微波加熱強(qiáng)化閃蒸的蒸發(fā)特性

田時泓，郭磊，巨少華，張暉

(1.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，云南昆明，650093；2.昆明理工大學(xué)微波能工程應(yīng)用及裝備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，云南昆明，650093；3.昆明理工大學(xué)非常規(guī)冶金教育部重點(diǎn)實驗室，云南昆明，650093；4.云南磷化集團(tuán)有限公司磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究分公司，云南昆明，650600)

蒸發(fā)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程的重要工序之一，被廣泛應(yīng)用于化工、海水淡化、印刷、廢水處理、冶金、氯堿生產(chǎn)等工業(yè)領(lǐng)域[1-5]。蒸發(fā)以各種處理方式存在于這些工業(yè)領(lǐng)域中，主要包括單效蒸發(fā)、單級閃蒸、多效蒸發(fā)(MEE)、多級閃蒸(MSF)、熱力蒸汽再壓縮(TVR)及機(jī)械式蒸汽再壓縮(MVR)等[6]。其中，單效蒸發(fā)過程采用單級蒸發(fā)器、單級泵及熱源系統(tǒng)，所產(chǎn)生的蒸汽不作為熱源回收利用。由于工業(yè)成本及投資控制，工業(yè)中的蒸發(fā)過程逐漸向多級多效發(fā)展。多效蒸發(fā)通過將多個單效蒸發(fā)流程進(jìn)行結(jié)合，采用多個蒸發(fā)器及鍋爐，通過回收利用前效的蒸汽作為后效的熱源使用，蒸汽在逐效減壓條件下通過蒸發(fā)器，最終完成換熱的蒸汽于末效排出系統(tǒng)[7-8]。在多效蒸發(fā)的基礎(chǔ)上，機(jī)械式蒸汽再壓縮蒸發(fā)技術(shù)被廣泛利用，通過壓縮機(jī)將蒸發(fā)室內(nèi)產(chǎn)生的二次蒸汽增壓處理，獲取更高品位的蒸汽作為蒸發(fā)器內(nèi)的熱源使用，這種蒸發(fā)裝置與多效蒸發(fā)器相比，節(jié)能效率提高30%～70%[9]。由于蒸發(fā)過程常與熱轉(zhuǎn)化過程相配合，針對熱溶液的濃縮，在工業(yè)應(yīng)用采用閃蒸方式進(jìn)行處理。閃蒸也被廣泛應(yīng)用于低壓環(huán)境下的冷卻和蒸發(fā)過程中。實際上，閃蒸通常與降膜蒸發(fā)聯(lián)用，從而形成多級的降膜閃蒸蒸發(fā)系統(tǒng)，二次蒸汽回收后作為原液循環(huán)加熱過程中的熱源使用[10]。傳統(tǒng)蒸發(fā)工藝所采用的蒸發(fā)流程是多效蒸發(fā)或多級閃蒸，或者多效蒸發(fā)與多級閃蒸聯(lián)合使用。這些處理方式一般需要三效蒸發(fā)或者三級閃蒸從而實現(xiàn)溶液的濃縮。此外，在各效之間進(jìn)行物料的流轉(zhuǎn)需要采用強(qiáng)制循環(huán)方式，在蒸發(fā)器內(nèi)部由于腐蝕及結(jié)垢，從而導(dǎo)致蒸發(fā)器熱效率下降[11]。海水淡化過程中經(jīng)常使用的方式為熱電聯(lián)產(chǎn)，蒸汽機(jī)產(chǎn)生的高溫蒸汽用于汽輪機(jī)發(fā)電后，將具有余熱的乏汽回收壓縮用于蒸發(fā)器進(jìn)行海水淡化。這類設(shè)備具有復(fù)雜的膜式換熱系統(tǒng)，資金投入較大[12]。以上這些問題導(dǎo)致蒸發(fā)流程在工業(yè)生產(chǎn)過程中所占據(jù)的成本很高。例如，在氧化鋁工業(yè)中蒸發(fā)流程占據(jù)的能耗為25%～30%[13]。閃蒸被廣泛應(yīng)用于蒸發(fā)流程中，閃蒸是通過將高溫液體置于低于其飽和壓力的環(huán)境中，液體多余顯熱釋放轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)潛熱使部分液體快速汽化，汽化部分帶走多余熱量的同時使剩余液態(tài)部分得到快速濃縮的過程[14]。閃蒸過程的主要特點(diǎn)在于液體溫降速度快，傳統(tǒng)閃蒸過程的熱量來源為料液通過閃蒸減壓閥前后的熱焓差，在單級閃蒸條件下，這部分熱量的轉(zhuǎn)化不足以實現(xiàn)濃縮效果，因此，通過遞減壓力結(jié)合料液循環(huán)的多級閃蒸被廣泛應(yīng)用。但

由于在閃蒸濃縮過程中料液的溫降以及真空對熱量補(bǔ)充的限制，多級閃蒸工藝通常采用閃蒸罐外進(jìn)行熱量補(bǔ)給的方式提高料液的溫度，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性與設(shè)備的投資成本。因此，需采用一種可以在真空條件下對閃蒸罐內(nèi)的料液補(bǔ)充熱量且提高單級閃蒸效率的加熱方式，以改進(jìn)閃蒸設(shè)備，優(yōu)化蒸發(fā)工藝，減少設(shè)備投資。研究表明，液體溫度、環(huán)境壓力是閃蒸過程的關(guān)鍵控制性因素，增加初始溫度或降低環(huán)境壓力可使閃蒸的蒸發(fā)強(qiáng)度增加[15]。采用外場強(qiáng)化蒸發(fā)過程的方式被人們廣泛關(guān)注，被采用的外場主要包括微波場、超聲場、電場、磁場。外場具有提高反應(yīng)效率、縮減過程時間、提高生產(chǎn)效率、降低環(huán)境污染等效果[16-17]。其中，微波是一種頻率處于0.300～ 3 000 GHz的電磁波，微波加熱具有加熱均勻、速度快、選擇性強(qiáng)、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，且微波在真空環(huán)境中傳播，其能量損失很低，因此，將微波作為外場強(qiáng)化蒸發(fā)過程有助于解決傳熱速率慢、能耗高、產(chǎn)品質(zhì)量低等關(guān)鍵性問題，在加快蒸發(fā)速率的同時有助降低能耗[18]。巨少華等[19-20]將閃蒸罐與微波諧振腔進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，使微波加熱與閃蒸過程在同一腔體中得到耦合，以此為基礎(chǔ)開發(fā)了微波閃蒸新技術(shù)。其核心原理在于微波能通過饋口進(jìn)入到閃蒸罐內(nèi)被料液吸收，實現(xiàn)料液溫度原位快速提升使得料液持續(xù)沸騰，從而達(dá)到強(qiáng)化閃蒸過程的目的。本文作者采用前期設(shè)計開發(fā)的微波閃蒸系統(tǒng)，進(jìn)行流態(tài)水閃蒸的強(qiáng)化實驗研究，研究微波功率、液體流量、初始溫度對閃蒸蒸發(fā)效果以及體系溫度的影響，以期為微波加熱強(qiáng)化閃蒸過程的工程應(yīng)用提供參考。

1 實驗

1.1 實驗裝置

微波閃蒸裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由原液加熱罐、閃蒸罐、微波源、電控柜、冷凝塔、真空泵、濃縮液收集罐、冷凝液收集罐和連接管道等構(gòu)成。裝置所采用的罐體等均采用316L 不銹鋼制成，罐體之間均采用不銹鋼管道進(jìn)行連通，罐體和管道表面均進(jìn)行了保溫處理。接口處采用球閥連接并控制開啟。其中，閃蒸罐上方與原液加熱罐連接，中間布置有金屬懸浮子流量計以及溫度變送器；閃蒸罐下方與濃縮液收集罐連接，下方布置有溫度變送器；金屬真空泵與冷凝液收集罐連接。真空泵使冷凝液收集罐、冷凝塔、閃蒸罐、濃縮液收集罐等罐體系統(tǒng)環(huán)境整體成為低壓環(huán)境，同時保證閃蒸罐內(nèi)水蒸氣的排出并維持罐體系統(tǒng)內(nèi)的壓力梯度。

圖1 微波閃蒸的實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment for microwave flash evaporation

1.2 實驗設(shè)備

實驗系統(tǒng)所用的閃蒸罐為316L 不銹鋼制成的圓柱形罐體，高為400 mm，外徑為360 mm，內(nèi)徑為300 mm，壁厚為30 mm，在罐體外壁包覆厚約50 mm的保溫棉以保證罐體保溫效果。進(jìn)液口布置在罐體穹頂中心位置。實驗系統(tǒng)采用北京星儀傳感有限公司生產(chǎn)的CWDZ13 型溫度變送器和CYYZ16 型壓力變送器，溫度變送器測溫范圍為-50～300 ℃，壓力變送器測壓范圍為 0～100 kPa，溫度變送器分別安裝在閃蒸罐液體進(jìn)出口、閃蒸罐蒸汽出口、閃蒸罐側(cè)面等位置，壓力變送器安裝在閃蒸罐頂蓋位置。系統(tǒng)所用真空泵為SHZ-95型循環(huán)水真空泵，單孔抽氣速率為10 L/min，最高可抽取的罐體真空度為當(dāng)?shù)卮髿鈮旱?5%以上。系統(tǒng)采用SAMSUNG 磁控管作為微波發(fā)生裝置，額定功率為0～1.5 kW。另外，在閃蒸罐中放置1塊直徑為260 mm、厚度為6 mm 的碳化硅陶瓷制成的多孔盤。一方面由于碳化硅材料具有良好的吸波性能，能夠快速將微波能量轉(zhuǎn)化為熱量；另一方面，由于多孔盤布置在液體下落的路徑上，起到了減緩液體下落速度從而增加停留時間的作用。

1.3 實驗流程

在實驗中采用自來水作為實驗工質(zhì)液體，首先在原液加熱罐中預(yù)熱實驗工質(zhì)液體到設(shè)定溫度。為了減少管道和系統(tǒng)散熱的影響，采用加熱的液體對管道和罐體預(yù)熱10 min，然后放掉預(yù)熱所消耗的液體。關(guān)閉閃蒸系統(tǒng)的所有閥門，啟動真空泵抽取罐體系統(tǒng)壓力至設(shè)定值。最后開啟進(jìn)液閥門和微波源，調(diào)節(jié)流量及微波功率至設(shè)定值后開始實驗。

實驗采用單因素控制變量法。通過控制微波功率、液體流量和初始溫度進(jìn)行實驗，實驗時間為20 min，隔5 min 記錄1 次系統(tǒng)溫度。實驗結(jié)束后關(guān)閉進(jìn)液閥門及微波，解除系統(tǒng)真空，放出濃縮液收集罐和冷凝液收集罐內(nèi)的液體，測量并記錄液體體積。實驗參數(shù)如表1所示。

表1 微波閃蒸實驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters of microware flash evaporation

1.4 分析參數(shù)

以實驗后系統(tǒng)冷凝水蒸氣得到的冷凝液體積Ve表征系統(tǒng)閃蒸效果。采用閃蒸率η表征系統(tǒng)對單位液體的閃蒸能力，其表達(dá)式為

式中：Vi為進(jìn)入閃蒸罐體的液體總量，其等于液體流量與實驗時間的乘積。

采用強(qiáng)化蒸發(fā)效率ηEIE表征微波加熱強(qiáng)化的效果，其定義為微波加熱強(qiáng)化方式和無微波供給的常規(guī)方式下的閃蒸率差值(ηm-ηc)與常規(guī)方式下的閃蒸率ηc的百分比，其表達(dá)式為

式中：ηm為微波加熱強(qiáng)化方式下的閃蒸率。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 實驗參數(shù)對閃蒸效果的影響

2.1.1 微波功率的影響

采用水作為工質(zhì)，并基于表1中的實驗參數(shù)開展常規(guī)方式和微波加熱強(qiáng)化方式的實驗。在初始溫度控制為90 ℃、冷卻水溫度為18 ℃、液體流量為10～40 L/h、系統(tǒng)真空度為70～78 kPa和實驗時間為20 min 的實驗條件下，調(diào)整微波功率開展微波加熱強(qiáng)化實驗。微波功率對系統(tǒng)閃蒸效果(以冷凝液體積表征)的影響如圖2 所示，對閃蒸率的影響如圖3所示。

圖2 微波功率對冷凝液體積的影響Fig.2 Effect of microwave power on volume of condensation water

圖3 微波功率對閃蒸率的影響Fig.3 Effectof microwavepower on flashevaporationrate

由圖2和圖3可見：隨著微波功率增大，系統(tǒng)獲得的冷凝液體積逐漸增加，說明微波功率增加對閃蒸效果起到強(qiáng)化作用。當(dāng)液體流量為40 L/h和微波功率為0.81 kW 時，冷凝液量為0.55 L；而當(dāng)微波功率為1.35 kW 時，冷凝液體積為1.00 L。當(dāng)液體流量為10 L/h和微波功率為0.81 kW時，冷凝液體積為0.33 L；而微波功率為1.35 kW 時，冷凝液體積為0.63 L。不同工況條件下冷凝液體積呈現(xiàn)明顯差異，這是因為不同的微波功率使得罐體內(nèi)部出現(xiàn)不同的電磁場分布狀態(tài)，因閃蒸罐的結(jié)構(gòu)恒定且體積為定值，高功率工況下電磁場強(qiáng)度大，低功率工況下電磁場強(qiáng)度小，在高功率工況下閃蒸罐內(nèi)液體對微波能的轉(zhuǎn)化效率更高。

2.1.2 液體流量的影響

在初始溫度為90 ℃、微波功率為1.35 kW、冷卻水溫度為20 ℃、系統(tǒng)真空度為78 kPa、實驗時間為20 min 的條件下，調(diào)節(jié)液體流量為10～40 L/h(調(diào)節(jié)步長為10 L/h)，探究常規(guī)方式和微波加熱強(qiáng)化方式下流量對閃蒸效果的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可見，隨著液體流量的增加，常規(guī)閃蒸的冷凝液體積增加，當(dāng)液體流量為40 L/h時，獲得的最大冷凝液體積為0.74 L。在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，因在閃蒸罐中原位饋入高功率微波，微波能被液體及水蒸氣吸收轉(zhuǎn)化為熱能。在相同的液體流量及腔體壓力條件下，微波加熱強(qiáng)化的冷凝液體積比常規(guī)的高。這主要是由于：一方面，微波使得閃蒸罐內(nèi)的熱量平衡被打破，由于液體經(jīng)過低壓閃蒸罐體時受到壓力的控制，液體更多的顯熱以汽化潛熱的形式釋放并轉(zhuǎn)化；另一方面，微波直接加熱閃蒸罐中的液體，液體溫度升高后在罐體直接沸騰蒸發(fā)。

從表2還可見：在相同流量下，微波加熱強(qiáng)化方式的冷凝液體積和閃蒸率相比常規(guī)方式明顯增加。隨著液體流量增加，冷凝液體積明顯增加，且微波加熱強(qiáng)化方式的冷凝液體積增量和增速都比常規(guī)方式的高。閃蒸率隨流量增加而降低，且微波加熱強(qiáng)化方式的閃蒸率比常規(guī)方式的下降更明顯。這主要是由于微波功率為1.35 kW，在高功率微波和低液體流量的工況下，單位體積液體中形成的電磁場強(qiáng)度大，但隨著液體流量增加，單位體積液體中的電磁場強(qiáng)度降低。因此，在低液體流量工況下，微波加熱液體的速度更快；在高液體流量工況下，液體轉(zhuǎn)化微波能為熱能的效率更高，且閃蒸效果更好。

從表2還可看出：在實驗參數(shù)范圍內(nèi)微波強(qiáng)化蒸發(fā)效率為29.73%～100%。因常規(guī)方式是以高溫液體突然暴露于低壓環(huán)境中的過熱熱量作為蒸發(fā)驅(qū)動力，而微波加熱強(qiáng)化方式是蒸發(fā)驅(qū)動力包括液體提供的過熱熱量以及微波所提供的熱量，微波原位實時地向罐體中補(bǔ)充了熱量，有效減弱了常規(guī)閃蒸過程中工質(zhì)溫降過程的影響，因此，閃蒸過程得到強(qiáng)化。參照微波加熱固體物料的規(guī)律，微波加熱提供液體能量時的轉(zhuǎn)化率與液體流量呈正相關(guān)關(guān)系，液體流量增加提高了微波能的轉(zhuǎn)化率，在高流量工況下的閃蒸效果更好。

2.1.3 初始溫度的影響

在液體流量為40 L/h、微波功率為1.35 kW、冷卻水溫度為20 ℃、系統(tǒng)真空度為78 kPa、實驗時間為20 min 的條件下，改變液體的初始溫度，探究常規(guī)和微波加熱強(qiáng)化2種方式下液體初始溫度對閃蒸效果及閃蒸率的影響，結(jié)果分別如圖4和圖5所示。初始溫度對閃蒸率及強(qiáng)化蒸發(fā)效率的影響如表3 所示。從圖4 和圖5 可見：在其他實驗參數(shù)一致的條件下，冷凝液體積隨著初始溫度的增加而增加。在相同初始溫度條件下，微波加熱強(qiáng)化方式的冷凝液體積比常規(guī)方式的高。這是因為初始溫度越高，液體所能提供的過熱熱量越多，而低壓環(huán)境使得蒸發(fā)所要求的潛熱降低，在微波原位快速實時加熱的條件下閃蒸損失的熱量及時得到了補(bǔ)充，系統(tǒng)閃蒸量增加，說明微波加熱強(qiáng)化了閃蒸過程。相應(yīng)地，從表3可見，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)強(qiáng)化蒸發(fā)效率為13.51%～45.83%。

表2 微波加熱強(qiáng)化與常規(guī)條件的閃蒸效果對比Table 2 Comparison of flash evaporation effects at microwave heating strengthen and conventional condition

圖4 初始溫度對冷凝液體積的影響Fig.4 Effect of initial temperature on volume of condensation water

圖5 初始溫度對閃蒸率的影響Fig.5 Effectof initialtemperatureon flashevaporationrate

表3 初始溫度對閃蒸率及強(qiáng)化蒸發(fā)效率的影響Table 3 Effect of initial temperature on flash evaporation rate and strengthen evaporation efficiency

2.2 微波加熱強(qiáng)化對閃蒸體系溫度的影響

從表2可以看出：在不同液體流量下，微波加熱強(qiáng)化相比于常規(guī)方式時的閃蒸率最高提升了1倍多。下面通過閃蒸體系的溫度變化來解釋微波加熱在閃蒸過程中的熱強(qiáng)化作用。實驗中采用溫度變送器對閃蒸罐蒸汽出口處溫度和濃縮液溫度進(jìn)行測量并取均值。在實驗時間內(nèi)和對應(yīng)實驗條件下，微波功率、液體流量和初始溫度對閃蒸體系溫度的影響分別如表4～6所示。

表4 微波功率對閃蒸體系溫度的影響Table 4 Effect of microwave power on flash evaporation system temperature

表5 液體流量對閃蒸體系溫度的影響Table 5 Effect of liquid flowrate on flash evaporation system temperature

由表4可見：對比微波加熱強(qiáng)化與常規(guī)條件的閃蒸體系平均溫度，微波功率變化對閃蒸體系溫度的影響較弱，僅當(dāng)微波功率為1.35 和1.17 kW時，微波加熱強(qiáng)化條件下的蒸汽出口平均溫度及濃縮液平均溫度比常規(guī)工況分別高出約8 ℃和6 ℃。這說明高功率的微波能夠更高效地對閃蒸罐內(nèi)的工質(zhì)及水蒸氣進(jìn)行加熱，且有多余的熱量被濃縮液及水蒸氣帶出。由表5可見：在相對應(yīng)的液體流量條件下，微波加熱強(qiáng)化條件下的蒸汽出口平均溫度及濃縮液平均溫度比常規(guī)工況下的高。對比微波加熱強(qiáng)化與常規(guī)條件的蒸汽出口平均溫度可知，微波加熱使得閃蒸體系的蒸汽出口平均溫度上升2～10 ℃。由表6 可見：當(dāng)初始溫度為60 ℃及以上時，微波加熱強(qiáng)化條件下的蒸汽出口平均溫度及濃縮液平均溫度比常規(guī)工況的高；而當(dāng)初始溫度為50 ℃時，微波加熱強(qiáng)化條件和常規(guī)工況的蒸汽出口平均溫度及濃縮液平均溫度差異不明顯。閃蒸體系溫度的變化說明微波能在閃蒸罐內(nèi)實現(xiàn)了從電磁能到液體內(nèi)熱、內(nèi)熱到分子動能的轉(zhuǎn)變，從而原位地快速實現(xiàn)了負(fù)壓環(huán)境下的閃蒸過程強(qiáng)化。

表6 初始溫度對閃蒸體系溫度的影響Table 6 Effect of initial temperature on flash evaporation system temperature

3 結(jié)論

1)微波能夠?qū)崟r原位地對閃蒸過程進(jìn)行能量補(bǔ)充，有效減弱了閃蒸溫降過程的影響。微波加熱強(qiáng)化條件下系統(tǒng)冷凝液體積比常規(guī)條件下的大。微波功率越高、液體流量越大、初始溫度越高，系統(tǒng)閃蒸蒸發(fā)效果越好。

2)當(dāng)微波功率為1.35 kW、液體流量為40 L/h、初始溫度為90 ℃、實驗時間為20 min、系統(tǒng)真空度為70～78 kPa時，微波加熱強(qiáng)化條件下的系統(tǒng)蒸發(fā)冷凝液體積達(dá)到1.00 L；而在液體流量為40 L/h，初始溫度為90 ℃，實驗時間為20 min，系統(tǒng)真空度為78 kPa 的常規(guī)方式下，系統(tǒng)蒸發(fā)冷凝液體積為0.74 L。

3)初始溫度及液體流量對閃蒸體系影響更顯著。在初始溫度高于60 ℃的條件下，微波加熱強(qiáng)化條件下的閃蒸體系溫度比常規(guī)工況的高。在1.35 kW微波加熱強(qiáng)化條件下，蒸汽出口平均溫度上升2～10 ℃。