CN111966059B - 提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的建模优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的建模优化方法，涉及过程模拟技术领域。先根据大豆处理中各工序的物质和能量平衡关系在SuperPro Desiger软件中建立过程模型；设定并输入大豆处理过程中的数据并运行该模型，直到模拟结果满足误差要求；根据敏感性分析和实际生产要求，调节工艺参数、产量、价格等数据，选择相对应的优化技术，优化提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的过程模型，提高大豆脱脂后副产品的价值，并预测带来的产能和经济变化。本发明基于物质守恒、能量守恒和宏观反应动力学基本原理建立工业生产中大豆加工的过程稳态模型，有助于描述过程参数的改变和新技术的采用对产量和经济收益的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的建模优化方法，涉及过程模拟技术领域。
背景技术
大豆富含优质蛋白质和不饱和脂肪酸，是一种重要的油料作物，既能食用，又能产油。溶剂浸提是大豆提油的主要方式，出油量可达20％左右。大豆浸提大豆油后得到副产品豆粕，由于其粗蛋白含量高，富含多种维生素和矿物质，且氨基酸组成均衡，因此，成为畜禽日粮中常用的蛋白质饲料。但是豆粕中存在多种抗营养因子，影响机体对营养的吸收，从而大大限制了其使用。近年来，消除豆粕中抗营养因子和提高蛋白质吸收率一直是人们关注的重点。微生物固态发酵法是目前研究的热点，利用微生物产生的酶降解抗营养因子并积累有益的代谢物，从而提高营养价值和增加适口性。然而，目前的研究主要集中在发酵工艺和发酵设备，对发酵过程中技术能耗等方面研究较少。并且，大多数研究工作都是在实验室内小批量进行，与实际大规模生产有很大的区别。对于自动化大量生产来说，生产工艺的调整优化、过程操作的风险评价以及工艺节能方案可行性评定等都缺少有效的理论依据和技术支撑。
SuperPro Designer(过程模拟设计)是一款工业生产过程中综合建模、评估和优化的模拟软件，能够针对不同的进料情况、物料组分、工艺条件等进行单元和全过程的计算，大部分的模块单元中包含了内置的经济分析工具，用于估算资本和运营成本，为企业提供准确的单元操作模型和清晰的经济效益报告，还可以进行已有装置能耗评估和新建装置的优化设计。目前，国内外有很多研究者采用SuperPro Designer对过程进行物料、能量衡算、技术优化和费用计算，通过流程建模同时对技术工艺和经济效益进行评估，在工艺优化和成本控制都取得了很好的效果。从工艺过程考虑，大豆脱脂后副产品加工工艺和发酵豆粕生产工艺存在工厂整合机会；从原料价格，工厂配置，盈利能力和风险分析等因素考虑，工艺整合有利于提高副产品价值。因此，通过过程分析和模拟计算手段模拟大豆加工过程，为提高副产品价值和整个过程中实施的技术和能耗优化提供研究方向和理论支持。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种提高工业生产中大豆脱脂后副产品的建模优化方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于流程模拟的方法，综合物料、能量衡算和过程优化技术，响应市场价格变化，能够有效地针对不同生产工艺或工况进行物耗、能耗和经济效益对比分析，以便进一步稳定工艺操作，优化操作参数，从而为大豆处理和发酵豆粕行业的研究提供数据和理论支持。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种提高工业生产中大豆脱脂后副产品的建模优化方法，按照下述步骤进行：
(A)根据大豆处理中各工序的物质和能量平衡关系在SuperPro Desiger软件中建立过程模型；设定并输入大豆处理过程中的数据并运行该模型，直到模拟结果满足误差要求；
(B)根据敏感性分析和实际生产要求，调节工艺参数、产量、价格等数据，选择相对应的优化技术，优化提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的过程模型，提高大豆脱脂后副产品的价值，并预测带来的产能和经济变化。
进一步的，步骤(A)所述根据大豆处理中各工序的物质和能量平衡关系在SuperPro Desiger软件中建立过程模型，按照下述步骤进行：(A-1)根据大豆处理过程中的各生产工序操作任务选择各个单元操作模型；(A-2)根据各个工序的物质平衡和能量平衡，确定各单元操作模型进出口物流和能流数，连接各单元操作模型形成提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的过程模型。
进一步的，步骤(A-1)所述根据大豆处理过程中的各生产工序操作任务选择各个单元操作模型包括：
(1)大豆预处理模块采用SuperPro Desiger中的分离操作Splitting(分离)，干燥操作Drum Drying(鼓式干燥)，储存操作Silo(筒仓)，尺寸变化操作Grinding(研磨)，分别用于模拟大豆预处理中的除杂，干燥，回火，破碎，去皮，压胚过程；
(2)大豆浸提大豆油模块采用固液提取操作Extraction(提取)和换热操作HeatExchanging(热量交换)，用于模拟大豆油浸提过程；
(3)混合油分离和浸提剂正己烷回收模块采用蒸馏操作Distillation(蒸馏)，汽提操作Stripping(汽提)，冷凝操作Condensation(冷凝)，混合操作Mixer(混合)，用于模拟大豆油毛油和正己烷的分离以及正己烷回收。
(4)豆粕脱溶模块采用脱溶操作Dedissolution(脱溶)，用于模拟豆粕的脱溶过程；
(5)发酵豆粕生产模块采用混合罐Blending(混合)，发酵罐Fermentation(发酵)，干燥操作Rotary Drying(旋转干燥)用于模拟发酵菌培养和发酵豆粕生产和干燥。
进一步的，步骤(A-2)所述根据各个工序的物质平衡和能量平衡，确定各单元操作模型进出口物流和能流数包括以下步骤：
(1-1)大豆预处理模块采用物质守恒关系
Msoy-raw＝Mforeign+Mhull+Mmoisture+Msoy’
其中，Msoy-raw为大豆原料的质量，Mforeign为混在大豆原料中的杂质量，Mhull为去皮操作后脱落的大豆皮的质量，Mmoisture为干燥过程中流失的水分量，Msoy’为预处理后的大豆的质量。
(2-1)大豆浸提大豆油模块采用物质守恒关系
Msoy’+Mhexane＝Moil+Mhexane’+▲Mhexane+Mmeal’
其中，Msoy’为预处理后的大豆的质量，Mhexane为浸提操作中投入的浸提剂正己烷的质量，Moil为浸提操作后的混合油的质量，Mhexane’为回收到的正己烷质量，▲Mhexane为浸提操作后正己烷的丢失量，Mmeal’为浸提操作后的湿豆粕的质量。
(3-1)混合油分离和浸提剂正己烷回收模块采用物质守恒关系
Mhexane’＝M hexane’-E+M hexane’-S+M hexane’-D
其中，Mhexane’为回收到的正己烷总质量，Mhexane’-E为蒸馏后回收得到的正己烷质量，Mhexane’-S为汽提后回收得到的正己烷质量，Mhexane’-D为湿豆粕脱溶后回收得到的正己烷质量。
(4-1)豆粕脱溶模块采用物质守恒关系
Mmeal’+Msteam＝Mmeal+M hexane’-D+Mwater
其中，Mmeal’为浸提操作后的湿豆粕的质量，Msteam为脱溶操作中使用的热蒸汽量，Mmeal为脱溶后的豆粕的质量，Mhexane’-D为湿豆粕脱溶后回收得到的正己烷质量，Mwater为干燥操作后回收的水量。
(5-1)发酵豆粕生产模块采用物质守恒关系
Mmeal+Mfungi＝Mmeal-F
其中，Mmeal为脱溶后的豆粕的质量，Mfungi为发酵使用的菌(酵母菌、乳酸菌、芽孢杆菌等)，Mmeal-F为发酵后的发酵豆粕的质量。
(6-1)根据上述步骤确定各单位操作模型的进出口物流和能流数，并连接各单元操作模型。
进一步的，步骤(A)所述数据包括组分、物性、起始物流数据、单元操作模型数据。
进一步的，步骤(B)所述根据敏感性分析和实际生产要求，调节工艺参数、产量、价格等数据，选择相对应的优化技术，优化提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的过程模型，提高大豆脱脂后副产品的价值，并预测带来的产能和经济变化，包括以下步骤：首先根据敏感性分析和实际生产要求，选择一种或几种优化技术；然后根据优化技术在过程模型中添加或调整相应的物流或设备模块，构成实现产量提高或经济效益提高的优化工艺模型，并输入相应的物流数据和单元操作模型数据；最后初始化模型，调整可调节参数，反复运行优化工艺模型，直到产量或经济效益能达到期望值。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明利用流程模拟软件模拟大豆脱脂过程及发酵豆粕生产过程，简化模拟计算过程，通过敏感性分析和和实际生产要求进行优化，从而提高副产品价值，有助于分析工况能耗和经济效益变化，预先掌握决策和调整可能造成的结果，为研究方向和科学决策管理提供理论依据。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的工艺框图；
图2是本发明提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的模拟流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1和图2，本发明提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的建模优化方法，具体操作方法如下：
(1)提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的工艺流程介绍：
该集成工艺主要包括大豆预处理、大豆浸提大豆油、浸提剂正己烷回收、豆粕脱溶、发酵豆粕生产等模块。
大豆预处理模块又分为大豆除杂、干燥、回火、破碎、去皮、压胚等工艺；浸提剂正己烷回收模块主要来源：混合油两次蒸馏、汽提和湿豆粕脱溶。
具体工艺流程如图1所示。
(2)根据提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的工艺选择单元操作模型建立模型，模拟流程图如图2所示：
1)大豆预处理模块采用SuperPro Desiger中的分离操作Splitting，干燥操作Drum Drying，储存操作Silo，尺寸变化操作Grinding，用于模拟大豆预处理中的除杂，干燥，回火，破碎，去皮，压胚过程；
2)大豆浸提大豆油模块采用提取操作Extraction和换热操作Heat Exchanging，用于模拟大豆油浸提过程；
3)混合油分离和浸提剂正己烷回收模块采用蒸馏操作Distillation，汽提操作Stripping，冷凝操作Condensation，混合操作Mixer，用于模拟大豆油毛油和正己烷的分离以及正己烷回收；
4)豆粕脱溶模块采用脱溶操作Desolventizing，干燥操作Rotary Drying，用于模拟豆粕的脱溶过程；
5)发酵豆粕生产模块采用混合罐Blending，发酵罐Fermentation，干燥操作Rotary Drying用于模拟发酵菌培养和发酵豆粕生产和干燥。
(3)输入数据建立基础模型，计算每个单元操作模型和整个***的质量和能量平衡：
1)输入流原料大豆的组分百分比：粗蛋白35％，碳水化合物29％，油脂20％，水分12％，灰分4％；设定输入流量Msoy-raw＝192280吨/年。
2)大豆预处理模块除杂量0.8％，干燥至水分10％，储存30min进行回火，破碎大豆至2-4瓣，去皮量0.8％，压胚至0.2mm；则除杂流量Mforeign＝1538.24吨/年，去皮流量Mhull＝1525.93吨/年，干燥流量Mmoisture＝174056.78吨/年，最终Msoy’＝15159.05吨/年。
3)大豆浸提大豆油模块工艺条件：胚料温度60℃，正己烷温度30℃；溶剂比(溶剂：物料＝0.9：1)；则Mhexane＝13643.15吨/年。
4)混合油分离和浸提剂正己烷回收模块工艺条件：一次蒸馏塔温度75℃，二次蒸馏塔温度120℃，在两次蒸馏过程中，混合油中的大豆油浓度从一次蒸馏后的大约26％上升到二次蒸馏后的98％以上；汽提塔中压蒸汽压力11.013bar，汽提后，回收正己烷约70％。
5)豆粕脱溶模块工艺条件：湿豆粕中含有25％～35％的残留溶剂，中压蒸汽11.013bar，时间40min；冷凝正己烷总回收效率可达99.97％；则Mhexane’＝13639.05吨/年。
6)发酵豆粕生产模块工艺条件：豆粕通过添加无菌水及冷凝水冷却至45℃；选择单菌枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis，购于北海群林生物工程有限公司)，菌液接种量5％mL/g，料水比(v/m)55％；发酵温度37℃，发酵时间48h。发酵后干燥至12％以下以便运输和保存。
(4)根据实验数据对工艺模型进行校准，使模拟结果满足误差要求：得到的干基产物中粗蛋白含量为59.56％，碳水化合物23.33％，油脂1.22％，水分12％，灰分3.89％，与试验结果相差不大，可进一步作经济评价分析。
(5)对各模块工艺参数进行敏感性分析，使工艺和能耗最优，得出可优化模块的参数：
1)大豆浸提大豆油模块：在大豆浸提豆油前，添加一个热交换操作，利用压胚后的大豆薄片的热量可以提高正己烷的温度，从而提高浸提速率。最终，大豆和正己烷在53℃左右进行脱脂萃取过程；浸出时间45min；
2)发酵豆粕生产模块：无菌水的添加量对最终生产成本的影响较大，菌液接种量5％mL/g，发酵温度37℃，发酵时间48h，料水比(v/m)由55％下降到50％时，产品组分变化不大。
所述的一种提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的方法使得副产品生产成本增加约785元/吨，但使副产品价值由之前的均价3000元/吨提高到5800元/吨左右，综合，可提高副产品价值约6.72％；通过建立模型进行工艺参数敏感性分析及优化后，运营能耗由之前的83.7千万/年降低到83.28千万/年，相比降低了4.19百万/年。
(6)同理，根据市场需要，可以对原料价格变化，产物市场评价标准变化，工艺过程中各个参数、仪器价格等进行敏感性分析，为工厂管理决策者提供数据指导。
(7)所述的一种提高工业生产中大豆脱脂后副产品的建模优化方法分为大豆浸提大豆油生产和发酵豆粕生产两部分，针对工艺技术优化可分开运行，以便进一步明确工艺操作，优化操作参数，从而为大豆处理和发酵豆粕行业的研究提供数据和理论支持。
以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种提高工业生产中大豆脱脂后副产品的建模优化方法，其特征在于按照下述步骤进行：
（A）根据大豆处理中各工序的物质和能量平衡关系在SuperPro Desiger 软件中建立过程模型；设定并输入大豆处理过程中的数据并运行该模型，直到模拟结果满足误差要求；
（B）根据敏感性分析和实际生产要求，调节工艺参数、产量、价格，选择相对应的优化技术，优化提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的过程模型，提高大豆脱脂后副产品的价值，并预测带来的产能和经济变化；
步骤（A）所述根据大豆处理中各工序的物质和能量平衡关系在SuperPro Desiger 软件中建立过程模型，按照下述步骤进行：（A-1）根据大豆处理过程中的各生产工序操作任务选择各个单元操作模型；（A-2）根据各个工序的物质平衡和能量平衡，确定各单元操作模型进出口物流和能流数，连接各单元操作模型形成提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的过程模型；
步骤（A-1）所述根据大豆处理过程中的各生产工序操作任务选择各个单元操作模型包括：
（1）大豆预处理模块采用SuperPro Desiger中的分离操作分离，干燥操作鼓式干燥，储存操作筒仓，尺寸变化操作研磨，分别用于模拟大豆预处理中的除杂，干燥，回火，破碎，去皮，压胚过程；
（2）大豆浸提大豆油模块采用固液提取操作提取和换热操作热量交换，用于模拟大豆油浸提过程；
（3）混合油分离和浸提剂正己烷回收模块采用蒸馏操作蒸馏，汽提操作汽提，冷凝操作冷凝，混合操作混合，用于模拟大豆油毛油和正己烷的分离以及正己烷回收；
（4）豆粕脱溶模块采用脱溶操作脱溶，用于模拟豆粕的脱溶过程；
（5）发酵豆粕生产模块采用混合罐混合，发酵罐发酵，干燥操作旋转干燥用于模拟发酵菌培养和发酵豆粕生产和干燥；
步骤（A-2）所述根据各个工序的物质平衡和能量平衡，确定各单元操作模型进出口物流和能流数包括以下步骤：
（1-1）大豆预处理模块采用物质守恒关系
Msoy-raw = Mforeign + Mhull + Mmoisture + Msoy’
其中，Msoy-raw为大豆原料的质量，Mforeign为混在大豆原料中的杂质量，Mhull为去皮操作后脱落的大豆皮的质量，Mmoisture为干燥过程中流失的水分量，Msoy’为预处理后的大豆的质量；
（2-1）大豆浸提大豆油模块采用物质守恒关系
Msoy’ + Mhexane = Moil + Mhexane’ + ▲Mhexane + Mmeal’
其中，Msoy’为预处理后的大豆的质量，Mhexane为浸提操作中投入的浸提剂正己烷的质量，Moil为浸提操作后的混合油的质量，Mhexane’为回收到的正己烷质量，▲Mhexane为浸提操作后正己烷的丢失量，Mmeal’为浸提操作后的湿豆粕的质量；
（3-1）混合油分离和浸提剂正己烷回收模块采用物质守恒关系
Mhexane’= M hexane’-E + M hexane’-S + M hexane’-D
其中，Mhexane’为回收到的正己烷总质量，Mhexane’-E为蒸馏后回收得到的正己烷质量，Mhexane’-S为汽提后回收得到的正己烷质量，Mhexane’-D为湿豆粕脱溶后回收得到的正己烷质量；
（4-1）豆粕脱溶模块采用物质守恒关系
Mmeal’+ Msteam= Mmeal + M hexane’-D + Mwater
其中，Mmeal’为浸提操作后的湿豆粕的质量，Msteam为脱溶操作中使用的热蒸汽量，Mmeal为脱溶后的豆粕的质量，Mhexane’-D为湿豆粕脱溶后回收得到的正己烷质量，Mwater为干燥操作后回收的水量；
（5-1）发酵豆粕生产模块采用物质守恒关系
Mmeal + Mfungi = Mmeal-F
其中，Mmeal为脱溶后的豆粕的质量，Mfungi为发酵使用的菌，具体为酵母菌、乳酸菌、芽孢杆菌；Mmeal-F为发酵后的发酵豆粕的质量；
（6-1）根据上述步骤确定各单位操作模型的进出口物流和能流数，并连接各单元操作模型；
步骤（A）所述数据包括组分、物性、起始物流数据、单元操作模型数据；
步骤（B）所述根据敏感性分析和实际生产要求，调节工艺参数、产量、价格，选择相对应的优化技术，优化提高工业生产中大豆脱脂后副产品价值的过程模型，提高大豆脱脂后副产品的价值，并预测带来的产能和经济变化，包括以下步骤：首先根据敏感性分析和实际生产要求，选择一种或几种优化技术；然后根据优化技术在过程模型中添加或调整相应的物流或设备模块，构成实现产量提高或经济效益提高的优化工艺模型，并输入相应的物流数据和单元操作模型数据；最后初始化模型，调整可调节参数，反复运行优化工艺模型，直到产量或经济效益能达到期望值。
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