朱勉順，周驥平，張 鍵，徐鐘林，李 躍，居 軍

(1.揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

(2.江蘇科仕達實驗室環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 揚州 225127)

(3.揚州天輝實驗室裝備環(huán)保工程有限公司，江蘇 揚州 225000)

實驗廢液中多含有重金屬、酸堿物、氟化物等有害物質(zhì)，不經(jīng)處理直接排放將導(dǎo)致土壤、水和大氣的污染，危害人和動物的健康[1]。我國高校、研究所的快速發(fā)展以及科研教學(xué)的大量投入，使得實驗室規(guī)模不斷擴大，實驗室化學(xué)試劑和有害物質(zhì)用量的持續(xù)增長及不太成熟的實驗室廢液處理系統(tǒng)，使得實驗廢液處理尤為緊迫[2]，而目前只有少數(shù)高校采取委托其他單位的方式收集處理廢液或進行小范圍的實驗室廢液處理。由于廢液中含有大量復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)致實驗廢液處理過程繁瑣、程序復(fù)雜、設(shè)備分散[3]，因此需要將實驗廢液處理設(shè)備進行模塊化劃分，以方便測試和檢查整體設(shè)備性能及后期對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[4]。

模塊化結(jié)構(gòu)作為一種集成了多功能、可拆卸的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同模塊的組合滿足相同類型的不同產(chǎn)品的要求，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的應(yīng)變能力，不僅促進產(chǎn)品的規(guī)?；l(fā)展，更有利于提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本[5-6]。根據(jù)實驗廢液處理方式、方法和步驟，把實驗室廢液處理裝備劃分為廢液收集模塊、自動加藥模塊、廢液處理模塊等[7]若干個模塊，模塊間既相互獨立又相互組合[8]，組成一個有機統(tǒng)一的處理裝備，在便于制造加工、運輸、現(xiàn)場安裝和調(diào)試的同時，也有利于實驗廢液處理裝備的推廣應(yīng)用。

1 實驗廢液處理裝備的模塊化要求分析

廢液處理需經(jīng)過分類收集、標(biāo)記運輸、轉(zhuǎn)運貯存、工藝處理等環(huán)節(jié)[9]。在分類收集過程中，需要將廢液分為酸堿溶液、有機廢液、無機廢液等，為廢液的工藝處理做好前期準(zhǔn)備；標(biāo)記運輸和轉(zhuǎn)運貯存是為了防止廢液處理前廢液的堆積、混合等一些不必要情況的發(fā)生；廢液工藝處理是將已收集的廢液分別歸到各自的處理工藝上，如含氰廢水的處理需經(jīng)氧化工藝等。每一個工藝處理環(huán)節(jié)都需要相應(yīng)的裝備作為物理硬件支撐，這些裝備應(yīng)配有電動控制系統(tǒng)，以滿足整個廢液處理過程的需求。

根據(jù)設(shè)備分布位置和廢液處理工藝要求，廢液工藝處理裝備的模塊化需滿足以下要求：1)各模塊按廢液處理工藝流程進行對接；2)模塊接口間密封，禁止泄漏；3)模塊布局合理、緊湊；4)要方便管線和儀表的安裝與連接；5)方便后期的維護和保養(yǎng)。

2 實驗廢液處理裝備的模塊化設(shè)計方案

根據(jù)實驗廢液處理工藝要求和模塊化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，將實驗廢液處理裝備按主要工藝流程劃分為廢液分類收集模塊、自動加藥模塊、廢液處理模塊等，如圖1所示。

圖1 廢液處理模塊化劃分

2.1 廢液分類收集模塊

廢液分類收集模塊將廢液分類存放在每個存儲罐，由液位計實時顯示液面高度，且每個罐體能自動控制將廢液輸送至廢液處理模塊。

2.2 自動加藥模塊

自動加藥模塊是將藥劑輸送到廢液處理模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制每一個藥桶溶劑輸入、攪拌泵開閉、加藥泵輸送溶液、藥桶最終剩余藥劑的排出或液面過高時溢流等；加藥桶排放方式可以在雙列和一列之間變換，雙列排放時中間留有過道以便檢查和維修，且配置液位計實時顯示液面高度。

2.3 廢液處理模塊

廢液處理模塊要求廢液處理過程中能夠觀測到每一個容器的工作過程。因容器等設(shè)備體型較大，需建設(shè)至少能夠承受3位正常成年人體重(75 kg/位)的二層平臺，并且有專用樓梯供工作人員檢查設(shè)備時上、下平臺。

3 模塊支承結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.1 模塊支承結(jié)構(gòu)的受力分析

根據(jù)廢液處理工藝裝置的安裝需求，為每個模塊設(shè)立一個支承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的最大載荷為滿載狀態(tài)下廢液或原料的質(zhì)量及裝備的質(zhì)量。廢液分類收集模塊、自動加藥模塊、集中分類處理模塊支承結(jié)構(gòu)所承受的最大載荷見表1。

3.2 支承結(jié)構(gòu)有限元建模

利用SolidWorks軟件在計算機中建立各模塊支承結(jié)構(gòu)的三維模型，建模以實際的結(jié)構(gòu)尺寸和模塊劃分為依據(jù)，由于支承結(jié)構(gòu)零部件較多，以零部件為單元分別進行建模，再按照約束關(guān)系進行裝配。各模塊支承結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

表1 載荷分布表

表2 模塊支承結(jié)構(gòu)主要尺寸

完成支承結(jié)構(gòu)的三維模型建立后，將SolidWorks建立的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進行有限元靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析[10]。定義模塊支承結(jié)構(gòu)材料為Q235，材料屬性見表3[11]。運用ANSYS Workbench對建立的模型進行有限網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后各模塊支承結(jié)構(gòu)的節(jié)點和單元數(shù)見表4。

表3 Q235材料屬性

表4 各模塊支承結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分節(jié)點和單元數(shù)

圖2～圖4為各模塊支承結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型和載荷分布。

圖2 廢液分類收集模塊

圖3 自動加藥模塊

3.3 載荷及邊界條件

按照表1所示載荷數(shù)據(jù)，分別對模塊支承結(jié)構(gòu)施加向下(-y向)的正向壓力，均勻施加在廢液分類收集模塊的4個承載面上、加藥支撐模塊的8個承載面上和集中分類處理模塊的8個承載面上。由于各部件連接方式為焊接，故約束條件設(shè)為Bonded；模塊支承結(jié)構(gòu)底部與地面或者平臺直接接觸，因此對其進行全自由度約束。

3.4 有限元分析結(jié)果

圖5～圖7為各模塊支承結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖和結(jié)構(gòu)總位移圖。由圖可以看出：各模塊的應(yīng)力分布均在34.06～181.48 MPa，小于Q235的屈服強度，表明各模塊支承結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求；在廢液重力載荷作用下各模塊支承結(jié)構(gòu)的變形較小，最大為1.24mm，在廢液分類收集模塊支承結(jié)構(gòu)中二層平臺的一根橫梁上。從圖中還可以觀測到，所有模塊支承結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均在1.2以上，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠，滿足要求。

圖4 集中分類處理模塊

圖5 廢液分類收集模塊

4 模塊的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

模塊間的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個模塊化設(shè)計的重點，準(zhǔn)確合理的設(shè)計是結(jié)構(gòu)安全的保證。本文模塊的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是模塊內(nèi)部之間的連接。由于每個模塊的規(guī)模較大且包含支承結(jié)構(gòu)，空間分布零散，不方便運輸和后期安裝，因此將模塊的支承結(jié)構(gòu)拆分成多個子結(jié)構(gòu)。如將加藥模塊支承結(jié)構(gòu)分為4個底座子結(jié)構(gòu)和立柱結(jié)構(gòu)；分類處理模塊支承結(jié)構(gòu)分為樓梯子結(jié)構(gòu)、二層平臺、調(diào)整槽模支撐塊和各底部承載模塊等[12]。

圖6 自動加藥模塊

圖7 集中分類處理模塊

加藥模塊初始設(shè)計有單獨的加水管道和排水管道，使得管路重復(fù)，占用空間，浪費材料，重新設(shè)計后為一根管道用于加水和排水，如圖8所示，將每4個加藥桶的排放口集中在一起，更方便檢查和維修。

圖8 管路設(shè)計

圖9所示為加藥桶定位裝置。為避免定位機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加制造成本，將角鋼焊接在底座平行平面上，不僅可以定位加藥桶，還能夠承載部分載荷，增強結(jié)構(gòu)強度。

圖9 定位機構(gòu)

支承結(jié)構(gòu)的立柱在運輸中會占用較大的空間，故單獨設(shè)立立柱子模塊，如圖10所示。立柱與連接塊焊接為一個整體，連接塊上有定位孔用于底座的定位與安裝，不僅大大節(jié)省了運輸所需的空間，而且更有利于模塊的結(jié)構(gòu)化設(shè)計和現(xiàn)場安裝。

5 結(jié)束語

對本文的實驗室廢液處理裝備模塊化設(shè)計和模塊支承結(jié)構(gòu)載荷的分析可以看出，模塊構(gòu)件設(shè)計合理，其支承結(jié)構(gòu)力學(xué)性能滿足承載載荷時的強度要求。本文的模塊化設(shè)計方案在寧波工程學(xué)院和中國礦業(yè)大學(xué)的實驗室廢液處理系統(tǒng)的建設(shè)中得到了較好的應(yīng)用，取得了預(yù)期效果。后續(xù)將進一步完善模塊的結(jié)構(gòu)，細(xì)化模塊的合理劃分，為實驗廢液處理裝備的推廣應(yīng)用和高校實驗室環(huán)境污染的防治奠定基礎(chǔ)。

圖10 連接結(jié)構(gòu)