刮膜式分子蒸馏的液膜形态与持液量研究

论文摘要

分子蒸馏技术作为一种高效环保的分离技术广泛应用于医药、化工、精细化工、食品等多个领域。其中刮膜式分子蒸馏器的应用最为广泛,效率也最高。但刮膜式分子蒸馏器内部的流场运动非常复杂,关于其工作原理,流场特性以及传质规律仍旧有许多没有解决的问题。本文利用实验和FLUENT软件模拟相结合的方法,对刮膜式分子蒸馏器内部的液膜形态、持液量及其相关流场参数进行了研究。本文首先进行了分子蒸馏分离不同物质的小试实验,证明了分子蒸馏的分离丁香油的效果,考察了液膜的形态和分布规律,提出了液膜分布在轴向上的变化,并对形成液膜的临界点进行了研究。利用冷模实验得到了分子蒸馏设备在不同黏度的工作介质下转速和进料速度对持液量的影响,得到了持液量的实验关联式。同时将分子蒸馏装置简化为物理模型,用以模拟分子蒸馏设备内的流场。介绍了模拟计算过程中遵循的连续性方程及动量方程。针对FLUENT和分子蒸馏模型的特点提出了四种旋转模型,并对其优劣性进行了比较,流体模型具有最高的计算速度和和较高的计算精度,滑移模型和实际过程最为接近,同时可以在最短的模拟时间内得到稳定解。应用滑移模型还可以得到特定点上的物理量随时间变化的曲线。另外将模拟结果与实验结果进行了比较。首先是定性地比较了液膜的头波,接着定量地比较了不同黏度的工作介质的持液量曲线,不但可以和实验得到相同的结论,并且通过相似因子来评价时,纯水为工作介质时的持液量的模拟值与实验值的相似因子可达95以上,证明了该模拟过程可以准确并且定量地描述分子蒸馏设备内的流场特性。最后本文还对模拟过程的物理模型进行了改进,增加了转子的自转过程。发现在增加转子的自转后可以减小转子前端的高压区的压力,减小分子蒸馏设备的压降;同时转子自转后可以降低头波的高度,减少液体从蒸发面直接飞溅到冷凝面的可能性;减少了停留时间分布曲线前端的前倾。并将模拟得到的停留时间分布与文献中已有的停留时间分布进行了比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 原理
• 1.2.1 分子平均自由程理论
• 1.2.2 非理想状态下的自由程分布理论
• 1.2.3 稀薄气体输运理论
• 1.3 刮膜式分子蒸馏的过程和特点
• 1.4 分子蒸馏的应用
• 1.5 刮膜式分子蒸馏过程的研究
• 1.6 课题研究内容
• 第二章 分子蒸馏蒸发表面液体流动的观察及持液量的测定
• 2.1 前言
• 2.2 液相分布的观察
• 2.2.1 实验过程
• 2.2.2 实验设计
• 2.2.3 实验结果及分析
• 2.3 成膜临界值的研究
• 2.3.1 实验设备及原料
• 2.3.2 实验结果
• 2.3.3 实验结果分析
• 2.4 分子蒸馏冷模装置持液量的测定
• 2.4.1 冷模实验装置
• 2.4.2 实验过程
• 2.4.3 实验结果分析
• 2.4.4 实验关联式
• 2.5 小结
• 第三章 CFD 模拟结果与分析
• 3.1 前言
• 3.2 物理模型
• 3.3 CFD 基本方程
• 3.3.1 连续性方程
• 3.3.2 动量守恒方程
• 3.4 旋转模型
• 3.4.1 液膜和头波的比较
• 3.4.2 持液量
• 3.4.3 迹线
• 3.4.4 残差
• 3.5 模拟结果与实验结果的比较
• 3.5.1 头波
• 3.5.2 持液量验证
• 3.6 流体模型的其他流场参数
• 3.7 滑移模型下的结果分析
• 3.8 小结
• 第四章 物理模型的改进
• 4.1 转子自转模型
• 4.1.1 头波
• 4.1.2 湍动能
• 4.1.3 压降
• 4.1.4 停留时间研究
• 4.2 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢