探析分子蒸馏过程研究

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1、天津大学博士学位论文分子蒸馏过程研究姓名：张旭斌申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：周明20030501天津大学博士学位论文中文摘要分子蒸馏是一种特殊的分离技术，自问世以来受到了人们的高度重视，但是由于对分子蒸馏理论研究尚不够深入，限制了分子蒸馏技术在应用上的推广和突破。因此，研究分子蒸馏器内液膜中的传质和传热过程，以及蒸发空间的气体流动对分子蒸馏过程的影响是非常有意义的。本文从单组分非线性BGK方程出发，建立了描述多组分稀薄气体流动的非线性BGK模型方程，并通过对降膜分子蒸馏器和刮膜分子蒸馏器中液膜流体的分析，建立了液膜的传质和传热方程。通过适当的边界条

2、件将液膜方程和气体方程耦合在一起，得到了分子蒸馏过程的传质与传热数学模型。并分别在直角坐标系和柱坐标系下进行了离散化，采用有限差分法和高斯迭代法对方程进行了数值求解。该模型既能预测蒸发空间气体的密度、温度和速度的变化规律，也能预测液膜内温度和浓度的变化规律。运用该模型可以对恒壁温以及绝热壁等不同操作方式进行模拟计算。本文研究了由蒸发与冷凝而引起的稀薄气体流动规律，讨论了蒸发器与冷凝器表面温度、残留惰性气体分压等工艺参数以及蒸发与冷凝表面之间的距离、蒸发器型式等结构参数对蒸发速率的影响。研究表明：蒸发器表面温度升高，蒸发速率增大：冷凝器表面温度升高，残留惰性气体分

3、压增加，蒸发速率减小；蒸发与冷凝器表面之间的距离增加，蒸发速率减小；凸面蒸发器的蒸馏速率大于凹面蒸发器的蒸发速率。另外，本文研究了DBP--DBS在恒壁温下的降膜分子蒸馏过程和刮膜分子蒸馏过程，考察了各种工艺参数以及结构参数对两过程的影响。结果表明，在蒸发空间内蒸发气体分子之间以及蒸发气体分子与残留惰性气体分子之间的碰撞对分子蒸馏过程的影响不可忽略，实际蒸发速率要小于不考虑碰撞的理想条件下蒸发液膜表面的蒸发速率。刮膜分子蒸馏与降膜分子蒸馏相比，由于刮膜器的旋转和搅拌，强化了蒸发液膜内的传质和传热过程，有利于物质在传热表面的蒸发，所以是一种更为理想的选择。通过数值

4、模拟还可以得到，在分子蒸馏中，提高进料流量，蒸馏速率和蒸馏产物浓度增大，但将导致产率降低；提高蒸发温度，使产率增加，但蒸馏产物浓度降低，并且使物料热分解的危险性增加。因此在选择操作参数时，需要综合考虑这些因素的作用。关键词：稀薄气体，BGK方程，分子蒸馏，数值模拟一．．!!萋．——．——————————————__-—●——————————__——————————_——●__-————_—————-——___——一ABSTRACTMoleculardistillationisaspecialliquid-liquidseparationtechnique．Sin

5、ceitcameout，sustainedinterestisevidentintheapplicationofmoleculardistillation．However,onlylimitedstudiesrelatingtothebasicprinciplesofmoleculardistillationhavebeencarriedout．Thereremainunexploredthelargerandmoreimportantfieldsofmoleculardistillation．Consequently,itsapplicationinindus

6、扛iesisconfined．Therefore，itismeaningtostudythemassandheattransferinliquidfilmandtheeffectofvaporsflowonthemoleculardistillation．Inthisdissertation，anewschemeformulti—componentflowcalculationsbetweentwoclosedsurfacesofevaporationandcondensationisdevelopedonbasisoftheBhatnagar—Gross—Kr

7、ook(BGK)equation．InthisDewscheme，eachcomponentsatisfiesitsindividualgas—kineticBGKequationandtheequilibriumstatesforeachcomponentarecoupledinspaceandtimetohavecommontemperatureandvelocity,Theflowofliquidfilmisinvestigatedbymeansoffluidmechanism，andasetofpartialdifferentialequationsis

8、developedfor