空气能植物活性物提取系统的设计及应用

曹小勇

（上海依肯机械设备有限公司，上海 201601）

植物活性物提取行业是一个技术依赖型行业。食品工业“十三五”发展规划明确表示，鼓励天然提取物、天然色素、天然防腐剂、天然抗氧化剂以及功能性食品配料实现工业化[1]。随着植物活性物提取行业竞争的不断加剧，产业技术装备水平参差不齐[2]。与此同时，国内外诸多优秀的植物活性物提取企业越来越重视产品质量、产品生产效率、设备稳定性、投资回收期以及环境保护等问题。因此，探索先进的提取工艺和开发高效率的植物提取设备，是研究植物有效成分提取的关键所在[3]。

空气能植物活性物提取系统极大程度上提高了生产效率和系统集成度，降低了设备能耗、设备场地要求、设备的采购投入、设备操作难度以及维护成本，避免了废气排放污染环境，为企业在日益激烈的行业竞争中提供了先进的技术支持，形成竞争优势。

1 空气能植物活性物提取系统的结构设计

空气能植物活性物提取系统[4]由提取罐、真空浓缩器、冷凝器、第一换热器、第二换热器以及制冷剂循环的循环回路组成，如图1所示。

如图2所示，空气能植物活性物提取系统采用回流萃取法，即采用挥发性有机溶剂提取植物成分，再对浓缩器进行加热蒸馏，使溶剂蒸发后在冷凝器中冷凝，最终回流到系统设备。

1.1 空气能植物活性物提取罐的设计

根据植物提取的批产量及分配系数，将需要提取的植物和相应溶剂混合，并加入到金属提取罐，密闭提取罐，确认提取罐的容积。为了使提取罐内的植物与溶剂充分融合，罐体长径比为系数K，通常选取1≤K≤1.3，并对整个系统进行自动抽空，使罐内压力达到-90 kPa以下，确保活性物提取的整个过程都是在真空环境下进行。根据植物萃取物的含量差异选取S31603不锈钢作为主要承压材质，选取Q235B为夹套材质。外表采用304不锈钢进行保温包裹，如图3所示。

图1 空气能植物活性物提取系统原理图

图2 空气能植物活性物提取系统结构图

图3 提取罐结构图

计算提取罐的容器壁厚：

式中：pc是空气能提取系统的提取罐计算压力；Di为空气能提取罐的内胆直径；σt为空气能提取罐的材料S31603的许用应力；φ为空气能提取罐的焊缝接头焊接系数。提取罐的夹套为植物活性物提取提供辅助热量并加速提取效率。

根据比热容公式计算比热：

式中：Q1为提取罐所需能量；c为植物混合物比热容；m为植物混合物质量；∆t为夹套与罐体的温度变化量值。经过计算，可以获得提取罐所需的理论热量Q1。

1.2 空气能植物活性物提取系统真空系统的设计

真空浓缩器（如图4所示）的作用是浓缩提取出来的植物活性物，并同时分离溶剂。

图4 真空浓缩器结构图

根据真空泵抽气速率方程，计算系统真空泵的功率及性能：

式中：St为水环式真空泵对空气能系统的抽气速率；V为空气能系统及对应管路的容积；t为系统的抽气时间；P1为整个系统开始时的压力；P2为空气能系统经过抽气时间t后的压力。根据计算结果，能够确认该套空气能植物活性物提取系统真空泵的功率及性能。在植物溶剂混合物加注至真空浓缩器一定液位（一般为2/3浓缩器容积）后，加热真空浓缩器到40～60 ℃使溶剂充分汽化，从而增加真空浓缩器中的活性物浓度。

1.3 空气能植物活性物提取系统所需热量的计算

再次重复式（1）和式（2），详细计算真空浓缩器的容器厚度和真空浓缩器中的溶剂挥发所需热量Q2，得出系统加热所需的总体热量，并以25%的散热损失计算系统所需热量Q：

1.4 空气能植物活性物提取系统换热系统的设计

由系统所需热量对换热器热负载进行理论计算，计算方式为：

式中：Q换1为系统热负载；qv1为换热系统的热介质总流量；qv2为换热系统冷介质的总流量；ρ1为系统热介质的密度；ρ2为系统冷介质的密度；Cp1为热流体的比热容；Cp2为冷流体的比热容；T1为热流体的进口温度；T2为热流体出口温度；t1为冷流体进口的温度；t2为冷流体出口的温度。根据如上信息，选择换热器的大小及其型号。换热器结构如图5所示。

图5 换热器结构图

1.5 空气能植物活性物提取系统冷凝系统的设计

冷凝器（如图6所示）用于将汽化后的溶剂输送至冷凝器进行降温处理，待液化后由溶剂管路输送至提取罐，以便下次植物活性物提取时再次使用。根据式（2）和式（5），计算第二换热器向冷凝器提供的冷量Q换2，确保溶剂冷却所需的冷量。

制冷剂循环的循环回路由两个换热器内的制冷剂换热管、制冷剂管路、循环泵（如图7所示）及压缩机连接，从而组成空气能植物活性物提取系统的制冷系统[5]。

图6 冷凝器结构图

图7 循环泵结构图

根据闭式循环泵扬程计算公式计算循环泵扬程Hp：

式中：hf、hd是循环系统沿程管道阻力和局部阻力的总体损失；hm为系统的阻力损失。对汽化后的溶剂输送至冷凝器进行降温处理，待液化后由溶剂管路输送至提取罐并进行下一个提取循环。

由计算的Q换2取1.3倍安全系数，得到压缩机冷量Q压：

式中：h2、h1分别为制冷压缩机的进气口吸入气体的焓值、蒸发器的进口吸入的混合物的整体焓值；v为制冷压缩机的吸气口吸入气体的比容；Q排为压缩机排量，有Q排=60nv，其中v容为压缩机吸气容积，n为压缩机转速。压缩机机构图，如图8所示。根据参数计算得到整个制冷系统的能耗，并选取相应的零部件，完成整个系统的整体设计。

图8 压缩机机构图

2 空气能植物活性物提取系统的应用优势

传统的植物活性物提取系统（如图9所示）在非真空环境下提取植物活性物，是在真空环境下浓缩植物活性物。两个系统之间有多个阀门隔断，使整个混合液和溶剂都由储罐进行储存，需要两个单元同步工作。传统的提取系统结构极其复杂，系统内部的阀门的控制逻辑及阀门开关顺序要求相当严格，且提取物提取单元和相应的浓缩单元独立运行，导致系统的生产效率低下，且员工对设备的操作难度极大。

图9 传统的植物活性物提取系统

和传统提取系统相比（如表1所示），空气能植物活性物提取系统把生物活性物的提取单元结构和系统的真空浓缩单元结合设计为一个整体系统，可最大程度降低对车间空间的要求。空气能植物活性物提取系统的加热单元和冷却单元的集成式设计不但提高了整体系统的集成度，而且充分利用了加热冷却系统热能，通过空气能的加热和冷却实现植物活性物最终的连续提取，提高了系统的效能利用率和生产效率，真正意义上解决了传统活性提取物系统的复杂程度，降低了能源消耗、维护困难以及操作难度高等问题。

表1 空气能提取系统与传统提取系统对比

3 结语

本文通过设计及分析空气能植物活性物提取系统的结构，介绍了整个系统的运行工艺，并与传统的植物活性物提取系统进行了对比。传统系统存在结构复杂、控制难度高、生产效率低以及员工操作难度大等缺点，而本文设计的空气能植物活性物提取系统不仅结构设计合理，系统集成程度高，而且具有可连续提取和生产效率高等特点。该空气能植物活性物提取系统在系统能耗、场地要求、前期资本投入、操作和维护成本及环境保护等方面具有较大优势。