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减压膜蒸馏过程模拟及组件优化

作　者: 童国柱
导　师: 李保安
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: 减压膜蒸馏 CFD 错流式 中空纤维
分类号: TQ028.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


膜蒸馏是20世纪八十年代初新发展起来的一种新型分离技术,是膜分离技术与传统蒸发过程相结合的新型膜分离过程,它与常规蒸馏一样都以气液平衡为基础,依靠蒸发潜热来实现相变。减压膜蒸馏是四种膜蒸馏类型之一,具有膜通量大、分离系数高、设备简单、易于操作等特点,能够被广泛应用于易挥发组分的脱除和海水、苦咸水淡化等领域。研究和应用膜蒸馏技术对实现海水淡化、节能减排以及废水的综合利用具有重要的意义。本文在课题组前期研究基础上,以结构简易、分布效果良好、加工装配方便为目的,利用CFD技术针对简易错流式膜组件设计了变孔径板式分布器。应用装配所设计分布器的膜组件,以纯水为料液进行了减压式膜蒸馏的实验研究。对减压式膜蒸馏过程的机理进行了探讨,采用计算流体力学通用软件Fluent建立流体计算模型,通过编写UDF(用户自定义函数),在模型中实现了传热传质过程。应用该模型对错流式组件减压膜蒸馏过程进行了数值模拟计算,膜通量计算结果与实验数据具有较好的一致性。在此基础上,研究膜蒸馏过程中组件内各物理量的规律,其中包括过程总通量受各种操作条件的影响、沿料液流向的变化规律以及单根膜丝周围各物理量的分布情况。依照数值计算得到的各物理量在组件内的变化规律,针对减压膜蒸馏过程的特点,提出了串联组件间热量补充和料液流向转换操作的初步构想,为膜蒸馏的工业化应用提出了一些操作和组件链接方面的建议,为具体物料溶液的膜蒸馏过程研究提供借鉴。总之,本文对减压式膜蒸馏过程的机理进行了探讨,设计加工了错流式膜蒸馏组件料液预分布器,对进料均匀的减压膜蒸馏组件进行了实验研究,验证了所建立的过程数值计算模型的合理性。为进一步改进组件设计以及优选操作条件提供依据,并为膜蒸馏过程中能量综合利用和降低膜组件污染提出了一些建议。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
前言  8-9
第一章 文献综述  9-24
  1.1 膜蒸馏简介  9-17
    1.1.1 膜蒸馏过程特征  9-10
    1.1.2 膜蒸馏所用膜及组件  10-13
    1.1.3 膜蒸馏的分类  13-14
    1.1.4 膜蒸馏过程工艺指标  14-15
    1.1.5 膜蒸馏的研究进展  15-17
  1.2 减压膜蒸馏技术特点及研究现状  17-20
    1.2.1 减压膜蒸馏特点  17-18
    1.2.2 减压膜蒸馏研究进展  18-20
  1.3 CFD 技术及在膜过程中的应用  20-22
    1.3.1 CFD 技术简介  20-21
    1.3.2 CFD 通用软件  21-22
    1.3.3 CFD 技术在膜过程中的应用  22
  1.4 本文工作  22-24
第二章 减压膜蒸馏数值模型的建立  24-38
  2.1 膜蒸馏传递过程机理  24-31
    2.1.1 膜蒸馏过程传递模型  24-28
    2.1.2 减压膜蒸馏传递模型  28-31
  2.2 CFD 计算模型的建立  31-37
    2.2.1 模型假设  31-32
    2.2.2 模型的计算区域  32-33
    2.2.3 网格划分  33-34
    2.2.4 控制方程  34-35
    2.2.5 边界条件  35-36
    2.2.6 UDF 的编写  36-37
  2.3 模型求解过程  37-38
第三章 预分布器设计及减压膜蒸馏实验  38-44
  3.1 变孔径平板分布器  38-41
    3.1.1 模型建立及网格划分  38-40
    3.1.2 计算条件设置  40
    3.1.3 优化设计结果  40-41
  3.2 减压膜蒸馏实验  41-44
    3.2.1 膜与膜组件  41-42
    3.2.2 实验设备  42
    3.2.3 实验装置流程  42-43
    3.2.4 实验数据处理  43-44
第四章 模拟与实验结果分析  44-63
  4.1 数值计算结果的验证  44
  4.2 模拟结果讨论  44-63
    4.2.1 操作条件与总通量的关系  44-50
    4.2.2 沿流动方向分析  50-57
    4.2.3 环膜丝分析  57-63
第五章 结论  63-65
参考文献  65-70
附录  70-73
发表论文和参加科研情况说明  73-74
致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 一般性问题 > 化工过程（物理过程及物理化学过程） > 分离过程 > 新型分离法
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