陶瓷切削廢液低溫低壓蒸發(fā)過程實驗研究

羅常浩 張 良 李頤菲 謝雨星 袁文奇

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

陶瓷憑借其離子鍵和共價鍵結(jié)合的結(jié)構(gòu)特點，彌補了傳統(tǒng)金屬材料或其他材料的不足，在國防軍工、機械制造和新能源等多個領(lǐng)域得到了廣泛應用[1]。隨之導致陶瓷加工過程中切削廢液的排放量逐年增加，如果直接將其排放，就會使珍貴的水資源受到污染。

陶瓷切削廢液的處理通常先采用物理法進行減量，然后再用化學法或生物法徹底地進行處理[2]，最終使其達到國家廢水排放標準。物理法中以蒸發(fā)法最為常見，蒸發(fā)是使混合物中易揮發(fā)組分轉(zhuǎn)化為氣相，即沸點低的物質(zhì)由液相轉(zhuǎn)化為氣相，從而使易揮發(fā)性與非揮發(fā)性組分相互分離，起到凈化處理的效果。

常見的蒸發(fā)法有高溫高壓蒸發(fā)法（MVR）和多級閃蒸蒸發(fā)法（MSF）[3]。MVR法需要高品位的熱能作為驅(qū)動熱源；MSF法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，不利于企業(yè)生產(chǎn)實踐。鑒于此，該文以培養(yǎng)學生實踐能力為導向，通過畢業(yè)設(shè)計過程完成對傳統(tǒng)蒸發(fā)法的改進，設(shè)計一套低溫低壓蒸發(fā)冷凝處理陶瓷切削廢液實驗裝置，將低溫低壓蒸發(fā)法應用于陶瓷切削廢液的處理過程中，通過實驗手段研究熱源溫度、系統(tǒng)真空度對廢液蒸發(fā)速率、出水水質(zhì)的影響，對減輕環(huán)境壓力、改善生態(tài)環(huán)境以及合理利用水資源有重大意義。

1 基本原理

液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的蒸發(fā)現(xiàn)象通常需要2個條件：1） 水分子有足夠的動能離開液體表面。2） 外部條件可以使水分子遠離液面，防止其重新液化。根據(jù)紊流擴散理論，蒸發(fā)率E如公式（1）所示。

式中：E為蒸發(fā)率，kg/（m2·s）；ρa為空氣密度，kg/m3；u1、u2為距水面一定高度1、2處的風速，m/s；q1、q2為距水面一定高度1、2處的比濕。

由于近水面的水汽處于飽和狀態(tài)，風速為0，因此距離水面一定高度2處的蒸發(fā)率可被改寫為公式（2）。

其中，空氣比濕q如公式（3）所示。

式中：ρv、ρa分別為水蒸氣密度和空氣密度，kg/m3；pv、pa分別為水蒸氣壓力和大氣壓力，Pa；Rv、Ra分別為水蒸氣和空氣的氣體常數(shù)，J/（mol·K）；T為蒸發(fā)面溫度，K；Mv、Ma分別為水蒸氣和空氣的摩爾質(zhì)量，g/mol；ε為常數(shù)，ε=Rv/Ra=0.622。

由公式（3）可知，比濕與水蒸氣分壓力近似成正比。綜合公式（2）和公式（3）可得道爾頓公式，如公式（4）所示。

式中：pv，1、pv，2分別為距水面一定高度1、2處的水蒸氣分壓力，Pa。

道爾頓公式主要揭示蒸發(fā)界面水蒸氣壓差對蒸發(fā)速率的影響，即水蒸氣壓差越大，蒸發(fā)率越大。

2 低溫低壓蒸發(fā)實驗

2.1 實驗裝置

實驗裝置主要由恒溫水箱、恒溫制冷箱、二口蒸發(fā)瓶、蛇形冷凝管、真空泵、冷凝液回收平底燒瓶、安捷倫采集儀以及溫度傳感器等組成，實驗材料采用成分未知的某工廠生產(chǎn)的陶瓷切削廢液，實驗流程圖如圖1所示，實驗所用儀器見表1。

表1 實驗儀器

由圖1可知，整個系統(tǒng)主要由3個部分組成：蒸發(fā)器、冷凝管和收集瓶。系統(tǒng)的真空度由真空泵控制，由不銹鋼真空表反映示數(shù)。蒸發(fā)器所需要的熱量由恒溫水箱提供，可以直接設(shè)定水浴的加熱溫度。在冷凝器進出口處設(shè)置貼片熱電偶，測量冷凝水進出口溫度，實驗通過測量冷凝水進出口溫差和冷凝管內(nèi)冷凝水流量，計算得出相應系統(tǒng)真空度和熱源溫度下切削廢液的蒸發(fā)速率。溫度傳感器的探針從二口瓶塞柱打出的小孔深入瓶內(nèi)，分別測量廢液內(nèi)部和廢液表面蒸汽的溫度。

圖1 實驗流程圖

通過比較切削廢液和處理后冷凝水pH值、COD值和電導率，并將其與國家規(guī)定值進行對照，驗證低溫低壓蒸法發(fā)處理切削廢液的可行性和有效性。

2.2 實驗數(shù)據(jù)處理

該試驗數(shù)據(jù)處理目標參數(shù)為蒸發(fā)速率和冷凝液水質(zhì)。冷凝液水質(zhì)COD值、電導率和pH值可以采用相應的測量儀器測得，但直接測量蒸發(fā)器中切削廢液的蒸發(fā)速率的難度較高，該文利用冷凝管內(nèi)的熱量守恒定律，通過測量冷凝水的進出口溫差和質(zhì)量流量來計算其蒸發(fā)速率。根據(jù)熱量守恒定律可得公式（5）~公式（7）。

整理上述公式可得蒸發(fā)速率mg，如公式（8）所示。

式中：Qg、Ql分別為水蒸發(fā)吸收的熱量和冷凝放出的熱量，W；mg、ml分別為蒸發(fā)出的水和冷凝后的水的質(zhì)量流速，g/s；γ為水的汽化潛熱，J/g；Cp為水的定壓比熱容，J/（g·℃）；Δt為冷凝管進出口水的溫差，℃。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 真空度對蒸發(fā)瓶內(nèi)廢液溫度的影響分析

維持恒溫水浴加熱溫度不變，當蒸發(fā)室內(nèi)壓力發(fā)生改變時，實驗測得相應的進出口溫差變化情況如圖2所示。

由圖2可知，當壓力依次降低時，廢液溫度隨著壓力降低出現(xiàn)先大幅降低而后逐漸趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象，維持的穩(wěn)定值為對應壓力下廢液的沸騰溫度。分析發(fā)生該現(xiàn)象的原因如下：突然降低壓力后，廢液溫度大于該壓力下所應對的沸騰溫度，沸騰過程中廢液的汽化核心突然增多，廢液產(chǎn)生了劇烈的沸騰，并產(chǎn)生大量蒸汽，這部分蒸汽帶走了大量廢液內(nèi)部的熱量，從而導致廢液溫度急劇下降。另外大量廢液汽化后，氣泡凝結(jié)成氣塊甚至氣柱，侵占了廢液在二口蒸發(fā)瓶壁面與恒溫水浴的換熱面積，傳熱效果被削弱，蒸發(fā)瓶內(nèi)廢液的散熱量大于吸熱量，導致廢液溫度急劇降低。當廢液溫度下降后，廢液內(nèi)部沸騰減弱，吸熱量與放熱量逐漸趨于相等，廢液溫度維持不變。

圖2 壓力改變時廢液溫度隨時間的變化

3.2 真空度對切削廢液蒸發(fā)速率的影響分析

維持恒溫水浴加熱溫度不變，當蒸發(fā)室內(nèi)壓力發(fā)生改變時，實驗測得相應的進出口溫差變化情況如圖3所示，實驗工況穩(wěn)定后切削廢液蒸發(fā)速率的變化情況如圖4所示。

由圖3可知，在熱源溫度和蒸發(fā)室內(nèi)壓力均相同的情況下，隨著蒸發(fā)的進行，冷卻水進出口溫差呈現(xiàn)先大幅度減小后維持穩(wěn)定的趨勢，由公式（7）可知，切削廢液的蒸發(fā)速率可以由冷卻水進出口溫度來反映，冷卻水進出口溫差越大，切削廢液蒸發(fā)速率越大，即在初期，蒸發(fā)速率很高，后期逐漸穩(wěn)定。這是由于在蒸發(fā)室內(nèi)壓力改變的初期，廢液面處水蒸氣分壓力遠大于蒸發(fā)室內(nèi)壓力，因此蒸發(fā)速率很高，蒸發(fā)帶走熱量使廢液溫度降低，其所對應的水蒸氣分壓力減小，直至與蒸發(fā)室內(nèi)壓力差值保持固定，分壓力差減小即蒸發(fā)的驅(qū)動力減小，蒸發(fā)速率減慢。即在熱源溫度相同、壓力不同的情況下，壓力越低，冷卻水進出口溫差越大，即蒸發(fā)速率越大。

圖3 壓力改變時冷卻水進出口溫差隨時間的變化

由圖4可知，在熱源溫度保持85 ℃不變的條件下，蒸發(fā)室內(nèi)壓力為-70 kPa時，蒸發(fā)速率為0.134 g/s；當蒸發(fā)室內(nèi)壓力為-80 kPa時，蒸發(fā)速率為0.434 g/s；蒸發(fā)室內(nèi)壓力為-90 kPa時，蒸發(fā)速率為0.714 g/s，隨著壓力的降低，蒸發(fā)速率不斷增大。這是由于在蒸發(fā)室內(nèi)壓力降低的情況下，廢液面處水蒸氣分壓力與蒸發(fā)室內(nèi)壓力的差變大，導致傳質(zhì)勢差增大，從而加快了蒸發(fā)速率。

圖4 不同壓力下切削廢液蒸發(fā)速率

3.3 熱源溫度對切削廢液蒸發(fā)速率的影響分析

維持蒸發(fā)室內(nèi)壓力不變，將熱源溫度分別調(diào)節(jié)至55 ℃、65 ℃、75 ℃和85 ℃，使廢液沸騰，相應情況下的蒸發(fā)速率如圖5所示。

由圖5可知，隨著熱源溫度的升高，其蒸發(fā)速率變大，其原因在于：水浴加熱的傳熱過程主要依賴于導熱，在其他參數(shù)不變的情況下，導熱溫差越大，熱流密度也越大。當熱源溫度增大時，熱源溫度與相應蒸發(fā)室內(nèi)壓力下對應的沸點的差變大，因此其蒸發(fā)速率也隨之變大。

圖5 熱源溫度對蒸發(fā)速率的影響

值得注意的是，在實驗中的各個工況下，熱源溫度均高于廢液在一定蒸發(fā)室內(nèi)壓力下所對應的沸點，但存在部分工況下溶液不沸騰的情況，例如當熱源（55 ℃）高于廢液在壓力為-90 kPa時所對應的沸點（45 ℃）時，溶液并不沸騰，其原因在于廢液在蒸發(fā)的過程中存在熱量交換，蒸發(fā)吸熱量與熱源向廢液的傳熱量始終保持平衡，但在熱源溫度和廢液溫度溫差較小的情況下，熱源向廢液的傳熱量減少，且小于廢液蒸發(fā)所需要的吸熱量，溶液無法保證持續(xù)沸騰甚至無法沸騰，傳質(zhì)過程因此被抑制。

3.4 處理后的陶瓷切削液特性分析

《國家廢水排放標準》中對排放廢水的COD值和pH值均有要求，而電導率可以有效地反映出廢液中固體雜質(zhì)的含量。因此，比較處理前后切削廢液的上述3個特性可以很好地顯示出低溫低壓蒸發(fā)處理廢液的有效性。采用COD檢測儀、pH計和電導率檢測儀對處理前后的廢液進行檢測，并與國家標準進行對比，數(shù)據(jù)見表2。

表2 處理前后切削廢液特性比較

由表2可知，經(jīng)過低溫低壓蒸發(fā)處理的切削廢液COD值和pH值均符合《國家廢水排放標準》，電導率也大幅下降，說明通過處理，可以很好地去除固體雜質(zhì)。

4 結(jié)論

該文以畢業(yè)設(shè)計過程中培養(yǎng)實踐能力為導向，對低溫低壓蒸發(fā)理論進行分析，并對低溫低壓蒸發(fā)處理陶瓷切削廢液裝置進行設(shè)計與實驗，為工業(yè)廢水的減量處理提供了一種可行的減量處理方法，從而實現(xiàn)保護環(huán)境的目標。

該文分別從低溫、低壓2個角度分析探討傳熱傳質(zhì)過程，設(shè)計搭建了一套效率高效、方便操作的低溫低壓蒸發(fā)裝置，并對其實驗過程和數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，主要結(jié)論如下：1） 分析真空度對蒸發(fā)效率的影響，真空度越高，水蒸氣分壓力差越大，傳質(zhì)過程越強，蒸發(fā)速率越快。2） 在一定真空度下，分析熱源溫度對蒸發(fā)速率的影響，溫差較小時，傳質(zhì)過程會被削弱。3） 比較經(jīng)低溫低壓蒸發(fā)處理前后陶瓷切削廢液的特性參數(shù)，處理后的廢液完全符合國家排放標準，說明低溫低壓蒸發(fā)法完全可以在實際生產(chǎn)生活中對工業(yè)廢水進行減量處理或?qū)I(yè)循環(huán)用水進行處理。