真空膜蒸馏过程计算流体力学模拟

论文摘要

多孔膜内气体渗透理论的研究开始于对平均孔径与气体分子平均自由程的研究,当孔径远大于气体分子平均自由程时为粘性流,而膜平均孔径远小于气体分子平均自由程时为努森流。对于真空膜蒸馏（VMD）过程而言,进料液温度为300K～350K,而冷侧压强为2.5kPa-7.0kPa,因此气体分子自由程为0.2μm～3.0μm。而典型的VMD所使用的膜其孔径为0.1μm-0.5μm,故该过程流体的流动为介于努森流和粘性流的混合流。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）是一种以计算机为工具,通过对流体运动方程的数值解法,研究流体在不同过程中的流动状态及其对流动过程中所发生的热量传递和质量传递的影响。本研究以FLUENT作为研究手段,对VMD过程进行计算流体力学模拟。研究将VMD过程视为多孔介质内的多相流（液相和气相）过程,膜组件的立体结构简化为单根膜丝的二维结构。盐水定义为不可压缩的定常流体,将膜丝壁面定义为多孔介质,假设多孔介质在相变和热量传递、质量传递过程中各质点处于局部热力学平衡,在确定的内部阻力和粘性阻力时进行模拟。模拟采用mixture多相流模型和标准k-ε湍流模型。模拟了VMD过程不同进料温度条件下的气体体积分布情况；对稳流状态下的二维模型进行数值模拟,考察了进料温度为60℃时的温度、压力、气体和液体积分布等的变化趋势；模拟研究了在进料流量分别为30L/h、35L/h、40L/h、45L/h、50L/h,温度分别为318.15K、323.15K、328.15K、333.15K、338.15K、343.15K的条件下,进料流速对盐水VMD渗透通量的影响。对氯化钠水溶液VMD过程进行了三维模拟。在考虑膜丝壁厚的情况下,对整个膜组件的温度、压力、气体和液体的体积分率等的分布情况进行了模拟研究,同时考察了VMD过程膜组件截面和膜丝边界层上参数的变化情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 膜蒸馏
• 1.1.1 膜蒸馏基本原理及特征
• 1.1.2 膜蒸馏的特征
• 1.1.3 膜蒸馏的操作方式
• 1.1.4 膜蒸馏性能评价指标
• 1.2 真空膜蒸馏
• 1.2.1 真空膜蒸馏过程传递机理
• 1.2.2 浓差极化现象
• 1.3 膜蒸馏的发展方向
• 1.4 膜结构参数对膜蒸馏过程的影晌
• 1.5 操作条件对膜蒸溜过程的影响
• 1.5.1 操作温度
• 1.5.2 料液中不挥发物的浓度和料液的性质
• 1.5.3 膜两侧液体流量
• 1.5.4 膜孔内空气分压—料液脱气
• 1.5.5 长周期实验与膜污染
• 1.6 膜蒸馏用膜及其应用研究进展
• 1.7 膜蒸馏的研究应用现状
• 1.8 提高VMD性能的措施
• 1.8.1 改善膜性能
• 1.8.2 选择合适的操作条件
• 1.8.3 过程强化
• 2 流体计算力学软件及UDF函数编写
• 2.1 计算流体动力学简介
• 2.1.1 流体的基本性质
• 2.1.2 流体力学
• 2.2 FLUENT软件
• 2.3 自定义蒸发函数（UDF）编写
• 3 真空膜蒸馏过程数值研究
• 3.1 数值模拟思想及流程
• 3.2 数值模拟内容和目的
• 3.3 数值模拟用于膜蒸馏的可行性
• 3.4 VMD过程传递数学模型
• 3.4.1 质量传递
• 3.4.2 热量传递
• 3.5 CFD数值模拟控制方程
• 3.5.1 多相流模型的选择
• 3.5.2 k-ε模型
• 3.6 多孔介质假设
• 3.6.1 几何模型建立及网格生成
• 3.6.2 边界条件和初始条件设置
• 3.7 求解控制参数设置
• 3.8 迭代次数
• 3.9 本章小结
• 4 NACL水溶液VMD过程二维数值模拟研究
• 4.1 进料温度对体积分率影响的模拟研究
• 4.2 NACL水溶液VMD过程动力学条件模拟研究
• 4.3 研究不同温度及进料流量对气体体积分率的影响
• 4.4 本章小结
• 5 NACL水溶液VMD过程三维数值模拟研究
• 5.1 膜组件形状尺寸和网格划分
• 5.2 边界条件和初始条件设置及模型选择
• 5.3 NACL水溶液VMD过程三维数值模拟结果与讨论
• 5.3.1 温度
• 5.3.2 压强
• 5.3.3 液体体积分率
• 5.3.4 气体体积分率
• 5.4 本章小结
• 6 VMD过程组件膜丝壁面边界层参数模拟研究
• 6.1 温度分布
• 6.2 压强分布
• 6.3 NACL水溶液的体积分率
• 6.4 透过蒸汽气体体积分率
• 6.5 气液混合物密度
• 6.6 本章小结
• 7 结论
• 8 展望
• 9 参考文献
• 10 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 11 致谢