內(nèi)循環(huán)式3500 m2蒸發(fā)罐設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核

胡學(xué)毅

我國(guó)糖廠多采用日榨8 000 t的壓榨機(jī)生產(chǎn)糖汁，這樣規(guī)模較小的糖汁制煉設(shè)備已經(jīng)不適用生產(chǎn)規(guī)模，因此要配套8 000 t壓榨機(jī)的糖汁生產(chǎn)設(shè)計(jì)改造對(duì)應(yīng)設(shè)備，蒸發(fā)罐是其中的改造設(shè)備。實(shí)現(xiàn)配套的生產(chǎn)規(guī)模，同時(shí)還要提高資源利用率。

蒸發(fā)罐是糖廠將清汁濃縮為糖漿的設(shè)備，可由數(shù)臺(tái)組成多效蒸發(fā)系統(tǒng)。糖廠生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)清凈處理得到的清汁濃度較低，如果直接去煮糖會(huì)加大煮糖罐負(fù)荷，增加汽耗，延長(zhǎng)煮糖時(shí)間，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，必須將清汁蒸發(fā)濃縮到一定的濃度，而這一工序是在蒸發(fā)工段進(jìn)行的，該過(guò)程必須使用蒸發(fā)罐。糖廠蒸發(fā)系統(tǒng)的任務(wù)是將清凈后的糖汁從糖度 12°~15°Bx（Bx表示糖度，指的是 100 g糖溶液中，所含固體物質(zhì)的溶解克數(shù)）濃縮到68°~72°Bx[1]，另外還要起到“二鍋爐”的作用，即從各效蒸發(fā)器蒸發(fā)出來(lái)的汁汽，還要供應(yīng)其它設(shè)備加熱用。

1 糖廠蒸發(fā)工段要求

（1）保證糖漿濃度一般要求達(dá)到55°~65°Bx；

（2）減少糖分損失控制pH值和蒸發(fā)溫度，縮短罐內(nèi)停留時(shí)間，減少霧沫夾帶，防止“跑糖”；

（3）減緩積垢的形成速率，因?yàn)榉e垢影響傳熱效能，增加清除積垢的人力物力浪費(fèi)；

（4）提高熱能利用，減少熱損失提高蒸發(fā)罐的效能，設(shè)計(jì)合理的蒸發(fā)熱力方案，降低耗汽量和燃料消耗。

使用蒸發(fā)罐可以使蒸發(fā)溫度損失小，沒(méi)有液體靜壓引起的沸點(diǎn)升溫，且在小溫差下任能保證較高的傳熱系數(shù)（5~7℃溫差也能正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)），因此在總傳熱溫差一定的條件下很容易實(shí)現(xiàn)多效操作，從而達(dá)到降低蒸汽的消耗，提高糖汁濃度的目的。

2 本機(jī)蒸發(fā)罐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和主要部件結(jié)構(gòu)

主要設(shè)計(jì)參數(shù)：工作壓力0.25 MPa，設(shè)計(jì)外壓力0.1 MPa，設(shè)計(jì)內(nèi)壓力 0.28 MPa，工作溫度 138 °C，設(shè)計(jì)溫度150°C，加熱面積3 500 m2.

內(nèi)循環(huán)式蒸發(fā)罐主要由加熱體、蒸發(fā)室、捕汁器、頂蓋和底蓋等組成（如圖1所示）。

圖1 蒸發(fā)罐示意圖

（1）蒸發(fā)室

汁汽經(jīng)鐘罩式的捕汁器排出，濃縮的糖液在流入降液管的同時(shí)，部分從出汁管排出罐外，其余則從間隙處回流至罐底循環(huán)在蒸發(fā)。

當(dāng)糖汁受熱沸騰呈汽水混合狀，從加熱管噴出，一般是噴不到罐頂就下落，但壓力和液面波動(dòng)較大時(shí)汁汽水會(huì)被氣流帶走。所以在蒸發(fā)室內(nèi)上端加設(shè)了新型的波紋板捕汁器（如圖2所示），波紋折板呈人字狀，當(dāng)汁汽經(jīng)過(guò)該捕汁器時(shí)，沿波紋板作曲線運(yùn)動(dòng)，在流道方向改變時(shí)，汁汽的霧滴受慣性作用撞到波紋板上，逐漸形成液膜，液膜靠重力作用沿于波紋板垂直方向流下，然后從捕汁器底部溢流回蒸發(fā)室，循環(huán)蒸發(fā)。該捕汁器是利用慣性，碰撞原理收集液滴的。這種捕汁器捕集液滴效率大，較好的減少跑糖現(xiàn)象[2]。

蒸發(fā)室材料為鋼板，厚度δn=18 mm.

圖2 波紋板捕汁示意圖

（2）加熱體

內(nèi)徑5 700 mm，內(nèi)部均勻分布的加熱管是脹接在上下管板內(nèi)，使用的加熱管是φ38×1.5 mm，長(zhǎng)度3 500 mm，數(shù)量 8 842，管的內(nèi)徑面積（38-3）π×3 500×8 842≈3 403 m2就是加熱面積。中央有一較大的降液管糖汁連續(xù)從罐底加入，飽和蒸汽進(jìn)入加熱體，糖汁同時(shí)分布進(jìn)入加熱管受熱沸騰。

蒸發(fā)系統(tǒng)的傳熱，決定因素有很多，它不僅與蒸發(fā)熱體傳熱的加熱管的加熱面積的干凈程度有關(guān)，還與糖汁的沸騰溫度、穩(wěn)定差，糖汁的濃度，以及蒸發(fā)罐加熱管中的液位高度，蒸發(fā)室中的不凝氣體和汽凝水排出有關(guān)。另外，長(zhǎng)期工作中的蒸發(fā)罐，由于糖汁蒸發(fā)而在管子表面上生成的積垢也影響傳熱效果。所以在蒸發(fā)系統(tǒng)中傳熱的加熱管的材料顯得十分重要。材料最好使用的是黃銅管，因?yàn)殂~的導(dǎo)熱系數(shù)在常用金屬中最好，但在中國(guó)銅管供應(yīng)較缺，故現(xiàn)在多采用鋼管。雖然鋼的導(dǎo)熱較低，但是由于積垢的生成，鋼本身的導(dǎo)熱就處于次要地位，所以就算鋼比銅的導(dǎo)熱效能低很多，但在積垢的影響下，其總的傳熱效能也最多降低10%左右[3]。還有在蔗糖汁這種有強(qiáng)烈腐蝕液體下，鋼很容易被銹蝕。最后，也只能采用了導(dǎo)熱系數(shù)較低但是價(jià)格昂貴的不銹鋼管。此處選用的鋼板厚度δn=18 mm.

3 對(duì)設(shè)備的主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算

蒸發(fā)罐是屬于壓力容器的設(shè)備，所以可以使用壓力容器計(jì)算軟件SW6-98進(jìn)行設(shè)備的驗(yàn)算。以下對(duì)蒸發(fā)罐主要部件進(jìn)行校核驗(yàn)算。

3.1 蒸發(fā)室的驗(yàn)算

計(jì)算壓力Pc=0.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度t=150°C，內(nèi)徑Di=6 500 mm，材料Q345R，試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力[σ]=163 MPa，設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力[σ]t=163 MPa，試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)σs=325 MPa，腐蝕裕量C2=2 mm.焊接接頭系數(shù)φ=0.85.有效厚度δe=δn-C2=16 mm.

（1）壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核

壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平[σ]T≤0.90 σs=292.5 MPa

試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力

σT=76.66 MPa

校核結(jié)果σT≤[σ]T所以試驗(yàn)壓力應(yīng)力合格。

（2）壓力及應(yīng)力計(jì)算

最大允許工作壓力

[Pw]=0.680 42 MPa

設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力

σt=61.09 MPa

應(yīng)力允許的屈服應(yīng)力水平 [σ]tφ=138.55 MPa，校核結(jié)果[σ]tφ≥ σt壓力及應(yīng)力計(jì)算合格。

3.2 加熱體的驗(yàn)算

計(jì)算壓力Pc=0.28 MPa，設(shè)計(jì)溫度t=150°C，內(nèi)徑Di=5 700 mm，材料Q345R，試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力[σ]=163 MPa，設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力[σ]t=163 MPa，試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)σs=325 MPa，腐蝕裕量C2=2 mm.焊接接頭系數(shù)φ=0.85.有效厚度δe=δn-C2=16 mm.

（1）壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核

試驗(yàn)壓力值PT=0.32 MPa

壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平 [σ]T為 [σ]T≤0.90 σs=292.5 MPa，試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力代入式（1），σT=79.86 MPa，校核結(jié)果[σ]Tφ ≥ [σ]T所以試驗(yàn)壓力應(yīng)力合格。

（2）壓力及應(yīng)力計(jì)算

最大允許工作壓力代入式（2），[Pw]=0.77565 MPa，設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力代入式（3），σt=50.01 MPa，應(yīng)力允許的屈服應(yīng)力水平[σ]tφ =138.55 MPa

校核結(jié)果[σ]tφ≥σt壓力及應(yīng)力計(jì)算合格。鋼板厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度14.40 mm，合格。

綜上，設(shè)計(jì)的蒸發(fā)室和加熱體的強(qiáng)度足夠，可以在設(shè)計(jì)溫度和工作壓力中正常工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著制糖工業(yè)的快速發(fā)展，大型高效的制糖設(shè)備越來(lái)越被重視。過(guò)去老舊設(shè)備，資源消耗大，能源利用率不高的設(shè)備開始被淘汰，進(jìn)行糖廠的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，降低生產(chǎn)成本，才能提高經(jīng)濟(jì)效益。本文設(shè)計(jì)了一款內(nèi)循環(huán)式3 500 m2蒸發(fā)罐，完成了設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核工作?，F(xiàn)已完成了對(duì)日榨8 000 t壓榨機(jī)糖汁制煉設(shè)備的蒸發(fā)罐的設(shè)計(jì)配套工作。設(shè)備已在國(guó)外南非和泰國(guó)的大型糖廠使用，應(yīng)用表明，其降低了糖汁制煉過(guò)程的水資源消耗。

[1]甘蔗制糖工業(yè)手冊(cè)編寫組.甘蔗制糖工業(yè)手冊(cè)[M].北京：輕工業(yè)出版社，1984.

[2]徐清華.新型捕汁器在糖廠蒸發(fā)罐的應(yīng)用[J].甘蔗糖業(yè)，1998（4）：35-39.

[3]甘蔗糖廠設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.甘蔗糖廠設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：輕工業(yè)出版社，1982.