刮膜式分子蒸馏器传热特性及优化

摘要

刮膜式分子蒸馏过程因刮膜器的存在具有特殊优势，因此广泛应用于生产食品、药物，分离提纯聚合物，分离回收热敏性物质等方面。近些年，对刮膜式分子蒸馏过程的研究主要集中在液体的流动状态、液膜厚度、平均停留时间，蒸发效果、气相的流动状态等方面，较少涉及刮膜式分子蒸馏的传热特性。因此，研究刮膜式分子蒸馏过程气液两相传质存在的状态下的传热特性，能够完善对刮膜式分子蒸馏的认识，为进一步优化刮膜式分子蒸馏过程提供参考和方向。
　　CFD软件可以数值计算流体的运动状态，广泛应用于液体的流动和传热过程复杂，难直接测量的情况。因此，利用CFD软件，并编写用户自定义函数(UDF)，研究刮膜式分子蒸馏过程传质存在时的传热特性；结构化蒸发壁面，进行优化，并将结果与光滑蒸发壁面进行对比。
　　对刮膜式分子蒸馏过程进行模拟计算，在不同的转子转速、进料量、蒸发壁面温度情况下，得到充分发展的温度场和速度场，分析得到如下结论：刮膜器的刮擦作用对液体的周向速度影响最大，促使液体的局部产生涡流、螺旋性变化；在刮膜器刮擦的位置局部Nu数明显增大，是平均Nu数增大的重要因素。随着转速的增加，液体受到刮擦的周期减小，液膜表面达到的动态稳定温度Tdst先增大，后减小，温度变化趋于平缓；温度梯度、速度梯度、平均Nu数变化趋势均先增大后减小。进料量增加，液膜表面温度的动态稳定温度减小，但Nu数增加；蒸发壁面温度增加，平均Nu数明显增加；适当地提高转速，升高蒸发壁面温度都会加快轻组分的蒸发。
　　对刮膜式分子蒸馏设备的蒸发壁面添加微型凸起，计算结果表明：蒸发壁面上增加微型凸起，液体的流动状态更加复杂，液体涡量增加，螺旋性增加并改变螺旋方向。微型凸起矩形排列、微型凸起三角形排列、微型凸起螺旋形排列时，宏观速度变化依次减小，平均Nu数分别是光滑蒸发壁面平均Nu数的1.32倍、1.23倍、1.04倍。微型凸起的存在可以增加液体温度场与速度场的协同性，优化传热特性；而微型凸起的不同排列形式使两者的协同性产生差异，是传热得到改善程度不同的因素。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 刮膜式分子蒸馏设备的研究现状

1.3 壁面优化研究概述

1.4 主要研究内容

第二章 模型与方法

2.1 引言

2.2 数学模型

2.3 模拟方法

2.4 网格独立性及模型验证

2.5 计算结果的处理方法

2.6 过程传热的机理以及速度场与温度场的协同性分析

2.7 本章小结

第三章 刮膜式分子蒸馏设备的传热特性

3.1 引言

3.2 转子转速对刮膜式分子蒸馏过程传热的影响

3.3 进料量对刮膜式分子蒸馏过程的传热过程的影响

3.4 蒸发壁面温度对刮膜式分子蒸馏过程的传热特性的影响

3.5 Nu准数的关联与回归

3.6 传热对传质过程的影响

3.7 本章小结

第四章 刮膜式分子蒸馏蒸发器壁面优化

4.1 壁面优化的物理模型

4.2 模型计算区域离散与模拟条件

4.3 三种壁面优化数值计算结果与分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

符号说明

发表论文和参加科研情况说明

致谢