朱勉顺，周骥平，张 键，徐钟林，李 跃，居 军

(1.扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127)

(2.江苏科仕达实验室环保科技有限公司，江苏 扬州 225127)

(3.扬州天辉实验室装备环保工程有限公司，江苏 扬州 225000)

实验废液中多含有重金属、酸碱物、氟化物等有害物质，不经处理直接排放将导致土壤、水和大气的污染，危害人和动物的健康[1]。我国高校、研究所的快速发展以及科研教学的大量投入，使得实验室规模不断扩大，实验室化学试剂和有害物质用量的持续增长及不太成熟的实验室废液处理系统，使得实验废液处理尤为紧迫[2]，而目前只有少数高校采取委托其他单位的方式收集处理废液或进行小范围的实验室废液处理。由于废液中含有大量复杂的化学物质，导致实验废液处理过程繁琐、程序复杂、设备分散[3]，因此需要将实验废液处理设备进行模块化划分，以方便测试和检查整体设备性能及后期对结构进行优化[4]。

模块化结构作为一种集成了多功能、可拆卸的结构，可根据不同模块的组合满足相同类型的不同产品的要求，从而提高产品生产过程中的应变能力，不仅促进产品的规模化发展，更有利于提高企业产品质量和生产率，降低生产成本[5-6]。根据实验废液处理方式、方法和步骤，把实验室废液处理装备划分为废液收集模块、自动加药模块、废液处理模块等[7]若干个模块，模块间既相互独立又相互组合[8]，组成一个有机统一的处理装备，在便于制造加工、运输、现场安装和调试的同时，也有利于实验废液处理装备的推广应用。

1 实验废液处理装备的模块化要求分析

废液处理需经过分类收集、标记运输、转运贮存、工艺处理等环节[9]。在分类收集过程中，需要将废液分为酸碱溶液、有机废液、无机废液等，为废液的工艺处理做好前期准备；标记运输和转运贮存是为了防止废液处理前废液的堆积、混合等一些不必要情况的发生；废液工艺处理是将已收集的废液分别归到各自的处理工艺上，如含氰废水的处理需经氧化工艺等。每一个工艺处理环节都需要相应的装备作为物理硬件支撑，这些装备应配有电动控制系统，以满足整个废液处理过程的需求。

根据设备分布位置和废液处理工艺要求，废液工艺处理装备的模块化需满足以下要求：1)各模块按废液处理工艺流程进行对接；2)模块接口间密封，禁止泄漏；3)模块布局合理、紧凑；4)要方便管线和仪表的安装与连接；5)方便后期的维护和保养。

2 实验废液处理装备的模块化设计方案

根据实验废液处理工艺要求和模块化产品的结构特点，将实验废液处理装备按主要工艺流程划分为废液分类收集模块、自动加药模块、废液处理模块等，如图1所示。

图1 废液处理模块化划分

2.1 废液分类收集模块

废液分类收集模块将废液分类存放在每个存储罐，由液位计实时显示液面高度，且每个罐体能自动控制将废液输送至废液处理模块。

2.2 自动加药模块

自动加药模块是将药剂输送到废液处理模块，能够实现自动控制每一个药桶溶剂输入、搅拌泵开闭、加药泵输送溶液、药桶最终剩余药剂的排出或液面过高时溢流等；加药桶排放方式可以在双列和一列之间变换，双列排放时中间留有过道以便检查和维修，且配置液位计实时显示液面高度。

2.3 废液处理模块

废液处理模块要求废液处理过程中能够观测到每一个容器的工作过程。因容器等设备体型较大，需建设至少能够承受3位正常成年人体重(75 kg/位)的二层平台，并且有专用楼梯供工作人员检查设备时上、下平台。

3 模块支承结构的有限元分析

3.1 模块支承结构的受力分析

根据废液处理工艺装置的安装需求，为每个模块设立一个支承结构，该结构的最大载荷为满载状态下废液或原料的质量及装备的质量。废液分类收集模块、自动加药模块、集中分类处理模块支承结构所承受的最大载荷见表1。

3.2 支承结构有限元建模

利用SolidWorks软件在计算机中建立各模块支承结构的三维模型，建模以实际的结构尺寸和模块划分为依据，由于支承结构零部件较多，以零部件为单元分别进行建模，再按照约束关系进行装配。各模块支承结构尺寸见表2。

表1 载荷分布表

表2 模块支承结构主要尺寸

完成支承结构的三维模型建立后，将SolidWorks建立的模型导入ANSYS Workbench中进行有限元静力学结构分析[10]。定义模块支承结构材料为Q235，材料属性见表3[11]。运用ANSYS Workbench对建立的模型进行有限网格划分，划分网格后各模块支承结构的节点和单元数见表4。

表3 Q235材料属性

表4 各模块支承结构网格划分节点和单元数

图2～图4为各模块支承结构的网格模型和载荷分布。

图2 废液分类收集模块

图3 自动加药模块

3.3 载荷及边界条件

按照表1所示载荷数据，分别对模块支承结构施加向下(-y向)的正向压力，均匀施加在废液分类收集模块的4个承载面上、加药支撑模块的8个承载面上和集中分类处理模块的8个承载面上。由于各部件连接方式为焊接，故约束条件设为Bonded；模块支承结构底部与地面或者平台直接接触，因此对其进行全自由度约束。

3.4 有限元分析结果

图5～图7为各模块支承结构应力云图和结构总位移图。由图可以看出：各模块的应力分布均在34.06～181.48 MPa，小于Q235的屈服强度，表明各模块支承结构满足设计要求；在废液重力载荷作用下各模块支承结构的变形较小，最大为1.24mm，在废液分类收集模块支承结构中二层平台的一根横梁上。从图中还可以观测到，所有模块支承结构的安全系数均在1.2以上，说明结构设计安全可靠，满足要求。

图4 集中分类处理模块

图5 废液分类收集模块

4 模块的连接结构设计

模块间的连接结构设计是整个模块化设计的重点，准确合理的设计是结构安全的保证。本文模块的连接结构设计主要是模块内部之间的连接。由于每个模块的规模较大且包含支承结构，空间分布零散，不方便运输和后期安装，因此将模块的支承结构拆分成多个子结构。如将加药模块支承结构分为4个底座子结构和立柱结构；分类处理模块支承结构分为楼梯子结构、二层平台、调整槽模支撑块和各底部承载模块等[12]。

图6 自动加药模块

图7 集中分类处理模块

加药模块初始设计有单独的加水管道和排水管道，使得管路重复，占用空间，浪费材料，重新设计后为一根管道用于加水和排水，如图8所示，将每4个加药桶的排放口集中在一起，更方便检查和维修。

图8 管路设计

图9所示为加药桶定位装置。为避免定位机构结构复杂，增加制造成本，将角钢焊接在底座平行平面上，不仅可以定位加药桶，还能够承载部分载荷，增强结构强度。

图9 定位机构

支承结构的立柱在运输中会占用较大的空间，故单独设立立柱子模块，如图10所示。立柱与连接块焊接为一个整体，连接块上有定位孔用于底座的定位与安装，不仅大大节省了运输所需的空间，而且更有利于模块的结构化设计和现场安装。

5 结束语

对本文的实验室废液处理装备模块化设计和模块支承结构载荷的分析可以看出，模块构件设计合理，其支承结构力学性能满足承载载荷时的强度要求。本文的模块化设计方案在宁波工程学院和中国矿业大学的实验室废液处理系统的建设中得到了较好的应用，取得了预期效果。后续将进一步完善模块的结构，细化模块的合理划分，为实验废液处理装备的推广应用和高校实验室环境污染的防治奠定基础。

图10 连接结构