【摘要】：膜蒸餾是蒸餾過程與膜過程相結(jié)合的新型分離技術(shù),能夠利用低品位、低熱值的廉價熱源作為過程推動力是膜蒸餾的主要優(yōu)點之一。膜蒸餾技術(shù)也是唯一可以直接分離得到結(jié)晶產(chǎn)物的膜技術(shù)。中空纖維減壓膜蒸餾同其它幾種形式的膜蒸餾(直接接觸式膜蒸餾、氣隙式膜蒸餾、氣掃式膜蒸餾等)相比,具有膜通量大、操作方式靈活、膜充填密度高、能量利用效率高等優(yōu)點,在海水淡化、工業(yè)廢水處理、化工、食品醫(yī)藥等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用,對膜蒸餾過程進行深入全面的研究和了解具有重要意義。本文采用模擬軟件FLUENT對中空纖維減壓膜蒸餾過程進行模擬研究,建立了三維模擬計算模型,編寫用戶自定義程序加載到計算過程中以模擬膜表面氣液相變的熱量轉(zhuǎn)移和質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程,并進行了間接的實驗驗證,結(jié)果表明模擬通量值和實驗值具有很好的一致性,所建立的模擬模型能夠科學客觀的反映真實的膜蒸餾過程。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)全面的分析了纖維膜表面微觀層面的流動參數(shù)、傳熱傳質(zhì)參數(shù)的分布規(guī)律,研究了操作條件如料液流速、料液溫度和真空壓力等對熱質(zhì)傳遞參數(shù)分布的影響。研究顯示,在纖維膜表面的熱質(zhì)傳遞參數(shù)分布與膜表面的位置密切相關(guān),中空纖維減壓膜蒸餾過程的膜通量主要來自于纖維左右兩側(cè)流速和傳熱系數(shù)較大的區(qū)域;纖維前后兩側(cè)均有較厚的邊界層存在,不利于膜表面整體熱質(zhì)傳遞速率的提高;纖維膜表面存在氣液混合現(xiàn)象,相變產(chǎn)生的蒸汽在料液流動的影響下向纖維后側(cè)遷移;料液流速能顯著影響纖維表面的溫度、蒸發(fā)速率、傳熱系數(shù)等分布情況,增大流速對強化膜蒸餾過程有較好的效果;真空壓力的提高雖然強化了膜通量,但是熱側(cè)膜表面的對流傳熱系數(shù)會降低。本論文的研究成果豐富了膜蒸餾過程的基礎(chǔ)理論,為膜蒸餾過程強化提供了理論依據(jù)。此外還通過模擬模型討論了膜蒸餾膜的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔隙率和曲折因子)對膜通量的綜合影響,為高效膜蒸餾用膜的研制提供了方向性參考。
[Abstract]:Membrane distillation is a new separation technology which combines the distillation process with the membrane process. It is one of the main advantages of membrane distillation that the cheap heat source with low grade and low calorific value can be used as the driving force of the process. Membrane distillation is also the only direct separation of crystalline products. Compared with other kinds of membrane distillation (direct contact membrane distillation, air gap membrane distillation, air sweep membrane distillation, etc.), hollow fiber vacuum membrane distillation has high membrane flux, flexible operation mode and high membrane filling density. Because of its high efficiency of energy utilization, it has been widely used in seawater desalination, industrial wastewater treatment, chemical industry, food and medicine, etc. It is of great significance to study and understand the membrane distillation process thoroughly and comprehensively. In this paper, the vacuum membrane distillation process of hollow fiber was simulated by FLUENT, and a three-dimensional simulation model was established. In order to simulate the heat transfer and mass transfer process of gas-liquid phase transition on the membrane surface, a user-defined program is written to simulate the heat transfer and mass transfer process. The results show that the simulated flux value is in good agreement with the experimental value. The simulation model can reflect the real process of membrane distillation scientifically and objectively. On this basis, the distribution of flow parameters and heat and mass transfer parameters on the surface of the fiber membrane are analyzed systematically and comprehensively, and the effects of operating conditions such as feed flow rate, feed temperature and vacuum pressure on the distribution of heat and mass transfer parameters are studied. The results show that the distribution of heat and mass transfer parameters on the membrane surface is closely related to the position of the membrane surface, and the membrane flux of hollow fiber vacuum membrane distillation mainly comes from the region of high flow rate and heat transfer coefficient on the left and right sides of the fiber. There is a thick boundary layer on both sides of the fiber, which is not conducive to the increase of the overall heat and mass transfer rate on the membrane surface, the gas-liquid mixing phenomenon exists on the surface of the fiber membrane, and the steam produced by the phase change migrates to the back of the fiber under the influence of the flow of the feed liquid. The distribution of temperature, evaporation rate and heat transfer coefficient on the fiber surface can be significantly affected by the flow rate of the feed liquid, and the increase of the flow rate has a better effect on the enhanced membrane distillation process. Although the increase of vacuum pressure strengthens the membrane flux, the convection heat transfer coefficient of the hot side membrane surface will decrease. The research results of this paper enrich the basic theory of membrane distillation process and provide theoretical basis for membrane distillation process strengthening. In addition, the effects of pore structure parameters (porosity and zigzag factor) on membrane flux were discussed by the simulation model, which provided a directional reference for the development of membrane for high efficiency membrane distillation.
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ028.8

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本文編號：2423660