實(shí)驗(yàn)廢液處理裝備的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱勉順，周驥平，張 鍵，徐鐘林，李 躍，居 軍

(1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

(2.江蘇科仕達(dá)實(shí)驗(yàn)室環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 揚(yáng)州 225127)

(3.揚(yáng)州天輝實(shí)驗(yàn)室裝備環(huán)保工程有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室規(guī)模不斷擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室廢液處理系統(tǒng)，使得實(shí)驗(yàn)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(jìn)行小范圍的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)廢液處理設(shè)備進(jìn)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(jìn)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(jìn)產(chǎn)品的規(guī)模化發(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(shí)驗(yàn)廢液處理方式、方法和步驟，把實(shí)驗(yàn)室廢液處理裝備劃分為廢液收集模塊、自動(dòng)加藥模塊、廢液處理模塊等[7]若干個(gè)模塊，模塊間既相互獨(dú)立又相互組合[8]，組成一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一的處理裝備，在便于制造加工、運(yùn)輸、現(xiàn)場安裝和調(diào)試的同時(shí)，也有利于實(shí)驗(yàn)廢液處理裝備的推廣應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)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(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)廢液、無機(jī)廢液等，為廢液的工藝處理做好前期準(zhǔn)備；標(biāo)記運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)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(gè)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(dòng)控制系統(tǒng)，以滿足整個(gè)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(jìn)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(hù)和保養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)廢液處理裝備的模塊化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)廢液處理工藝要求和模塊化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(gè)存儲(chǔ)罐，由液位計(jì)實(shí)時(shí)顯示液面高度，且每個(gè)罐體能自動(dòng)控制將廢液輸送至廢液處理模塊。

2.2 自動(dòng)加藥模塊

自動(dòng)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(dòng)控制每一個(gè)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(shí)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(shí)中間留有過道以便檢查和維修，且配置液位計(jì)實(shí)時(shí)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(gè)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(tái)，并且有專用樓梯供工作人員檢查設(shè)備時(shí)上、下平臺(tái)。

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(gè)模塊設(shè)立一個(gè)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(dòng)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(jì)算機(jī)中建立各模塊支承結(jié)構(gòu)的三維模型，建模以實(shí)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(jìn)行建模，再按照約束關(guān)系進(jìn)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(jìn)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(yùn)用ANSYS Workbench對建立的模型進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)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(gè)承載面上、加藥支撐模塊的8個(gè)承載面上和集中分類處理模塊的8個(gè)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(tái)直接接觸，因此對其進(jìn)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(qiáng)度，表明各模塊支承結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)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(tái)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(jì)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(jì)

模塊間的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)模塊化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，準(zhǔn)確合理的設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)安全的保證。本文模塊的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是模塊內(nèi)部之間的連接。由于每個(gè)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(yùn)輸和后期安裝，因此將模塊的支承結(jié)構(gòu)拆分成多個(gè)子結(jié)構(gòu)。如將加藥模塊支承結(jié)構(gòu)分為4個(gè)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(tái)、調(diào)整槽模支撐塊和各底部承載模塊等[12]。

圖6 自動(dòng)加藥模塊

圖7 集中分類處理模塊

加藥模塊初始設(shè)計(jì)有單獨(dú)的加水管道和排水管道，使得管路重復(fù)，占用空間，浪費(fèi)材料，重新設(shè)計(jì)后為一根管道用于加水和排水，如圖8所示，將每4個(gè)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(jì)

圖9所示為加藥桶定位裝置。為避免定位機(jī)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(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖9 定位機(jī)構(gòu)

支承結(jié)構(gòu)的立柱在運(yùn)輸中會(huì)占用較大的空間，故單獨(dú)設(shè)立立柱子模塊，如圖10所示。立柱與連接塊焊接為一個(gè)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(yùn)輸所需的空間，而且更有利于模塊的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場安裝。

5 結(jié)束語

對本文的實(shí)驗(yàn)室廢液處理裝備模塊化設(shè)計(jì)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(jì)合理，其支承結(jié)構(gòu)力學(xué)性能滿足承載載荷時(shí)的強(qiáng)度要求。本文的模塊化設(shè)計(jì)方案在寧波工程學(xué)院和中國礦業(yè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步完善模塊的結(jié)構(gòu)，細(xì)化模塊的合理劃分，為實(shí)驗(yàn)廢液處理裝備的推廣應(yīng)用和高校實(shí)驗(yàn)室環(huán)境污染的防治奠定基礎(chǔ)。

圖10 連接結(jié)構(gòu)