《45m3h淀粉废水回收工段多效蒸发器的工艺设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《45m3h淀粉废水回收工段多效蒸发器的工艺设计.doc（62页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、摘 要摘要：多效蒸发器的特点是利用前效产生的二次蒸汽来推动后一效蒸发器，以达到节能降耗的目的。在本次设计中通过多方搜集资料，从设计条件出发，对马铃薯淀粉废水处理工段进行了物料恒算和热量衡算，计算确定出蒸发器相关工艺尺寸，对主要部件的进行结构选型，并对多效蒸发过程的换热系数进行了校核，确认设计结果符合设计任务要求。最后对设备的防腐保温作了分析。 关键词：淀粉废水；多效蒸发；工艺衡算；工艺尺寸；校核；防腐保温 ABSTRACTABSTRACT:The multi-effect evaporator is characterized by the use of the former that hav
2、e a secondary effect of steam to push the latter effect evaporator in order to achieve the purpose of saving energy and reducing consumption.Design in this gather information through various, from the design conditions, wastewater treatment of potato starch to the materials section Constant heat bal
3、ance calculation and the calculation to determine the relevant process evaporator size, the main structural components of selection and multi-effect evaporation process of the heat transfer coefficient for the calibration, the results confirm the design with the design requirements of the mandate. F
4、inally, the corrosion of equipment made by analysis of thermal insulation. KEY WORDS: starch wastewater; multi-effect evaporation; process balance; process size; check; anti-corrosion heat目 录1 前言 11.1毕业选题的意义 11.1.1宁夏南部山区马铃薯淀粉加工企业现状 11.1.2马铃薯淀粉的工业用水 11.1.3 淀粉生产废水的处理 21.2本次设计的主要内容 22 淀粉废水回收系统的工艺设计 42.
5、1原料罐工艺衡算 42.2预热罐工艺衡算 42.3热压缩器工艺衡算 42.4闪蒸罐工艺衡算 52.5真空脱滤工艺衡算 62.6四效蒸发器工艺衡算 63 四效蒸发器工艺设计 73.1多效蒸发器的原理 73.2 估算各效蒸发量 83.3 估计各效溶液的浓度 93.4 估算各效溶液的沸点和有效总温度差 103.4.1 各效压强原则求溶液的沸点 103.4.2 计算各效的总温差损失113.5 蒸发器的各效蒸发量和焓的初步衡算 133.5.1 各效蒸发过程物料恒算 143.5.2 计算传热面积 163.6 四效蒸发器的各效蒸发量和焓的复算 203.7 确定蒸发器的主要工艺尺寸 233.8 校核蒸发器传热
6、系数K 283.8.1 校核第一效换热系数K 293.8.2 校核第二效换热系数K 323.8.3 校核第三效换热系数K 344 设备的防腐保温 395结论 40符号说明 41参考文献 42致 谢 43外文翻译 44附件 59 1 前言1.1毕业选题的意义人类社会发展的历史与资源的合理开发和其利用水平密切相关，每一次资源的合理开发都使人类经济的发展产生一次质的飞跃。历史的脚步已悄悄进入21世纪的今天，世界资源结构也正在孕育着重大的转变，水资源必将成为既石油之后又一重要能源。1.1.1宁夏南部山区马铃薯淀粉加工企业现状2005年，“中华环保世纪行宁夏行动”组委会以“贯彻和科学发展观、构建环境友好
7、型、资源节约型和谐宁夏”为工作主题，对马铃薯淀粉加工企业进行了调查研究和深入分析，并形成了宁夏南部山区马铃薯淀粉加工废水处理与污染现状及对策研究调研报告。报告指出：固原市马铃薯产业(种植与淀粉加工)确已成为当地经济发展的支柱产业，但存在着淀粉加工企业数量大但普通加工规模偏小，生产工艺落后，企业分布零散，无序建厂现象严重等问题，造成了当地优势原料资源不能集中规模化生产和淀粉生产过程中的高耗水、高排污量，一方面限制了该地区马铃薯优势产业规模集聚效益的发展；另一方面大量淀粉加工企业的分散布局和生产废水的任意排放，使废水量大且难以集中处理，在高额耗水的同时扩大了污染面积。同时，快速发展的马铃薯淀粉加工
8、业的高额耗水与地表、地下水均依赖于天然补给、水资源的严重匮乏的矛盾高度激化，使本就脆弱的水环境生态更趋恶化。马铃薯淀粉产业是带动宁夏南部山区特别是西吉县农民增收和脱贫致富的主要途径和主导产业，也是区域经济发展的支柱。西吉县虽“十年九旱”但马铃薯却“十年九成”的特殊气候，使当地马铃薯不仅种植面积大，且品质优良、病虫害少、淀粉含量高，极其适合马铃薯淀粉加工的原料需求。每年马铃薯加工业给当地农民带来的经济收入占总收入的1/4以上；马铃薯加工业占工业经济比重1/2左右。在当地经济和社会发展中处于无法替代的地位。本文以固原西吉县为突破口，通过对当地水资源利用特点的分析，提出将淀粉废水变废为宝，综合利用的
9、处理方法。1.1.2马铃薯淀粉的工业用水宁夏南部地区的气候特点是干旱少雨，水资源和矿产资源贫乏，旱、冻、涝、风等自然灾害较为频繁，农业基础薄弱，生态环境脆弱。（1）西吉县水资源的特点根据区水文总资料西吉县水资源的特点：水资源量少，年平均降雨量427.9mm，蒸发量1490mm，旱灾频繁，多年平均地表水资源量为9640万m3，保证率75%的地表水资源总量为8975万m3，可利用地下水资源总量为5432万m3，水资源量少。地区变化大，全县水资源分布很不均匀，呈南多北少、东多西少趋势。地表水资源年际内变化大，全年降水量最多的是8月份，最小为12月份，冬季降水量只占全年的1.62.7%，夏季占全年的5
10、2.755.7%，大部分地表水在汛期白白地排走，用水季节水资源量不足。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 m31。(2) 西吉县企业用水存在的问题2006年初，全县设计规模大于200吨/年的企业共88家，其中5000T/年以上设计规模3家，分别为佳立公司的新营淀粉公司(1万吨/年)、南台淀粉公司(2万吨/年)、将台淀粉公司(1.5万吨/年)；5000T/年以下（含5000T/年）设计规模的共7家；3000T/年设计规模58家。作坊式“三粉”加工户约2500家，主要集中在将台、兴隆、玉桥、王明等乡镇。全县的经济发展只有依赖地下水，目前马铃薯淀粉
11、工业生产用水均来自地下水资源，可开采深度在30-50m不等，30家1000T/年设计规模及以上企业，按4万吨/年淀粉产量计，年消耗地下水150万m3以上；小规模及作坊性加工点淀粉产量不足2万吨/年，耗水量在100万m3/年左右，即每年约有250万m3地下水用于马铃薯淀粉加工，比西吉全县人口年日常用水总量120万m3的两倍还多。同时，生产过程中将近150万m3的污水集中排放于葫芦河流域，造成了该流域及周边地域环境的长期污染。因此，高耗水的马铃薯淀粉加工业严重的水资源浪费和环境污染，制约了地方经济的可持续发展和生态环境的良性循环。1.1.3 淀粉生产废水的处理国家发改委和国家商务部已把马铃薯产品深
12、加工列为宁夏自治区重点发展优势产业。宁夏回族自治区国民经济和社会发展“十五”规划中也将马铃薯淀粉产业明确列为自治区重点发展的特色产业。但是目前马铃薯淀粉工业生产用水均来自地下水资源，废液、废渣的无处理排放严重污染环境、破坏生态、浪费资源的状况已危及产业的生存，同时与国家所倡导的经济产业发展必须走“资源节约型，环境友好型”战略思路相背离，若要使马铃薯淀粉加工业持续、健康发展，则必须进行废水、废渣综合治理项目的建设，以彻底解决马铃薯淀粉生产所造成环境污染问题，从而为马铃薯产业的持续、健康发展打下基础。1.2本次设计的主要内容本课题的主要目的是：通过对宁夏南部山区马铃薯淀粉加工企业现状的调查和对西吉
13、马铃薯淀粉工业用水的分析，结合当地干旱少雨的自然条件，提出采用多效蒸发的技术。力争将绝大部分生产废水经蒸发、冷凝后，作为生产用水循环利用，并将蛋白和有机肥从回收工艺中加以提取分离和浓缩。从根本上解决废水污染和水资源综合利用的问题。本次设计中，本人运用自己所学的专业知识主要完成的内容包括几部分：一、废水处理工段的物料衡算；二、四效蒸发器的选型；三、四效蒸发器各效物料、热量平衡的衡算；四、蒸发器工艺尺寸的确定；五、蒸发换热系数K的校核；六、多效蒸发器零部件的结构以及选型；七、设备防腐保温措施；八、绘制出废水处理工段的物料流程图和设备布置图。2 淀粉废水回收系统的工艺设计2.1原料罐工艺衡算有机废水
14、设计处理 (2-1)2.2预热罐工艺衡算表2-1水的物理性质参数2温度 项目（）饱和蒸汽压（P）KPa密度()焓(H)比热容() 导热系数（）5 0.917 998.8 21.02 4.20 0.563459.858993.65188.414.1740.641质量流量 (2-2) 则预热罐中的废水由5预热至45时所需要的热量为： (2-3)其中上式中的为水在5和45时的平均值2.3热压缩器工艺衡算预热至45的废水送入热压缩器被蒸汽加热至115的热量计算115G0 45热压缩器 0.2MPa 蒸汽zhengqi此过程需外界0.2MPa蒸汽量： (2-4)查表10-12得代入上式得： 加热蒸汽采用
15、为0.2MPa饱和蒸汽加热查表得 t=120.2 (化工原理附表十一)查表得饱和蒸汽在0.2MPa时焓值(化工原理附表九)故需要外部供0.2MPa蒸汽总热量为： (2-5)2.4闪蒸罐工艺衡算G2 85蒸汽G1 85G0 115闪蒸罐 当在闪蒸罐中废水被加热至85时，由前面知水在115时的比热为： 同理查表附表九2得，以及水在85时的摩尔汽化潜热为: 对闪蒸罐进行热量恒算：由式 (2-6) (2-7)代入数据得: 2.5真空脱滤工艺衡算G3 60G1 85真空脱滤 G蛋白根据设计条件知废水中含蛋白1.17%，有机肥2.73% 干蛋白= (2-8)又知其被真空脱虑后的蛋白含水量为60%蛋白=干蛋
16、白/40% (2-9) 蛋白 (2-10)=蛋白= 2.6四效蒸发器工艺衡算额外蒸汽 85 G3 60冷凝器四效蒸发器 浓缩液 17%有机肥0.2MPa 蒸汽浓缩液= (2-11)3 四效蒸发器工艺设计3.1多效蒸发器的原理多效蒸发器就是把多台单效的蒸发器组合起来，组成一个蒸发系统，称多效蒸发器，根据联接形式的不同，可分为顺流式、逆流式和并流式。多效蒸发的特点是利用前效产生的二次蒸汽来推动后一效蒸发器，以节约能耗。通常有双效、三效甚至更多效蒸发系统，但级数越多，控制点也越多，各级的温差推动力也越小，具体情况要根据实际可行性而定。所谓多效蒸发是将料液自蒸发器加热室上管箱加入，经液体分布及成膜装置
17、，均匀分配到各换热管内，并沿换热管内壁呈均匀膜状流下。在流下过程中，被壳程加热介质加热汽化，产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的分离室，汽液经充分分离，蒸汽进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实现多效操作，液相则由分离室排出，达到节能降耗的最终目的。图3-1多效蒸发器四效蒸发器就是把四台单效的蒸发器组合起来，组成一个蒸发系统，称四效蒸发器，根据联接形式的不同，可分为顺流式、逆流式和并流式。多效蒸发的特点是利用前效产生的二次蒸汽来推动后一效蒸发器，以节约能耗。通常有双效、三效甚至更多效蒸发系统，但级数越多，控制点也越多，各级的温差推动力也越小，具体情况要根据实际可行性而定。本设计选用四效降膜式并流式蒸
18、发器，根据所给物性参数进行工艺物料恒算得到相关参数。多效蒸发是将料液自降膜蒸发器加热室上管箱加入，经液体分布及成膜装置，均匀分配到各换热管内，并沿换热管内壁呈均匀膜状流下。在流下过程中，被壳程加热介质加热汽化，产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的分离室，汽液经充分分离，进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实现多效操作，液相则由分离室排出，达到节能降耗的最终目的，最后从四效分离后的蒸汽进入冷凝器冷凝。并流加料四效蒸发器的物料恒算和焓恒算示意图 图中符号的意义如下：D加热蒸汽（生蒸汽）的消耗量，kg/h; T加热蒸汽的温度，； H，H加热蒸汽及各效二次蒸汽的焓，kJ/kg; W格效的蒸发量，kg/h;
19、F原料液流量，kg/h; X原料液及各效完成液的浓度，质量分率； t0 各效溶液的沸点，。 在多效蒸发器的计算中，已知条件是：原料液的流量、浓度和温度；加热蒸汽的压强，冷凝器的真空度；末效完成液的浓度等。需要求得的项目是：各效的溶液的沸点；加热蒸汽的消耗量；各效的蒸发量；各效的传热面积。 在多效蒸发的设计计算中，一般采用试算法，因此计算中应给定某些参数的初值，通常可根据经验假定，以减少试算的次数。3.2 估算各效蒸发量 计算各效完成液的浓度必需知道各效的蒸发量。开始计算时由于一直数据不足，因而难以通过焓恒算求得各效的蒸发量。一般根据实际数据予以假设如果无数据，各效蒸发量可以按照总蒸发量的平均值
20、估计。由于本设计已给数据中无相关数据，所以各效蒸发量可按照下式计算求得： (3-1)通过上式估计求得各效的蒸发量后，再由蒸发器的焓恒算，可以求得各效完成液的浓度。根据设计要求得相关参数如下：原料液处理量：原料液浓度： 完成液浓度： 物料温度： t= 60加热饱和蒸汽温度： T=120.2加热饱和蒸汽压强： P=0.2MPa对整个四效蒸发系统作物料的恒算根据公式2，得： （3-2)故可以求得总蒸发量 (3-3) 假设并流加料中无额外蒸汽引出可设： 故上式计算结果可得：3.3 估计各效溶液的浓度对任意一效作物料恒算2： i2 (3-4)故由3-16可得： 3.4 估算各效溶液的沸点和有效总温度差3
21、.4.1 各效压强原则求溶液的沸点根据经验假设各效间蒸汽压强相等，即： (3-5)式中 第一效的加热蒸汽的压强，Pa； 冷凝器的压强，Pa；各效的平均压强降，Pa。由已知设计条件知 =0.2 MPa =0.016 MPa 则：根据二次蒸汽压降，附录十一2查得的二次蒸汽的温度和汽化潜热如下表所示：表31二次蒸汽的饱和温度和汽化潜热项目 效数 1234二次蒸汽压强/p(KPa)0.1540.1080.0620.016二次蒸汽温度/T()111.86101.5686.4654.82二次蒸汽的汽化潜热/r (kJ/kg)即下效的及热蒸汽2227.262249.342291.762366.983.4.2
22、 计算各效的总温差损失由于溶液浓度变化引起沸点的升高，由于是水溶液，故可认为沸点基本不变为100。则: . 求由于蒸发器中溶液静压强引起的温差损失原料液 浓缩一般时 3根据试差法原则，可求得质量浓度每变化1%，密度变化量为则由以上方法求得各效一定浓度下所对应的密度如下表所示：表32各效浓度与平均密度 效数 浓度密度均密度02.73%100013.46%999.2999.624.70%997.2998.5237.37%994.9996.37417%984.32989.6估计蒸发器中液位高度为1.0 (3-6)则根据式上式求得各效溶液静压为：根据各效溶液的静压查化工原理附录十一得各效蒸汽的饱和温度
23、，如下表中；表33 各效温度损失效数二次蒸汽饱和温度/ 物料饱和温度00.2120.210.1540.1589111.86112.790.9320.1080.1085101.56102.761.230.0620.0668986.4688.562.140.0160.020954.8260.75.88由上表数据得：由于管道流体阻力产生的压强将所引起的温度损失根据经验取各效间因管道流体阻力引起的温度损失为1则：故：总温差 （37） 各效溶液的沸点和有效总温度差为避免换热系数K假设不准确，依据等面积原则，先将压强降进行分配，从而得到各效中蒸汽对冷凝器温度T，再通过计算温差损失可得：各效溶液的沸点由 式
24、 （38）上式中 二次蒸汽温度； 溶液的沸点； 各效的温差损失。由式 得: （39）根据式38求各效溶液的沸点;所谓有效的温度差就是二次蒸汽饱和温度与物料沸点间的差值,有效的温度差可由下式求得；即： (310)3.5 蒸发器的各效蒸发量和焓的初步衡算根据各效的浓度和溶液的沸点查得物料有关物性参数如下表所示: 表34气液相物性参数表效数 项目质量浓度物料/物料/二次蒸汽/二次蒸汽/二次蒸汽/02.73%60251.12120.22709.22204.613.46%113.79476.54111.862696.852228.1624.70%103.76434.44101.562679.672254
25、.3837.37%89.56374.9786.462653.772291.74417%61.7258.2454.822596.472366.923.5.1 各效蒸发过程物料恒算 为考虑蒸发器的热损失及物料液的稀释过程的影响，热利用系数可取为0.96各效物料恒算根据下式计算： 4 (311)其中加热蒸汽提供的热量；进料带入的热量；料液带出的热量；二次蒸汽热量。根据式311式联立方程组如下所示: 以上四式变形得： 根据表35中参数代入以上式中数据得： 将代入以上四式化简得：由以上四式相加得： 因 则代入得： 3.5.2 计算传热面积根据表35选择蒸发器的换热系数K值假设： 表35几种不同类型蒸发器
26、的总传热系数K值范围2蒸发器的型式总传热系数 K 水平沉浸加热式600-2300标准式（自然循环）600-3000标准式(强制循环)1200-6000悬框式600-3000外加热式(自然循环)1200-6000外加热式(强制循环)1200-7000升膜式1200-6000降膜式1200-3500蛇管式350-2300由于蒸发操作属于蒸汽冷凝和溶液沸腾间的恒温传热过程，故由式2 (312)根据上式代入数据得： 换热面积可按下式计算： （313） （314）由式313和314可得： （315） （316） （317） （318）通常，在多效蒸发中常采用各效传热面积相等的蒸发器，即：，所以四效蒸发器
27、面积不等需重新分配各效的有效温差。设以表示各效面积相等时的有效温度差，则： （319） （320） （321） （322）由319至322变形得： （323） （324） （325） （326）由式313得： （327） （328） （329） （330）将式327至式330两边同时除以S,并整理得： （331） （332） （333） （334）由式323至326式和式331至334式联立比较得： （335） （336） （337） （338）由335式至338式相加得： 代入数据得：由364得：则根据式335至式338得：则各效气液相温度为：3.6 四效蒸发器的各效蒸发量和焓的复算重复以上
28、步骤各效物料恒算根据下式计算： (311)根据以上计算各效气液相温度重新附录十一2得物料有关物性参数如下表所示: 表36气液相物性参数表效数 项目质量浓度物料/ 物料/二次蒸汽/二次蒸汽/二次蒸汽/02.73%60251.12120.22709.22204.613.46%111.24466.60109.322692.262233.8224.70%101.66426.1199.462676.102259.7537.37%85.85359.5382.752647.142300.88417%61.7258.2454.822596.472366.92根据式311联立方程组如下所示: 以上四式变形得：
29、根据表3-6中参数代入以上四式中得： 将代入以上四式化简得：由以上四式相加得： 则代入得： 重新计算传热面积根据以上所知： 由于蒸发操作属于蒸汽冷凝和溶液沸腾间的恒温传热过程，故由上面知：换热面积可按下式计算： （313） （314）由式338和339可得： （315） （316） （317） （318）通过以上复算得到的各效传热面积随不相等，但是相差不大，不需在复算。取各效的传热面积为：但在实际生产中，因蒸发器有热损失，且各效总传热系数一般取为经验值，因次为了安全，通常设计中采用的传热面积较计算值大约10-25%，则取。3.7 确定蒸发器的主要工艺尺寸（1）.加热室（管壳式换热器）由计算得到的传热面积，选择可按列管式换热器设计。选用383，长为6的无缝钢管作为加热管。根据式365计算管数: （3-39） 代入数据得： 圆整取： 加热管可按正三角形排列，管心距一般取为， 故可取为。图32加热管排列型式根据式3-66计算管束中心线上的管数，即： （3-40）代入数据得：,整取： 初步设计中可根据式367计算加热室壳体内径，即： （3-41） （3-42） 3-46 式中 壳体内径 ，；管中心距， ； 横过管束中心线的管数；