刮膜式分子蒸馏流场的CFD模拟研究

论文摘要

分子蒸馏技术作为一种高效的分离手段,以其特殊的分离机理,在化工、食品、医药和化妆品等领域有着广泛的应用。与传统的精馏方法相比,分子蒸馏的操作条件温和,分离效率高,更适于分离低挥发度、高沸点、热敏性和具有生物活性的物料。在现有的各种分子蒸馏技术中,刮膜式分子蒸馏技术最具优越性,因此在实验室和工业中得到了广泛的应用。刮膜式分子蒸馏设备内部由于存在转子的刮擦作用,使其流场呈现出十分复杂的状态,以实验手段进行的研究往往受到条件的限制,不能取得很好的效果。而CFD模拟的方法基本不受实验条件的限制,研究周期短,更具灵活性。因此,本文选择了CFD模拟的方法,使用FLUENT6.2软件对分子蒸馏设备内部的流场性能进行了研究。本文首先对刮膜式分子蒸馏设备的蒸发器截面建立了二维模型,对冷模条件下的液膜厚度,以及均匀度进行了模拟。通过研究改变转子的转速,物料的种类,。以及转子的运动方式和形状,对液膜形态的影响,得出了最佳操作条件,为改善分离设备,提高分离效率提供了参考。在二维模拟的基础上,进一步建立了三维模型,对分子蒸馏设备停留时间分布进行了研究,主要考虑了进料速度、转子转速和物料黏度三个因素对停留时间分布的影响,一方面,对不同操作条件下的停留时间分布曲线进行了分析;另一方面,通过设计正交试验,得出了各因素对停留时间的影响作用,以及最优条件;最后,对平均停留时间t和各影响因素之间的关系进行了方程回归,得出了不同黏度下,平均停留时间t对进料速度和转子转速的经验关联式。最后,使用UDF方法对三维模型的模拟进行了改进,通过编写UDF程序对进口进行定义,简化了几何模型,提高了网格划分的质量,从而提高了模拟计算的速度和精度;并且通过UDF方法还实现了对模型进口处的进料速度分布的定义,以期在模拟中获得更符合实际效果的进料状况,为今后针对此类问题的研究提供了方法上的指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 分子蒸馏技术的应用和研究意义
• 1.2.1 分子蒸馏的基本概念
• 1.2.2 分子蒸馏的流程及主要设备类型
• 1.2.3 分子蒸馏技术应用及理论研究进展
• 1.3 CFD 基本理论及应用软件简介
• 1.3.1 CFD 基本理论
• 1.3.2 CFD 应用软件FLUENT 简介
• 1.3.3 FLUENT 软件在化学工业中应用现状
• 1.4 课题分析与意义
• 第二章 刮膜式分子蒸馏中液膜形态的二维CFD 模拟研究
• 2.1 前言
• 2.2 计算模型的建立
• 2.2.1 设备原型
• 2.2.2 几何模型的建立
• 2.2.3 数学模型的建立及计算方法
• 2.3 模拟结果的分析与讨论
• 2.3.1 模拟结果
• 2.3.2 模拟结果中液膜厚度的分析
• 2.3.3 模拟结果中液膜分布的方差分析
• 2.4 分子蒸馏模型的改进
• 2.4.1 转子的自转作用
• 2.4.2 转子形状的改进
• 2.5 本章小结
• 第三章 刮膜式分子蒸馏三维模型的CFD 模拟研究
• 3.1 前言
• 3.2 计算模型的建立
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 数学模型的建立及计算方法
• 3.2.3 网格无关化验证
• 3.3 模拟结果与讨论
• 3.3.1 流动过程模拟结果
• 3.3.2 停留时间分布曲线的单因素模拟
• 3.3.3 停留时间分布的正交试验研究
• 3.3.4 平均停留时间的经验关联式
• 3.4 本章小结
• 第四章 使用UDF 方法对三维模型CFD 模拟的改进
• 4.1 前言
• 4.2 模型的建立
• 4.2.1 几何模型的建立
• 4.2.2 UDF 程序的编写及导入
• 4.3 计算结果与分析讨论
• 4.3.1 模拟计算收敛速度比较
• 4.3.2 残差的比较
• 4.3.3 进料情况模拟结果
• 4.4 本章小结
• 第五章结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 符号说明
• 致谢