申请日2016.01.08
公开(公告)日2016.04.13
IPC分类号C02F1/06; C02F1/30
摘要
本发明涉及一种用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，属于蒸发处理重金属废水技术领域。本发明包括谐振腔主体、微波馈口、废液入口、废液出口、闪蒸喷嘴、废液输送管道;谐振腔主体由上金属腔、圆柱波导管、下金属腔组成;上金属腔、下金属腔位于圆柱波导管的上下两端;微波馈口设于圆柱波导管的侧面且与谐振腔主体封闭式紧固连接，废液入口、废液出口设于谐振腔主体顶部和底部并与其内腔连通，闪蒸喷嘴设于谐振腔主体内，废液输送管道连接废液入口和闪蒸喷嘴。本发明结构简单、成本低，馈口与闪蒸腔体之间耦合效率高、腔体容积较大、场强较强的区域集中度高、腔体Q值高、微波闪蒸绿色、快速、高效、节能等特点。
权利要求书
1.一种用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，其特征在于：包括谐振腔主体、微波馈口(4)、废液入口(5)、废液出口(6)、闪蒸喷嘴(7)、废液输送管道(9);谐振腔主体由上金属腔(2)、圆柱波导管(1)、下金属腔(3)组成;上金属腔(2)、下金属腔(3)位于圆柱波导管(1)的上下两端;微波馈口(4)设于圆柱波导管(1)的侧面且与谐振腔主体封闭式紧固连接，废液入口(5)、废液出口(6)设于谐振腔主体顶部和底部并与其内腔连通，闪蒸喷嘴(7)设于谐振腔主体内，废液输送管道(9)连接废液入口(5)和闪蒸喷嘴(7)。
2.根据权利要求1所述的用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，其特征在于：所述谐振腔主体为胶囊圆柱形，上金属腔(2)、下金属腔(3)均为圆屋顶状，胶囊圆柱谐振腔主体是由两圆屋顶状的金属导体所构成的对称共焦凹面腔与圆柱波导管(1)等直径封闭式紧固连接而成。
3.根据权利要求1所述的用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，其特征在于：所述闪蒸喷嘴(7)设于谐振腔主体中心轴线处。
4.根据权利要求1所述的用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，其特征在于：所述微波馈口(4)设于圆柱波导管(1)的侧面对称位置处。
5.根据权利要求2所述的用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，其特征在于：所述胶囊圆柱谐振腔主体，其内腔长L和上金属腔(2)、下金属腔(3)的曲率半径R1、R2之间满足如下关系：0￡(1-L/R1)(1-L/R2)￡1。
6.根据权利要求5所述的用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，其特征在于：由两圆屋顶状的金属导体所构成的对称共焦凹面腔的两球面镜的曲率半径R1=R2，且与谐振腔主体的内腔长L相等，即R1=R2=L。
7.根据权利要求5所述的用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，其特征在于：所述谐振腔主体的内腔长L与圆柱波导管长度l之间满足：L=l+2x，其中x为圆屋顶状的金属腔体的内腔高度，即圆屋顶状的上金属腔(2)内腔顶部到圆柱波导管(1)上端的距离，亦是圆屋顶状的下金属腔(3)内腔底部到圆柱波导管(1)下端的距离。
8.根据权利要求2所述的用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，其特征在于：所述圆屋顶状的上金属腔(2)、下金属腔(3)的内腔高度x、圆柱波导管(1)半径a和圆柱波导管长度l之间满足：a2+(l+x)2=(l+2x)2。
说明书
一种用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置
技术领域
本发明涉及一种用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，属于蒸发处理重金属废水技术领域。
背景技术
随着我国现代工业的迅速发展，工业废水中的重金属污染问题日益严重。如何有效治理重金属污染，高效处理这些重金属废水，并使之资源化，已经成为人们共同关注的问题。蒸发是处理含重金属离子废水的有效途径之一。作为重要的化工单元操作之一，蒸发是用加热的方法，使溶液在沸腾状态下将其中的水分或具有挥发性的溶剂部分汽化。因此，蒸发过程是一个热量传递的过程，对于冶金、化工领域来说，蒸发所需要的热量主要来源于热交换，是能量消耗量最大的操作单元之一。
目前的蒸发装置可分为单效、多效、二次蒸汽压缩式和多级闪发式、多效多级闪发式等。单效蒸发效率低，为了提高蒸发效率，蒸发装置逐渐向多效蒸发发展。多效蒸发系统较复杂，三效蒸发需要三台泵，三个蒸发罐，三套换热系统，而且这些设备都需要耐高温、耐压和耐腐蚀，生产制造成本较高。因此，在现有的蒸发装置和工艺中，普遍存在换热效率低、易结垢、投资成本高、设备流程长和能耗高等技术难题。
微波是一种可以快速、原位传递能量的电磁波，是一种绿色、快速、高效、易于自控的新型能源。基于微波加热的微波闪蒸，作为一种绿色高效的蒸发新技术，具有选择性、瞬时性、整体性、安全性、环境友好型及节能高效等特点，已经成为一种新兴的技术在重金属废水处理等领域受到越来越广泛的关注。作为微波闪蒸的载体---微波谐振腔体的设计就成为微波能转化为热能的关键。微波谐振腔的形状对其内电磁场的分布有很大的影响：不合适的形状的谐振腔不但加热效果不好，甚至在腔体内根本就不能产生谐振，从而无法达到液滴闪蒸的效果。
目前，常见的微波闪蒸腔体主要有矩形谐振腔、圆柱形谐振腔和球形谐振腔。矩形谐振腔腔体积小，均温区小，且只能对尺寸较小的物料进行分批处理，难以应用于大尺寸物料的加工和连续稳定生产，适用范围极其有限。为了能够减少能量损耗，必须尽可能提高谐振腔的品质因素Q。为获得高Q值的谐振腔，应选用体积大而表面积小的腔体，显然球形谐振腔最为理想，但球形腔不易制作。圆柱形谐振腔较矩形和球形谐振腔具有制作成本低、耐压能力强、几何尺寸较大且易控制、有很高的Q值、制作工艺成熟等优点。是当下发展最成熟、应用最广泛的一种微波闪蒸腔体。然而由于其腔体结构的制约，腔体内存在的模式数较少、场分布不均匀，微波闪蒸速率慢、效率低、能耗高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，用于解决现有蒸发装置和工艺中，普遍存在换热效率低、易结垢、投资成本高、设备流程长和能耗高等技术难题，同时解决现有技术中由于其腔体结构的制约，腔体内存在的模式数较少、场分布不均匀，微波闪蒸速率慢、效率低、能耗高等问题。
本发明技术方案是：一种用于重金属废水处理的胶囊圆柱形微波闪蒸装置，包括谐振腔主体、微波馈口4、废液入口5、废液出口6、闪蒸喷嘴7、废液输送管道9;谐振腔主体由上金属腔2、圆柱波导管1、下金属腔3组成;上金属腔2、下金属腔3位于圆柱波导管1的上下两端;微波馈口4设于圆柱波导管1的侧面且与谐振腔主体封闭式紧固连接，废液入口5、废液出口6设于谐振腔主体顶部和底部并与其内腔连通，闪蒸喷嘴7设于谐振腔主体内，废液输送管道9连接废液入口5和闪蒸喷嘴7。
所述谐振腔主体为胶囊圆柱形，上金属腔2、下金属腔3均为圆屋顶状，两圆屋顶状的金属导体构成对称共焦凹面腔，并与圆柱波导管1等直径封闭式紧固连接，构成一个封闭式的准光学谐振腔。
所述闪蒸喷嘴7设于谐振腔主体中心轴线处。由于两圆屋顶状的金属腔相当于准光学谐振腔的两个凹面镜，由于球面镜的聚焦特性，电磁波在两者之间来回反射的过程中，谐振腔中的大部分能量可以被限制在腔体中心轴线附近的狭小区域内，若将待蒸发的液滴喷向该区域，微波闪蒸速度更快，效率更高。
所述微波馈口4设于圆柱波导管1的侧面对称位置处，保证从磁控管发出的微波经微波馈口4馈入谐振腔主体时，能量能够对称分布于腔体内，均匀加热废液。
所述胶囊圆柱谐振腔主体，其内腔长L和上金属腔2、下金属腔3的曲率半径R1、R2之间满足如下关系：0￡(1-L/R1)(1-L/R2)￡1。当谐振腔的几何参数满足上述条件时，电磁波可以在腔体内建立稳定的谐振，波在两镜面之间往返多次形成驻波而不逸出腔外。
由两圆屋顶状的金属导体所构成的对称共焦凹面腔的两球面镜的曲率半径R1=R2，且与谐振腔主体的内腔长L相等，即R1=R2=L，构成对称共焦凹面腔。其中，内腔长L为胶囊圆柱谐振腔主体的长度，即由两圆屋顶状的金属导体所构成的对称共焦凹面腔的两球面镜之间的距离;
所述谐振腔主体的内腔长L与圆柱波导管长度l之间满足：L=l+2x，，保证对称共焦凹面腔与圆柱波导管无缝连接。其中x为圆屋顶状的金属腔体的内腔高度，即圆屋顶状的上金属腔2内腔顶部到圆柱波导管1上端的距离，亦是圆屋顶状的下金属腔3内腔底部到圆柱波导管1下端的距离。
所述圆屋顶状的上金属腔2、下金属腔3的内腔高度x、圆柱波导管1半径a和圆柱波导管长度l之间满足：a2+(l+x)2=(l+2x)2。，保证所述对称共焦凹面腔能与圆柱波导管等直径封闭式紧固连接。
本发明的工作原理是：
本发明根据准光学谐振腔的原理，将圆柱波导管与准光学谐振腔相结合，设计一种胶囊圆柱形的微波闪蒸装置。从磁控管发出的2.45GHz微波能量，通过微波馈口4(可采用BJ-26型的矩形波导馈口)馈入到闪蒸腔体(胶囊圆柱谐振腔主体)中后，微波可以在由两圆屋顶状的金属导体构成的对称共焦凹面腔之间来回反射，使得绝大部分的微波能量在空间上向中央区域汇聚，若将待蒸发的重金属离子废水液滴喷向闪蒸腔体内场强分布较集中的中央区域，即可达到提高微波闪蒸的反应速率和效率的目的。
因而本发明胶囊圆柱形的微波闪蒸装置包括胶囊圆柱形的谐振腔主体、设于腔体侧面并与之连通的BJ-26型的矩形波导馈口、置于中心轴线处的闪蒸喷嘴7、含重金属离子废液液滴8的入口和出口以及连接废液入口5与闪蒸喷嘴7的废液输送管道9。
上述由两金属导体构成的对称共焦凹面腔及圆柱形波导共同组成的胶囊圆柱谐振腔主体，其内腔长L和对称共焦凹面腔的曲率半径R1、R2之间满足如下关系：0￡(1-L/R1)(1-L/R2)￡1，凹面腔与圆柱形波导等直径封闭式紧固连接。设于腔体侧面的BJ-26型的矩形波导馈口与胶囊圆柱谐振腔主体封闭式紧固连接。待蒸发的重金属离子废水液滴由置于腔体中心轴线处的闪蒸喷嘴喷出。浓缩之后的重金属离子废液物料再从腔体的废液出口排出并进行二次回收。
本发明胶囊圆柱形的微波闪蒸装置是根据准光学谐振腔的原理，将圆柱波导管与由两金属导体构成的对称共焦谐振腔结合而成，两圆屋顶状的金属腔相当于准光学谐振腔的两个凹面镜，当磁控管发出的微波经矩形微波馈口4辐射到腔体中时，由于凹面镜的汇聚作用，微波在两金属腔之间来回反射的过程中，微波会在空间上向中央区域汇聚并形成稳定的场分布，从而有效提高微波闪蒸的反应速率和效率。
本发明的有益效果是：
1、本发明结构简单，解决现有蒸发装置设备流程长、投资成本高等问题，耐高温、耐压和耐腐蚀;
2、本发明绿色、快速、高效、节能、环保。微波是一种可以快速、原位传递能量的电磁波，是一种易于自控的新型能源。基于微波加热的微波闪蒸是一种绿色高效的蒸发新技术，具有选择性、瞬时性、整体性、安全性、环境友好型及节能高效等特点;
3、本发明的微波馈口与闪蒸腔体之间具有较好的微波耦合效率、腔体容积较大、场强较强的区域集中度高、腔体品质因素即Q值高;
4、本发明可以在充分发挥圆柱形微波闪蒸装置的各种优势的基础上，使得腔体内场分布更均匀，在工作频率2.45GHz附近模式谱线分布更集中，微波闪蒸的速度更快、效率更高、成本更低。