渗透汽化膜组件中流动和传质的数值模拟及实验研究.pdf

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1、第53卷第5期化工设置与管遵v01．53No．52016年10月PROCESSEQUIPMENT&PIPING0ct．2016渗透汽化膜组件中流动和传质的数值模拟及实验研究刘建蜀，曹礼勇，郭世蒙，姜杰，王远，肖泽仪(四川大学化学工程学院，成都610065)摘要：采用计算流体力学(CFD)的方法，对自制的矩形平板PDMS(聚二甲基硅氧烷)复合膜构造而成的板框式渗透汽化膜组件进行了流体流动和对流传质的研究，并以乙醇水溶液为分离对象，通过实验对模拟结果加以验证。数值模拟结果给出了原料液在流道内的速度分布以及乙醇质量分数云图，揭示了速度分布

2、对渗透通量的影响。对不同流量下的模拟计算结果对比分析可知，增大流量有利于缓解浓差极化现象，降低传质阻力，从而促进渗透传质进行。基于串联阻力模型，探讨了膜表面的液体流动状况对膜传质的影响，拟合出对流传质系数与Reynolds数的关系式，与实验值极为吻合。关键词：渗透汽化；PDMs复合膜组件；流动；对流传质；计算流体力学；乙醇水溶液中图分类号：1Q051．8；TH6文献标识码：A文章编号：1009．3281(2016)05．0020．006渗透汽化膜由于其良好的分离特性，已被广泛应用于诸多分离工序【l】。在渗透汽化过程中，透过膜的传质动

3、力学是主要研究对象，其中包括分离组分在膜上游面的对流传质以及在膜内的扩散传递。目前，已有学者对渗透汽化过程进行了实验研究陆31。但实验研究通常只能通过测量的方式，从宏观角度分析流动状态与分离性能的数据，无法结合膜组件内流道结构进行分析。计算流体力学(CFD)是以Navier-Stokes方程为基础，通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析‘41。cFD技术日趋成熟，通过该技术对分离膜进行的研究也在不断发展【51。通过cFD模拟计算分析，可确定一些实验研究中无法测定的流动与传递行为，对传质动

4、力学问题进行更深入的研究嗍。本文采用数值模拟的方法，计算渗透汽化膜组件中低浓度乙醇水溶液通过PDMS复合膜分离的料液流动和传质情况，并进行相关实验验证模拟计算的可行性。借助该方法，说明CFD技术可解决复杂的流动传质问题、更清晰地反映膜器内流体的传质情况以及精确地得到操作条件对膜传质性能的影响，为膜和膜器结构的进一步开发和设计提供便利的优化与测试方法。1理论分析1．1渗透汽化过程渗透汽化的传递机理通常采用溶解．扩散模型理论来解释，其过程可拆分为以下几步：(1)被分离组分从液相主体传递到分离膜上游表面；(2)在膜上游表面有选择地吸附并溶

5、解；(3)通过浓度差的推动在膜内扩散；(4)在膜下游表面脱附成气相；(5)从膜下游表面传递到蒸汽主体。渗透汽化的传质过程为三段串联传递过程，如图1。根据基本假设，被分离组分的渗透通量可用以下公式表达：，=k(cb—cv)(1)式中．，．_—被分离组分的渗透通量，g“m2．h)；‰。——总传质系数，IIl／s；岛—料液主体浓度，g，m3；c。——膜下游侧蒸汽主体浓度，g／m3。总传质系数与各分传质系数的关系可表达为：收稿日期：2016．06-28基金项目：国家自然科学基金资助项目(20776088)。作者简介：刘建蜀(199l一)，男

6、，福建长乐人，硕士研究生。主要从事渗透汽化膜分离研究工作。2016年10月刘建蜀，等．渗透汽化膜组件中流动和传质的数值模拟及实验研究‘21．去=去+去+去(2)2数值模拟计算式中岛——液相传质系数，州s；k——膜内传质系数，111／s；舷——气相传质系数，IIl／s。总传质系数的表达式基于以下基本假设：(1)渗透汽化过程为稳态；(2)膜相与液相之间为分配平衡状态；(3)膜相与气相之间没有浓差极化；(4)三段传递过程均满足Fick定律。在实际操作中，通常将膜下游侧施加高真空，以增加蒸汽压推动力。气藉膜相藿边界层cⅢl＼铀——～、、．巳

7、c5、／·图1串联阻力模型Fig．1Resistance面-seriesmodel1．2膜内传质系数的确定根据溶解扩散．模型理论，膜内扩散传质系数的定义式为：k：掣(3)式中D。——被分离组分在膜内的扩散系数，m2／s；K——被分离组分在液相和膜相间的分配系数；￡。——膜厚，m。相比于求得D。和K的准确值，以实验方法直接求取k要简单得多，而且更具有实际意义‘7‘81。本文基于以上渗透汽化传质过程的表达式，采用文献‘71中的测量方法，对具有不同PDMS皮层厚度的膜进行渗透汽化实验，根据实验测得的传质通量，得到总传质系数，进而计算出k。

8、由式(3)可知，k与膜面上的流动状态无关，若料液的物性参数相同，则当膜面上的流动状态相同时，不同膜厚度下实验所得的毛也相同，故可推导出下式：去一古=毛争c4，k2kl￡。1kl”72．1流动模型渗透汽化装置中的膜组件为实验室自行设计的