直接接触式膜蒸馏含盐废水分离过程的膜组件结构优化

论文摘要

膜蒸馏用于海水淡化技术具有余热利用率高、对水质敏感度低等优势,而低热效率与膜通量制约了其大规模商业化应用进程,其中尤为重要的原因之一是温度极化与浓度极化的存在,操作参数与膜组件的结构优化可以改变流体的流动状态,破坏膜两侧的边界层,但目前的研究多采用仅以膜通量作为评价标准的实验法,存在诸多限制。因此,本研究采用数值模拟与实验验证相结合的方法对直接接触式膜蒸馏展开研究,以温度极化系数、浓度极化系数作为微观评价指标,以热效率、膜通量作为宏观评价指标,从两个角度分别阐述操作参数的影响过程与膜组件的优化结果,为优化过程提供理论指导。为模拟传统膜组件Model A中操作参数和流态对其传热传质过程影响规律,引用文献进行数值模拟模型验证,而后在多种工况下采用单因素法与正交法进行宏观与微观对比。结果表明,所引用文献的实验值与本研究模拟值在不同条件下最大误差分别是6%与9%,由此证明所选模型的合理性。在所有测试工况下逆流的膜通量略大于顺流,而逆流的热效率低于顺流,此外对膜通量与热效率影响最显著的三个操作参数为:热侧温度、冷侧温度、热侧进口流速,其中热侧温度、热侧进口流速与膜通量与热效率呈正相关,而冷侧温度与膜通量呈负相关,与热效率呈正相关。对各个位置流体进行参数分析发现,膜组件内流道分为主流区与回流区,主流区极化现象弱,膜通量与热效率高。回流区及与主流区交界处极化现象严重,膜通量与热效率低。为了消除Model A中的回流区,改变进口位置得到Model B,在不同工况下对Model B进行模拟测试。结果显示,高流速下,热侧温度对膜通量强化效果稍加显著,其余因素间均不存在相互作用,操作参数影响规律与Model A保持一致。通过流线图发现流道中“分区”现象消失,但其内部流速远远低于Model A,且在X=13与X=-13附近发现极化现象严重的“牛角状”区域,其位置随着热侧入口流速的增加逐渐向边缘处偏移。而在进口处与膜面碰撞作用形成的旋流与出口处形成的汇流对极化现象存在抑制作用。为了解决Model B中流动过于平缓以及牛角状边界层的问题,通过增置三块挡流板得到Model C膜组件,模拟分析其内部温度及浓度分布,并将三种模型进行评价指标对比,结果表明,Model A温度极化现象最严重,Model B浓度极化现象最严重,Model C由于挡流板的存在,有效地减缓热侧膜面温度下降和冷侧膜面温度上升速率,使其极化现象最弱,此外,Model C在膜通量方面比Model A提升至少90%,对于热效率,Model C最高,Model A与Model B在不同工况下大小存在差异,此外,Model C的膜通量对热侧温度最为敏感,却对热侧进口流速敏感度低于其他模型,而Model B膜通量对浓度最敏感。按照1:1比例,设计加工Model C膜组件,搭建DCMD实验台,实验结果表明膜通量随操作参数变化趋势与模拟值基本保持一致,而实验与模拟的误差保持在14%以内,极少部分误差在10%以上,由此得出结论:总体差异保持在误差范围内,由此从模拟与实验两个角度,证明了基于Model C的流道优化膜蒸馏过程合理性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 海水淡化技术
•   1.3 膜蒸馏技术背景
•     1.3.1 膜蒸馏简介
•     1.3.2 膜蒸馏分类
•     1.3.3 疏水膜及膜组件
•   1.4 膜蒸馏研究现状
•     1.4.1 操作条件影响
•     1.4.2 传热传质机理
•     1.4.3 膜组件结构改进
•   1.5 研究内容
• 第二章 直接接触式膜蒸馏传热传质基础理论
•   2.1 能量传递
•   2.2 质量传递
•   2.3 膜蒸馏评价指标
•     2.3.1 温度极化系数（TPC）
•     2.3.2 浓度极化系数（CPC）
•     2.3.3 膜通量
•     2.3.4 热效率
•   2.4 本章小结
• 第三章 传统膜组件操作参数优化及数值模拟
•   3.1 计算模型
•     3.1.1 物理模型及物性参数
•     3.1.2 控制方程与模拟假设
•     3.1.3 UDF编译与求解过程
•   3.2 模型可靠性检验
•   3.3 单因素影响下的顺流逆流分析
•     3.3.1 不同热侧温度下顺流逆流影响
•     3.3.2 不同冷侧温度下顺流逆流影响
•     3.3.3 不同热侧进口流速下顺流逆流影响
•     3.3.4 不同浓度下顺流逆流影响
•   3.4 基于DCMD操作参数的正交法分析
•     3.4.1 正交表设计原理
•     3.4.2 正交表设计
•     3.4.3 正交试验结果分析
•   3.5 Model A参数分布规律及分析
•     3.5.1 速度流态分布
•     3.5.2 温度分布
•     3.5.3 NaCl浓度分布
•   3.6 本章小结
• 第四章 膜组件结构优化参数数值模拟研究
•   4.1 进口处位置布置策略优化
•     4.1.1 物理模型
•     4.1.2 各工况性能测试
•     4.1.3 速度流态分布
•     4.1.4 温度分布
•     4.1.5 浓度分布
•   4.2 流道结构优化
•     4.2.1 物理模型
•     4.2.2 流动状态
•     4.2.3 温度分布
•     4.2.4 浓度分布
•   4.3 模型对比分析
•     4.3.1 温度极化系数对比
•     4.3.2 浓度极化系数对比
•     4.3.3 膜通量及热效率对比
•   4.4 本章小结
• 第五章 基于Model C膜组件DCMD实验研究与膜通量验证
•   5.1 DCMD膜蒸馏实验系统工作原理
•   5.2 DCMD膜蒸馏实验系统组成
•     5.2.1 动力控制系统
•     5.2.2 温度控制系统
•     5.2.3 膜组件及疏水膜
•     5.2.4 溶液配制
•   5.3 实验注意事项
•   5.4 膜通量实验验证
•     5.4.1 热侧温度对于膜通量实验验证
•     5.4.2 冷侧温度对于膜通量实验验证
•     5.4.3 热侧进口流速对于膜通量实验验证
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结展望
•   6.1 本文总结
•   6.2 总结展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 田程友

导师: 颜学升

关键词: 直接接触式膜蒸馏,膜组件,数值模拟,膜通量,热效率,温度极化,浓度极化

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,无机化工,有机化工

单位: 江苏大学

分类号: TQ051.893;P747

总页数: 98

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