鼓气强化膜蒸馏过程数值模拟及实验研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC学号:20151100133:硕士学位论文（学生类别：全日制学术型硕士研究生学科名称：动力工程及工程热物理论文题目：鼓气强化膜蒸馏过程数值模拟及实验研究英文题目：NumericalSimulationandExper-imentalStudyonbubblingenhanceProcessofMembranesDistillation学生姓名：刘常友导师姓名：杨晓宏教授二○一八年六月内蒙古工业大学硕士学位论文摘要膜蒸馏过程中会不可避免的出现膜面污染、温度极化、浓度极化所导致的通量降低等问题。通过超声技术、电磁技术、微波技术、两相流技术等与膜蒸馏

2、技术相结合以及膜组件优化等方式，在一定程度上可以破坏温度边界层和浓度边界层，对提高膜通量具有积极影响。采用欧拉多相流模型，分别对中空纤维膜组件和气隙式平板膜组件鼓气膜蒸馏过程鼓气后的两相流场运动特性，包括速度、湍流强度、膜面剪切力等进行了分析。模拟结果表明，膜组件内两相流场速度、湍流强度、进出口压降随鼓气速度的增加而增大；通过鼓气可以改变膜面附近流场形态，增强膜面剪切力，对膜蒸馏传质过程具有促进作用。搭建鼓气膜蒸馏实验平台，通过实验对中空纤维膜组件连续鼓气过程和间歇鼓气过程进行研究。对比连续鼓气实验过程不同热工质温度、流量以及鼓气强度下膜通量的变化规律可以发现，不同流量和温度下

3、的鼓气强化效果不同，热工质温度、流量和鼓气强度共同决定膜蒸馏传质过程；在气液流量比在0.5左右时可以使膜通量得到较好的强化，实验热工质流量为80L/h，温度为65℃时，与未鼓气相比膜通量强化效果达到了31%。通过控制不同的鼓气时间和鼓气间隔时间，在一定工况下进行间歇鼓气实验研究。结果表明，鼓气时间相同时，膜通量随鼓气间隔时间的延长而增大；鼓气间隔时间相同时，膜通量随鼓气时间的延长呈现先增大后减小趋势；无论是间歇鼓气还是连续鼓气膜通量均大于未鼓气时膜通量，且间歇鼓气较连续鼓气过程强化效果更为明显；将鼓气时间控制在30s进行间歇鼓气，膜通量最优强化效果达到了35%；将鼓气间隔时间控

4、制在90s，膜通量最优强化效果则达到了45%。气液两相流应用于膜蒸馏过程在技术上具有可行性，在实验范围内膜通量得到了很好的强化。关键词：膜蒸馏；鼓气；强化；数值模拟；实验研究I内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractIntheprocessofmembranedistillation,fluxreductionduetotheunavoidableproblemssuchasmembranefouling,thephenomenonoftemperaturepolarizationandconcentrationpolarization.Bymeansofultrasonic

5、technology,electromagnetictechnology,microwavetechnology,two-phaseflowtechnologycombinedwithmembranedistillationtechnology,ormembranemoduleoptimization,thetemperatureboundarylayerandtheconcentrationboundarylayercanbedestroyed,whichhasapositiveimpactonimprovingthemembraneflux.InthispaperEuler

6、multiphaseflowmodelwasusedtostudytheflowcharacteristicsofthetwo-phaseflowafterbubblingofhollowfibermembranemoduleandair-gapflatmembranemodule,includingvelocity,turbulenceintensity,wallshearforceandsoon.Thesimulationresultsshowthatthespeed,turbulenceintensity,pressuredropofthemembranemodulesi

7、ncreasewiththeincreaseofthebubblingspeed.Therefore,itcanbeseenfromthesimulationthatthebubblingcanchangetheflowfieldnearthemembranesurface,enhancetheshearforceonthemembranesurface,andhasapromotingeffectonmasstransferprocessofmembranedistillation.The