基于CFD的渗透汽化膜分离技术研究进展_胡传智.pdf

第 卷第期膜科学与技术 年月 基于 的渗透汽化膜分离技术研究进展胡传智，吴红丹，周志辉（武汉科技大学 资源与环境工程学院，武汉 ）摘要：渗透汽化膜分离技术具有低能耗、高分离效率、设备简单等优势，广泛应用于化工、能源等领域 计算流体力学（）模拟以其低成本、可视化等优点为渗透汽化技术发展提供了重要辅助本文综述了 在渗透汽化膜分离过程中的研究进展，并对相关的模拟方法进行了分析与对比根据简化的传质过程将模拟方法分为拟一级反应法、对流扩散法、质量跳跃法、膜内扩散法基于此，归纳了操作温度、渗透压强、进料组分、进料流速、膜厚度等相关参数对渗透汽化影响机理，并进一步总结了近年来膜组件结构优化对膜组件流场的影响，展示了 技术在渗透汽化领域内的应用潜力提出了面对未来发展，需要结合最新的传质理论与耦合分子模拟等技术进一步提升模拟精度，并在膜组件结构优化与新型湍流促进器等方面进行探索的建议，以便于实现工业规模应用关键词：渗透汽化；计算流体力学；研究进展；膜分离中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：渗透汽化是一种新兴的膜分离技术，它以膜上下游饱和蒸气分压差为驱动力，利用不同组分通过膜中的溶解扩散速率的差异来实现分离相较于萃取、蒸馏、纳滤等传统分离过程，渗透汽化克服了热力学汽 液平衡的限制，能耗显著降低，并能与其他分离技术集成，应用于化工、能源等领域组分在膜中的溶解扩散速率的差异决定着渗透汽化性能，研究者们对渗透汽化膜材料进行探索，如聚乙烯醇（）、聚二甲基硅氧烷（）膜等都表现出较好的分离效率 此外，为进一步提升分离效率，渗透汽化过程中所独有的相变与真空条件对膜组件结构与操作条件优化提出更高的要求近年来，计算流体力学（）因低成本、短耗时等优势，已成为膜分离研究领域重要的辅助工具 常见的使用软件主要有 、等渗透汽化相关的研究重心主要在膜材料发展、不同分离体系的应用等方面，较为缺乏 在渗透汽化膜分离过程中重要辅助作用的相关综述 等对渗透汽化膜组件结构优化的 模拟相关研究进行了综述，但仍缺乏围绕膜组件操作条件优化等方面的详细讨论 因此，本文从渗透汽化膜分离的模拟方法、操作条件优化以及膜组件结构优化个方面，系统论述了计算流体力学在渗透汽化领域的应用进展，并对其工业化应用提出展望 在渗透汽化分离领域中的模拟方法传质过程的准确描述是模拟与应用的关键 溶解扩散模型、孔流模型以及 理论模收稿日期：；修改稿收到日期：基金项目：湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目（）第一作者简介：胡传智（），男，湖北孝感人，硕士研究生，研究方向为膜分离 ：通讯作者，：引用本文：胡传智，吴红丹，周志辉基于 的渗透汽化膜分离技术研究进展膜科学与技术，（）：，.（），（）：第期胡传智等：基于 的渗透汽化膜分离技术研究进展 型可用于描述渗透汽化的传质过程 在 模拟渗透汽化的过程中，传统溶解扩散模型、串联阻力模型最为常用，如图所示传统溶解扩散模型 图（）以浓度梯度为驱动力，并将渗透汽化过程分为以下步骤：（）各组分在料液侧膜表面选择性吸附溶解；（）渗透组分以分子形式通过膜内自由体积扩散；（）渗透组分在渗透侧汽化解吸 等假设传质阻力主要分布在边界层、膜层和渗透层部分，推导出串联阻力溶解扩散模型 图（）溶解扩散模型根据不同阶段的传质过程和总物质平衡可估算出理想状态下的渗透通量 然而，由于膜组件几何形状各异以及浓差极化现象，无法准确预测实际情况下的渗透通量利用 对不同形状的膜组件进行流场模拟、建立边界层与膜层之间的联系，可以准确预测渗透通量根据不同的简化传质过程可将模拟方法分为拟一级反应法、对流扩散法、质量跳跃模型法、膜内扩散法种图（）溶解扩散模型和（）串联阻力模型示意图 （）（）拟一级反应法图为拟一级反应示意图和膜组件内部浓度分布图拟一级反应法最早由 提出，如图（）所示 等基于串联阻力模型利用 建立二维模型，准确预测出流场内边界层的流速分布与浓度分布 拟一级反应法忽略膜侧和渗透侧的传质阻力，将渗透汽化过程假设为一级化学反应：料液中的渗透组分遵循一级化学反应转换至膜表面，并直接设定自定义反应速率系数控制传质过程，从而实现渗透汽化 实验表明，拟一级反应法能够很好显示出浓差极化层在膜组件内部分布情况 图（）在层流流动中，通过使用 方程能较为准确地预测边界层传质系数 与 方程相比，拟一级反应法的总传质系数与实验数据更为接近，并使用降膜扩散进行数学求解验证拟一级反应法的准确性 等 将与 方程结合，估算浓度、进料速率对去除可挥发性有机物（）的影响 王洋等 在拟一级反应的基础上额外添加了湍图（）拟一级反应示意图和（）膜组件内部浓度分布 （）（）膜科学与技术第 卷流黏性方程，通过建立三维弯管验证了 涡对渗透汽化的强化传质作用，模拟结果与 方程具有一致性对流扩散法图为对流扩散法示意图和膜组件内部浓度分布图相较于拟一级反应法从膜表面处直接去除渗透组分，对流扩散法还考虑了渗透组分在膜侧的流动过程 图（）等 利用 建立了水乙二醇在 中的 模型该模型基于多场协同理论，使用对流扩散方程来描述渗透组分在进料侧与膜侧的传质过程 图（），通过控制渗透组分在进料侧、膜侧的扩散系数以及在膜中的分配系数来调整浓度变化 在不同温度和进料浓度条件下，其仿真结果与实验数据较为吻合，误差在 以下 但由于仿真设定进料浓度与实际浓度存在差异，模拟通量均大于实验数据 由于大多数文献是基于 定律的全局模型来计算物种浓度和膜的质量扩散率，并没有考虑在瞬态过程中渗透组分在膜内的不断积累等因素，影响模拟精度的进一步提升 等 在对流扩散法的基础上加入了瞬态模型，开发了基于其数值解的瞬态对流扩散传质模型，能够在不使用传质对流系数作为液膜的边界条件下，计算出丁醇在进料和膜中的浓度变化 并在得到质量浓度随时间和空间的变化规律后，利用质量平衡和浓度梯度，通过验证计算得到膜内局部扩散系数的瞬态值 与实验结果对比，模拟结果误差小于 图（）对流扩散法示意图和（）膜组件内部浓度分布 （）（）质量跳跃法质量跳跃法 将膜侧定义为固体区域，进料侧和渗透侧定义为两个分离的液体区域，如图所示通过使用自定义函数（）定义膜与进料界面的质量源项、能量源项、动量源项来实现膜蒸馏过程中的单相模拟 在每次迭代开始时，先通过用户定义调整函数（）计算给定温度、压力、进料浓度下的跨膜质量通量，随后将数据传递给自定义源项，用于两相的质量、能量、动量守恒方程计算在迭代结束后将数据传回 以重新计算跨膜质量通量，直至获得收敛结果 等 将质量跳跃法应用于 根中空纤维膜组件的真空膜蒸馏模拟中，并研究 打印螺旋折流板对膜组件通量传热性的提升 由于中空纤维膜数量较多，其实验结果与模拟数据之间存在一定差异，但误差仍在 以下 等 使用质量跳跃法来实现描述渗透组分的传递过程 质量跳跃法消除了进料侧与渗透侧间的如压强差、浓度差等相互作用项，减少了计算量，能够较好地描述多管膜组件中的温度、质量之间的传递过程膜内扩散法图为膜内扩散法示意图和膜内浓度分布图膜内扩散法忽略边界层对渗透汽化的影响，通过直接确定料液在膜内的平衡体积分数来描述渗透第期胡传智等：基于 的渗透汽化膜分离技术研究进展 图质量跳跃模型法示意图 图（）膜内扩散法示意图和（）膜内浓度分布 （）汽化膜内传质过程 图（）在渗透汽化的过程中，每种组分在进料侧与膜侧的化学势相同，可通过进料侧与膜侧热力学平衡确定膜内各组分的平衡体积分数 等 通过 基团贡献模型计算进料侧组分活性，使用三元体系的 理论计算膜侧的组分活性，求解出在乙酸异戊酯水和正己醇水在 膜中的平衡体积分数；并与 技术结合预测了渗透组分在膜内的浓度分布，研究了进料浓度、温度等操作参数对通量和渗透侧浓度的影响 图（）但 未全面考虑温度对膜内扩 散 系 数 的 影 响，等 将 分 子 动 力 学（）与 进行结合，研究单甲基肼（）、不对称二甲基肼（）、水在聚苯醚（）复合膜内溶液的扩散行为，绘制出不同条件下各组分在膜中的扩散系数曲线拟一级反应法、对流扩散法、质量跳跃法、膜内扩散法这种模拟方法都能较为精确的描述渗透汽化的传质过程，其应用领域有所差异拟一级反应与对流扩散法考虑了边界层对渗透汽化的影响，较多地应用于不同流型、流速、湍流促进器等所导致的流场变化对渗透汽化的影响；质量跳跃法侧重于通过消除交互项简化模拟计算过程，适用于多管膜组件等大型复杂膜组件整体模拟；而膜内扩散法是集中于渗透组分在膜内扩散过程，适用于对进料浓度、温度、渗透压力等参数条件的优化此外，模拟方法同样受到仿真软件的限制，如质量跳跃法主要通过编辑 中的 实现迭代计算，膜内扩散法通过 中的相平衡计算组分活性操作参数对渗透汽化的影响在渗透汽化实验中，操作温度、渗透压强、进料组分、进料流速、膜厚度等相关参数都会对渗透效率产生不同程度的影响 通过建立 模型来研究相关参数对渗透汽化过程中的影响，再进行局部参数 膜科学与技术第 卷条件验证能显著降低成本 表总结了近些年各种渗透汽化 模拟实验的相关参数条件 等 建立了简化模型来研究进料流速对渗透汽化的影响，但只是简要描述内部流场变化，并未对其增强传质机理进行详细讨论刘建蜀等 建立了二维平板膜模型，着重研究了进料流速对传质系数与渗透通量之间的影响进料流速的增加会抑制边界层厚度的增加，从而提高传质系数但由于渗透组分在膜内的扩散速率是有限的，随着进料流速的增加，膜内传质阻力逐渐成为主导阻力，传质系数提升幅度减缓 等 通过膜内扩散法详细研究了进料浓度和温度等操作参数对渗透通量和渗透侧浓度的影响由于进料温度的升高，引起组分的平衡气压和膜内分子自由运动程度增加，从而使渗透组分的渗透性变化另外，进料浓度的增加会提高渗透组分在渗透汽化过程中的化学势梯度，增强了传质驱动力；同时会影响膜内渗透组分平衡体积分数的变化，从而得到更高的渗透通量 等 与 等 使 用 对 流 扩 散 法 建 立 了 二 维 模 型 来 描 述 膜渗透汽化分离过程，其关于温度与进料浓度对渗透效率影响的结论与 相同 课题组，在使用膜内扩散法的基础上使用计算不同渗透组分的膜内扩散系数，并进一步研究膜厚度和渗透压力对渗透汽化的影响结果表明，渗透组分通过上游界面时发生自由扩散至下游，但最终会受到下游干燥侧的限制随着总膜厚度的增加，干燥部分占据比例增大，从而导致传质阻力的增加和渗透通量的下降所有参数条件优化的目的都是为了提高传质系数，提高渗透通量和分离因子 通过 技术描述不同参数条件下膜组件内部流场、浓度场以及温度场的空间与时间分布，有助于更加深入的了解各参数条件对渗透汽化传质过程中的影响机理并根据多参数耦合优化情况得到最佳运行条件，抑制浓差极化现象，进一步提高渗透通量，便于实际工业应用表不同分离体系下的操作参数优化 膜种类分离体系温度渗透压力进料流速进料浓度膜厚度文献 沸石复合膜乙二醇水 膜乙醇水 膜乙酸异戊酯水 正己醇水 膜乙醇水 膜环己烷水 复合膜水 水壳聚糖聚四氟乙烯复合膜甲醇甲苯 复合膜乙酸水 渗透汽化膜组件优化浓差极化是影响渗透性能的重要限制条件 浓差极化会产生如渗透组分驱动力降低，通量受限，选择性降低等影响通过改变流道、优化流型和插入湍流促进器是减弱浓差极化的有效手段 表总结了近年来各种膜组件优化及其对膜组件流场的影响膜组件结构优化平面布局和进料方式一直是工业生产效率的重要影响条件 通过合理的布局方式与进料方式能够降低死区面积，在不显著提高压降的条件下，提高渗透汽化的分离效率 等 对不同填充密度和截面纤维束布局的中空纤维膜组件进行研究，结果表明，填充密度的增加一方面会使料液不均匀流动，降低通量；另一方面通过降低膜组件的等效直径增加雷诺数，从而提高通量 通过合理的分散布局可以在高填充密度的情况下同样获得较为均匀的流量分布 等 通过在膜组件中插入挡板来改变膜组件流形（如图所示），避免料液发生捷流，从而获得较为均匀的流动分布 吴嘉鑫 发现采用两侧进水及多进水通道方式，能够有效增加膜表面使用率，同时能够降低进口与模腔高度差异所带来的流动死区此外，膜形状会影响渗透汽化过程 王洋等 通过建立三维弯管式模型来研究 涡对渗透汽化过程传质的影响，结果表明，弯管流动中存在的第期胡传智等：基于 的渗透汽化膜分离技术研究进展 涡提高了料液主体在径向上的混合程度，显著降低边界层传质阻力，总传质系数提高约倍 胡碧涵等 使用拟一级反应法研究椭圆截面对渗透汽化性能的影响，结果表明，相较于常规圆形截面，椭圆截面能够通过显著增加径向速度从而破坏浓差极化层，提高渗透通量图不同挡板对多管膜组件的流场影响 湍流促进器研究通过插入湍流促进器产生的湍流和二次流可提高膜表面的剪切应力，减缓浓差极化，从而提高渗透效率 等 使用拟一级反应法研究了矩形挡板的传质强化作用（如图所示），结果表明，矩形挡板的存在导致挡板尾流处产生涡流，通过破坏浓差极化层加速了料液主体与边界层中渗透组分的交换过程，传质速率得以提高 随着挡板高度的增加，混合程度进一步提高但由于膜壁与挡板之间流道的突然收缩与膨胀，造成了额外的能量损失为进一步探讨不同挡板对流道的影响，等 使用正六边形挡板进行实验，进一步研究了挡板的大小、间隔距离对渗透汽化传质影响；米文强等 对渗透汽化卷式膜组件中腔型、浸没型、锯齿型进料隔网进行 流场模拟，并通过改变锯齿型进料隔网的形状以及开孔设计减小了隔网前流动死区矩形挡板高度占流道高度：（）、（）、（）图不同高度下的矩形挡板对平板膜的流动影响 大多数膜组件内部流场渗透组分流动都是以扩散传质为主呈现直线流线，等 通过插入螺旋静态混合器改变料液运动方向，使料液发生旋转流动这种运动方式增强了料液的对流传质，并通过破坏液膜附近的浓差极化层促进了跨膜传质 结果表明，在进料流量为 时，配有螺旋静态混合器的进料侧传质系数提高了约 ，压降从 上升至 对膜组件进行结构优化以及通过插入湍流促进器能够有效提高渗透性能 但目前如椭圆形管、弯管等设计大多局限于理论阶段，缺少实验验证，较难应用于实际工业而对进料方式、平面布局、填充密度等因素进行 模拟仿真优化，能有效减少流动死区和抑制浓差极化，更易提高工业生产效率插入湍流促进器能够通过破坏浓差极化层提高通量，但存在着压降过大与膜组件内部流场不均匀等问题 如在中空纤维膜组件中插入挡板导致部分流体沿着间隙形成捷流，减少膜接触面积，使得流体均匀性下降，无法达到最佳提升 因此仍需要开发新型湍流促进器以满足更低的压降、更好的均匀性的要求近年来，在膜分离领域，研究者发现对膜组件内部进行穿孔设计可以实现流体的均匀分布，从而有效提高膜组件的渗透通量 等 研究了壳体和管腔两侧的流场以及多孔膜区过滤过程，结果表明，当进口截面均匀开孔时，膜组件内部流动的均匀性得到有效提升，并降低了能耗 等 利用 打印机设计了穿孔进料隔网并对其进行膜蒸馏实验，发现开孔的进料隔网不仅提高了流场均匀性，同时保证了较高的流速；其在恒定压力与恒定流量种条件下，通量分别提升 和 等 利用穿孔设计对膜蒸馏的进料模式进行探讨，结果表明，进口料液一部分进料横向进入主通道，另一部分则在模块顶部流动，通过穿孔板与主通道进 膜科学与技术第 卷料进行混合，使流场浓度分布均匀化，膜蒸馏通量提升 以上 因此，通过引入穿孔设计对渗透汽化膜组件进行优化，可以满足工业生产中更低的能耗和更高的渗透效率的需求表膜组件结构优化 膜组件类型结构优化湍流促进器流场影响文献多管膜组件填充密度均匀流动 截面纤维束布局多管膜组件平面布局挡板均匀流动 进水管形状均匀流动 平板膜进水方式进水通道中空纤维膜弯管破坏边界层 中空纤维膜椭圆型截面破坏边界层 平板膜矩形挡板破坏边界层 平板膜正六边形挡板破坏边界层 卷式膜进料隔网破坏边界层 卷式膜开孔进料隔网破坏边界层 平板膜螺旋式均匀流动 多管膜组件穿孔进料均匀流动 多管膜组件穿孔进料隔网均匀流动 平板膜进料方式穿孔挡板均匀流动 结语与展望近年来，技术已成为渗透汽化领域的有效研究手段，将理论与实际之间建立了重要桥梁，辅助渗透汽化技术的进一步发展但随着渗透汽化不断发展，在渗透汽化领域的应用同样会受到挑战未来，在渗透汽化领域的发展方向将会集中于以下几个方面）作为一种模拟仿真技术，其准确性需要得到实验数据和理论计算的支撑 当前实验数据大多建立在渗透通量与分离因子上，缺乏对膜组件内部流场的局部数据进行验证粒子图像测速系统（）、磁共振成像（）、光学相干断层扫描技术（）等流体可视化技术可以更好地理解渗透汽化膜组件内部的流体动力学，并且进一步验证 模拟结果）尽管现有的模拟方法能较好的描绘渗透汽化传质过程，但大都基于串联阻力模型上，假设了渗透组分在膜内扩散速率是固定不变的、忽略浓差极化层传质影响、忽略渗透侧传质阻力等重要条件 面对未来需求更高精度的模拟过程，应考虑逐步减少重要假设或开发新的传质理论此外，与等模拟技术耦合发展也是提高模拟精度的重要研究方向）对膜组件进行改变流道、优化流型、插入湍流促进器等能够有效提高渗透性能，但目前如椭圆形管、弯管等膜组件优化设计大多局限于理论阶段与实验室阶段，较难应用于工业领域，同时湍流促进器存在着压降过大与膜组件内部流场不均匀等问题 在其他膜分离领域引入穿孔设计能有效提高流场均匀性，通过 技术开发新型的穿孔型湍流促进器，为更绿色更高效的渗透汽化技术提供可能参考文献：，：，：，：马顺选，宋小三，王三反，等 渗透汽化膜的制备及其应用进展化工进展，（）：朱本伟，姚忠，仲兆祥，等渗透汽化分离精油中挥发性芳 香 化 合 物 的 研 究 进 展 化 工 进 展，（）：刘威，李其明，李芳，等 渗透汽化膜在生物质 富集分离中的应用研究进展应用化工，（）：第期胡传智等：基于 的渗透汽化膜分离技术研究进展 ，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：王洋，庄黎伟，马晓华，等中空纤维膜渗透汽化过程中 涡强化传质的 模拟化工学 报，（）：，（）：，：，：，：，：，（）：，：，（）：刘建蜀，曹礼勇，郭世蒙，等渗透汽化膜组件中流动和传质的数值模拟及实验研究 化工设备与管道，（）：，：，（）：，：，（）：，：，：，：，：吴嘉鑫 用于海水淡化的渗透汽化膜组件设计及实验研究 北京：北京化工大学，胡碧涵，杨栋，王洋，等 椭圆中空纤维膜渗透汽化的传质强化数值模拟膜科学与技术 ，（）：，（）：，：，：米文强 渗透汽化卷式膜组件的 模拟 天津：膜科学与技术第 卷天津大学，（），（）：，：，：，（，）：，（），：；（）；（上接第 页），：；