离心式短程蒸馏的流体力学及传递过程研究

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短程蒸馏技术作为一项正在进行工业化开发应用的高新液-液分离技术,近年来得到了迅速的发展。主要应用于与人们生活息息相关的食品、医药、石油、造纸和化妆品等日用化工行业。短程蒸馏是一种在高真空条件下进行分离操作的非平衡蒸馏过程。离心式短程蒸馏器是一种高效的短程蒸馏设备,它依靠内部锥形盘的高速旋转产生离心力的作用,使物料在锥形盘上形成很薄的液膜,这种形式的蒸馏器液膜薄,停留时间短,同时受热蒸发,分离效果好。但由于其结构复杂,密封性要求较高,以往文献都是基于分子蒸馏过程的研究,短程蒸馏相关过程的基础理论研究非常少,很难准确地了解蒸馏器内的真实状况。本文使用流体力学软件CFD对离心式短程蒸馏的流体力学性质和传递过程现象进行基础性的研究,并通过实验进行了验证。本文主要包括以下内容:详细阐述了分子蒸馏和短程蒸馏的发展历程和本质区别。对短程蒸馏技术的基础理论、设备类型及结构、应用领域、发展前景等进行系统的评述。对离心式短程蒸馏流动和传递过程的理论研究现状进行了分析和讨论,指出现有工作的不足之处,并确定本文研究工作的重心和方向。在合理的假设条件下,建立简化的二维模型,使用CFD数值模拟方法,在轴对称旋转坐标系下,利用VOF多相流模型追踪气液相界面,初步模拟离心式短程蒸馏的流体力学行为,流体力学研究内容主要包括膜厚、停留时间、速度分布及影响因素等。为了检验模拟的可靠性,本文亦对短程蒸馏器的停留时间做了实验验证,模拟值与实验结果吻合较好;膜厚也与参考文献相一致。在流体力学计算的基础上结合Species transport模型,以邻苯二甲酸二丁酯和癸二酸二丁酯(DBP-DBS)双组分物系为例,在低压条件下,首次将液相、气相及界面处传递信息同时考虑在内,建立了传质传热模型,对短程蒸馏的传递过程进行研究。本文主要讨论液膜和蒸馏室内组分浓度分布、温度分布及液相总传质系数;同时也确定了最优分离条件。为了验证传递模型的可靠性,在相同的操作范围,以出口易挥发组分DBP的浓度为指标,进行了短程蒸馏分离实验,模拟值与实验结果的最大绝对误差不超过10%,同时,也以Langmuir蒸发模型为源项研究传质传热过程,同条件下分离结果高出实验值7~16%。对比结果表明,本文提出传质传热模型更能准确地描述离心式短程蒸馏的传递过程。
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