分子蒸餾過程多尺度問題研究

《分子蒸餾過程多尺度問題研究》是依託天津大學，由許松林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：分子蒸餾過程多尺度問題研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：許松林
• 依託單位：天津大學

項目摘要

分子蒸餾過程是在高真空條件下進行分離的，待分離混合物進入蒸發器在刮膜器以每秒約0.5～1米的旋轉速度下進行成膜；在刮膜器表面上，以厘米數量級的湍流渦形成頭波，並以毫米級的層流在蒸發壁面上形成均勻液膜；然後在蒸發麵上以微米級的分子平均自由程方式蒸發；最後到達冷凝面而得到分離。因此，分子蒸餾過程是一個典型的多尺度問題，然而目前對於分子蒸餾過程的傳統研究，多數只是針對流體流速、刮膜器轉速及惰性氣體存在等對分離影響的單一尺度問題研究，因此在分子蒸餾裝置放大設計過程還存在難以準確預測的問題。本申請針對分子蒸餾過程多尺度問題將複雜的分離過程分解為不同尺度的特性進行研究，以了解不同尺度問題之間的關係。由於每個尺度都有不同的學科原理和變化規律，研究它們之間的量變到質變，及此形成的對分子蒸餾總體的影響。重點突破相鄰尺度之間和跨尺度作用的關聯，使多尺度結構的定量預測，在分子蒸餾裝置放大過程得到驗證和套用。

結題摘要

為了研究分子蒸餾過程，前人進行了一些實驗研究, 液相的傳質過程和氣相的傳質過程都也進行過研究。液膜動力學和氣體動力學對分子蒸餾過程都有重要影響。在分子蒸餾的蒸發間距內，氣體屬於過渡流區，不在滿足連續性假設，控制方程將變成玻爾茲曼方程。因此，要研究分子蒸餾的氣體微觀特徵，本質上是求解玻爾茲曼方程。由於玻爾茲曼方程是非線性的，所以它的求解非常艱難。儘管有一些簡化的Boltzmann方程被套用於多組分混合物的研究，但氣體的流動是一個可壓縮、非等溫、非平衡的流動，這意味著對Boltzmann方程的任何簡化都將使結果偏離實際。針對分子蒸餾器內氣體的微觀尺度特性，基於變徑硬球分子模型，採用了直接模擬蒙特卡洛方法，考慮了分子轉動能和平動能，建立了描述分子蒸餾氣相傳遞過程的一維和二維模型，計算了不同蒸發溫度下的蒸發效率，並將模擬計算值與實驗數據對比，驗證了模型的合理性．通過模擬分子的運動和碰撞過程，分析了蒸發溫度、冷凝溫度和蒸發麵與冷凝面的間距等參數對氣相空間的碰撞頻率和分子平均自由程分布的影響。結果表明：碰撞頻率和平均自由程分布的變化始終呈相反趨勢；在蒸發麵附近，碰撞頻率和分子平均自由程分別處於各自最大值和最小值；從蒸發麵到冷凝面的氣相空間，碰撞頻率逐漸減小，分子平均自由程逐漸增大；靠近冷凝面時，碰撞頻率和分子平均自由程分別達到各自最小值和最大值；隨著蒸發溫度或冷凝溫度的升高，氣相空間同一位置處的碰撞頻率增大而平均自由程減小；隨著蒸發麵與冷凝面的間距增加，碰撞頻率在同一位置處有所增大，但在冷凝面附近更小；間距增加，同一位置處的分子平均自由程減小，但是冷凝面附近，間距越大時平均自由程也越大。分子蒸餾器中液體的巨觀尺度特性，可以停留時間分布反映，研究其規律對改進蒸餾器內的流場結構、最佳化操作參數和裝置的設計都具有重要意義。採用計算流體力學的方法，建立了三維CFD 模型，研究了進料速率和轉子轉速對停留時間分布規律的影響，與實驗值進行對比驗證；對蒸餾器壁面進行了最佳化，包括水平圓環、傾斜圓環和網狀圓環三種最佳化壁面，並且對其分別進行模擬計算和實驗驗證。模擬結果顯示出與實驗結果相同的規律。結果表明，在研究範圍內，停留時間隨著進料速率的增大而減小；隨著轉子轉速的增大，停留時間先增大，達到一定轉速後，停留時間反而減小。經過壁面最佳化後，水平圓環壁面和網狀圓環壁面的停留時間得到延長，有利於傳質過程。