内循环式3500 m2蒸发罐设计和强度校核

胡学毅

我国糖厂多采用日榨8 000 t的压榨机生产糖汁，这样规模较小的糖汁制炼设备已经不适用生产规模，因此要配套8 000 t压榨机的糖汁生产设计改造对应设备，蒸发罐是其中的改造设备。实现配套的生产规模，同时还要提高资源利用率。

蒸发罐是糖厂将清汁浓缩为糖浆的设备，可由数台组成多效蒸发系统。糖厂生产过程中，经清净处理得到的清汁浓度较低，如果直接去煮糖会加大煮糖罐负荷，增加汽耗，延长煮糖时间，从而影响产品质量。因此，必须将清汁蒸发浓缩到一定的浓度，而这一工序是在蒸发工段进行的，该过程必须使用蒸发罐。糖厂蒸发系统的任务是将清净后的糖汁从糖度 12°~15°Bx（Bx表示糖度，指的是 100 g糖溶液中，所含固体物质的溶解克数）浓缩到68°~72°Bx[1]，另外还要起到“二锅炉”的作用，即从各效蒸发器蒸发出来的汁汽，还要供应其它设备加热用。

1 糖厂蒸发工段要求

（1）保证糖浆浓度一般要求达到55°~65°Bx；

（2）减少糖分损失控制pH值和蒸发温度，缩短罐内停留时间，减少雾沫夹带，防止“跑糖”；

（3）减缓积垢的形成速率，因为积垢影响传热效能，增加清除积垢的人力物力浪费；

（4）提高热能利用，减少热损失提高蒸发罐的效能，设计合理的蒸发热力方案，降低耗汽量和燃料消耗。

使用蒸发罐可以使蒸发温度损失小，没有液体静压引起的沸点升温，且在小温差下任能保证较高的传热系数（5~7℃温差也能正常高效运转），因此在总传热温差一定的条件下很容易实现多效操作，从而达到降低蒸汽的消耗，提高糖汁浓度的目的。

2 本机蒸发罐的主要设计参数和主要部件结构

主要设计参数：工作压力0.25 MPa，设计外压力0.1 MPa，设计内压力 0.28 MPa，工作温度 138 °C，设计温度150°C，加热面积3 500 m2.

内循环式蒸发罐主要由加热体、蒸发室、捕汁器、顶盖和底盖等组成（如图1所示）。

图1 蒸发罐示意图

（1）蒸发室

汁汽经钟罩式的捕汁器排出，浓缩的糖液在流入降液管的同时，部分从出汁管排出罐外，其余则从间隙处回流至罐底循环在蒸发。

当糖汁受热沸腾呈汽水混合状，从加热管喷出，一般是喷不到罐顶就下落，但压力和液面波动较大时汁汽水会被气流带走。所以在蒸发室内上端加设了新型的波纹板捕汁器（如图2所示），波纹折板呈人字状，当汁汽经过该捕汁器时，沿波纹板作曲线运动，在流道方向改变时，汁汽的雾滴受惯性作用撞到波纹板上，逐渐形成液膜，液膜靠重力作用沿于波纹板垂直方向流下，然后从捕汁器底部溢流回蒸发室，循环蒸发。该捕汁器是利用惯性，碰撞原理收集液滴的。这种捕汁器捕集液滴效率大，较好的减少跑糖现象[2]。

蒸发室材料为钢板，厚度δn=18 mm.

图2 波纹板捕汁示意图

（2）加热体

内径5 700 mm，内部均匀分布的加热管是胀接在上下管板内，使用的加热管是φ38×1.5 mm，长度3 500 mm，数量 8 842，管的内径面积（38-3）π×3 500×8 842≈3 403 m2就是加热面积。中央有一较大的降液管糖汁连续从罐底加入，饱和蒸汽进入加热体，糖汁同时分布进入加热管受热沸腾。

蒸发系统的传热，决定因素有很多，它不仅与蒸发热体传热的加热管的加热面积的干净程度有关，还与糖汁的沸腾温度、稳定差，糖汁的浓度，以及蒸发罐加热管中的液位高度，蒸发室中的不凝气体和汽凝水排出有关。另外，长期工作中的蒸发罐，由于糖汁蒸发而在管子表面上生成的积垢也影响传热效果。所以在蒸发系统中传热的加热管的材料显得十分重要。材料最好使用的是黄铜管，因为铜的导热系数在常用金属中最好，但在中国铜管供应较缺，故现在多采用钢管。虽然钢的导热较低，但是由于积垢的生成，钢本身的导热就处于次要地位，所以就算钢比铜的导热效能低很多，但在积垢的影响下，其总的传热效能也最多降低10%左右[3]。还有在蔗糖汁这种有强烈腐蚀液体下，钢很容易被锈蚀。最后，也只能采用了导热系数较低但是价格昂贵的不锈钢管。此处选用的钢板厚度δn=18 mm.

3 对设备的主要零部件进行强度验算

蒸发罐是属于压力容器的设备，所以可以使用压力容器计算软件SW6-98进行设备的验算。以下对蒸发罐主要部件进行校核验算。

3.1 蒸发室的验算

计算压力Pc=0.3 MPa，设计温度t=150°C，内径Di=6 500 mm，材料Q345R，试验温度许用应力[σ]=163 MPa，设计温度许用应力[σ]t=163 MPa，试验温度下屈服点σs=325 MPa，腐蚀裕量C2=2 mm.焊接接头系数φ=0.85.有效厚度δe=δn-C2=16 mm.

（1）压力试验时应力校核

压力试验允许通过的应力水平[σ]T≤0.90 σs=292.5 MPa

试验压力下圆筒的应力

σT=76.66 MPa

校核结果σT≤[σ]T所以试验压力应力合格。

（2）压力及应力计算

最大允许工作压力

[Pw]=0.680 42 MPa

设计温度下计算应力

σt=61.09 MPa

应力允许的屈服应力水平 [σ]tφ=138.55 MPa，校核结果[σ]tφ≥ σt压力及应力计算合格。

3.2 加热体的验算

计算压力Pc=0.28 MPa，设计温度t=150°C，内径Di=5 700 mm，材料Q345R，试验温度许用应力[σ]=163 MPa，设计温度许用应力[σ]t=163 MPa，试验温度下屈服点σs=325 MPa，腐蚀裕量C2=2 mm.焊接接头系数φ=0.85.有效厚度δe=δn-C2=16 mm.

（1）压力试验时应力校核

试验压力值PT=0.32 MPa

压力试验允许通过的应力水平 [σ]T为 [σ]T≤0.90 σs=292.5 MPa，试验压力下圆筒的应力代入式（1），σT=79.86 MPa，校核结果[σ]Tφ ≥ [σ]T所以试验压力应力合格。

（2）压力及应力计算

最大允许工作压力代入式（2），[Pw]=0.77565 MPa，设计温度下计算应力代入式（3），σt=50.01 MPa，应力允许的屈服应力水平[σ]tφ =138.55 MPa

校核结果[σ]tφ≥σt压力及应力计算合格。钢板厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度14.40 mm，合格。

综上，设计的蒸发室和加热体的强度足够，可以在设计温度和工作压力中正常工作。

4 结束语

随着制糖工业的快速发展，大型高效的制糖设备越来越被重视。过去老旧设备，资源消耗大，能源利用率不高的设备开始被淘汰，进行糖厂的产业升级，降低生产成本，才能提高经济效益。本文设计了一款内循环式3 500 m2蒸发罐，完成了设计及关键部件的强度校核工作。现已完成了对日榨8 000 t压榨机糖汁制炼设备的蒸发罐的设计配套工作。设备已在国外南非和泰国的大型糖厂使用，应用表明，其降低了糖汁制炼过程的水资源消耗。

[1]甘蔗制糖工业手册编写组.甘蔗制糖工业手册[M].北京：轻工业出版社，1984.

[2]徐清华.新型捕汁器在糖厂蒸发罐的应用[J].甘蔗糖业，1998（4）：35-39.

[3]甘蔗糖厂设计手册编写组.甘蔗糖厂设计手册[M].北京：轻工业出版社，1982.