热流逸效应及其作用下的气体分离研究

摘要

气体热流逸效应是由微通道两侧微通道冷、热两侧的温差驱动而形成的气体流动现象。纯气体介质的热流逸效应有一定的输送与升压能力;在此基础之上，混合气体的热流逸效应还具备一定的分离效果。考虑热流逸自身优势，将其应用于气体分离，一方面可充分利用工业生产过程中的余（废）热驱动，且无运动部件带来的损耗;另一方面，灵活的结构不仅可按需分离出不同浓度的产品，还可与不同工业过程有机整合。
　　本文首先探讨了13种常见纯气体在微通道内的热流逸效应，分析了气体流态、微通道结构尺寸、气体分子特性以及温差对流动的影响。研究表明，流动在过渡流领域初始阶段时，气体净质量流量较大;流动处于自由分子流领域时，气体压差最大;而努森数与微通道几何系数相互耦合，当二者分别达到2.4和1000左右时，气体净质量流量衰减幅度达99％。提升微通道冷、热两侧温差有助于提气体流量与压差。其次，基于以上讨论，本文以He—Ar混合气体为例，进一步探讨了二元混合气体的热流逸效应，分析了混合物摩尔比、流态、微通道结构尺寸以及温差等对混合物整体和气体组元自身流动的影响。研究发现，在热流逸效应作用下，摩尔比一定的混合物在相同条件下的整体流动与纯气体相似，且努森数与几何系数的耦合使得气体净摩尔流量在二者分别达到1.6或1000左右时同样衰减了99％;而He与Ar气体组元则会出现流动差异，分子质量较小的He会更多地流向热端一侧，而Ar会更多地流向冷腔;混合物初始摩尔比和温差越大，组元He与Ar两者流动差异也越大;此外，温差在自由分子流领域产生的影响略强于过渡流领域。
　　根据以上单级微通道内热流逸效应的分析，进一步分析了多级串联的热流逸式气体分离模型。研究指出，提升温差有助于提高单级分离单元的分离度，但无法保证多级串联后获得超过99％的提纯度;此外分离单元的逐级分离度有一定差异，但变化幅度较小。
　　最后，结合常规热驱动制冷系统，以分离焦炉煤气制H2为例，设计了一种余（废）热驱动的热流逸式气体分离系统，提出了气体分离系统的单位能耗模型。研究表明，气体分离系统的单位产品能耗与分离单元级数、冷热腔内气体与换热器的传热温差、混合气体初始浓度等因素相关。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 传统气体分离技术

1．3 现有工业余热回收技术

1．4 热流逸式气体分离技术

1．4．1 热流逸式气体分离方法概述

1．4．2 热流逸式气体分离方法研究进展

1．5 本文的主要内容

第二章 单组元气体的热流逸效应

2．1 单组元气体的热流逸效应的数学描写

2．1．1 微通道中纯气体的热流逸模型

2．1．2 微通道中纯气体的过渡流

2．1．3 微通道中纯气体的自由分子流

2．2 若干气体的热流逸效应

2．2．1 微通道尺寸特征及气体流态的影响

2．2．2 微通道冷、热两端温差的影响

2．3 关于单组元气体热流逸效应的讨论

2．4 本章小结

第三章 二元混合气体的热流逸效应

3．1 二元混合气体热流逸效应数学描写

3．1．1 微通道中二元混合气体的热流逸模型

3．1．2 微通道中二元混合气体的过渡流

3．1．3 微通道中二元混合气体的自由分子流

3．1．4 微通道中二元混合气体各组元间差异流动

3．2 二元混合气体热流逸的组元间流动差异

3．2．1 混合气体流态对各气体组元流动的影响

3．2．2 微通道冷、热两端温差对各气体组元流动的影响

3．3 二元混合气体的热流逸现象

3．3．1 微通道尺寸与二元混合气体流态的影响

3．3．2 微通道冷、热两端温差的影响

3．4 关于二元混合气体热流逸效应的讨论

3．5 本章小结

第四章 热流逸式气体分离方法

4．1 热流逸式气体分离模型

4．2 微通道串联级数对流动的影响

4．2．1 串联级数对各气体组元流量的影响

4．2．2 串联级数对各气体组元压差的影响

4．2．3 串联级数对各气体组元分离度的影响

4．2．4 串联级数对混合气体流动的影响

4．3 关于热流逸式气体分离方法的讨论

4．3．1 关于温差的讨论

4．3．2 关于其他问题的讨论

4．4 本章小结

第五章 余(废)热驱动的热流逸式气体分离系统设计——以分离焦炉煤气制氢为例

5．1 余(废)热驱动的热流逸式气体分离系统构建

5．1．1 热流逸式气体分离系统

5．1．2 热驱动制冷系统

5．1．3 余(废)热驱动的热流逸式气体分离系统

5．2 余(废)热驱动的热流逸式分离焦炉煤气制氢系统设计

5．2．1 气体分离系统设计

5．2．2 制冷子系统选择

5．3 关于气体分离系统的讨论

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文和专利情况