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旋转入流膜蒸馏组件数值模拟研究
摘要
本文基于数值模拟方法探究了旋转入流膜蒸馏组件对溶液分离效果的影响。采用计算流体力学软件COMSOLMultiphysics对旋转入流膜蒸馏组件进行了三维模拟，分析了组件结构参数、入口流速和组件转速对分离效果的影响。研究结果表明，旋转入流膜蒸馏组件的结构参数会影响组件内流场分布和物质传输的速率，对分离效果有一定影响；入口流速的变化会导致组件内蒸汽和液体之间的接触时间变化，从而影响分离效果；组件转速的增加会提高蒸汽和液体之间的传质速率，但也会增加能耗和组件材料受力。研究结果为提高旋转入流膜蒸馏组件的分离效果提供了理论基础。
关键词：旋转入流膜蒸馏组件；数值模拟；结构参数；分离效果
Abstract
Thispaperexplorestheinfluenceofrotatinginflowmembranedistillationcomponentsontheseparationefficiencyofsolutionsbasedonnumericalsimulationmethod.COMSOLMultiphysicssoftwareisusedtosimulatetherotatinginflowmembranedistillationcomponentsinthreedimensions,andtheeffectsofcomponentstructureparameters,inletflowrate,andcomponentrotationalspeedonseparationefficiencyareanalyzed.Theresultsshowthatthestructuralparametersofrotatinginflowmembranedistillationcomponentswillaffectthedistributionofflowfieldandtherateofsubstancetransferinthecomponents,whichhasacertaineffectonseparationefficiency;thechangeofinletflowratewillleadtothechangeofcontacttimebetweenvaporandliquidinthecomponents,thusaffectingseparationefficiency;theincreaseofcomponentrotationalspeedwillimprovethemasstransferratebetweenvaporandliquid,butalsoincreaseenergyconsumptionandmaterialstressofthecomponents.Theresearchresultsprovideatheoreticalbasisforimprovingtheseparationefficiencyofrotatinginflowmembranedistillationcomponents.
Keywords:rotatinginflowmembranedistillationcomponents;numericalsimulation;structuralparameters;separationefficiency
1.引言
膜蒸馏技术是一种能够在常温常压下将含溶质的液体与蒸汽之间通过微孔膜隔离达到分离纯化的技术。旋转入流膜蒸馏技术是膜蒸馏技术的一种改进型，能够在膜侧壁面产生强烈的湍流，将膜上溶解的污染物质通过对流传递到蒸发壁面降解析出，从而实现更高效的处理效果。
旋转入流膜蒸馏组件作为旋转入流膜蒸馏技术的核心部件，其内部流场分布和组件结构参数对分离效果至关重要。本文基于数值模拟方法，研究了旋转入流膜蒸馏组件的结构参数、入口流速和组件转速对分离效果的影响，旨在为旋转入流膜蒸馏技术的进一步改进提供理论依据。
2.数值模拟方法
本文采用计算流体动力学软件COMSOLMultiphysics对旋转入流膜蒸馏组件进行了三维模拟。选取组件内部为旋转圆柱形结构，设定组件入口为液体和蒸汽的共同入口，出口为分离出的纯净液体和污染物质。将组件内部液体和蒸汽设为不可压缩流体，并对组件内部流场进行求解。模拟时考虑了组件结构参数、组件入口流速和组件转速对分离效果的影响。
3.结果与分析
3.1.结构参数对分离效果的影响
结构参数是旋转入流膜蒸馏组件的重要设计参数，包括膜孔直径、孔间距和孔型等。本文设计了三种不同结构参数的旋转入流膜蒸馏组件，对其进行了数值模拟，分析了不同结构参数对分离效果的影响。
图1.不同结构参数下的溶质分离效果
从图1可以看出，旋转入流膜蒸馏组件的