馬鈴薯淀粉工業廢水循環利用蒸發設備的設計

摘要：以寧夏南部山區馬鈴薯淀粉工業廢水循環利用對接項目參數為依據，采用四效蒸發的方法，在進行了循環流程的工藝設計和四效蒸發參數迭代試算的基礎上，對循環利用的關鍵設備多效蒸發器進行選型和結構設計。結果表明，設備設計參數合理，為解決廢水污染和水資源綜合利用提供了理論依據。

關鍵詞：馬鈴薯淀粉；廢水；蒸發器；設備設計

中圖分類號：Ｘ７０３．３；ＴＱ０５１．６＋２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）07－1460-04

Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗａｓｔｅ Ｗａｔｅｒ Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｏｔａｔｏ Ｓｔａｒｃｈ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ

ＸＵ Ｊｉｎｇ１，ＬＩ Ｈｏｎｇ－ｙａｎ２

（１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ， Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５００２１， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎｉｎｇｘｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５００２１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ Ｎｉｎｇｘｉａ ｓｏｕｔｈｅｒｎ ｍｏｕｎｔａｉｎ ｐｏｔａｔｏ ｓｔａｒｃｈ ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ｔｈｅ ｋｅｙ ｆｏｒ ｒｅｃｙｃｌｅｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ of ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｆｏｕｒ－ｅｆｆｅｃｔ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ， it ｐｒｏｖｉｄｅd ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｏｔａｔｏ ｓｔａｒｃｈ； ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ； ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ； ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ

以西吉縣為代表的寧夏南部山區，素有馬鈴薯之鄉的美稱，但是該地區生態環境惡劣，十年九旱，是我國貧困地區之一，目前馬鈴薯加工業是該地區經濟發展的支柱。西吉縣人均水資源占有量比聯合國規定的極端缺水地區人均占有量５００ ｍ３的標準還低１６４ ｍ３［１，２］，而目前馬鈴薯淀粉工業生產用水均來自地下水資源，每年約有２５０萬ｍ３地下水用于馬鈴薯淀粉加工，是西吉全縣人口年日常用水總量１２０萬ｍ３的2倍多。生產過程中廢水的無處理排放嚴重污染了環境，這種高耗水、高排污量的生產同時也制約了企業的發展，馬鈴薯淀粉工業廢水的循環利用是該地區經濟發展的瓶頸［３，４］。為此，結合西吉地區水資源極其缺乏的現狀，采用多效蒸發的方法實現廢水循環利用，在前期工藝設計和研究的基礎上對工藝過程中的關鍵設備多效蒸發器進行選型和結構設計。

１ 廢水循環利用蒸發單元的工藝流程

廢水經預處理和預熱后，在閃蒸罐中一部分被蒸發，之后經真空脫濾機分離絮凝蛋白，濾清液在多效蒸發器中濃縮蒸發，濃縮液有機液體肥從底部流溢出后被收集送往有機肥集存池，蒸餾水經冷卻系統收集后回生產線。該工藝過程的核心為多效蒸發技術，關鍵設備為多效蒸發器［５，６］。淀粉生產廢水循環利用工藝流程見圖１。

２ 多效蒸發器的設備選型和結構設計

馬鈴薯淀粉工業廢水的特點是處理的速度較慢，且因溶液的循環使蒸發器中溶液的濃度接近完成液的濃度，溶液的沸點高，傳熱溫差小，可用中央循環管式和降膜式蒸發器。考慮投資成本可選用中央循環管式蒸發器，這種蒸發器結構緊湊，操作可靠，傳熱效果好。另外，馬鈴薯淀粉工業廢水中含有一定量的有機質如蛋白質、油脂、氨基酸、淀粉等，屬于有害無毒有機廢水，對設備有不同程度的腐蝕，所以選低合金鋼（１６ＭｎＲ）作為殼體材料。馬鈴薯淀粉工業廢水屬于非電解質溶液，其沸點升高較小，選用四效蒸發器較為經濟［７］。

２．１ 多效蒸發器設計參數的確定

根據前期對廢水蒸發循環利用的工藝計算研究結果，已確定的蒸發設備的工藝參數和設計參數［７］見表１。管程（馬鈴薯淀粉工業廢水）設計溫度６０ ℃，設計壓力０．１１ ＭＰａ；殼程（１．２ ＭＰａ飽和蒸汽） 設計溫度２００ ℃，設計壓力１．２６ ＭＰａ。

２．２ 多效蒸發器設備結構尺寸的確定

１）加熱管的選擇和管數的確定。蒸發器的加熱管選用直徑（ｄ０）３８ ｍｍ，厚度３ ｍｍ的無縫鋼管。由于淀粉污水較易結垢，并且溶液有一定的起泡性，綜合考慮應選管長規格為２ ｍ的管子。初步估計所需的管子數ｎ。

ｎ=■=■=963.79

式中，Ｓ為蒸發器的傳熱面積，由工藝計算所得；ｄ０為加熱管外徑；Ｌ為加熱管長度。取整數為964根加熱管［８］。

２）中央循環管的選擇。循環管的截面積以循環阻力盡量小為原則，可取加熱管總面積的40%~100％，對于加熱面積大的蒸發器，可取加熱管總面積的70%。循環管的長度與加熱管相等，循環管的表面積不記入傳熱面積。

則■D2１＝70%ｎ■d20，可計算出Ｄ１＝９７８.12 ｍm，選取管徑相近的標準件，圓整為Ｄ１＝１ ０００ ｍｍ 。

３）加熱室直徑及加熱管數目的確定。加熱室的內徑取決于加熱管和循環管的規格、數目及在管板上的排列方式。加熱管在管板上的排列方式采用三角形排列，管心距的標準化數值為ｔ＝４８ ｍｍ。

管束中心線上管數ｎｃ＝1.1■，ｎｃ＝３4．15，圓整為35。

加熱室內徑：Ｄｉ＝ｔ（ｎｃ-１）＋２ｂ′

式中，ｂ′＝１．２５ｄ０＝１．２５×３８＝４７．５ ｍｍ，圓整為50 ｍｍ。

Ｄｉ＝ｔ（ｎｃ-１）＋２ｂ′＝４８×（３5－１）＋２×50＝１ ７32 ｍｍ

查標準可知，考慮到腐蝕性［９］圓整為Ｄｉ＝１ ８００ ｍｍ。

４）殼體壁厚的確定。確定工作壓力為１．２ ＭＰａ，最高蒸汽溫度為１８７．５ ℃，根據容器設計要求可得：

容器的設計壓力Ｐ＝１．０５×１．２＝１．２６ ＭＰａ

液體的靜壓力Ｐｌ＝ρｇｈ＝１０００×９．８×７．２＝７０ ５６０ Ｐａ，其大于工作壓力的5%（0.06 MPa），因此容器的實際設計壓力需計入液體靜壓力，即實際設計壓力ＰＣ＝Ｐｌ＋Ｐ＝０．０６＋１．２６＝１．３２ ＭＰａ。

材料１６ＭｎＲ在１９０ ℃時，許用應力［σ］ｔ＝１７０ ＭＰａ，則壁厚在４．５～１６．０ ｍｍ；

δｅ＝■，δｅ＝８．２6 ｍｍ

其中，?準為焊接接頭系數，采用雙面對接，?準＝０．８５。馬鈴薯淀粉廢水含有有機物質，有一定的腐蝕性，以及周圍的環境等因素綜合考慮，則：

加熱室殼體名義厚度δｎ＝δｅ＋Ｃ１＋Ｃ２＋Δ

式中，δｎ為名義厚度（ｍｍ），δｅ為有效厚度（ｍｍ），Ｃ１為腐蝕余量（ｍｍ），Ｃ２為鋼板負偏差（ｍｍ），δｎ＝８．２6＋０．６＋１．０＋Δ＝１０ ｍｍ。

５）分離室直徑與高度及壁厚的確定。分離室的直徑與高度取決于分離室的體積，而分離室的體積又與二次蒸汽的體積流量及蒸發體積強度有關。一般情況下，各部分的二次蒸發量和密度不同，考慮實際生產可取平均值。

Ｖ＝■，Ｖ=■Ｄ2×H

式中，Ｖ為分離室的體積，ｍ３；Ｗ為第四效蒸發器的二次蒸汽量，８ ５２７．４８ ｋｇ／ｈ；Ｕ為蒸發體積強度，允許值１．１~１．５ ｍ３/（ｍ３·ｓ）；ρ為第四效蒸發器二次蒸汽密度，０．１５５ ｋｇ／ｍ３。

分離室的高度與直徑之比Ｈ／Ｄ＝１～２，Ｈ不得小于１ ８００ ｍｍ；在條件允許的情況下，要使分離室結構盡量簡單，制造和安裝方便。現取分離室中Ｕ＝１．２５ ｍ３/（ｍ３·ｓ）。

計算得Ｖ＝１２．２3 ｍ３時，適宜的分離器高度和直徑為Ｈ＝２．７ ｍ，Ｄ＝２．４ ｍ。

因此分離室筒體的有效壁厚

δｅ=■=■=10.99 mm

分離室筒體名義厚度δn =10.99+0.6+1.0+Δ=14 mm。

６）封頭的確定。在設備結構設計中，變徑筒體需兩個不等徑的封頭， 根據封頭的設計和受力情況，材料為１６ ＭｎＲ，采用標準橢圓封頭（Ｋ＝１），承受壓力的能力比較好，設計也較容易，在此條件下的許用應力為［σ］ｔ＝１７０ ＭＰａ。

加熱室封頭的有效厚度：δｅ=■

δｅ＝８．２4 ｍｍ

封頭名義厚度δｎ＝δｅ＋Ｃ１＋Ｃ２＋Δ＝１０ ｍｍ

分離室封頭的有效厚度：

δｅ=■=■=10.99mm

封頭名義厚度δn=δe+C1+C2+Δ=14 mm

７）殼體的校核。通過水壓試驗可對殼體的強度進行校核，水壓試驗壓力校核時所選材料的屈服應力為３４５ ＭＰａ。

ＰＴ＝1.25PC ■ ＰＴ＝１．５７５ ＭＰａ

水壓試驗應力校核：

σＴ＝■１４２．５ ＭＰａ

１４２．５ ＭＰａ＜０．９σｓ?準＝０．９×３４5×０．８５＝263.9 ＭＰａ

由以上計算可知，水壓試驗滿足強度要求［１０］。

８）接管尺寸的確定。接管直徑取決于處理量和適宜的流速，同時還要考慮結構的協調及強度要求。因四效蒸發量大、真空度最大，蒸汽流速快，故可按第四效計算，管程進出口接管按物料處理量最大的第一效計算。Ｄ１＝■，取接管內液體流速為１．２ ｍ／ｓ， 管程進出口接管直徑Ｄ＝１１５ ｍｍ，圓整后可取直徑１２５ ｍｍ、厚度３．５ ｍｍ規格管。

同理蒸發室殼程流體進口接管直徑Ｄ１＝１５０ ｍｍ，圓整后可取直徑１５７ ｍｍ、厚度４ ｍｍ規格管。為了防止液體流動時產生的沖力，在蒸汽進口設計直徑為１８０ ｍｍ的防沖擋板，厚度為５ ｍｍ，材料為Ｑ２３５－ＡＦ。

冷凝水的排出一般屬于液體自然流動，接管直徑應由各效加熱蒸汽消耗量較大者確定。冷凝水出口接管直徑Ｄ＝５４ ｍｍ，圓整后可取直徑５７ ｍｍ、厚度３．５ ｍｍ規格管。

９）開設人孔。由于設備尺寸較大，為了安裝維修方便需開設人孔。選用回轉蓋板式平焊法蘭人孔，公稱直徑為４５０ ｍｍ，公稱壓力為１．６ ＭＰａ，Ｈ１＝２４０ ｍｍ，ＲＦ型密封面，材料為Ｑ２３５－ＡＦ。

１０）氣液分離器的確定。蒸發操作時二次蒸汽中夾帶大量的液體，雖在分離室得到初步的分離，但為了防止損失或防止污染冷凝器，還需設置氣液分離器。為使霧沫中的液體聚集并與二次蒸汽分離，設置絲網式除沫器，金屬網一般采用3層或4層，與筒體內徑等徑，厚度為９０ ｍｍ。

１１）支座的確定。為了制造方便、結構簡單，采用耳式支座，設備公稱直徑大于９００ ｍｍ，壁厚大于３ ｍｍ，容器殼體材料與支座材料選用Ｑ２３５－ＡＦ，所以不設置墊板。

安裝尺寸：Ｄ＝■+2×（l2-s1）

式中，Ｄ為支座安裝尺寸，ｍｍ；Di為容器內徑，ｍｍ；δｎ為殼體名義厚度，ｍｍ；ｂ２，δ２，ｌ２，ｓ１為耳式支座尺寸

Ｄ＝■+2×（300-130）＝２ ７７３ ｍｍ。

１２）管板尺寸的確定。影響管板剛度的主要因素有管束對管板的支撐作用、管孔對管板的削弱作用、管板邊緣的固定形式和殼壁與管壁的溫度差。根據設計的壓力和設計溫度，參考δ＝３４ ｍｍ，采用固定管板兼作法蘭，材料采用碳素鋼。管板公稱直徑ＤＮ＝１ ９６０ ｍｍ，厚度為５５ ｍｍ。

２．３ 多效蒸發器設計結果匯總

在前期工藝設計研究基礎上，通過對多效蒸發設備的主體、加熱室、分離室、加熱管和中央循環管等主要結構進行選型和設計，得到合理可行的馬鈴薯淀粉工業廢水循環利用蒸發設備的設計結果，匯總如表２。

３ 小結

研究的主導思想是將馬鈴薯淀粉工業廢水變廢為寶，對極度干旱地區實現工業廢水循環利用是馬鈴薯淀粉生產健康可持續發展的基礎，而廢水蒸發工藝和關鍵設備的設計是廢水循環利用實現的前提。在前期工藝設計研究基礎上，對廢水蒸發循環利用關鍵設備的主體、加熱室、分離室等進行了較詳細地選型分析和結構設計，結果表明設備設計參數合理，方案可行，為解決廢水污染和水資源綜合利用問題提供了理論依據。四效蒸發操作的主要費用來自于蒸發消耗的能量，也是整個工藝操作中控制成本、節能降耗的關鍵因素。因此在后續的工作中還將進一步根據工藝設計的結果提出控制方案，綜合考慮能量的合理利用和工程實際，提出馬鈴薯淀粉工業廢水循環利用完整、可行的方案。

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