的结构和工作原理，使热能得以充分利用，糊化液化效果好。在处理同样原料的情况下，高浓蒸煮较低浓蒸煮可节汽10%～40%。

⑤流量范围可调。由于蒸汽喷射器的进料和进汽都是可调的，且可调范围为最高达2∶1，企业可根据不同的生产季节调整生产量，以适应市场变化的需求。

⑥减少设备的投资，提高生产效率。传统的蒸煮工艺设备由加热器、蒸煮罐和后熟罐等部分组成，体积庞大，投资费用较高，且经过加热后的液料要在蒸煮罐中维持30～90 min，生产效率低。蒸汽喷射器可将液料瞬间完成蒸煮，只需在其后的维持管中保持5 min即可达到蒸煮效果，无需蒸煮罐、后熟罐等大型设备，既节约投资，又可提高生产效率。

4 结 语

蒸汽喷射器在对淀粉质原料进行加热糊化、液化过程中，完全可替代传统的套管式加热器、蒸煮罐和后熟罐等大型设备，且具有体积小、糊化液化效果好、操作简单、自动化程度高、无汽槌和投资小的优点，在国内外的酒精企业中正得到越来越广泛的应用。

参考文献：

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