‘托里拆利真空’的应用-巨节能前景丁成玉文学城

丁成玉2018-02-22 21:18:03

1）‘托里拆利真空’实验室证明可以应用

（这是本人一生的业余研究，现在因为年届80，公开发表供后人参考开发）

1643年，意大利的托里拆利与伽利略的另一个更年轻的学生维维安尼一起在佛罗伦萨做了著名的“托里拆利实验”。实验证明存在大气压力，是76厘米水银柱高。在实验管的上部也出现真空，因为水银蒸气的气压极低（在20℃时只有0.0012毫米水银柱等于0.00016kpa），所以几乎可看作是真空，这就是“托里拆利真空”。如果把其中的介质换成水，也会有这种现象，不过水的比重是水银的1/13.6，这个装置就要有十多米高，在标准状态时相应的水柱的高度大约是10.3米。管的上边也会出现这种真空，不过里面水的蒸气压20℃时是2.3346kpa，真空度比水银介质差的很多了，但是仍然比工业上的喷射泵的极限真空度好。

几十年利用业余时间，从高中到退休，一直在想，能不能使用这个真空呢？这种直立式肯定不行，后来更换思路把这种水介质的装置，做成“虹吸式”，实验证明也会有这种真空。见图一。产生这种真空的原因，是介质在重力作用下位能转换的。也许是孤陋寡闻吧，我还没有见到有人利用这个真空在实验室和工业上使用。

图一托里拆利真空示意图

在1958年，在那个“解放思想”的氛围下，在大学的实验室里就试验过“虹吸式”，当左边加热，右边冷却时，发现左边的水可以在50℃以下就能沸腾，产生水蒸气，右边冷凝成水，逐步流入下边的水槽。在没有真空泵的情况下，产生了“真空（低压）蒸发”。分析一下，当左边的蒸发器的温度是50℃，此时水的蒸气压是12.34kpa，如果右边冷却到20℃，水的蒸气压是2.3346kpa，这个压力差可以使里面的水蒸气流向低温端。同时右边冷凝的水（馏分）因为重力下降，位移空位就产生真空（低压），会抽取水蒸气。这两个因素就产生了‘真空泵’效果。这种形状‘把出口插入水面以下，有大约10米落差产生的抽力’，效果上好像是一个‘真空泵’，大约十几年前，网上讨论时为了叙述方便，有的网友起名“Ding's pump”，简称“D泵”。实验前为了模拟工业情况，水已经除去溶解的空气（见下边的操作方法）。

这个实验曾经进行多次，比较正规的实验是在烟台市经委节能办监督下进行的。当时的记录是：

1995/12/15,当地海拔高度4米，气温6℃，蒸发器截面积41.8平方厘米，器内插入很多细玻璃毛细管，防止爆沸。加热前在温度25℃时静态器内水的蒸气压是0.03pa。当蒸发器温度48℃时，水就激烈沸腾！系统连续进行4小时，将蒸发器内300g水基本蒸发完，人为停止。换算蒸发速率是17.9kg/平方米小时。

为了对比，某厂喷射泵铭牌参数是：

型号W1500喷射泵极限真空度25℃ 0.091pa 蒸发速率15kg/平方米小时电机功率18.5千瓦。带动高压水泵压力5kg/平方厘米，水量60吨/小时。见图二

图二实验室虹吸式装置示意图

‘真空（低压）蒸发’是工业上广泛应用的一个传统技术，如化工的氯化铵浓缩，海藻水浸提取甘露醇的浓缩，中药水浸提取，动物脂肪水解出的甘油脱水浓缩，食品业的豆粉奶粉制作，脱水蔬菜的制作等等很多，传统工业上一般是将欲浓缩的溶液加热到50℃左右（有些工艺本身产物就是这个温度，温度过高一些产物可能会分解变质），在低压下蒸发出水进行浓缩。而低压一般是由“喷射泵”“水环真空泵”等产生，“喷射泵”的动力有的使用高压水蒸汽，有的使用高压水（电动机带动高压水泵），“喷射泵”由于能量多次转换，因此效率低，耗能大。查资料喷射泵的电动机功率接近20千瓦，在产品的成本中电费占很大比重，喷射泵的维修又常常造成停产。正因为如此，这种操作简单的传统的真空蒸发方法有被“膜”等方法取代。如果设法去掉“喷射泵”，这样就可以大幅度节能了，不仅能够大幅度降低产品的成本，也是这种传统方法的新的发展阶段。

实验室里验证了，使用“托里拆利”真空可以进行真空蒸发。不能停留在实验室，必须实现工业化才有意义。

从实验室试验的情况看，工业化应该没有问题，但是有两个问题需要提醒试验厂家考虑，一个是必须解决水中溶解的空气干扰，如果待浓缩的原料水溶液有过加热过程，其中已经没有溶解的空气，最好趁热浓缩，或者冷却时密封，防止与空气接触，就没有这个问题了（不考虑溶解空气的方法见后）。其次，所谓“D泵”需要10米落差，有人嫌设备太高，如果蒸发出来的水不要，也可以不要太高的（将来会讨论）。我曾经看过俄罗斯的蛋液蒸发成蛋粉的工厂，蒸发器是个30多米高的庞然大物，设备高不是问题。当然小规模试验临时把小型蒸发器提高10米更不是问题。

这个技术节能的原因是，我们从热力学的角度分析，物料提升到蒸发器，产生的馏分的位能直接转换成真空（低压），（这样可以去掉高耗能的真空泵，还能进行真空蒸发），这个真空可以降低水的沸点到50℃以下，将来工业化时还要将蒸发出来的馏分的冷凝热回收去加热原料（见图三），可以使蒸发过程耗能最少（理论上这个蒸发过程可以不耗能），是所有蒸发浓缩方法中耗能最低的，仅仅是物料开始提升所用的能量。设备没有转动部件是最简单的。

操作过程是，先打开阀门，启动真空泵，短时间把系统抽空，到几个kpa即可，此时水槽中的水沿管道会上升到5-9米（与当时大气压力相关），这种方法同时还会除去了水中溶解的空气（会见气泡出现），除去溶解的空气和系统的密封非常重要，否则会无法工作。然后，关闭阀门，停止真空泵。启动少许能量加热，开始蒸发，理论上此时停止加热也可以连续蒸发浓缩了，因为毕竟不是理想状态，适当减少加热也以了。

此文的前半部曾经发表在美国科技论坛上，引起热烈讨论，并有几个国家有合作意向。

2）“托里拆利真空”的工业化小试

“托里拆利真空”代替真空泵进行真空蒸发实验室已经验证了，前已所述。一个技术不能停留在实验室，只有工业化才是目的。这个技术先考虑在蒸发脱水浓缩一类工艺进行“工业化小试”试验，我设想的试验装置见图三

图三节能蒸发浓缩设想图

这个装置非常简单，利用废旧器材就可以搭建。从示意图中可见，它实际就是“虹吸式托里拆利真空”一种变形，与实验室验证试验装置没有什么本质不同，只不过把蒸发出来的水蒸气通过热交换器加热原料，把冷凝热回收而已。

从热力学上分析，先打开抽气阀门，启动真空泵，水管中的水位会上升到～10米（与当时的大气压力有关）。这种方式启动更重要是除去水中溶解的空气，以免干扰系统的运行。此时原料和水管里的水会产生很多气泡，溶解的空气会逐渐释放出来。短时间系统的真空度可以达到几个kpa即可（与气温大气压和真空泵的水平有关）。关闭阀门，停止真空泵。然后启动加热，产生的蒸汽被“D泵”吸走，在蒸发器的下部冷凝，放出冷凝热，去加热原料。

假设系统是标准状态，处于绝热状态，假设热交换器效率是100%，意味着冷凝热全部回收。只要加热到原料沸腾，设沸点是50℃（实际情况低于50℃已经沸腾），此时停止外部加热，真空蒸发也是可以继续进行的。这次蒸发的能量消耗仅仅是从25℃升到50℃所需能量，大约是常压下蒸发同样质量的耗能4%左右。当然，系统不能绝热，效率也不能100%，就是去掉一些折扣，节能还是巨大的。与其他真空蒸发比较，是省去了各种真空泵的耗能。之所以这样节能，是这个技术巧妙的利用了各种能量直接转化，而且用到了极致，开始把原料提升到蒸发器的能量，也没有浪费，它产生的位能，直接转换成“托里拆利真空”或者说形成了“D泵”，变成了没有真空泵的真空蒸发系统，降低了水的沸点，有利蒸发。蒸发吸热由蒸汽冷凝发出的热量直接供给，蒸汽冷凝成水的位能又直接转化成真空。显然，这个热交换器效率越高，外界补充的加热能量就可以越少，甚至，可以使用太阳能加热，这时更是大幅度节省人工能源了。

这个系统要求蒸发器里的液面与下面水槽的液面要有10米以上的落差，有人可能觉得装置太高。如果蒸发出的水不要的话，可以用水井代替水槽，这样整个系统就在地面了，装置就不会高大，基建造价会降低，物料提升也会减少耗能。因为蒸发出来的水是蒸馏水，纯度应该很高，如果实际检验确实达到国家排放标准，使用水井代替水槽就是可行的，而且水井夏天温度比较低，更有利于运行。

这个水管是负压工作，可以使用橡胶或者是塑料材质，内衬螺旋钢丝，以免被压扁。它可以弯曲使用，只要出水口一定在水面以下，以防止空气进入。由于地形的原因，这个水管也可以延长，只要保证两个水面落差在10米以上，如果长度影响了流速可以适当加粗即可。

至于水管的口径和冷凝热交换器的尺寸，可以按“15公斤/平方米小时”的蒸发速率估算，按化工的流体力学设计即可。

这个装置是原理性小型工业试验，装置尽量简单。将来为了工作方便和效率更好，还会使用一些电磁阀等等小型配件，更适合工业生产，后续再说。

因为它和实验室验证装置没有什么差别，只是简单的放大，因此一定成功是可以预期的。一旦成功，还没有看见有人使用这种“没有真空泵的真空蒸发”，是个首创。其学术意义上很大的。

3）考虑水中溶解空气的方案

这个小试原理性试验，是针对原料是经过加热已经除去溶解空气的原料，而且不是连续生产的，为了使用含有溶解空气和连续生产，可以在系统中加入一个“增压泵”，除了增加水蒸气的冷凝效率，同时也增加了空气的溶解度，原料中放出来的空气因为加压和冷却又能重新吸收到冷凝水中，因而消除蒸发过程放出溶解的空气。见图四。