本文關(guān)鍵詞：膜蒸餾過程的CFD模擬及其脫鹽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： 膜蒸餾 計(jì)算流體力學(xué) 脫鹽 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 優(yōu)化 模擬

【摘要】：膜蒸餾可在常壓條件下利用100°C以下的低溫?zé)嵩催M(jìn)行高濃鹽水脫鹽,廣泛應(yīng)用于反滲透海水淡化過程集成和太陽能、地?zé)岬荣Y源利用領(lǐng)域。膜蒸餾處理高濃鹽水時(shí),鹽分不僅可能在膜面的結(jié)晶析出,還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的濃度極化現(xiàn)象影響正常操作。然而現(xiàn)有膜蒸餾研究較少關(guān)注高濃料液的濃縮特性,特別是尚未發(fā)現(xiàn)有揭示關(guān)鍵的膜蒸餾濃度場(chǎng)分布特性。為此,本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法詳細(xì)研究了膜蒸餾單元中的傳遞現(xiàn)象,通過對(duì)膜側(cè)流道的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分析,揭示了高濃度膜蒸餾操作的傳質(zhì)分離規(guī)律和優(yōu)化操作特征。在闡明膜蒸餾單元操作特性的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)膜蒸餾高濃脫鹽過程進(jìn)行了系統(tǒng)分析和優(yōu)化,重點(diǎn)研究了在多膜蒸餾子系統(tǒng)組成的復(fù)合系統(tǒng)中,系統(tǒng)陣列設(shè)計(jì)與優(yōu)化對(duì)復(fù)合系統(tǒng)的綜合影響。本文主要工作包括膜蒸餾單元中的CFD模擬和膜蒸餾系統(tǒng)的流程模擬與優(yōu)化,具體如下:(1)基于膜蒸餾熱質(zhì)傳遞機(jī)理建立了二維CFD模型。利用商用CFD軟件FLUENT模擬了平板膜組件中的膜蒸餾過程,模擬結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值較吻合,相對(duì)平均偏差為6.0%。利用所建立的CFD模型,模擬了不同料液溫度、濃度及流速下的膜蒸餾過程。通過分析不同操作條件下的滲透通量變化、膜組件內(nèi)的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布及過飽和度分布,確定了膜蒸餾過程的適宜操作條件:對(duì)于較低濃度原料(即料液側(cè)進(jìn)口NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15),可采用低流速(0.02~0.06m/s)操作條件;而較高濃度料液的濃縮(即NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25)時(shí),應(yīng)采取高料液側(cè)流速操作(≥0.07m/s)以避免膜表面NaCl過飽和結(jié)晶析出影響膜蒸餾正常進(jìn)行。(2)基于膜蒸餾單元過程的分析,建立了中空纖維管式膜組件的膜蒸餾模型,進(jìn)而開發(fā)了Aspen Plus中的用戶自定義膜蒸餾單元計(jì)算模塊。進(jìn)而在Aspen Plus中建立了膜蒸餾復(fù)合系統(tǒng),其中包括多個(gè)可獨(dú)立操作并具有相同結(jié)構(gòu)和完整脫鹽功能的膜蒸餾子系統(tǒng)。采用流程模擬方法研究了等膜長(zhǎng)度和等膜絲數(shù)兩種典型的子系統(tǒng)間復(fù)合陣列結(jié)構(gòu)對(duì)膜蒸餾復(fù)合系統(tǒng)產(chǎn)能、能耗和生產(chǎn)成本的影響。模擬結(jié)果表明:在固定操作條件下,采用等膜絲數(shù)陣列結(jié)構(gòu)有利于脫鹽系統(tǒng)的提產(chǎn)、降耗和降低成本,且采用高填充密度膜組件的效果更為顯著;優(yōu)化各單元循環(huán)流量能有效降低生產(chǎn)成本,在優(yōu)化循環(huán)流量條件下采用等膜絲數(shù)的陣列結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步降低成本25%。本文的CFD模擬工作將填補(bǔ)高濃料液膜蒸餾濃縮的CFD傳質(zhì)研究空白,促進(jìn)膜蒸餾跨膜傳遞機(jī)理研究的發(fā)展;同時(shí)本文的流程模擬工作將加深膜蒸餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的理解,為膜蒸餾工業(yè)化應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：膜蒸餾 計(jì)算流體力學(xué) 脫鹽 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 優(yōu)化 模擬
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ028.8
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 符號(hào)說明12-15
• 第一章 緒論15-29
• 1.1 淡水資源及海水淡化技術(shù)15-16
• 1.2 膜蒸餾簡(jiǎn)介16-19
• 1.2.1 膜蒸餾原理及分類16-18
• 1.2.2 膜蒸餾膜的種類和性質(zhì)18
• 1.2.3 膜蒸餾過程的優(yōu)缺點(diǎn)18-19
• 1.2.4 膜蒸餾技術(shù)的歷史及發(fā)展19
• 1.3 膜蒸餾應(yīng)用研究進(jìn)展19-21
• 1.4 膜蒸餾過程的影響因素21-24
• 1.4.1 膜結(jié)構(gòu)的影響21-22
• 1.4.2 操作條件的影響22-24
• 1.5 膜蒸餾過程的CFD模擬研究進(jìn)展24-27
• 1.5.1 流道內(nèi)傳熱的CFD模擬25
• 1.5.2 流道內(nèi)傳熱及傳質(zhì)的CFD模擬25-26
• 1.5.3 跨膜傳質(zhì)CFD模擬26-27
• 1.6 本文研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容27-29
• 1.6.1 研究目標(biāo)27
• 1.6.2 研究?jī)?nèi)容27-29
• 第二章 高鹽度下膜蒸餾的CFD模擬29-54
• 2.1 膜蒸餾傳質(zhì)及傳熱機(jī)理30-35
• 2.1.1 膜蒸餾熱量傳遞30-31
• 2.1.2 膜蒸餾傳質(zhì)機(jī)理31-33
• 2.1.3 傳熱傳質(zhì)過程中的相關(guān)參數(shù)33-35
• 2.2 CFD計(jì)算模型的建立35-39
• 2.2.1 物理計(jì)算模型的建立35
• 2.2.2 模型假設(shè)35-36
• 2.2.3 控制方程36-37
• 2.2.4 邊界條件37
• 2.2.5 用戶自定義函數(shù)（UDF）37-38
• 2.2.6 求解方法38
• 2.2.7 網(wǎng)格的劃分38-39
• 2.3 模型驗(yàn)證39-43
• 2.3.1 不同條件下滲透通量的驗(yàn)證39-42
• 2.3.2 出口溫度驗(yàn)證42-43
• 2.4 操作條件對(duì)膜蒸餾過程的影響43-45
• 2.4.1 料液進(jìn)口濃度對(duì)膜蒸餾通量的影響43-44
• 2.4.2 料液進(jìn)口溫度對(duì)膜蒸餾通量的影響44
• 2.4.3 料液進(jìn)口流速對(duì)膜蒸餾通量的影響44-45
• 2.5 膜蒸餾中熱量和質(zhì)量傳遞現(xiàn)象45-51
• 2.5.1 膜蒸餾傳熱模擬45-48
• 2.5.2 膜蒸餾傳質(zhì)模擬48-51
• 2.6 高鹽濃縮中潛在的結(jié)晶堵塞51-53
• 2.7 本章小結(jié)53-54
• 第三章 膜蒸餾脫鹽系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化54-73
• 3.1 膜蒸餾脫鹽系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析54-59
• 3.1.1 多子系統(tǒng)陣列膜蒸餾復(fù)合系統(tǒng)54-55
• 3.1.2 膜蒸餾過程分析方法55-59
• 3.2 Aspen膜蒸餾子系統(tǒng)的建立59-61
• 3.2.1 中空纖維管式膜組件中的輸運(yùn)模型59-60
• 3.2.2 Aspen膜蒸餾子系統(tǒng)的建立60-61
• 3.3 膜蒸餾脫鹽系統(tǒng)流程模擬61-63
• 3.4 膜蒸餾過程模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)63-65
• 3.4.1 實(shí)驗(yàn)材料63
• 3.4.2 實(shí)驗(yàn)方法63-64
• 3.4.3 模型的驗(yàn)證64-65
• 3.5 多子系統(tǒng)陣列結(jié)構(gòu)對(duì)膜蒸餾脫鹽效能的影響65-68
• 3.5.1 膜滲透通量及淡水產(chǎn)能65-66
• 3.5.2 單位產(chǎn)品動(dòng)力消耗量66-68
• 3.6 膜蒸餾復(fù)合系統(tǒng)的成本分析與優(yōu)化68-72
• 3.6.1 相同操作條件下的成本比較68-69
• 3.6.2 優(yōu)化條件下的膜蒸餾脫鹽系統(tǒng)成本分析69-72
• 3.7 本章小結(jié)72-73
• 結(jié)論73-74
• 參考文獻(xiàn)74-81
• 附錄81-88
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果88-89
• 致謝89-90
• 附件90

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