马铃薯淀粉工业废水循环利用蒸发设备的设计

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摘要：以宁夏南部山区马铃薯淀粉工业废水循环利用对接项目参数为依据，采用四效蒸发的方法，在进行了循环流程的工艺设计和四效蒸发参数迭代试算的基础上，对循环利用的关键设备多效蒸发器进行选型和结构设计。结果表明，设备设计参数合理，为解决废水污染和水资源综合利用提供了理论依据。

关键词：马铃薯淀粉；废水；蒸发器；设备设计

中图分类号：Ｘ７０３．３；ＴＱ０５１．６＋２ 文献标识码：Ａ 文章编号：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

以西吉县为代表的宁夏南部山区，素有马铃薯之乡的美称，但是该地区生态环境恶劣，十年九旱，是我国贫困地区之一，目前马铃薯加工业是该地区经济发展的支柱。西吉县人均水资源占有量比联合国规定的极端缺水地区人均占有量５００ ｍ３的标准还低１６４ ｍ３［１，２］，而目前马铃薯淀粉工业生产用水均来自地下水资源，每年约有２５０万ｍ３地下水用于马铃薯淀粉加工，是西吉全县人口年日常用水总量１２０万ｍ３的2倍多。生产过程中废水的无处理排放严重污染了环境，这种高耗水、高排污量的生产同时也制约了企业的发展，马铃薯淀粉工业废水的循环利用是该地区经济发展的瓶颈［３，４］。为此，结合西吉地区水资源极其缺乏的现状，采用多效蒸发的方法实现废水循环利用，在前期工艺设计和研究的基础上对工艺过程中的关键设备多效蒸发器进行选型和结构设计。

１ 废水循环利用蒸发单元的工艺流程

废水经预处理和预热后，在闪蒸罐中一部分被蒸发，之后经真空脱滤机分离絮凝蛋白，滤清液在多效蒸发器中浓缩蒸发，浓缩液有机液体肥从底部流溢出后被收集送往有机肥集存池，蒸馏水经冷却系统收集后回生产线。该工艺过程的核心为多效蒸发技术，关键设备为多效蒸发器［５，６］。淀粉生产废水循环利用工艺流程见图１。

２ 多效蒸发器的设备选型和结构设计

马铃薯淀粉工业废水的特点是处理的速度较慢，且因溶液的循环使蒸发器中溶液的浓度接近完成液的浓度，溶液的沸点高，传热温差小，可用中央循环管式和降膜式蒸发器。考虑投资成本可选用中央循环管式蒸发器，这种蒸发器结构紧凑，操作可靠，传热效果好。另外，马铃薯淀粉工业废水中含有一定量的有机质如蛋白质、油脂、氨基酸、淀粉等，属于有害无毒有机废水，对设备有不同程度的腐蚀，所以选低合金钢（１６ＭｎＲ）作为壳体材料。马铃薯淀粉工业废水属于非电解质溶液，其沸点升高较小，选用四效蒸发器较为经济［７］。

２．１ 多效蒸发器设计参数的确定

根据前期对废水蒸发循环利用的工艺计算研究结果，已确定的蒸发设备的工艺参数和设计参数［７］见表１。管程（马铃薯淀粉工业废水）设计温度６０ ℃，设计压力０．１１ ＭＰａ；壳程（１．２ ＭＰａ饱和蒸汽） 设计温度２００ ℃，设计压力１．２６ ＭＰａ。

２．２ 多效蒸发器设备结构尺寸的确定

１）加热管的选择和管数的确定。蒸发器的加热管选用直径（ｄ０）３８ ｍｍ，厚度３ ｍｍ的无缝钢管。由于淀粉污水较易结垢，并且溶液有一定的起泡性，综合考虑应选管长规格为２ ｍ的管子。初步估计所需的管子数ｎ。

ｎ=■=■=963.79

式中，Ｓ为蒸发器的传热面积，由工艺计算所得；ｄ０为加热管外径；Ｌ为加热管长度。取整数为964根加热管［８］。

２）中央循环管的选择。循环管的截面积以循环阻力尽量小为原则，可取加热管总面积的40%~100％，对于加热面积大的蒸发器，可取加热管总面积的70%。循环管的长度与加热管相等，循环管的表面积不记入传热面积。

则■D2１＝70%ｎ■d20，可计算出Ｄ１＝９７８.12 ｍm，选取管径相近的标准件，圆整为Ｄ１＝１ ０００ ｍｍ 。

３）加热室直径及加热管数目的确定。加热室的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板上的排列方式。加热管在管板上的排列方式采用三角形排列，管心距的标准化数值为ｔ＝４８ ｍｍ。

管束中心线上管数ｎｃ＝1.1■，ｎｃ＝３4．15，圆整为35。

加热室内径：Ｄｉ＝ｔ（ｎｃ-１）＋２ｂ′

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

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

查标准可知，考虑到腐蚀性［９］圆整为Ｄｉ＝１ ８００ ｍｍ。

４）壳体壁厚的确定。确定工作压力为１．２ ＭＰａ，最高蒸汽温度为１８７．５ ℃，根据容器设计要求可得：

容器的设计压力Ｐ＝１．０５×１．２＝１．２６ ＭＰａ

液体的静压力Ｐｌ＝ρｇｈ＝１０００×９．８×７．２＝７０ ５６０ Ｐａ，其大于工作压力的5%（0.06 MPa），因此容器的实际设计压力需计入液体静压力，即实际设计压力ＰＣ＝Ｐｌ＋Ｐ＝０．０６＋１．２６＝１．３２ ＭＰａ。

材料１６ＭｎＲ在１９０ ℃时，许用应力［σ］ｔ＝１７０ ＭＰａ，则壁厚在４．５～１６．０ ｍｍ；

δｅ＝■，δｅ＝８．２6 ｍｍ

其中，?准为焊接接头系数，采用双面对接，?准＝０．８５。马铃薯淀粉废水含有有机物质，有一定的腐蚀性，以及周围的环境等因素综合考虑，则：

加热室壳体名义厚度δｎ＝δｅ＋Ｃ１＋Ｃ２＋Δ

式中，δｎ为名义厚度（ｍｍ），δｅ为有效厚度（ｍｍ），Ｃ１为腐蚀余量（ｍｍ），Ｃ２为钢板负偏差（ｍｍ），δｎ＝８．２6＋０．６＋１．０＋Δ＝１０ ｍｍ。

５）分离室直径与高度及壁厚的确定。分离室的直径与高度取决于分离室的体积，而分离室的体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸发体积强度有关。一般情况下，各部分的二次蒸发量和密度不同，考虑实际生产可取平均值。

Ｖ＝■，Ｖ=■Ｄ2×H

式中，Ｖ为分离室的体积，ｍ３；Ｗ为第四效蒸发器的二次蒸汽量，８ ５２７．４８ ｋｇ／ｈ；Ｕ为蒸发体积强度，允许值１．１~１．５ ｍ３/（ｍ３・ｓ）；ρ为第四效蒸发器二次蒸汽密度，０．１５５ ｋｇ／ｍ３。

分离室的高度与直径之比Ｈ／Ｄ＝１～２，Ｈ不得小于１ ８００ ｍｍ；在条件允许的情况下，要使分离室结构尽量简单，制造和安装方便。现取分离室中Ｕ＝１．２５ ｍ３/（ｍ３・ｓ）。

计算得Ｖ＝１２．２3 ｍ３时，适宜的分离器高度和直径为Ｈ＝２．７ ｍ，Ｄ＝２．４ ｍ。

因此分离室筒体的有效壁厚

δｅ=■=■=10.99 mm

分离室筒体名义厚度δn =10.99+0.6+1.0+Δ=14 mm。

６）封头的确定。在设备结构设计中，变径筒体需两个不等径的封头， 根据封头的设计和受力情况，材料为１６ ＭｎＲ，采用标准椭圆封头（Ｋ＝１），承受压力的能力比较好，设计也较容易，在此条件下的许用应力为［σ］ｔ＝１７０ ＭＰａ。

加热室封头的有效厚度：δｅ=■

δｅ＝８．２4 ｍｍ

封头名义厚度δｎ＝δｅ＋Ｃ１＋Ｃ２＋Δ＝１０ ｍｍ

分离室封头的有效厚度：

δｅ=■=■=10.99mm

封头名义厚度δn=δe+C1+C2+Δ=14 mm

７）壳体的校核。通过水压试验可对壳体的强度进行校核，水压试验压力校核时所选材料的屈服应力为３４５ ＭＰａ。

ＰＴ＝1.25PC ■ ＰＴ＝１．５７５ ＭＰａ

水压试验应力校核：

σＴ＝■１４２．５ ＭＰａ

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

由以上计算可知，水压试验满足强度要求［１０］。

８）接管尺寸的确定。接管直径取决于处理量和适宜的流速，同时还要考虑结构的协调及强度要求。因四效蒸发量大、真空度最大，蒸汽流速快，故可按第四效计算，管程进出口接管按物料处理量最大的第一效计算。Ｄ１＝■，取接管内液体流速为１．２ ｍ／ｓ， 管程进出口接管直径Ｄ＝１１５ ｍｍ，圆整后可取直径１２５ ｍｍ、厚度３．５ ｍｍ规格管。

同理蒸发室壳程流体进口接管直径Ｄ１＝１５０ ｍｍ，圆整后可取直径１５７ ｍｍ、厚度４ ｍｍ规格管。为了防止液体流动时产生的冲力，在蒸汽进口设计直径为１８０ ｍｍ的防冲挡板，厚度为５ ｍｍ，材料为Ｑ２３５－ＡＦ。

冷凝水的排出一般属于液体自然流动，接管直径应由各效加热蒸汽消耗量较大者确定。冷凝水出口接管直径Ｄ＝５４ ｍｍ，圆整后可取直径５７ ｍｍ、厚度３．５ ｍｍ规格管。

９）开设人孔。由于设备尺寸较大，为了安装维修方便需开设人孔。选用回转盖板式平焊法兰人孔，公称直径为４５０ ｍｍ，公称压力为１．６ ＭＰａ，Ｈ１＝２４０ ｍｍ，ＲＦ型密封面，材料为Ｑ２３５－ＡＦ。

１０）气液分离器的确定。蒸发操作时二次蒸汽中夹带大量的液体，虽在分离室得到初步的分离，但为了防止损失或防止污染冷凝器，还需设置气液分离器。为使雾沫中的液体聚集并与二次蒸汽分离，设置丝网式除沫器，金属网一般采用3层或4层，与筒体内径等径，厚度为９０ ｍｍ。

１１）支座的确定。为了制造方便、结构简单，采用耳式支座，设备公称直径大于９００ ｍｍ，壁厚大于３ ｍｍ，容器壳体材料与支座材料选用Ｑ２３５－ＡＦ，所以不设置垫板。

安装尺寸：Ｄ＝■+2×（l2-s1）

式中,Ｄ为支座安装尺寸，ｍｍ；Di为容器内径，ｍｍ；δｎ为壳体名义厚度，ｍｍ；ｂ２，δ２，ｌ２，ｓ１为耳式支座尺寸

Ｄ＝■+2×（300-130）＝２ ７７３ ｍｍ。

１２）管板尺寸的确定。影响管板刚度的主要因素有管束对管板的支撑作用、管孔对管板的削弱作用、管板边缘的固定形式和壳壁与管壁的温度差。根据设计的压力和设计温度，参考δ＝３４ ｍｍ，采用固定管板兼作法兰，材料采用碳素钢。管板公称直径ＤＮ＝１ ９６０ ｍｍ，厚度为５５ ｍｍ。

２．３ 多效蒸发器设计结果汇总

在前期工艺设计研究基础上，通过对多效蒸发设备的主体、加热室、分离室、加热管和中央循环管等主要结构进行选型和设计，得到合理可行的马铃薯淀粉工业废水循环利用蒸发设备的设计结果，汇总如表２。

３ 小结

研究的主导思想是将马铃薯淀粉工业废水变废为宝，对极度干旱地区实现工业废水循环利用是马铃薯淀粉生产健康可持续发展的基础，而废水蒸发工艺和关键设备的设计是废水循环利用实现的前提。在前期工艺设计研究基础上，对废水蒸发循环利用关键设备的主体、加热室、分离室等进行了较详细地选型分析和结构设计，结果表明设备设计参数合理，方案可行，为解决废水污染和水资源综合利用问题提供了理论依据。四效蒸发操作的主要费用来自于蒸发消耗的能量，也是整个工艺操作中控制成本、节能降耗的关键因素。因此在后续的工作中还将进一步根据工艺设计的结果提出控制方案，综合考虑能量的合理利用和工程实际，提出马铃薯淀粉工业废水循环利用完整、可行的方案。

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