减压膜蒸馏过程模拟及通量强化研究

【摘要】：膜蒸馏属于一种采用非选择渗透膜的热渗透蒸发法，其优点是：能在常压和较低温度下进行、设备简单、操作方便；可利用太阳能、地热、温泉、工厂余热等廉价能源；因为只有水蒸气能透过膜孔，所以蒸馏液十分纯净，可望成为大规模、低成本制造超纯水的有效手段；膜蒸馏也是唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程。此外，膜组件很容易设计成潜热回收形式，并具有以高效的小型组件构成大规模生产体系的灵活性。进行膜蒸馏的研究对海水淡化、高浓盐水处理、物料浓缩、废水回收利用等方面具有重要意义。 本文在流体经过所设计的分布器后进入膜组件均匀分布的基础上，采用通用的计算流体力学软件Fluent建立错流式中空纤维膜组件的计算模型，编写用户自定义函数实现减压膜蒸馏过程中的传热与传质的耦合过程，计算膜通量与实验所测值具有较好的一致性，说明所建模型能比较正确客观的反映实际减压膜蒸馏过程。在此基础上，详细分析探讨了不同操作条件下组件内部的温度分布、流场分布、传热效果和温度极化效应，为优化操作条件提供指导意义。 在系统分析壳程流体特征外，还根据实验膜通量计算出蒸气渗透进入管程的平均速度，以此建立蒸气在管程纤维腔内的流动扩散模型。比较了不同操作条件下所获得膜通量所对应的管程蒸气的压力分布和流速情况，据此提出强化传质与蒸气流动扩散的措施。 此外，还根据实验中观察到在高流速下弹性纤维的振动从而以振动为切入点，分析纤维振动时对纤维外表面附近流场和温度场的影响，结合场协同理论探讨振动后速度场与温度梯度场协同性的变化情况及对边界层内对流换热系数的影响，对通过以强化对流传热效果来达到强化膜通量的目的提供借鉴意义。