气隙式膜蒸馏两相流强化过程传递机理研究

摘要

膜蒸馏技术的应用领域广泛，尤其在海水淡化领域具有巨大的开发与应用潜力，但是渗透通量低的问题阻碍了该技术的进一步推广应用。在强化方法中，气液两相流方法是通过增大对流体的扰动作用强化膜蒸馏过程的，此方法用于强化膜蒸馏过程的优势明显。在研究膜蒸馏两相流强化过程时，仅依靠实验测定难以深入分析包含气液相间复杂相互作用的强化传递机理。采用计算流体动力学（CFD）方法，可通过对实际膜蒸馏两相流强化过程进行抽象提取、建模与求解，辅助分析强化传递机理，为气液两相流方法在强化膜蒸馏领域的进一步推广应用提供理论依据。为此，本文在两相流强化膜蒸馏实验研究基础上，开展CFD模拟研究，探讨强化过程传递机理。主要内容如下： 首先，以自制疏水性管状煤基炭膜为分离膜，氯化钠溶液（35g·L-1）为待分离料液，氮气与低压水蒸气为强化介质，进行气隙式膜蒸馏两相流强化实验。结果发现，通入氮气、低压水蒸气时的渗透通量最高可分别达到未通气时的4.70倍、5.46倍；相同实验条件下，通入低压水蒸气的渗透通量大于通入氮气的情况；通入水蒸气的两相流型相比于氮气表现出明显的“滞后性”。综上可知，氮气、低压水蒸气与料液的相互作用存在较大差异；但单从提高膜蒸馏渗透通量的效果来看，低压水蒸气的强化效果优于氮气。 其次，建立了通用性较强的两相流强化气隙式膜蒸馏物理模型，并应用FLUENT软件，结合流体体积函数（VOF）模型，分别对通入氮气与低压水蒸气强化膜蒸馏过程的渗透通量、气液两相流型、局部膜壁剪应力、湍流强度、努塞尔数、温度极化因子、传质系数、浓差极化因子等参数进行模拟计算。结果表明，通气后的局部膜壁剪应力表现为波动状态、湍流强度明显增大（通入氮气、低压水蒸气时的湍流强度普遍可达到150%、50%）；通气后的温度极化因子增大、浓差极化因子减小（通入氮气、低压水蒸气时的温度极化因子最大可分别达到未通气时的1.64倍、2.37倍，浓差极化因子最低可分别降至未通气时的0.62倍、0.22倍）。综上可知，两相流技术可强化膜蒸馏传递过程，氮气与低压水蒸气对动量、热量、质量传递过程的强化效果存在较大差异。 最后，对比不同气体介质的强化效果。结果发现，以低压水蒸气为强化介质时，对总温差推动力的利用效率更高、浓差极化程度更低；气含率小于0.33或大于0.56时，低压水蒸气作为膜蒸馏强化介质的经济性更好；气含率介于0.33与0.56之间时，两种强化介质的经济性相似。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 膜蒸馏

1.1.1 膜蒸馏简介

1.1.2 膜蒸馏发展状况

1.1.3 膜蒸馏分类

1.1.4 膜蒸馏应用

1.1.5 膜蒸馏强化方法

1.2 两相流技术

1.2.1 两相流技术简介

1.2.2 气液两相流技术发展状况

1.2.3 气液两相流技术在膜蒸馏领域的应用

1.3 计算流体动力学

1.3.1 计算流体动力学简介

1.3.2 计算流体动力学发展状况

1.3.3 计算流体动力学在膜蒸馏领域的应用

1.4 本文的研究内容

2 气隙式膜蒸馏两相流强化实验

2.1 实验条件

2.2 实验流程及设备

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 气体流量对膜两侧进出口温度的影响

2.3.2 气体流量对渗透通量的影响

2.3.3 气体流量对气液两相流型的影响

2.4 本章小结

3 膜蒸馏两相流强化过程模型

3.1 模型建立

3.2 两相流强化过程控制方程

3.2.1 体积分数方程（连续性方程）

3.2.2 动量方程

3.2.3 传热方程

3.2.4 传质方程

3.3 两相流强化过程分析参量

3.3.1 动量传递分析

3.3.2 热量传递分析

3.3.3 质量传递分析

3.4 本章小结

4 膜蒸馏两相流强化过程数值模拟

4.1 氮气强化过程数值模拟

4.2 水蒸气强化过程数值模拟

4.3 氮气、低压水蒸气强化效果对比

4.3.1 渗透通量对比

4.3.2 温度极化因子对比

4.3.3 浓差极化因子对比

4.3.4 渗透液单位质量成本对比

4.4 本章小结

结论

创新点与展望

参考文献

附录A 符号说明

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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