分子交换流效应及其作用下的气体分离研究
发布时间:2021-09-03 22:56
基于混合气体在微通道中的流动特性,通过合理设置微通道中的流动驱动力可以在微通道内形成分子交换流现象。利用该特殊的流动现象,可以进行气体分离。一种新型气体分离器采用逆流设置积累微通道由于发生分子交换流产生的分离效应,从而可以使原料气体(待分离混合气体)中目标组分的浓度达到设定值;而且,该新型气体分离器的运行机理决定了其可以采用低品位热能进行驱动,这与当前主流的气体分离技术有着显著的不同。本文首先探讨了热流逸流、泊肃叶流以及浓度驱动流在微通道中的流动特性。结果表明,混合气体在发生热流逸流和浓度驱动流时分离系数在过渡流领域以及自由分子流领域几乎保持不变;而在发生泊肃叶流时,分离系数在过渡流领域变化较大,在自由分子流领域则逐渐趋于稳定;而且,在过渡流领域,混合气体发生泊肃叶流时的分离系数要小于发生热流逸流时的分离系数;此外,分离系数还与混合气体中组分的分子质量比密切相关,分子质量比越大,相应的分离系数也越大。基于混合气体的分离系数在过渡流领域时不同流动中的差异性,构造了分子交换流现象,讨论了努森数、分子质量比以及组分浓度等因素对分子交换流强度(摩尔流量)以及构造条件(温度梯度与压力梯度的比值)...
【文章来源】:广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】:88 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
无逆流设置的气体分离器模型
分离流程,因此,不易于在工程实践中应用。为了克服上述问题,Sugimoto等[61]首先论证了微通道中分子交换流现象的存在,并基于该效应提出了一个能够连续进行气体分离的开式分离器模型(如图1-1所示),但该模型在较大温差条件下所能获得的气体分离纯度却比较小,虽然可以通过提高温差来实现更大的分离度,但是微通道的材料一般不能承受过高的温度,通过提高温差来获得更高的分离纯度在该系统中是很难实现的,而且还会增大分离能耗。为了突破分离性能差的限制,Sugimoto等[8]在原有的气体分离器[61]的基础上引入逆流设置(如图1-2所示),从而使得该分离器能够在较小的温差条件下,就能获得较大的分离纯度,通过多次模拟,将混合气体中目标组分的浓度分别由10%提升到96%,由0.1%提升到12.5%,由95%提升到99.98%,这表明该分离器所能达到的目标组分的浓图1-1无逆流设置的气体分离器模型Fig.1-1Schematicofthegasseparatorwithoutacounterflowsetup图1-2带有逆流设置的气体分离器模型Fig.1-2Schematicofthegasseparatorwithacounterflowsetup
广西大学硕士学位论文分子交换流效应及其作用下的气体分离研究7度几乎没有任何限制;Kosyanchuk等[62]运用多尺度(系统主通道中的流体处于连续流区,由N-S方程描述,在微通道中的流体处于非连续流区,由McCormack模型方程描述)的数值模拟方法,对系统性能进行优化。Gupta等[63]设计了一个使用混合纤维素酯(MixedCelluloseEster,MCE)薄膜的努森泵实验模型,其在常压条件下展现出了优越的性能,这促进了气体分离器实验样机的制造。Nakaye等[64]采用了MCE薄膜制造出了模型样机(如图1-3所示),该样机中使用了3×3cm的MCE薄膜,其能够使得He-Ar混合气体中He组分实现15%的摩尔分数变化。为了使得该分离器能够完全采用温差驱动,Nakaye等[65]在文献[64]的实验样机的基础上增设了一台努森泵,用于提供该分离器正常运行所需的压差,使其仅在温差作用下即可运行,为该分离器几乎可以完全采用工业余(废)热等低品质热能驱动奠定了基矗Matsumoto等[66]设计了由两个努森泵与一个隔膜泵组成的气体分离器样机,两个努森泵分别用于富集氦气和氖气,该样机的实验结果表明在驱动温差不超过33K的条件下,边长3cm×3cm的正方形微孔薄膜能使流动方向与薄膜法线方向垂直的混合气体连续分离,沿气体流动方向每经过1cm,混合气体的摩尔浓度变化超过1%,通过增加微孔薄膜的面积可获得更大的体积流量与更高的分离纯度。Tamura等[67]研发了一种可以自由调整分离膜面积的利用分子交换流工作的气体分离器,既可分离氦-氖混合物,还可分离同位素气体(20Ne-22Ne混合物)。对基于分子交换流的气体分离器的研究虽然取得了一定的成果,但是目前的研究依然处于初期阶段。一方面缺少对分子交换流现象较为全面的分析,相应的数学模型不够丰富;另一方面,大多数研究都是侧重目标
本文编号:3382030
【文章来源】:广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】:88 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
无逆流设置的气体分离器模型
分离流程,因此,不易于在工程实践中应用。为了克服上述问题,Sugimoto等[61]首先论证了微通道中分子交换流现象的存在,并基于该效应提出了一个能够连续进行气体分离的开式分离器模型(如图1-1所示),但该模型在较大温差条件下所能获得的气体分离纯度却比较小,虽然可以通过提高温差来实现更大的分离度,但是微通道的材料一般不能承受过高的温度,通过提高温差来获得更高的分离纯度在该系统中是很难实现的,而且还会增大分离能耗。为了突破分离性能差的限制,Sugimoto等[8]在原有的气体分离器[61]的基础上引入逆流设置(如图1-2所示),从而使得该分离器能够在较小的温差条件下,就能获得较大的分离纯度,通过多次模拟,将混合气体中目标组分的浓度分别由10%提升到96%,由0.1%提升到12.5%,由95%提升到99.98%,这表明该分离器所能达到的目标组分的浓图1-1无逆流设置的气体分离器模型Fig.1-1Schematicofthegasseparatorwithoutacounterflowsetup图1-2带有逆流设置的气体分离器模型Fig.1-2Schematicofthegasseparatorwithacounterflowsetup
广西大学硕士学位论文分子交换流效应及其作用下的气体分离研究7度几乎没有任何限制;Kosyanchuk等[62]运用多尺度(系统主通道中的流体处于连续流区,由N-S方程描述,在微通道中的流体处于非连续流区,由McCormack模型方程描述)的数值模拟方法,对系统性能进行优化。Gupta等[63]设计了一个使用混合纤维素酯(MixedCelluloseEster,MCE)薄膜的努森泵实验模型,其在常压条件下展现出了优越的性能,这促进了气体分离器实验样机的制造。Nakaye等[64]采用了MCE薄膜制造出了模型样机(如图1-3所示),该样机中使用了3×3cm的MCE薄膜,其能够使得He-Ar混合气体中He组分实现15%的摩尔分数变化。为了使得该分离器能够完全采用温差驱动,Nakaye等[65]在文献[64]的实验样机的基础上增设了一台努森泵,用于提供该分离器正常运行所需的压差,使其仅在温差作用下即可运行,为该分离器几乎可以完全采用工业余(废)热等低品质热能驱动奠定了基矗Matsumoto等[66]设计了由两个努森泵与一个隔膜泵组成的气体分离器样机,两个努森泵分别用于富集氦气和氖气,该样机的实验结果表明在驱动温差不超过33K的条件下,边长3cm×3cm的正方形微孔薄膜能使流动方向与薄膜法线方向垂直的混合气体连续分离,沿气体流动方向每经过1cm,混合气体的摩尔浓度变化超过1%,通过增加微孔薄膜的面积可获得更大的体积流量与更高的分离纯度。Tamura等[67]研发了一种可以自由调整分离膜面积的利用分子交换流工作的气体分离器,既可分离氦-氖混合物,还可分离同位素气体(20Ne-22Ne混合物)。对基于分子交换流的气体分离器的研究虽然取得了一定的成果,但是目前的研究依然处于初期阶段。一方面缺少对分子交换流现象较为全面的分析,相应的数学模型不够丰富;另一方面,大多数研究都是侧重目标
本文编号:3382030
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