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        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

        2012-12-31 00:00:00續(xù)京李宏燕
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2012年7期

        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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