黃 艷

（核工業理化工程研究院，天津 300180）

產品制備過程，收率是物料衡算過程的重要指標。針對間歇反應工藝，會有很多中間暫存儲罐。為了減少產品在不同暫存儲罐中產生的滯留，具有自清潔功能的儲罐對減少物料的殘留具有重要作用。

我國工業設備中大多的清洗設備采用人工清洗、機械清洗、化學清洗等技術，但這些方法都存在污染較高，能耗大，最主要的是清洗液用量大[1-2]的缺點。水射流技術是以水為介質，通過高壓發生裝置，使它獲得巨大的能量后，用一種特定的流體運動方式，從一定形狀的噴嘴，以很高的速度噴射出來。Babets等研究了使用高壓水射流進行油漆覆層的清洗，得到了清洗參數和清洗效果的關系。卞致瑞等研究了使用高壓水射流進行鋼板除鱗技術的應用。Palm等研究了船體外殼銹蝕等的高壓水射流清洗。Peng等研究了采用高壓水射流真空抽吸系統來清潔飛機表面的銹蝕[3]。

為了進一步減少沖洗液用量，在高壓水射流技術基礎上，本研究將不銹鋼儲罐進行表面鍍膜處理，使內壁具備超疏水性能。以少量多次為原則，采用懸臂噴洗的方式以低壓力、小流量液體反復沖洗內壁。文中對實驗裝置進行設計和搭建，通過實驗得到噴嘴孔徑、水壓、懸臂轉速等最優工藝參數，建立不同工藝指標下自沖洗工藝。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

該實驗裝置為間歇處理裝置。結構包括4部分，如圖1所示。

圖1 自清潔實驗裝置圖

（1）儲罐。

（2）噴淋系統包括旋轉沖洗桿和設置在旋轉沖洗桿末端的噴淋頭。旋轉沖洗桿的頂端封口，頂端側壁上設有進液口，噴淋頭朝向儲罐的內壁。

（3）旋轉驅動系統包括步進電機和固定電機的 平臺。

（4）直線驅動系統用于控制運動平臺進行上下 運行。

1.2 實驗方法

取100ml 濃度為2g/L的Gd（NO3）3溶液，緩慢倒入12.9L儲罐中進行攪拌，混合一定時間后，將物料通過排料口放空，然后利用懸臂噴嘴在一定參數條件下對內壁進行第一次沖洗；用13L純水進行第二次沖洗，采用ICP-MS分別測量兩次沖洗液中的Gd濃度。

為了評價沖洗的效率，研究中將第一次和第二次沖洗液中的物料含量占總滯留量的百分數p1、p2作為參數結果。

其中，p1是一次沖洗效率；

p2是二次沖洗效率；

m1是一次沖洗液中的Gd質量，mg；

m2是二次沖洗液中的Gd質量，mg；

將沖洗液中Gd含量占總Gd加入量的比值作為滯留率的參數結果。如式（3）、式（4）所示。

其中，Z0是沖洗前總滯留率；

Z1是一次沖洗滯留率；

m0是加入Gd溶液中溶質的質量，mg；

2 結果與討論

針對沖洗過程中涉及的影響因素（包括噴嘴孔徑、水壓、懸臂轉速及滑臺高度）進行了單因素實驗研究，并通過正交試驗得出了多因素工藝參數 組合。

2.1 噴嘴孔徑對滯留量的影響

通過更換不同孔徑的噴嘴（0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm）固定其他參數，測得m1，m2和對應的清洗液用量，得到關系曲線，如圖2，隨著噴嘴孔徑的增大，一次清洗率明顯下降，這表明在相同壓力條件下，小孔徑噴嘴容易獲得更大的流體出口速度，其與釜內壁的殘留液體接觸時，可以更有效地清除滯留液體。

圖2 噴嘴孔徑對清洗性能和清洗液用量的影響

通過式（3）計算，沖洗前調料罐壁滯留率Z0為0.01%～0.02%，收率高于99.9%；一次沖洗后，收率大于99.99%。綜合清洗率和滯留率，1#噴嘴在清洗液用量最少前提下，沖洗效率達到99.99%的指標。

2.2 水壓對滯留量的影響

通過調節不同水壓（0.01MPa，0.03MPa，0.05MPa，0.07MPa，0.1MPa）固定其他參數，測得m1、m2和沖洗液用量，并根據公式計算出p1和p2，得到關系曲線圖3。

圖3 水壓對清洗性能和清洗液用量的影響

如圖3（a）可知，清洗率p1隨水壓的增大呈現先增長后穩定的變化趨勢。在一定壓力下，沖洗效果的大幅增強可以用射流清洗原理來解釋。在工程應用中，射流清洗是使用水射流使一種或多種材料從基體表面脫離下來的過程，其具有應用范圍廣、清洗成本低、節約用水的優點。描述射流的參數很多，其中，噴嘴孔徑以及水壓是沖洗過程中最常見的變量參數，它們之間具有如下關系[5]：

其中，vt是射流出口理論速度，m/s

p射流壓力，MPa

qt是射流流量，L/min

At是橫截面積，mm2

d是噴嘴出口直徑，mm

由式（5）、式（6）可以得出結論，射流速度與射流壓力成正比，而相同射流流量隨噴嘴出口孔徑的增大而增大。本實驗的清洗過程中，隨著壓力的上升水流速度增大，其對清洗表面覆層的沖擊壓力增大，清洗寬度和深度也增加。所以當壓力上升時，釜壁清洗率提高。通過計算，沖洗前，釜壁滯留率Z0為0.01%～0.02%，收率高于99.9%；一次沖洗后，收率高于99.99%。結合清洗量，選用沖洗液用量最少的0.05MPa為水壓的實驗參數。

2.3 懸臂速度沖洗對滯留量的影響

實驗針對不同懸臂速度的沖洗過程做了相關實驗。固定其他參數分別調整攪拌速度為5r/min，8r/min，13r/min，測得m1、m2和對應的清洗液用量，并根據公式計算出p1和p2，得到關系曲線圖4。從圖4可以看出，隨著攪拌轉速的增加，p1呈現先減小后不變的趨勢。這是由于低轉速下，沖洗液在壁上停留時間長，可以更好地與內壁接觸，更完全地沖洗內壁的滯留；而逐漸增大轉速后，p1減小到一定程度后保持不變。根據文獻的研究結果顯示，材料移除的寬度或深度隨著移動速度的增加而降低，主要原因是因為移動速度的增加使單位面積覆蓋獲得的能量降低，導致清洗寬度和深度降低。同時，較低轉速下沖洗時間長，則耗水量也大。

圖4 不同懸臂轉速對清洗性能和清洗液用量的影響

根據計算，沖洗前，釜壁滯留率Z0約為0.02%～0.03%，收率達到99.9%；一次沖洗后，收率高于99.99%。結合耗水量，實驗選用沖洗液用量最少的13r/min為轉速實驗參數。

2.4 沖洗間距對滯留量的影響

沖洗間距對沖洗效率有著重要的作用，過小的間距雖然可以提高沖洗效率，但是會增大沖洗液用量；過大的間距會導致沖洗盲區，達不到清洗作用。所以針對不同沖洗間距下的沖洗過程進行了相關實驗。在0.05MPa壓力下，使用1#噴嘴，攪拌速度為8r/min的條件下，分別改變沖洗間距為0.5cm、1cm和1.5cm，測得一次沖洗殘留量對應的清洗液用量，并根據公式計算出p1和p2，（圖5）。實驗結果表明，隨著沖洗間隔的增加，p1呈現線性下降趨勢。這是由于更小的沖洗間距有利于提高清洗效率。

圖5 不同沖洗間距對清洗效果及清洗量的影響

2.5 正交試驗

根據單因素實驗的結果，選取實驗中最佳參數值進行正交試驗，對結果進行極差分析，以確定最佳的工藝條件。采用L9（34）正交表，以噴嘴孔徑（A）、水壓（B）、懸臂轉速（C）、沖洗間距（D）作為4個考察因素，選取3個水平進行實驗，如表1所示。

表1 L9（34）正交因子水平表

由實驗結果分析可得，以沖洗效率為前提的優化條件是噴嘴孔徑1mm，水壓0.1MPa，懸臂轉速5r/min，沖洗間距0.5cm。而以清洗液用量為前提的優化條件是噴嘴孔徑0.1mm，水壓0.03MPa，懸臂轉速13r/min，沖洗間距1.5cm。結合實驗數據，每組實驗結果都可以達到物料收率高于99.99%的指標。故實驗選取以清洗液用量最少為前提的條件組合，即噴嘴孔徑0.1mm，水壓0.03MPa，懸臂轉速13r/min，沖洗間距1.5cm進行驗證實驗。

3 結論

本研究通過建立一套自清潔裝置，通過釜壁內鍍膜及懸臂噴洗系統降低物料滯留量，研究過程中通過正交試驗得到噴嘴孔徑0.1mm，懸臂轉速13r/min，水壓0.03MPa，沖洗間距1.5cm的工藝參數，通過實驗驗證證明可以達到物料收率高于99.99%的指標，滯留量低于0.01%，且清洗液用量僅為340mL。