膜蒸馏过程的CFD模拟及其脱盐系统设计

发布时间：2017-10-16 19:11

  本文关键词：膜蒸馏过程的CFD模拟及其脱盐系统设计

  更多相关文章： 膜蒸馏 计算流体力学 脱盐 系统设计 优化 模拟

【摘要】：膜蒸馏可在常压条件下利用100°C以下的低温热源进行高浓盐水脱盐,广泛应用于反渗透海水淡化过程集成和太阳能、地热等资源利用领域。膜蒸馏处理高浓盐水时,盐分不仅可能在膜面的结晶析出,还会导致严重的浓度极化现象影响正常操作。然而现有膜蒸馏研究较少关注高浓料液的浓缩特性,特别是尚未发现有揭示关键的膜蒸馏浓度场分布特性。为此,本文采用计算流体力学(CFD)方法详细研究了膜蒸馏单元中的传递现象,通过对膜侧流道的温度场和浓度场分析,揭示了高浓度膜蒸馏操作的传质分离规律和优化操作特征。在阐明膜蒸馏单元操作特性的基础上,进一步对膜蒸馏高浓脱盐过程进行了系统分析和优化,重点研究了在多膜蒸馏子系统组成的复合系统中,系统阵列设计与优化对复合系统的综合影响。本文主要工作包括膜蒸馏单元中的CFD模拟和膜蒸馏系统的流程模拟与优化,具体如下:(1)基于膜蒸馏热质传递机理建立了二维CFD模型。利用商用CFD软件FLUENT模拟了平板膜组件中的膜蒸馏过程,模拟结果与文献实验值较吻合,相对平均偏差为6.0%。利用所建立的CFD模型,模拟了不同料液温度、浓度及流速下的膜蒸馏过程。通过分析不同操作条件下的渗透通量变化、膜组件内的温度场和浓度场分布及过饱和度分布,确定了膜蒸馏过程的适宜操作条件:对于较低浓度原料(即料液侧进口NaCl质量分数为0.15),可采用低流速(0.02~0.06m/s)操作条件;而较高浓度料液的浓缩(即NaCl质量分数为0.25)时,应采取高料液侧流速操作(≥0.07m/s)以避免膜表面NaCl过饱和结晶析出影响膜蒸馏正常进行。(2)基于膜蒸馏单元过程的分析,建立了中空纤维管式膜组件的膜蒸馏模型,进而开发了Aspen Plus中的用户自定义膜蒸馏单元计算模块。进而在Aspen Plus中建立了膜蒸馏复合系统,其中包括多个可独立操作并具有相同结构和完整脱盐功能的膜蒸馏子系统。采用流程模拟方法研究了等膜长度和等膜丝数两种典型的子系统间复合阵列结构对膜蒸馏复合系统产能、能耗和生产成本的影响。模拟结果表明:在固定操作条件下,采用等膜丝数阵列结构有利于脱盐系统的提产、降耗和降低成本,且采用高填充密度膜组件的效果更为显著;优化各单元循环流量能有效降低生产成本,在优化循环流量条件下采用等膜丝数的阵列结构能进一步降低成本25%。本文的CFD模拟工作将填补高浓料液膜蒸馏浓缩的CFD传质研究空白,促进膜蒸馏跨膜传递机理研究的发展;同时本文的流程模拟工作将加深膜蒸馏系统设计和优化的理解,为膜蒸馏工业化应用夯实基础。
【关键词】：膜蒸馏 计算流体力学 脱盐 系统设计 优化 模拟
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ028.8
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 符号说明12-15
• 第一章 绪论15-29
• 1.1 淡水资源及海水淡化技术15-16
• 1.2 膜蒸馏简介16-19
• 1.2.1 膜蒸馏原理及分类16-18
• 1.2.2 膜蒸馏膜的种类和性质18
• 1.2.3 膜蒸馏过程的优缺点18-19
• 1.2.4 膜蒸馏技术的历史及发展19
• 1.3 膜蒸馏应用研究进展19-21
• 1.4 膜蒸馏过程的影响因素21-24
• 1.4.1 膜结构的影响21-22
• 1.4.2 操作条件的影响22-24
• 1.5 膜蒸馏过程的CFD模拟研究进展24-27
• 1.5.1 流道内传热的CFD模拟25
• 1.5.2 流道内传热及传质的CFD模拟25-26
• 1.5.3 跨膜传质CFD模拟26-27
• 1.6 本文研究目标和研究内容27-29
• 1.6.1 研究目标27
• 1.6.2 研究内容27-29
• 第二章 高盐度下膜蒸馏的CFD模拟29-54
• 2.1 膜蒸馏传质及传热机理30-35
• 2.1.1 膜蒸馏热量传递30-31
• 2.1.2 膜蒸馏传质机理31-33
• 2.1.3 传热传质过程中的相关参数33-35
• 2.2 CFD计算模型的建立35-39
• 2.2.1 物理计算模型的建立35
• 2.2.2 模型假设35-36
• 2.2.3 控制方程36-37
• 2.2.4 边界条件37
• 2.2.5 用户自定义函数（UDF）37-38
• 2.2.6 求解方法38
• 2.2.7 网格的划分38-39
• 2.3 模型验证39-43
• 2.3.1 不同条件下渗透通量的验证39-42
• 2.3.2 出口温度验证42-43
• 2.4 操作条件对膜蒸馏过程的影响43-45
• 2.4.1 料液进口浓度对膜蒸馏通量的影响43-44
• 2.4.2 料液进口温度对膜蒸馏通量的影响44
• 2.4.3 料液进口流速对膜蒸馏通量的影响44-45
• 2.5 膜蒸馏中热量和质量传递现象45-51
• 2.5.1 膜蒸馏传热模拟45-48
• 2.5.2 膜蒸馏传质模拟48-51
• 2.6 高盐浓缩中潜在的结晶堵塞51-53
• 2.7 本章小结53-54
• 第三章 膜蒸馏脱盐系统设计与优化54-73
• 3.1 膜蒸馏脱盐系统设计与分析54-59
• 3.1.1 多子系统阵列膜蒸馏复合系统54-55
• 3.1.2 膜蒸馏过程分析方法55-59
• 3.2 Aspen膜蒸馏子系统的建立59-61
• 3.2.1 中空纤维管式膜组件中的输运模型59-60
• 3.2.2 Aspen膜蒸馏子系统的建立60-61
• 3.3 膜蒸馏脱盐系统流程模拟61-63
• 3.4 膜蒸馏过程模拟验证实验63-65
• 3.4.1 实验材料63
• 3.4.2 实验方法63-64
• 3.4.3 模型的验证64-65
• 3.5 多子系统阵列结构对膜蒸馏脱盐效能的影响65-68
• 3.5.1 膜渗透通量及淡水产能65-66
• 3.5.2 单位产品动力消耗量66-68
• 3.6 膜蒸馏复合系统的成本分析与优化68-72
• 3.6.1 相同操作条件下的成本比较68-69
• 3.6.2 优化条件下的膜蒸馏脱盐系统成本分析69-72
• 3.7 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-81
• 附录81-88
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果88-89
• 致谢89-90
• 附件90

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘立华;膜蒸馏技术进展[J];唐山师范学院学报;2002年05期

2 吴庸烈;膜蒸馏技术及其应用进展[J];膜科学与技术;2003年04期

3 马润宇;膜蒸馏技术的回顾与展望[J];天津城市建设学院学报;2003年02期

4 吴国斌;戚俊清;吴山东;;膜蒸馏分离技术研究进展[J];化工装备技术;2006年01期

5 王许云;张林;陈欢林;;膜蒸馏技术最新研究现状及进展[J];化工进展;2007年02期

6 李贝贝;张元秀;王树立;;膜蒸馏和膜吸收技术现状及发展[J];化工科技;2007年05期

7 曾理;高从X&;;膜蒸馏在冶金工业中的应用前景[J];膜科学与技术;2008年06期

8 程鹏高;唐娜;王学魁;;减压膜蒸馏浓缩盐水溶液的研究现状[J];化工进展;2008年07期

9 环国兰;杜启云;王薇;;膜蒸馏技术研究现状[J];天津工业大学学报;2009年04期

10 崔洪江;孙培廷;田瑞;;太阳能膜蒸馏实验与数学建模[J];大连海事大学学报;2010年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 吕晓龙;;膜蒸馏过程探讨[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年

2 余献国;;膜蒸馏应用领域与材料及设备集成化研究[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年

3 吴莉莉;李昕;赵之平;;超声波强化膜蒸馏研究进展[A];中国化工学会2009年年会暨第三届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛会议论文集（上）[C];2009年

4 杨座国;刘典;;真空膜蒸馏过程的模拟研究[A];上海市化学化工学会2011年度学术年会论文集[C];2011年

5 吴庸烈;;膜蒸馏技术及其应用进展[A];中国膜科学与技术报告会论文集[C];2003年

6 纪仲光;王军;侯得印;尹子飞;;微波辅助真空膜蒸馏试验研究[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年

7 韩怀远;高启君;吕晓龙;武春瑞;贾悦;王暄;陈华艳;;封闭式热泵循环的真空膜蒸馏过程研究[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年

8 吕晓龙;武春瑞;高启君;陈华艳;贾悦;王暄;;膜蒸馏技术进展[A];第五届全国医药行业膜分离技术应用研讨会论文集[C];2012年

9 潘林梅;郭立玮;;膜蒸馏技术在中药提取液浓缩工序中的应用问题探讨[A];第五届全国医药行业膜分离技术应用研讨会论文集[C];2012年

10 吕晓龙;;膜蒸馏技术应用研究[A];第四届全国膜分离技术在冶金工业中应用研讨会论文集[C];2014年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 关云山;膜蒸馏—结晶耦合从盐湖卤水制备KCl的研究[D];山西大学;2015年

2 刘建军;以秸秆为原料生产生物丁醇过程中关键问题的研究[D];天津大学;2015年

3 王子铱;应用于膜蒸馏过程的PVDF中空纤维膜的制备及超疏水改性[D];天津大学;2015年

4 王俊伟;氮化硅基陶瓷膜的制备及膜蒸馏应用研究[D];中国科学技术大学;2016年

5 刘乾亮;膜蒸馏工艺处理高浓度氨氮废水的研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

6 田瑞;高通量空气隙膜蒸馏系统的机理及应用研究[D];内蒙古工业大学;2008年

7 杜军;减压膜蒸馏及其分离含铬溶液的研究[D];重庆大学;2002年

8 王宏涛;错流式减压膜蒸馏过程分析及组件放大特性研究[D];天津大学;2012年

9 王丽;减压膜蒸馏节能过程应用基础研究[D];天津大学;2013年

10 唐建军;减压膜蒸馏应用于稀土冶金资源综合回收的研究[D];中南大学;2002年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 田苗苗;高通量、耐污染、超疏水的膜蒸馏用膜的制备及应用研究[D];郑州大学;2015年

2 乔稳;基于聚四氟乙烯中空纤维膜的太阳能膜蒸馏海水淡化器研究[D];浙江理工大学;2016年

3 靳辉;基于聚四氟乙烯中空纤维膜的空气间隙式膜蒸馏研究[D];浙江理工大学;2016年

4 苏华;基于PVDF纳米纤维膜的膜蒸馏技术处理印染废水的研究[D];浙江理工大学;2016年

5 王世选;可旋转式太阳能集热器减压膜蒸馏海水淡化装置的实验研究[D];武汉纺织大学;2016年

6 马骏;天然气脱硫液真空膜蒸馏法再生理论与实验研究[D];常州大学;2016年

7 袁宁辉;酸性重金属废水膜蒸馏技术研究[D];北京有色金属研究总院;2016年

8 张立娟;面向膜蒸馏过程的静电纺丝复合膜制备及其性能研究[D];南昌航空大学;2016年

9 郝维维;热泵膜蒸馏系统研究[D];天津科技大学;2015年

10 邹采栋;疏水多孔无机膜的制备及其蒸馏脱盐性能研究[D];华南理工大学;2016年

，

本文编号：1044392