陶瓷切削废液低温低压蒸发过程实验研究

罗常浩 张 良 李颐菲 谢雨星 袁文奇

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引言

陶瓷凭借其离子键和共价键结合的结构特点，弥补了传统金属材料或其他材料的不足，在国防军工、机械制造和新能源等多个领域得到了广泛应用[1]。随之导致陶瓷加工过程中切削废液的排放量逐年增加，如果直接将其排放，就会使珍贵的水资源受到污染。

陶瓷切削废液的处理通常先采用物理法进行减量，然后再用化学法或生物法彻底地进行处理[2]，最终使其达到国家废水排放标准。物理法中以蒸发法最为常见，蒸发是使混合物中易挥发组分转化为气相，即沸点低的物质由液相转化为气相，从而使易挥发性与非挥发性组分相互分离，起到净化处理的效果。

常见的蒸发法有高温高压蒸发法（MVR）和多级闪蒸蒸发法（MSF）[3]。MVR法需要高品位的热能作为驱动热源；MSF法系统结构复杂，不利于企业生产实践。鉴于此，该文以培养学生实践能力为导向，通过毕业设计过程完成对传统蒸发法的改进，设计一套低温低压蒸发冷凝处理陶瓷切削废液实验装置，将低温低压蒸发法应用于陶瓷切削废液的处理过程中，通过实验手段研究热源温度、系统真空度对废液蒸发速率、出水水质的影响，对减轻环境压力、改善生态环境以及合理利用水资源有重大意义。

1 基本原理

液态变为气态的蒸发现象通常需要2个条件：1） 水分子有足够的动能离开液体表面。2） 外部条件可以使水分子远离液面，防止其重新液化。根据紊流扩散理论，蒸发率E如公式（1）所示。

式中：E为蒸发率，kg/（m2·s）；ρa为空气密度，kg/m3；u1、u2为距水面一定高度1、2处的风速，m/s；q1、q2为距水面一定高度1、2处的比湿。

由于近水面的水汽处于饱和状态，风速为0，因此距离水面一定高度2处的蒸发率可被改写为公式（2）。

其中，空气比湿q如公式（3）所示。

式中：ρv、ρa分别为水蒸气密度和空气密度，kg/m3；pv、pa分别为水蒸气压力和大气压力，Pa；Rv、Ra分别为水蒸气和空气的气体常数，J/（mol·K）；T为蒸发面温度，K；Mv、Ma分别为水蒸气和空气的摩尔质量，g/mol；ε为常数，ε=Rv/Ra=0.622。

由公式（3）可知，比湿与水蒸气分压力近似成正比。综合公式（2）和公式（3）可得道尔顿公式，如公式（4）所示。

式中：pv，1、pv，2分别为距水面一定高度1、2处的水蒸气分压力，Pa。

道尔顿公式主要揭示蒸发界面水蒸气压差对蒸发速率的影响，即水蒸气压差越大，蒸发率越大。

2 低温低压蒸发实验

2.1 实验装置

实验装置主要由恒温水箱、恒温制冷箱、二口蒸发瓶、蛇形冷凝管、真空泵、冷凝液回收平底烧瓶、安捷伦采集仪以及温度传感器等组成，实验材料采用成分未知的某工厂生产的陶瓷切削废液，实验流程图如图1所示，实验所用仪器见表1。

表1 实验仪器

由图1可知，整个系统主要由3个部分组成：蒸发器、冷凝管和收集瓶。系统的真空度由真空泵控制，由不锈钢真空表反映示数。蒸发器所需要的热量由恒温水箱提供，可以直接设定水浴的加热温度。在冷凝器进出口处设置贴片热电偶，测量冷凝水进出口温度，实验通过测量冷凝水进出口温差和冷凝管内冷凝水流量，计算得出相应系统真空度和热源温度下切削废液的蒸发速率。温度传感器的探针从二口瓶塞柱打出的小孔深入瓶内，分别测量废液内部和废液表面蒸汽的温度。

图1 实验流程图

通过比较切削废液和处理后冷凝水pH值、COD值和电导率，并将其与国家规定值进行对照，验证低温低压蒸法发处理切削废液的可行性和有效性。

2.2 实验数据处理

该试验数据处理目标参数为蒸发速率和冷凝液水质。冷凝液水质COD值、电导率和pH值可以采用相应的测量仪器测得，但直接测量蒸发器中切削废液的蒸发速率的难度较高，该文利用冷凝管内的热量守恒定律，通过测量冷凝水的进出口温差和质量流量来计算其蒸发速率。根据热量守恒定律可得公式（5）~公式（7）。

整理上述公式可得蒸发速率mg，如公式（8）所示。

式中：Qg、Ql分别为水蒸发吸收的热量和冷凝放出的热量，W；mg、ml分别为蒸发出的水和冷凝后的水的质量流速，g/s；γ为水的汽化潜热，J/g；Cp为水的定压比热容，J/（g·℃）；Δt为冷凝管进出口水的温差，℃。

3 实验结果与分析

3.1 真空度对蒸发瓶内废液温度的影响分析

维持恒温水浴加热温度不变，当蒸发室内压力发生改变时，实验测得相应的进出口温差变化情况如图2所示。

由图2可知，当压力依次降低时，废液温度随着压力降低出现先大幅降低而后逐渐趋于平稳的现象，维持的稳定值为对应压力下废液的沸腾温度。分析发生该现象的原因如下：突然降低压力后，废液温度大于该压力下所应对的沸腾温度，沸腾过程中废液的汽化核心突然增多，废液产生了剧烈的沸腾，并产生大量蒸汽，这部分蒸汽带走了大量废液内部的热量，从而导致废液温度急剧下降。另外大量废液汽化后，气泡凝结成气块甚至气柱，侵占了废液在二口蒸发瓶壁面与恒温水浴的换热面积，传热效果被削弱，蒸发瓶内废液的散热量大于吸热量，导致废液温度急剧降低。当废液温度下降后，废液内部沸腾减弱，吸热量与放热量逐渐趋于相等，废液温度维持不变。

图2 压力改变时废液温度随时间的变化

3.2 真空度对切削废液蒸发速率的影响分析

维持恒温水浴加热温度不变，当蒸发室内压力发生改变时，实验测得相应的进出口温差变化情况如图3所示，实验工况稳定后切削废液蒸发速率的变化情况如图4所示。

由图3可知，在热源温度和蒸发室内压力均相同的情况下，随着蒸发的进行，冷却水进出口温差呈现先大幅度减小后维持稳定的趋势，由公式（7）可知，切削废液的蒸发速率可以由冷却水进出口温度来反映，冷却水进出口温差越大，切削废液蒸发速率越大，即在初期，蒸发速率很高，后期逐渐稳定。这是由于在蒸发室内压力改变的初期，废液面处水蒸气分压力远大于蒸发室内压力，因此蒸发速率很高，蒸发带走热量使废液温度降低，其所对应的水蒸气分压力减小，直至与蒸发室内压力差值保持固定，分压力差减小即蒸发的驱动力减小，蒸发速率减慢。即在热源温度相同、压力不同的情况下，压力越低，冷却水进出口温差越大，即蒸发速率越大。

图3 压力改变时冷却水进出口温差随时间的变化

由图4可知，在热源温度保持85 ℃不变的条件下，蒸发室内压力为-70 kPa时，蒸发速率为0.134 g/s；当蒸发室内压力为-80 kPa时，蒸发速率为0.434 g/s；蒸发室内压力为-90 kPa时，蒸发速率为0.714 g/s，随着压力的降低，蒸发速率不断增大。这是由于在蒸发室内压力降低的情况下，废液面处水蒸气分压力与蒸发室内压力的差变大，导致传质势差增大，从而加快了蒸发速率。

图4 不同压力下切削废液蒸发速率

3.3 热源温度对切削废液蒸发速率的影响分析

维持蒸发室内压力不变，将热源温度分别调节至55 ℃、65 ℃、75 ℃和85 ℃，使废液沸腾，相应情况下的蒸发速率如图5所示。

由图5可知，随着热源温度的升高，其蒸发速率变大，其原因在于：水浴加热的传热过程主要依赖于导热，在其他参数不变的情况下，导热温差越大，热流密度也越大。当热源温度增大时，热源温度与相应蒸发室内压力下对应的沸点的差变大，因此其蒸发速率也随之变大。

图5 热源温度对蒸发速率的影响

值得注意的是，在实验中的各个工况下，热源温度均高于废液在一定蒸发室内压力下所对应的沸点，但存在部分工况下溶液不沸腾的情况，例如当热源（55 ℃）高于废液在压力为-90 kPa时所对应的沸点（45 ℃）时，溶液并不沸腾，其原因在于废液在蒸发的过程中存在热量交换，蒸发吸热量与热源向废液的传热量始终保持平衡，但在热源温度和废液温度温差较小的情况下，热源向废液的传热量减少，且小于废液蒸发所需要的吸热量，溶液无法保证持续沸腾甚至无法沸腾，传质过程因此被抑制。

3.4 处理后的陶瓷切削液特性分析

《国家废水排放标准》中对排放废水的COD值和pH值均有要求，而电导率可以有效地反映出废液中固体杂质的含量。因此，比较处理前后切削废液的上述3个特性可以很好地显示出低温低压蒸发处理废液的有效性。采用COD检测仪、pH计和电导率检测仪对处理前后的废液进行检测，并与国家标准进行对比，数据见表2。

表2 处理前后切削废液特性比较

由表2可知，经过低温低压蒸发处理的切削废液COD值和pH值均符合《国家废水排放标准》，电导率也大幅下降，说明通过处理，可以很好地去除固体杂质。

4 结论

该文以毕业设计过程中培养实践能力为导向，对低温低压蒸发理论进行分析，并对低温低压蒸发处理陶瓷切削废液装置进行设计与实验，为工业废水的减量处理提供了一种可行的减量处理方法，从而实现保护环境的目标。

该文分别从低温、低压2个角度分析探讨传热传质过程，设计搭建了一套效率高效、方便操作的低温低压蒸发装置，并对其实验过程和数据结果进行分析，主要结论如下：1） 分析真空度对蒸发效率的影响，真空度越高，水蒸气分压力差越大，传质过程越强，蒸发速率越快。2） 在一定真空度下，分析热源温度对蒸发速率的影响，温差较小时，传质过程会被削弱。3） 比较经低温低压蒸发处理前后陶瓷切削废液的特性参数，处理后的废液完全符合国家排放标准，说明低温低压蒸发法完全可以在实际生产生活中对工业废水进行减量处理或对工业循环用水进行处理。