分子蒸馏过程多尺度问题研究

分子蒸馏过程是在高真空条件下进行分离的，待分离混合物进入蒸发器在刮膜器以每秒约0.5～1米的旋转速度下进行成膜；在刮膜器表面上，以厘米数量级的湍流涡形成头波，并以毫米级的层流在蒸发壁面上形成均匀液膜；然后在蒸发面上以微米级的分子平均自由程方式蒸发；最后到达冷凝面而得到分离。因此，分子蒸馏过程是一个典型的多尺度问题，然而目前对于分子蒸馏过程的传统研究，多数只是针对流体流速、刮膜器转速及惰性气体存在等对分离影响的单一尺度问题研究，因此在分子蒸馏装置放大设计过程还存在难以准确预测的问题。本申请针对分子蒸馏过程多尺度问题将复杂的分离过程分解为不同尺度的特性进行研究，以了解不同尺度问题之间的关系。由于每个尺度都有不同的学科原理和变化规律，研究它们之间的量变到质变，及此形成的对分子蒸馏总体的影响。重点突破相邻尺度之间和跨尺度作用的关联，使多尺度结构的定量预测，在分子蒸馏装置放大过程得到验证和应用。

为了研究分子蒸馏过程，前人进行了一些实验研究, 液相的传质过程和气相的传质过程都也进行过研究。液膜动力学和气体动力学对分子蒸馏过程都有重要影响。在分子蒸馏的蒸发间距内，气体属于过渡流区，不在满足连续性假设，控制方程将变成玻尔兹曼方程。因此，要研究分子蒸馏的气体微观特征，本质上是求解玻尔兹曼方程。由于玻尔兹曼方程是非线性的，所以它的求解非常艰难。尽管有一些简化的Boltzmann方程被应用于多组分混合物的研究，但气体的流动是一个可压缩、非等温、非平衡的流动，这意味着对Boltzmann方程的任何简化都将使结果偏离实际。针对分子蒸馏器内气体的微观尺度特性，基于变径硬球分子模型，采用了直接模拟蒙特卡洛方法，考虑了分子转动能和平动能，建立了描述分子蒸馏气相传递过程的一维和二维模型，计算了不同蒸发温度下的蒸发效率，并将模拟计算值与实验数据对比，验证了模型的合理性．通过模拟分子的运动和碰撞过程，分析了蒸发温度、冷凝温度和蒸发面与冷凝面的间距等参数对气相空间的碰撞频率和分子平均自由程分布的影响。结果表明：碰撞频率和平均自由程分布的变化始终呈相反趋势；在蒸发面附近，碰撞频率和分子平均自由程分别处于各自最大值和最小值；从蒸发面到冷凝面的气相空间，碰撞频率逐渐减小，分子平均自由程逐渐增大；靠近冷凝面时，碰撞频率和分子平均自由程分别达到各自最小值和最大值；随着蒸发温度或冷凝温度的升高，气相空间同一位置处的碰撞频率增大而平均自由程减小；随着蒸发面与冷凝面的间距增加，碰撞频率在同一位置处有所增大，但在冷凝面附近更小；间距增加，同一位置处的分子平均自由程减小，但是冷凝面附近，间距越大时平均自由程也越大。分子蒸馏器中液体的宏观尺度特性，可以停留时间分布反映，研究其规律对改进蒸馏器内的流场结构、优化操作参数和装置的设计都具有重要意义。采用计算流体力学的方法，建立了三维CFD 模型，研究了进料速率和转子转速对停留时间分布规律的影响，与实验值进行对比验证；对蒸馏器壁面进行了优化，包括水平圆环、倾斜圆环和网状圆环三种优化壁面，并且对其分别进行模拟计算和实验验证。模拟结果显示出与实验结果相同的规律。结果表明，在研究范围内，停留时间随着进料速率的增大而减小；随着转子转速的增大，停留时间先增大，达到一定转速后，停留时间反而减小。经过壁面优化后，水平圆环壁面和网状圆环壁面的停留时间得到延长，有利于传质过程。