分子蒸馏气相传递过程模拟

论文摘要

分子蒸馏,也称短程蒸馏是一种在高真空下进行分离操作的非平衡蒸馏,它利用分子平均自由程的差别,在远低于常压沸点下将物质分离。由于对分子蒸馏器中的传递过程的理论研究尚不深入,特别是气相空间的流动为过渡流领域,基于连续性假设推导的传递控制方程不能准确模拟气相空间的传递现象,限制了分子蒸馏在应用上的推广。因此,为了推广该技术的应用,对分子蒸馏器内的传递过程进行模拟具有重要意义。本文对分子蒸馏的气相空间流动进行模拟,基于直接模拟蒙特卡罗方法,建立了分子蒸馏器气相流动的一维、二维模型。由于液相组成沿流动方向是变化的,二维模型的建立使得模拟结果能够与实验对比,验证模型的合理性。由于大多数要分离的混合物均为多原子分子,为了与实际相吻合,本文在模型中引入了分子的转动能,采用概括化Larsen-Borgnakke模型方法来计算碰撞过程中分子的平动能与转动能的交换。模拟结果显示：分子转动能的引入,使气相空间的温度场比只考虑分子平动能的有较大提高,且转动能的引入使馏出液速率有所降低,这些与实验更加吻合。在实际操作过程中,一般难以事先确定一个合适的冷凝面温度,使运动至冷凝面的分子全部冷凝。因此,在模型中的冷凝面处引入了反射边界条件。通过对边界条件的改进,使得模拟结果中,冷凝面上方的气相温度始终比冷凝面的高,更加合理。模拟结果与实验对比：馏出液速率平均相对误差为3.3%；馏出液组成的最大相对误差约为5%。通过将模拟结果与实验数据对比,发现本文所建立的模型能较好地反映分子蒸馏器气相空间的传递现象,可用于分子蒸馏过程的设计和核算。本文还考察了操作参数和设备参数对分子蒸馏过程的影响。通过模拟,可得以下结论：（1）在平板蒸发与冷凝过程中,随着与蒸发面距离的增加,分子数密度、温度和碰撞速率减小,宏观速度和分子平均自由程增大；随着板间距的增大,蒸发效率有所降低；随着蒸发面或冷凝面温度的升高,气相空间的分子数密度、温度、碰撞速率增大,分子自由程和蒸发效率减小。而蒸发面温度的升高将使宏观速度增大,冷凝面温度的升高则使之减小；液相中易挥发组分含量的增加,分子数密度、碰撞速率和宏观速度增大,而温度、分子平均自由程和蒸发效率减小；惰性气体压力的升高,将使分子数密度、碰撞速率和温度增大,宏观速度、分子自由程和蒸发效率减小,对分离过程不利。（2）在两同轴圆柱面进行的蒸发冷凝过程中,凸蒸发面的气相空间中的分子数密度、碰撞速率和温度值较小,蒸发效率、宏观速度和分子自由程较大,而凹蒸发面则相反。且随着冷凝面积与蒸发面积比例的增大,蒸发效率的增幅减小。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 分子蒸馏技术的原理及特点
• 1.1.1 分子蒸馏原理
• 1.1.2 分子蒸馏技术的特点
• 1.2 分子蒸馏设备
• 1.3 分子蒸馏技术的应用现状
• 1.4 分子蒸馏液相传递过程研究
• 1.4.1 液膜内传热和传质
• 1.4.2 冷凝过程对分子蒸馏的影响
• 1.5 分子蒸馏气相传递过程研究
• 1.5.1 稀薄气体流动控制方程-Boltzmann方程
• 1.5.2 直接求解Boltzmann方程
• 1.5.3 直接模拟方法
• 1.6 本论文研究的主要内容
• 第二章 气体动力学理论
• 2.1 流动分区
• 2.2 速度分布函数
• 2.3 气体的宏观状态量
• 2.3.1 单组分气体宏观状态量
• 2.3.2 混合气体宏观状态量
• 2.4 分子的双体碰撞
• 2.4.1 分子的二元弹性碰撞
• 2.4.2 碰撞截面与分子模型
• 2.5 碰撞过程中内能与平动能的交换
• 2.5.1 Larsen-Borgnakke模型
• 2.5.2 概括化Larsen-Borgnakke模型
• 2.5.3 松弛碰撞数
• 2.6 本章小结
• 第三章 分子蒸馏气相传递的DSMC方法
• 3.1 DSMC方法在模拟中的实现
• 3.2 初始条件及边界条件
• 3.3 碰撞的计算
• 3.3.1 碰撞的取样
• 3.3.2 碰撞后分子速度及内能的确定
• 3.4 本章小结
• 第四章 两平行平板之间的蒸发与冷凝过程
• 4.1 转动能和边界条件的影响
• 4.2 分子数密度分布
• 4.3 气相空间的宏观速度
• 4.4 气相空间的温度
• 4.5 碰撞速率和平均自由程
• 4.6 蒸发效率与馏出液
• 4.7 本章小结
• 第五章 两同轴圆柱间的蒸发与冷凝
• 5.1 模型的建立
• 5.2 模拟结果分析
• 5.3 模拟结果与实验对比
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及在读期间发表的论文