探析刮膜分子蒸馏过程研究

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1、天津大学博士学位论文刮膜分子蒸馏过程研究姓名：李国兵申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：周明20020801天津人学博士论文摘要分子蒸馏技术已逐渐在工业上得到了广泛的应用。刮膜分子蒸馏器(wiped．filmmoleculardistillationstill)作为一种高效的分子蒸馏设备，由于刮膜器的作用，液体的流动、传质和传热过程比较复杂。研究尚不够深入。为了最大限度的发挥刮膜分子蒸馏的优点，给设计和优化操作提供科学依据，研究刮膜分子蒸馏器内液体的传质和传热过程，准确描述温度和浓度分布的规律，对预测分子蒸馏速率和分离效率是非常

2、重要的。刮膜器的刮抹，使流体在蒸馏器壁面上形成厚度均匀液膜的同时，在刮膜器前缘形成了头波(bowwave)。针对流体的这一流动特点，本文对头波流体和液膜流体的质量和热量传递过程分别进行研究，建立头波和液膜流体的传质和传热方程，采用数值方法对模型方程求解，并对DBP．DBS的刮膜分子蒸馏过程进行了数值模拟。应用流体连续性方程和运动方程分析讨论了液膜流体的运动过程，求出了液膜轴向流速分布。在此基础上，对液膜流体微元进行质量和热量衡算，建立波膜传质和传热偏微分方程组。通过分析头波流体和液膜流体之间的传质与传热过程，对头波流体微元进行质量和热

3、量衡算，建立头波传质和传热常微分方程组。通过适当的边界条件将头波常微分方程和液膜偏微分方程耦合在一起，构成刮膜分子蒸馏传质和传热数学模型。该模型可以预测液膜内温度和浓度三维变化规律，还能对恒壁温、绝热以及恒热通量等不同操作方式进行模拟计算。根据模型方程的特征，分别采用四阶龙格．库塔法和平均隐式差分法对头波葶Ⅱ液膜传质传热方程进行了离散化和联合数值求解，求解过程稳定。通过对DBP．DBS的刮膜分子蒸馏和降膜分子蒸馏模拟结果的比较，表明：刮膜器对液膜的周期性刮抹，强化了液膜内的传质和传热过程，使液膜表面和内部之间的温度差和浓度差减小，液膜

4、表面分子蒸馏速率增加，分离效率和易挥发组分的收率得到了较大的提高。本文模拟了进料温度低于壁温的恒壁温分子蒸馏过程，考察了不同进料流量、浓度和壁温对分子蒸馏结果的影响。进料流量和浓度的增加，会导致易挥发组分的蒸馏速率的上升，同时分离效率和馏出液中易挥发组分的浓度也得到提高，但降低了易挥发组分的收率：壁温的升高，会使蒸馏速率大幅度上升，但分离效率和馏出液中易挥发组分的浓度大幅度下降，并且物料的热分解危险性上升。模拟计算结果还表明：刮膜器数目和转速的增加能够提高易挥发组分的收率和分离效率。当刮膜器数目和转速增加到一定程度后。继续增加，分离效

5、率和收摘要率的提高幅度有限，但动力消耗持续增加，操作费用上升。降低液膜厚度能够显著提高易挥发组分的收率，但会造成分离效率和产品易挥发组分浓度的降低，总的来说，降低液膜厚度对分子蒸馏有利。关键词：分子蒸馏短程蒸馏数值模拟刮膜DBPDBS天律大学博士论文ABSTRACTMoleculardistillationhasbeengottenmoreandmoreapplicationslnindustries．Lialeefforthasbeendirectedtoresearchofmassandheattransferinwiped-fi

6、lmmolecularevaporatoralthoughitisal【indofhighefficientandwidelyusedmoleculardistillationequipmentfortheeomplexityoffluidflowresultingfrommechanicalmotionofwipers．Itisimportanttostudythemassandheattransferanddevelopacomprehensivemathematicmodelforwiped-filmmoleculardisti

7、llationprocess．刀玲wipingmovementofwipersformsbothfallingfilmontheevaporatorwallandbowwaveinfrontofthewiper．Massandheattransferinfallingfilmandbowwavewasinvestigatedbasedontheanalysisofbothfilmandbowwaveflows．Themainscopeofpresentstudyincludes：(1)Establishmentofmathematic

8、modeldescribingmassandheattransferinwiped·filmmoleculardistillation．(2)Establishmentofnumericalmethodsforsolvi