马铃薯淀粉生产工艺水的再循环设计.pdf

2 2 C HE MI CA L E NG I NE E R I NG D E S I G N 化 工设计 2 0 0 8 ， 1 8 ( 3 ) J 马铃薯淀粉生产工艺水的苒循环设计 丁文捷 马彦萍宁夏大学机械工程学院银川7 5 0 0 2 1 摘要 分析宁夏南部山区淀粉生产废水资源化需求及季节性生产、高水质大用水量、低温环境等多 个生产影响因素，选择以四效减压蒸发技术为核心的废水再循环流程；采用可扩充和可重用的计算机辅助 设计手段，通过再循环流程主要参数及所需工艺设备的计算与选型，设计结果达到蒸汽经济性较高的目的， 可为鳃决淀粉生产缺水和污染提供技术参考。 关键词 马铃薯淀粉废水污染再循环工艺板式蒸发器多效蒸发 马铃薯 是宁夏南部 山区 ( 西 、海 、固 )的 主要农作物之一，其种植面积占该地区秋粮作物 总种植面积的一半 以上 ；2 0世 纪 9 0年代初 期 ， 马铃薯淀粉加工的产业化发展为山区农民脱贫找 到一条致富路 ，有力地拉动当地经济的增长 ，取 得 良好 的经济效益和显著的社会效益，成为当地 农业产业化进程中的龙头支柱产业 。该地 区淀粉 企业年加工消化马铃薯量约 7 0 0 k t ，占马铃薯总 产量的 1 3 ，产值达 2 亿多元。随着马铃薯淀粉 加工业的兴起，生产废水排放造成的弊端日益突 出，直接影响产业化进程。主要问题有：污 染水源和空气，破坏生态环境；浪费水资源及 淀粉产品，加剧水资源匮乏状况；加剧土地盐 碱化；生产用水短缺。因此，马铃薯淀粉生产 工艺水必须改用资源化处理和再循环方法。 1 废水资源化处理方法分析 1 1 利用需求 ( 1 )宁夏西海 固地 区是水资源 极端 缺乏地 区，人均水资源占有量仅 3 3 6 m ，比联合国规定 的极端缺水地区人均 占有量还低 1 6 4 m ，地下水 资源量少质差 ，总水量不 到 3亿 m ，工业用水 极度匮乏 。 ( 2 )马铃薯淀粉生产是高耗水工业 ( 1吨精 制粉需耗费 6 0 t 净水) ，废水再循环利用意义重 大。 ( 3 )马铃薯淀粉废液是增值产品。 因此，废水的资源化利用是宁夏地区马铃薯 淀粉生产行业的主题。 1 2 再利用的相关因素 影响废水再利用的生产 因素主要有 ： ( 1 )马铃薯淀粉生产期短 ，每年仅 l 0月至 来年 1 月可以生产 ，要求低维护费用。 ( 2 )季节性强，该地气候极为寒冷，极端 最低气温达 一 3 0 6 ，要求抗低温运行。 ( 3 )一个 日产淀粉 2 0 0 t 的生产线有机质废 水达 4 5 m h ， 废水回用量大，才可弥补水资源 短缺和减少废水排放污染 。 ( 4 )生产用水须达到食 品工业或生活饮用 水卫生标准 J ，回用水质要求高。现有水体调查 表明：p H值为 4 37 7 ，在所 含可溶性物质中 矿物质 占0 1 0 2 ，蛋 白质 占 0 1 5 0 2 5 ，总糖占0 1 5 0 3 ，有机质与其他 可溶性物质 占0 0 2 0 1 。废水中的化学需 氧量 C O D c r =1 2 0 06 0 0 0 m g L ，生化需氧量 B O D 5 ：1 0 0 05 8 0 0 m g L 、悬 浮物 S S=1 3 0 1 3 0 0 m g L ，色度 =1 0 0 3 0 0 m g L 。废水 回用难 度较大。 ( 5 )淀粉生产企业数 量多、规模小 、分布 广 ，多位于丘陵沟壑地段。因此 ，厂 区可利用面 积少 。 1 3 技术途径 目前 ，淀粉生产废水 的工业处理方法有 ：生 丁文捷：副教授。2 0 0 3年毕业于西安交通大学化工过程机械专业获硕士学位。主要从事过程装备与控制工程 ，服装信息技术、 企业信息化 。联 系电话 ：( 0 9 5 1 )2 0 8 6 5 4 5，Em a il ：d i n g w j 1 2 6 c o m。 基金项目：宁夏高等学校科学研究项目 ( 2 0 0 7年度)“ 马铃薯淀粉生产废水回收利用的工艺设备研究” 维普资讯 丁文捷等 马铃薯淀粉生产工艺水的再循环设计 2 3 化发酵法 、化学 絮凝法 、超滤 、电渗析 、逆 渗 透、蒸发等处理技术 。虽然国内还未见针对北方 地区特色环境下的马铃薯淀粉生产过程废水处理 工艺和设备设计及相关应用成果的报道 ，但从该 地区废水回收利用的系统维护、产能、品质等因 素来看，仅有蒸发处理技术是较为有效的方法。 国际上，荷兰尼沃巴淀粉 ( 机械)设备制造公 司已经于 2 0 0 3年在美国缅茵州 F o r t F a i r fi e l d的 A r o o s t o o k淀粉公司成功地建成 “ 无废料 马铃薯 淀粉厂” ，其 “ 无废料化马铃薯淀粉生产技术与 设备”可以解决淀粉生产过程 中废水 零排放 问 题 。主要设计采用热絮凝 回收蛋 白，多效蒸发 、 蒸馏回收生产用水并制取有机肥技术 ，从而达到 马铃薯淀粉生产过程无废料化。因此 ，在该地区 采用蒸发技术进行马铃薯淀粉废水循环设计是可 行的。 2 方案设计 2 1 工艺流程 依据国外废水循环设计的思想，取对象为日 产淀粉 2 0 0 t 的生产线流程 。 设计见图 1 。 图 1 废水循环 流程图 从淀粉生产系统浓缩单元的废水唯一出口排 出的废水为 4 5 m。 h ，经消泡泵输送至蛋 白提取 车间储料罐和调节罐 ，根据输送液泡沫和酸度情 况，适当加入消沫剂和酸调节至工艺参数要求 值 ，由储 料 罐 中废水 泵 送 预热 罐 预热 至 4 O 4 5 ，送热压 缩 器被 蒸 汽加 热 到 1 1 01 1 5 ， 该热液送至闪蒸罐，汁水被降温至 8 O 8 5 后 送真空脱滤机脱水，此时絮凝蛋白以6 0 含水 量被分离出来约 0 7 5 m。 h ，4 4 2 5 m h滤清液 以6 O ( 2 0 k P a )左右送多效蒸发器进行浓缩蒸 发 ，蒸发器浓缩液 为有机液体肥 ( 1 4 2 5 m h ) 从底流溢出后被收集送往有机肥集存池 ，蒸馏水 ( 3 0 m 。 h )经冷却系统收集后送活性过滤器絮凝 并回生产线，整个系统中预热罐 ，闪蒸罐 ，多效 蒸发器等均在真空系统下工作。 浓缩废液增值加工流程 ：马铃薯淀粉浓缩废 液 离子变换树脂处理 活性炭处理 葡萄糖转 化酶处理 干燥 白色粉末或颗粒成品。 2 2 蒸发流程 蒸发过程是耗能过程， 且设备成本较高，因 此在设计中需要重点考虑节能和降低成本。废水 多效蒸发工艺流程见图 2 。 2 2 1 降膜蒸发 考虑淀粉废水粘度逐效提高、二次蒸汽低温 差、低压差操作的需要，应采用降膜蒸发方式。 这种方式的优点：避免粘度提高造成的总传热 系数下降；废水停留时间短，减少了淀粉变性 和发泡机会，传热效果好，节约能源；设备费 维普资讯 2 4 C HE MI CA L E NG I N EE R I N G DE S I G N 化 工设计 2 0 0 8 ， 1 8 ( 3 ) 图 2 废水 多效 蒸发工艺流程 图 用低 。投资少，占地面积小。 2 2 2 板式换热器 板式换热器传热系数大， 传热效率高，有利 于低温二次蒸汽的利用；阻力损失少；设备费用 低，生产灵活 ，占地小，易维护。 2 2 3 并流 废水利用效问的压差完成效问输送，无需泵 送，节省设备费用。效间自蒸发 ( 闪蒸)有利 于二次蒸汽产生。此外，生产操作简便，工艺条 件稳定。 2 2 4 减压蒸发 采用减压蒸发降低了废水沸点，能防止和减 少热敏性物质的分解；提高低温条件下的传热温 度差 ，提高了蒸发效率 ；能不断地排除蒸汽 ，有 利于蒸发顺利进行 ；沸点降低 ，有利于发挥低压 二次蒸汽的效能。 2 3 蒸发装置的设计 2 3 1 蒸发装置设计 计算机辅助设计流程见图3 。其中由各效热 量衡算方程构成的方程组是线性方程组，采用高 斯列主元消去法求解。为了提高计算准确性 ，设 计采用校核蒸发传热系数的方法，程序共有三层 循环 ，解决手工设计工作量大的不足 ；为了确定 装置的经济性进行评价，流程还对可优化参数真 空压力、生蒸汽压力进行驻点分析，得到 1 2 0 ( 0 2 M P a )的优化值。 2 3 2 蒸发传热系数 蒸发器所使用的加热器为板式换热器 ，传热 系数的计算关系为 ： 图3 计算机辅助设计流程 吉 = 击 + + + R c。 + 去 式中，O t 为对流传 热系 数，W( m ) ；R 为垢层热 阻， ( m ) W；R c o 为涂层 热阻， 0 3 0 6( m ) W，一般取 0 4 ，且不可 忽略 ；b为壁厚 ，m； 为管材的导热 系数 ，W ( m ) ；下标 1 表示冷凝侧 ，2表示蒸发侧。 板式蒸发器冷凝的传热系数公式 J ： 维普资讯 丁文捷等马铃薯淀粉生产工艺水的再循环设计 N u _ 0 - 0 14 3 ( 鲁 ( 哪 废水沸腾传热系数受较多因素影响，包括废 水物性、蒸发器的型式、沸腾传热的形式以及蒸 发操作条件等等，计算复杂，且准确性较差 ，按 照文献 有 ： Nu=1 9 2 6 G q B o q R o q 尸r = G ( 1 - ) + ( 】 如 ：采用 规格 B R1 0 0时，可适应 的换热 面 积为 6 02 5 0 m ，具有 很大 的可调范 围，D e= 8 21 0 一m；在小试设计 中，选择 B R 1 0 ，可适 应的换热面积为 1 8 m ，D e =6 41 0m。 2 3 3 物性模型 马铃薯淀粉加工废水中主要含有糖类、蛋白 质、纤维素、脂肪等污染物，呈现出浓度与温度 相关的物性数值关系，为了方便计算机计算，使 用数值拟合法表达： ( 1 )马铃薯淀粉废水密度： P = 1 (y 1 6 1 7 + (1 一 Y) (9 9 9 8 6 9 9 7 9 3 + 0 0 6 5 7 2 3 6 7 1 一0 0 0 8 4 5 9 5 3 +0 0 0 0 0 3 0 2 4 7 + 0 O 0 0 0Y 2 9 2 8 0 x 一0 0 0 0 0 0 0 1 3 8 3 7 x 5+0 0 0 0 0 ( K 3 3 6 3 1 5 X 6 0 O 0 ( O 0 0 ( O K 9 7 1 3 x +( 4 4 4 3 9 9 E一1 3 x 。 +(一2 2 0 2 9 E一 1 5 ) +( 4 6 4 1 9 6 E一1 8 ) x 。 ) 式中，X为温度 ， ；Y为浓度 ， 。 ( 2 )马铃薯淀粉废水黏度： = (一 7 3 0 1 2 4 1 7 5+ 0 1 9 1 3 6 6 5 5 8 x一 0 0 0 2 0 5 5 6 7 x + ( 3 4 1 0 0 4 E O 6 ) x 一1 0 2 6 7 6 6 1 8 l n y一3 8 8 5 7 7 0 5 ( h a y ) ) ( 1 0 0 2 2 4 5 8 9 2 x + 0 。 0 0 0 1 2 2 9 3 4 x 一( 7 6 7 2 4 E一0 6 ) + 2 0 2 0 8 2 5 8 0 1 1 n y ) 式中，x为温度 ， ；Y为百分浓度 。 ( 3 )饱和水蒸汽焓与汽化潜热的数值拟合 计算 】 ： =2 4 7 4 7 7 1 0+2 4 1 0 2 一3 8 = 2 4 6 6 9 0 4 9 1 5 8 4 a T , 一 4 9 碍 2 3 4 设备选型 程序完成设备选型工艺计算后将输出选型基 础数据，选型设计需要立足于现有设备数据库， 见图4 ，一些特殊装置和设备仍需进一步设计才 能完成 。 3 小试设计 图 4设备选 型 以产量 5 t h为生产线小试设计数据为例见 图5 ，可得到计算结果见表 1 ，主要设备选型见 表 2 。 图 5 设计程序 表 1 计算结果 参数名称 参数值 生蒸汽用量 。k g h 1效传热面积 ，m 加热蒸汽经济性 板数，个 单板面积 。m 蒸发室直径，m 蒸发室高度，m 溶液进出口接管规格， n m 蒸汽进 口接管规格 ，mm 冷凝水出口接管规格，m m 与文献 1 O 数据对 比：按照本设计，加 热蒸汽经 济性理论 值 为 3 8 1 6 ，好 于 文献数 据 3 3 3 ；蒸汽成本按 7 5 t 计，一个生产周期可 节约： ( 0 3 0 0 3 0 2 6 2 1 ) 4 52 41 0 0 7 5 =3 0 9 9 1 5 4元 与文献 1 O 相比，该流程在水资源丰富 但能源相对不甚充足的江苏地区，运行经济性表 现为略有盈余，故对于水资源匮乏但能源相对充 足的宁夏南部山区，流程可行性程度会更高；板 式蒸发器与传统蒸发器相比不仅设备成本降低且 J 4 2 5 5 3 4 6 l K l 。 2 7 8 8 4 O l l 3 l l l 2 4 l 6 维普资讯 2 6 C HE MI C A L E N G i E E 砒 N G D E S I G N 化工设计 2 0 0 8 ， 1 8 ( 3 ) 表 2 设备表 减少近一半的换热面积；提高生产真空度可以降 低能耗，提高加热蒸汽经济性；小试生产将对设 计结果进行充分的检验。 4结语 ( 1 )马铃薯是宁夏优势特色产业，是宁夏 南部山区农民的主要经济来源，也是当地主要工 业基础；通过解决淀粉废水污染的研究和实践， 是摆脱缺水和污染困扰、促进马铃薯产业稳步发 展、提高产能、增加自主创新的重要途径。 ( 2 )马铃薯淀粉 生产工艺水 的再循环设计 立足于宁夏马铃薯淀粉企业所处地域特点、生产 环保功能等多方面实际需求 ，采用节能蒸发技术 进行流程设计 ，具有耐低温 、水质好 、产量大 、 能耗较低 、易维护的特点 ，具有应用研究的针对 性 。 ( 3 )采用计算机辅助技术将不同生产规模 的选型设计进行程序编制，具有灵活的参数化数 据接 口，扩展了设计方法的应用范围，可再用于 其它同类企业的流程设计与设备选型，降低再设 计成本 ；操作压力分析可优化减压蒸发 生产条 件，为试生产提供理论依据和实际应用参考。 参考文献 1 安玉民，囝卫东，朱林祥等固原市淀粉产业与淀粉加 工废水污染状况探析 J 宁夏大学学报 ( 自然科学 版) ，2 0 0 5 ，2 6 ( t )9 o一9 4 2 G B 5 7 4 9 2 0 0 6 ， 生活饮用水卫生标准 s 3 GS t e p h a n Da v i d Di r e c t o r L o w Wa s t e wa t e r P o t a t o S t a r c h P r o t e i n P r o d u c ti o n P r o e e s s D I n d u s t r i a l E n v i r o n m e n t al Re s e a r c h l - alr a t o r y C i n c i n n a ti，1 9 7 9 4 P a u l E M i n t o n H and b o o k o f E v a p o r a t i o n T e c h n o l o g y M No y e s Pu b l i c a t i o n，Ne w J e r s e y，US A1 9 8 6：8 78 9 5 景步云， 谷波，黎远光 板式蒸发器仿真计算模型 J 系统仿真学报， 2 0 0 3( 1 0 ) 6 王列科，杨强生 板式换热器中蒸汽凝结换热特性 J 上海交通大学学报，1 9 9 8 ，3 2 ( 4 ) ：1 8 2 2 7 倪晓华 ，萧渊 板式换热器 的换 热与压降计算 J 流体机械， 2 0 0 2 ，3 0( 3 ) ： 2 2 2 5 8 张冠敏复合波纹板式换热器强化传热机理及传热特性 研究 D 山东大学 ， 2 0 0 6 9 何庆琼 复合波纹板式换热器换热与阻力特性研究 D 山东大学， 2 0 0 7 1 O 袁永军