摘要：以寧夏南部山區(qū)馬鈴薯淀粉工業(yè)廢水循環(huán)利用對接項目參數(shù)為依據(jù)，采用四效蒸發(fā)的方法，在進(jìn)行了循環(huán)流程的工藝設(shè)計和四效蒸發(fā)參數(shù)迭代試算的基礎(chǔ)上，對循環(huán)利用的關(guān)鍵設(shè)備多效蒸發(fā)器進(jìn)行選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)果表明，設(shè)備設(shè)計參數(shù)合理，為解決廢水污染和水資源綜合利用提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯淀粉；廢水；蒸發(fā)器；設(shè)備設(shè)計

中圖分類號：Ｘ７０３．３；ＴＱ０５１．６＋２ 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)，素有馬鈴薯之鄉(xiāng)的美稱，但是該地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，十年九旱，是我國貧困地區(qū)之一，目前馬鈴薯加工業(yè)是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱。西吉縣人均水資源占有量比聯(lián)合國規(guī)定的極端缺水地區(qū)人均占有量５００ ｍ３的標(biāo)準(zhǔn)還低１６４ ｍ３［１，２］，而目前馬鈴薯淀粉工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)過程中廢水的無處理排放嚴(yán)重污染了環(huán)境，這種高耗水、高排污量的生產(chǎn)同時也制約了企業(yè)的發(fā)展，馬鈴薯淀粉工業(yè)廢水的循環(huán)利用是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸［３，４］。為此，結(jié)合西吉地區(qū)水資源極其缺乏的現(xiàn)狀，采用多效蒸發(fā)的方法實(shí)現(xiàn)廢水循環(huán)利用，在前期工藝設(shè)計和研究的基礎(chǔ)上對工藝過程中的關(guān)鍵設(shè)備多效蒸發(fā)器進(jìn)行選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

１ 廢水循環(huán)利用蒸發(fā)單元的工藝流程

廢水經(jīng)預(yù)處理和預(yù)熱后，在閃蒸罐中一部分被蒸發(fā)，之后經(jīng)真空脫濾機(jī)分離絮凝蛋白，濾清液在多效蒸發(fā)器中濃縮蒸發(fā)，濃縮液有機(jī)液體肥從底部流溢出后被收集送往有機(jī)肥集存池，蒸餾水經(jīng)冷卻系統(tǒng)收集后回生產(chǎn)線。該工藝過程的核心為多效蒸發(fā)技術(shù)，關(guān)鍵設(shè)備為多效蒸發(fā)器［５，６］。淀粉生產(chǎn)廢水循環(huán)利用工藝流程見圖１。

２ 多效蒸發(fā)器的設(shè)備選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬鈴薯淀粉工業(yè)廢水的特點(diǎn)是處理的速度較慢，且因溶液的循環(huán)使蒸發(fā)器中溶液的濃度接近完成液的濃度，溶液的沸點(diǎn)高，傳熱溫差小，可用中央循環(huán)管式和降膜式蒸發(fā)器?？紤]投資成本可選用中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，這種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)緊湊，操作可靠，傳熱效果好。另外，馬鈴薯淀粉工業(yè)廢水中含有一定量的有機(jī)質(zhì)如蛋白質(zhì)、油脂、氨基酸、淀粉等，屬于有害無毒有機(jī)廢水，對設(shè)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(yè)廢水屬于非電解質(zhì)溶液，其沸點(diǎn)升高較小，選用四效蒸發(fā)器較為經(jīng)濟(jì)［７］。

２．１ 多效蒸發(fā)器設(shè)計參數(shù)的確定

根據(jù)前期對廢水蒸發(fā)循環(huán)利用的工藝計算研究結(jié)果，已確定的蒸發(fā)設(shè)備的工藝參數(shù)和設(shè)計參數(shù)［７］見表１。管程（馬鈴薯淀粉工業(yè)廢水）設(shè)計溫度６０ ℃，設(shè)計壓力０．１１ ＭＰａ；殼程（１．２ ＭＰａ飽和蒸汽） 設(shè)計溫度２００ ℃，設(shè)計壓力１．２６ ＭＰａ。

２．２ 多效蒸發(fā)器設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸的確定

１）加熱管的選擇和管數(shù)的確定。蒸發(fā)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(jié)垢，并且溶液有一定的起泡性，綜合考慮應(yīng)選管長規(guī)格為２ ｍ的管子。初步估計所需的管子數(shù)ｎ。

ｎ=■=■=963.79

式中，Ｓ為蒸發(fā)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(shù)為964根加熱管［８］。

２）中央循環(huán)管的選擇。循環(huán)管的截面積以循環(huán)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(fā)器，可取加熱管總面積的70%。循環(huán)管的長度與加熱管相等，循環(huán)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(biāo)準(zhǔn)件，圓整為Ｄ１＝１ ０００ ｍｍ 。

３）加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定。加熱室的內(nèi)徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)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(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值為ｔ＝４８ ｍｍ。

管束中心線上管數(shù)ｎｃ＝1.1■，ｎｃ＝３4．15，圓整為35。

加熱室內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(jù)容器設(shè)計要求可得：

容器的設(shè)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(shí)際設(shè)計壓力需計入液體靜壓力，即實(shí)際設(shè)計壓力ＰＣ＝Ｐｌ＋Ｐ＝０．０６＋１．２６＝１．３２ ＭＰａ。

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

δｅ＝■，δｅ＝８．２6 ｍｍ

其中，?準(zhǔn)為焊接接頭系數(shù)，采用雙面對接，?準(zhǔn)＝０．８５。馬鈴薯淀粉廢水含有有機(jī)物質(zhì)，有一定的腐蝕性，以及周圍的環(huán)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(fù)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(fā)體積強(qiáng)度有關(guān)。一般情況下，各部分的二次蒸發(fā)量和密度不同，考慮實(shí)際生產(chǎn)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(fā)器的二次蒸汽量，８ ５２７．４８ ｋｇ／ｈ；Ｕ為蒸發(fā)體積強(qiáng)度，允許值１．１~１．５ ｍ３/（ｍ３·ｓ）；ρ為第四效蒸發(fā)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(jié)構(gòu)盡量簡單，制造和安裝方便。現(xiàn)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(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中，變徑筒體需兩個不等徑的封頭， 根據(jù)封頭的設(shè)計和受力情況，材料為１６ ＭｎＲ，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭（Ｋ＝１），承受壓力的能力比較好，設(shè)計也較容易，在此條件下的許用應(yīng)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(qiáng)度進(jìn)行校核，水壓試驗壓力校核時所選材料的屈服應(yīng)力為３４５ ＭＰａ。

ＰＴ＝1.25PC ■ ＰＴ＝１．５７５ ＭＰａ

水壓試驗應(yīng)力校核：

σＴ＝■１４２．５ ＭＰａ

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

由以上計算可知，水壓試驗滿足強(qiáng)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(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)及強(qiáng)度要求。因四效蒸發(fā)量大、真空度最大，蒸汽流速快，故可按第四效計算，管程進(jìn)出口接管按物料處理量最大的第一效計算。Ｄ１＝■，取接管內(nèi)液體流速為１．２ ｍ／ｓ， 管程進(jìn)出口接管直徑Ｄ＝１１５ ｍｍ，圓整后可取直徑１２５ ｍｍ、厚度３．５ ｍｍ規(guī)格管。

同理蒸發(fā)室殼程流體進(jìn)口接管直徑Ｄ１＝１５０ ｍｍ，圓整后可取直徑１５７ ｍｍ、厚度４ ｍｍ規(guī)格管。為了防止液體流動時產(chǎn)生的沖力，在蒸汽進(jìn)口設(shè)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(yīng)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(guī)格管。

９）開設(shè)人孔。由于設(shè)備尺寸較大，為了安裝維修方便需開設(shè)人孔。選用回轉(zhuǎn)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(fā)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(shè)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(shè)置絲網(wǎng)式除沫器，金屬網(wǎng)一般采用3層或4層，與筒體內(nèi)徑等徑，厚度為９０ ｍｍ。

１１）支座的確定。為了制造方便、結(jié)構(gòu)簡單，采用耳式支座，設(shè)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(shè)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(nèi)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(jù)設(shè)計的壓力和設(shè)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(fā)器設(shè)計結(jié)果匯總

在前期工藝設(shè)計研究基礎(chǔ)上，通過對多效蒸發(fā)設(shè)備的主體、加熱室、分離室、加熱管和中央循環(huán)管等主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型和設(shè)計，得到合理可行的馬鈴薯淀粉工業(yè)廢水循環(huán)利用蒸發(fā)設(shè)備的設(shè)計結(jié)果，匯總?cè)绫恚病?/p>

３ 小結(jié)

研究的主導(dǎo)思想是將馬鈴薯淀粉工業(yè)廢水變廢為寶，對極度干旱地區(qū)實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水循環(huán)利用是馬鈴薯淀粉生產(chǎn)健康可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，而廢水蒸發(fā)工藝和關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計是廢水循環(huán)利用實(shí)現(xiàn)的前提。在前期工藝設(shè)計研究基礎(chǔ)上，對廢水蒸發(fā)循環(huán)利用關(guān)鍵設(shè)備的主體、加熱室、分離室等進(jìn)行了較詳細(xì)地選型分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)果表明設(shè)備設(shè)計參數(shù)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(jù)。四效蒸發(fā)操作的主要費(fèi)用來自于蒸發(fā)消耗的能量，也是整個工藝操作中控制成本、節(jié)能降耗的關(guān)鍵因素。因此在后續(xù)的工作中還將進(jìn)一步根據(jù)工藝設(shè)計的結(jié)果提出控制方案，綜合考慮能量的合理利用和工程實(shí)際，提出馬鈴薯淀粉工業(yè)廢水循環(huán)利用完整、可行的方案。

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