多效真空膜蒸馏数学模拟及实验研究

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1、中文图书分类号：TQ028.8密级：公开UDC：28学校代码：10005博士学位论文DOCTORDISSERTATION论文题目：多效真空膜蒸馏数学模拟及实验研究论文作者：张永刚学科：应用化学指导教师：纪树兰教授论文提交日期：2016年12月UDC：28学校代码：10005中文图书分类号：TQ028.8学号：B201205010密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目:多效真空膜蒸馏数学模拟及实验研究英文题目:THEMATHMATICALSIMULATIONANDEXPERIMENTRESEARCHOFMULTI-EFFECTVACUUMMEMBRANEDISTILLAT

2、ION论文作者：张永刚学科专业：应用化学研究方向：膜科学与分离技术申请学位：工学博士指导教师：纪树兰教授所在单位：环境与能源工程学院答辩日期：2016年12月授予学位单位：北京工业大学DissertationSubmittedtoBeijingUniversityofTechnologyforDoctorDegreeofEngineeringTHEMATHMATICALSIMULATIONANDEXPERIMENTRESEARCHOFMULTI-EFFECTVACUUMMEMBRANEDISTILLATIONZHANGYONGGANGSupervisedbyProfesso

3、rJISHULANMajorinAppliedChemistryBeijingUniversityofTechnologyDecember，2016独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：张永刚日期：2016年12月03日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的

4、规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：张永刚日期：2016年12月03日导师签名：纪树兰日期：2016年12月03日摘要摘要膜蒸馏是低温蒸发技术与膜技术相结合的一种新型的膜分离过程，它以微孔疏水膜为介质，在膜两侧蒸气压力差的作用下，料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，从而实现分离。膜蒸馏具有分离效率高、操作条件温和等优点，可广泛应用于挥发性物质的去除、盐的浓缩等领域。但至今膜蒸馏仍未实现大规模工业化应用，其重要制约因素之一就是过程的耗能

5、太高。本文以真空膜蒸馏（VMD）为研究对象，采用多效流程回收蒸汽潜热，探讨降低过程能耗的影响因素，主要从以下四个方面开展研究。一、将计算流体力学（CFD）运用于真空膜蒸馏的数学模拟研究的是料液在中空纤维膜丝管程流动、壳程抽真空的真空膜蒸馏过程。水蒸汽在膜内的传质服从粘性流-努森扩散机理。运用CFD将质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律应用于VMD过程的模拟，建立了中空纤维膜的三维传热和传质模型，并用FLUENT软件进行计算。通过数学模拟，得到了不同条件下料液温度和流速的3D和2D分布云图，并进一步计算出沿组件长度方向的局部温差、局部传热系数、局部热通量、局部膜通量、局部

6、温度极化系数，深入探讨了进料温度、料液流速、透过侧绝对压强和组件长度对平均膜通量、热效率的影响机理和影响规律。模拟结果发现较高的料液温度可以增大平均膜通量和总热效率，当料液进口温度升高时，温度极化现象更显著，传质主要受热料液边界层内的传热控制。提高料液流速有助于获得更高的膜通量，但会使总热效率降低。传热阻力主要存在于进料侧。透过侧绝对压力减小会提高传质推动力，进而提高膜通量和热效率。平均膜通量和总热效率都随组件长度增大而减小，所以VMD适合于采用短组件。最后用基于PTFE中空纤维膜的VMD实验验证了模型的可靠性。二、多效真空膜蒸馏的数学模拟及经济分析一个膜组件串联一个换热器

7、来回收蒸汽潜热的装置即为一个单效真空膜蒸馏单元，将n个单效真空膜蒸馏单元的膜组件进行串并联，建立了首级加热、级间加热（料液和蒸汽在效间依次逆流流动）和平流式（料液只在本效循环、蒸汽在效间流动）三种多效真空膜蒸馏的数学模型并对三种流程进行了分析和比较。发现虽然级间加热流程具有较高的水回收率，但其造水比较低，并且每级膜组件前都设置加热器，增加了系统的复杂性及运行成本，因此把首级加热和平流时两种流程作为主要的研究对象。针对首级加热多效真空膜蒸馏系统，建立了一套经济评价方法。结合上章单组件的数学模型，深入探讨了影响首级加热