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中空纤维膜组件膜蒸馏过程的数值模拟研究

陈冰冰  
【摘要】:膜蒸馏是一种以疏水性多孔膜为屏障、以热能为驱动力的膜分离技术,具有高效节能、能充分利用低品质热能的技术特点与发展潜能。随着膜蒸馏技术进一步应用以及装置将向大型化方向发展,膜组件设计理论与方法等工程技术问题日益突出。目前对中空纤维管式膜组件中传递现象在理论上的认识还是不足的,特别是对于膜蒸馏这种同时涉及到流动、传热和传质的膜分离技术,其传递现象更复杂,目前理论上缺乏有效的描述。为此,采用实验和数值计算方法,对纵向流动中空纤维膜组件中的膜蒸馏过程进行了模拟研究,着重讨论了纤维排列不均一性对壳程流动、传热和传质规律。 本文对纯水介质和乙醇水溶液就中空纤维管内走液体的真空膜蒸馏过程进行试验研究,并采用轴对称简化数值计算模型(标量模型)和Fluent软件进行模拟分析。水的膜通量和乙醇的膜通量实验结果与模拟结果相一致。通过对温度和浓度分布规律的讨论,得到了传热和传质系数的关系式。 对壁面为恒定传质量和恒定浓度的Happel自由表面模型传质问题进行了理论求解。得到了不同空隙率下,Sherwood准数的严格Graetz理论解和近似Leveque解。结果表明,Happel自由表面模型中,通道空隙率的增加,传质系数将减少;空隙率对充分发展段形成的位置有影响,当Reynolds数、Schmidt数和纤维外半径ro一定时,随空隙率增加,充分发展段形成的位置将后移。 针对纤维排列不均一性对壳程传递的影响。本文采用数值模拟方法,分析了随机分布纤维束间纵向流动时,无因次速度分布和无因次浓度分布规律,讨论了中空纤维膜组件中纤维的装填率φ对流动阻力系数f·Re和传质Sherwood准数的影响,并得到了相关的关联式。随机分布纤维束的子单元通道面积分布与流量分布的存在一定的关系,装填率φ对此关系影响较小;在传质进口段,装填率φ不但对传质系数关联式Sh=AReaScbf(de/L)中的A有影响,且对系数a和b值均有影响。 通过对纤维束间速度场的分析,论证了基于Voronoi分割方法的壳程简化思路用于描述壳程流动时,是有效的。引入一种基于Happel自由表面模型的微元积分的近似计算方法,用于计算不规则多边形的Voronoi自由表面单元或单元群中的流动阻力系数。同时,引入了新的局部空隙率的概念,用于描述纤维束的不均性。经回归,得到了随机分布纤维束中的局部空隙率分布密度函数的表达式。进而提出并验证了一种新的壳程简化流动模型。 通过对Voronoi自由表面单元内的传质现象的模拟,深入分析了中空纤维膜组件壳程的传递现象。结果表明,壳程传质现象可唯象地分为3个阶段来考虑:传质充分发展段、传质进口段A和传质进口段B。在这一章中,利用了Happel自由表面模型的理论解,建立并验证了用于求取不规则形状Voronoi自由表面单元内传质充分发展段中传质Sherwood数近似方法(壁面恒定传质量边界条件)。并用该方法定量分析了纤维管在Voronoi单元的偏心对传质充分发展段中传质Sherwood数的影响。利用新建壳程简化流动模型,建立并验证了求取传质进口段A中传质Sherwood数的近似计算方法。将纤维束中由Voronoi分割所得的子单元和Voronoi自由表面单元无因次浓度场进行比较,发现目前基于Voronoi分割方法的壳程简化思路不能用于传质(热)问题,故建议采用第4章对随机分布纤维束的模拟结果来建立壳程的简化模型。


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