微波加熱強化閃蒸的蒸發特性

田時泓，郭磊，巨少華，張暉

(1.昆明理工大學冶金與能源工程學院，云南昆明，650093；2.昆明理工大學微波能工程應用及裝備技術國家地方聯合工程實驗室，云南昆明，650093；3.昆明理工大學非常規冶金教育部重點實驗室，云南昆明，650093；4.云南磷化集團有限公司磷資源開發利用工程技術研究分公司，云南昆明，650600)

蒸發作為現代工業生產過程的重要工序之一，被廣泛應用于化工、海水淡化、印刷、廢水處理、冶金、氯堿生產等工業領域[1-5]。蒸發以各種處理方式存在于這些工業領域中，主要包括單效蒸發、單級閃蒸、多效蒸發(MEE)、多級閃蒸(MSF)、熱力蒸汽再壓縮(TVR)及機械式蒸汽再壓縮(MVR)等[6]。其中，單效蒸發過程采用單級蒸發器、單級泵及熱源系統，所產生的蒸汽不作為熱源回收利用。由于工業成本及投資控制，工業中的蒸發過程逐漸向多級多效發展。多效蒸發通過將多個單效蒸發流程進行結合，采用多個蒸發器及鍋爐，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器，最終完成換熱的蒸汽于末效排出系統[7-8]。在多效蒸發的基礎上，機械式蒸汽再壓縮蒸發技術被廣泛利用，通過壓縮機將蒸發室內產生的二次蒸汽增壓處理，獲取更高品位的蒸汽作為蒸發器內的熱源使用，這種蒸發裝置與多效蒸發器相比，節能效率提高30%～70%[9]。由于蒸發過程常與熱轉化過程相配合，針對熱溶液的濃縮，在工業應用采用閃蒸方式進行處理。閃蒸也被廣泛應用于低壓環境下的冷卻和蒸發過程中。實際上，閃蒸通常與降膜蒸發聯用，從而形成多級的降膜閃蒸蒸發系統，二次蒸汽回收后作為原液循環加熱過程中的熱源使用[10]。傳統蒸發工藝所采用的蒸發流程是多效蒸發或多級閃蒸，或者多效蒸發與多級閃蒸聯合使用。這些處理方式一般需要三效蒸發或者三級閃蒸從而實現溶液的濃縮。此外，在各效之間進行物料的流轉需要采用強制循環方式，在蒸發器內部由于腐蝕及結垢，從而導致蒸發器熱效率下降[11]。海水淡化過程中經常使用的方式為熱電聯產，蒸汽機產生的高溫蒸汽用于汽輪機發電后，將具有余熱的乏汽回收壓縮用于蒸發器進行海水淡化。這類設備具有復雜的膜式換熱系統，資金投入較大[12]。以上這些問題導致蒸發流程在工業生產過程中所占據的成本很高。例如，在氧化鋁工業中蒸發流程占據的能耗為25%～30%[13]。閃蒸被廣泛應用于蒸發流程中，閃蒸是通過將高溫液體置于低于其飽和壓力的環境中，液體多余顯熱釋放轉化為蒸發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部分得到快速濃縮的過程[14]。閃蒸過程的主要特點在于液體溫降速度快，傳統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，這部分熱量的轉化不足以實現濃縮效果，因此，通過遞減壓力結合料液循環的多級閃蒸被廣泛應用。但

由于在閃蒸濃縮過程中料液的溫降以及真空對熱量補充的限制，多級閃蒸工藝通常采用閃蒸罐外進行熱量補給的方式提高料液的溫度，這增加了系統的復雜性與設備的投資成本。因此，需采用一種可以在真空條件下對閃蒸罐內的料液補充熱量且提高單級閃蒸效率的加熱方式，以改進閃蒸設備，優化蒸發工藝，減少設備投資。研究表明，液體溫度、環境壓力是閃蒸過程的關鍵控制性因素，增加初始溫度或降低環境壓力可使閃蒸的蒸發強度增加[15]。采用外場強化蒸發過程的方式被人們廣泛關注，被采用的外場主要包括微波場、超聲場、電場、磁場。外場具有提高反應效率、縮減過程時間、提高生產效率、降低環境污染等效果[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、響應迅速等優點，且微波在真空環境中傳播，其能量損失很低，因此，將微波作為外場強化蒸發過程有助于解決傳熱速率慢、能耗高、產品質量低等關鍵性問題，在加快蒸發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行協同優化設計，使微波加熱與閃蒸過程在同一腔體中得到耦合，以此為基礎開發了微波閃蒸新技術。其核心原理在于微波能通過饋口進入到閃蒸罐內被料液吸收，實現料液溫度原位快速提升使得料液持續沸騰，從而達到強化閃蒸過程的目的。本文作者采用前期設計開發的微波閃蒸系統，進行流態水閃蒸的強化實驗研究，研究微波功率、液體流量、初始溫度對閃蒸蒸發效果以及體系溫度的影響，以期為微波加熱強化閃蒸過程的工程應用提供參考。

1 實驗

1.1 實驗裝置

微波閃蒸裝置結構如圖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行連通，罐體和管道表面均進行了保溫處理。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環境整體成為低壓環境，同時保證閃蒸罐內水蒸氣的排出并維持罐體系統內的壓力梯度。

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 實驗設備

實驗系統所用的閃蒸罐為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。進液口布置在罐體穹頂中心位置。實驗系統采用北京星儀傳感有限公司生產的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出口、閃蒸罐蒸汽出口、閃蒸罐側面等位置，壓力變送器安裝在閃蒸罐頂蓋位置。系統所用真空泵為SHZ-95型循環水真空泵，單孔抽氣速率為10 L/min，最高可抽取的罐體真空度為當地大氣壓的95%以上。系統采用SAMSUNG 磁控管作為微波發生裝置，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液體，首先在原液加熱罐中預熱實驗工質液體到設定溫度。為了減少管道和系統散熱的影響，采用加熱的液體對管道和罐體預熱10 min，然后放掉預熱所消耗的液體。關閉閃蒸系統的所有閥門，啟動真空泵抽取罐體系統壓力至設定值。最后開啟進液閥門和微波源，調節流量及微波功率至設定值后開始實驗。

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行實驗，實驗時間為20 min，隔5 min 記錄1 次系統溫度。實驗結束后關閉進液閥門及微波，解除系統真空，放出濃縮液收集罐和冷凝液收集罐內的液體，測量并記錄液體體積。實驗參數如表1所示。

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

1.4 分析參數

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

式中：Vi為進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。

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

式中：ηm為微波加熱強化方式下的閃蒸率。

2 實驗結果與討論

2.1 實驗參數對閃蒸效果的影響

2.1.1 微波功率的影響

采用水作為工質，并基于表1中的實驗參數開展常規方式和微波加熱強化方式的實驗。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、系統真空度為70～78 kPa和實驗時間為20 min 的實驗條件下，調整微波功率開展微波加熱強化實驗。微波功率對系統閃蒸效果(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化作用。當液體流量為40 L/h和微波功率為0.81 kW 時，冷凝液量為0.55 L；而當微波功率為1.35 kW 時，冷凝液體積為1.00 L。當液體流量為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明顯差異，這是因為不同的微波功率使得罐體內部出現不同的電磁場分布狀態，因閃蒸罐的結構恒定且體積為定值，高功率工況下電磁場強度大，低功率工況下電磁場強度小，在高功率工況下閃蒸罐內液體對微波能的轉化效率更高。

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 ℃、系統真空度為78 kPa、實驗時間為20 min 的條件下，調節液體流量為10～40 L/h(調節步長為10 L/h)，探究常規方式和微波加熱強化方式下流量對閃蒸效果的影響，結果如表2所示。

由表2可見，隨著液體流量的增加，常規閃蒸的冷凝液體積增加，當液體流量為40 L/h時，獲得的最大冷凝液體積為0.74 L。在實驗參數范圍內，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，微波加熱強化的冷凝液體積比常規的高。這主要是由于：一方面，微波使得閃蒸罐內的熱量平衡被打破，由于液體經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。

從表2還可見：在相同流量下，微波加熱強化方式的冷凝液體積和閃蒸率相比常規方式明顯增加。隨著液體流量增加，冷凝液體積明顯增加，且微波加熱強化方式的冷凝液體積增量和增速都比常規方式的高。閃蒸率隨流量增加而降低，且微波加熱強化方式的閃蒸率比常規方式的下降更明顯。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度大，但隨著液體流量增加，單位體積液體中的電磁場強度降低。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：在實驗參數范圍內微波強化蒸發效率為29.73%～100%。因常規方式是以高溫液體突然暴露于低壓環境中的過熱熱量作為蒸發驅動力，而微波加熱強化方式是蒸發驅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充了熱量，有效減弱了常規閃蒸過程中工質溫降過程的影響，因此，閃蒸過程得到強化。參照微波加熱固體物料的規律，微波加熱提供液體能量時的轉化率與液體流量呈正相關關系，液體流量增加提高了微波能的轉化率，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，探究常規和微波加熱強化2種方式下液體初始溫度對閃蒸效果及閃蒸率的影響，結果分別如圖4和圖5所示。初始溫度對閃蒸率及強化蒸發效率的影響如表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，微波加熱強化方式的冷凝液體積比常規方式的高。這是因為初始溫度越高，液體所能提供的過熱熱量越多，而低壓環境使得蒸發所要求的潛熱降低，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充，系統閃蒸量增加，說明微波加熱強化了閃蒸過程。相應地，從表3可見，在實驗參數范圍內強化蒸發效率為13.51%～45.83%。

表2 微波加熱強化與常規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化蒸發效率的影響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，微波加熱強化相比于常規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行測量并取均值。在實驗時間內和對應實驗條件下，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：對比微波加熱強化與常規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，僅當微波功率為1.35 和1.17 kW時，微波加熱強化條件下的蒸汽出口平均溫度及濃縮液平均溫度比常規工況分別高出約8 ℃和6 ℃。這說明高功率的微波能夠更高效地對閃蒸罐內的工質及水蒸氣進行加熱，且有多余的熱量被濃縮液及水蒸氣帶出。由表5可見：在相對應的液體流量條件下，微波加熱強化條件下的蒸汽出口平均溫度及濃縮液平均溫度比常規工況下的高。對比微波加熱強化與常規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：當初始溫度為60 ℃及以上時，微波加熱強化條件下的蒸汽出口平均溫度及濃縮液平均溫度比常規工況的高；而當初始溫度為50 ℃時，微波加熱強化條件和常規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實現了從電磁能到液體內熱、內熱到分子動能的轉變，從而原位地快速實現了負壓環境下的閃蒸過程強化。

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 結論

1)微波能夠實時原位地對閃蒸過程進行能量補充，有效減弱了閃蒸溫降過程的影響。微波加熱強化條件下系統冷凝液體積比常規條件下的大。微波功率越高、液體流量越大、初始溫度越高，系統閃蒸蒸發效果越好。

2)當微波功率為1.35 kW、液體流量為40 L/h、初始溫度為90 ℃、實驗時間為20 min、系統真空度為70～78 kPa時，微波加熱強化條件下的系統蒸發冷凝液體積達到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，系統真空度為78 kPa 的常規方式下，系統蒸發冷凝液體積為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，微波加熱強化條件下的閃蒸體系溫度比常規工況的高。在1.35 kW微波加熱強化條件下，蒸汽出口平均溫度上升2～10 ℃。