[[alternative]]Simulation and design of diabatic membrane-based distillation columns

碩士[[abstract]]本論文以模擬方式探討使用中空纖維模組之絕熱與非絕熱蒸餾塔。本研究利用在Aspen Custom Modeler®(ACM)平台上建立之嚴謹數學模式完成了塔內特性與性能分析，以及熱質傳阻力、操作條件與薄膜參數之影響分析，並且完成非絕熱塔之最佳化分析。本論文探討之模組為陶瓷膜膜組，物質系統為苯-甲苯混合物。 針對所分析之基本個案而言，阻力分析顯示主要之改善空間是氣體側熱傳係數與薄膜層質傳係數。在參數影響分析方面，對於產物純度之影響以氣化比、回流比和薄膜曲度較其他條件明顯；對於塔之熱負荷而言，氣化比為影響最大的參數；而對於比可用能損失之影響以氣化比與回流比影響程度較大。 針對非絕熱中空纖維膜蒸餾塔之最佳化分析，本研究提出雙層最佳化方法，外層最佳化是利用實驗設計法與反應表面法決定進料流量、進料組成與熱交換面積，內層最佳化則決定進料位置、精餾段熱交換量與氣提段熱交換量。雙層最佳化又分為採用均一熱交換量分佈、均一可用能損失分佈與線性熱交換量分佈三種情況。在相同之操作條件下，使用線性熱交換量分佈之非絕熱塔的比可用能損失最低，較絕熱塔減少約26.9%，而採用均一可用能損失分佈之非絕熱塔的NTU最高，較絕熱塔增加約25.3%。本研究也完成演進法最佳化分析，是持續地將可用能損失最高位置之部份熱交換量轉移至可用能損失最低位置。在相同操作條件下，演進法最佳化之非絕熱塔的性能與均一熱交換量非絕熱塔接近，但NTU與比可用能損失較絕熱塔分別增加約7.8%與減少約4.9%。[[abstract]]This thesis investigates the performance of adiabatic and diabatic hollow fiber membrane distillation columns using a rigorous mathematical model built on the Aspen Custom Modeler®(ACM) platform. The separation performance and effects of heat and mass transfer resistance, operating conditions and device variables are analyzed. For the diabatic distillation columns, the internal heat exchange is optimized. The distillation column studied employs a ceramic hollow fiber membrane and the mixture system studied is benzene-toluene. For the base case, the major resistances are contributed by vapor side heat transfer and membrane mass transfer. The key parameters affecting product purity are boilup ratio, reflux ratio and membrane tortuosity.The heat duty and specific exergy loss are mostly affected by the boilup ratio and by the boilup ratio and reflux ratio, respectively. For the optimization of diabatic column, a two-level optimization approach is proposed. The inner layer optimize the feed location and the heat exchange rates of rectifying and stripping sections. The outer layer optimize the feed flowrate and composition as well as the heat exchange area. The outer layer study employs experimental design and response surface method. Three heat exchange distribution principles, including equal of heat exchange rate (EoQ), equal of entropy production (EoEP) and linear heat exchange rate (LQ), were adopted in the optimization analysis. Under the same operation conditions, the specific exergy loss of LQ column is the lowest and is reduced by 26.9% compared to adiabatic column. The NTU (number of transfer unit) of EoEP column is the highest and is increased by 25.28% compared to the adiabatic column. This study also presents the results of the evolutionary optimization, which continuously moves certain portion of the heat exchange rate from the location of the highest exergy loss to the location of the lowest exergy loss. The performance of optimal evolutionary column is close to that of the EoQ column with the NTU and the specific exergy loss increased by 7.8% and decreased by 4.9% compared to adiabatic column.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要 I 英文摘要 III 目錄 V 圖目錄 VIII 表目錄 XII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機、範疇與方法 5 1.3 論文組織與架構 6 第二章 文獻回顧 7 2.1 中空纖維薄膜模組蒸餾塔 7 2.2 非絕熱蒸餾塔 8 第三章 模式建立與驗證 11 3.1 冷凝器 12 3.2 再沸器 12 3.3 中空纖維薄膜蒸餾模組 13 3.4 分離器 17 3.5 熱力學模式 18 3.6 物理性質 18 3.7 質傳係數迴歸與模式驗證 19 3.7.1 質傳係數關聯式迴歸 20 3.7.2 模式驗證 23 第四章 基本個案特性分析 25 4.1 蒸餾塔系統 25 4.2 蒸餾塔基本個案模擬結果與內部分佈 27 4.3 能量利用與分離性能分析 34 4.3.1 性能指標之計算 34 4.3.2 蒸餾塔基本個案性能指標結果與分佈 37 4.4 質傳阻力分析 40 4.5 熱質傳係數敏感度分析 42 4.5.1 氣體側敏感度分析 42 4.5.2 液體側敏感度分析 48 4.5.3 薄膜層敏感度分析 54 4.5.4 敏感度分析總結 60 第五章 參數影響分析 61 5.1 操作條件與模組參數 61 5.2 薄膜參數 69 第六章 非絕熱塔最佳化分析 76 6.1 雙層最佳化分析 76 6.1.1 內層最佳化問題定義與規劃 80 6.1.2 均一熱交換準則 82 6.1.3 均一可用能損失分佈準則 90 6.1.4 線性熱交換分佈準則 98 6.1.5 外層最佳化結果 106 6.2 演進法最佳化分析 122 第七章 結論與建議 133 符號說明 135 參考文獻 138 圖目錄 圖 1.1 傳統蒸餾塔與內部熱整合蒸餾塔 2 圖 1.2 非絕熱蒸餾塔(DDC) 3 圖 1.3 薄膜氣液接觸器 4 圖 1.4 中空纖維模組蒸餾塔 (CUSSLER, 2003) 4 圖 3.1 中空纖維薄膜蒸餾塔系統 11 圖 3.2 冷凝器 12 圖 3.3 再沸器 12 圖 3.4 中空纖維薄膜蒸餾塔之熱傳與質傳 13 圖 3.5 疏水性薄膜氣液介面 14 圖 3.6 分離器 17 圖 3.7 中空纖維薄膜模組蒸餾塔實驗裝置 19 圖 3.8 實驗與模擬之總括氣相質傳係數 21 圖 3.9 中空纖維薄膜模組蒸餾塔之驗證-總括氣相質傳係數 23 圖 3.10 中空纖維薄膜模組蒸餾塔之驗證-塔頂純度 24 圖 4.1 中空纖維薄膜蒸餾塔系統配置 26 圖4.2 基本個案塔內流量分佈 29 圖4.3 基本個案塔內透膜質傳通量分佈 29 圖4.4 基本個案塔內壓力分佈 30 圖4.5 基本個案塔內主流體與飽和溫度分佈 31 圖4.6 基本個案塔內氣液相分率分佈 31 圖4.7 基本個案塔內主流體與介面溫度分佈 32 圖4.8 基本個案塔內組成分佈 33 圖4.9 熵與可用能平衡分析系統 34 圖 4.10 基本個案塔內驅動力分佈 38 圖 4.11 基本個案之操作曲線 38 圖4.12 基本個案塔內熵增分佈 39 圖4.13 基本個案塔內可用能損失分佈 39 圖 4.14 改變氣體側熱質傳係數對純度之影響 43 圖 4.15 改變氣體側熱質傳係數對熱負荷量之影響 44 圖 4.16 改變氣體側熱質傳係數對比可用能損失之影響 44 圖 4.17 改變液體側熱質傳係數對純度之影響 49 圖 4.18 改變液體側熱質傳係數對熱負荷量之影響 50 圖 4.19 改變氣體側熱質傳係數對比可用能損失之影響 50 圖 4.20 改變薄膜層熱質傳係數對純度之影響 55 圖 4.21 改變薄膜層熱質傳係數對熱負荷量之影響 56 圖 4.22 改變薄膜層熱質傳係數對比可用能損失之影響 56 圖 5.1 操作條件與模組參數對產物純度之影響 62 圖 5.2 操作條件與模組參數對熱負荷量之影響 63 圖 5.3 操作條件與模組參數對比可用能損失之影響 64 圖 5.4 改變薄膜參數對產物純度之影響 70 圖 5.5 改變薄膜參數對熱負荷量之影響 71 圖 5.6 改變薄膜參數對比可用能損失之影響 72 圖 6.1 雙層最佳化架構 77 圖 6.2 最佳化問題實驗設計點空間分佈 81 圖 6.3 各目標函數之殘差-EOQ分佈 88 圖 6.4 各目標函數之模擬值與迴歸結果比較-EOQ分佈 88 圖 6.5 比可用能損失反應表面圖-EOQ分佈 89 圖 6.6 各目標函數之殘差-EOEP分佈 96 圖 6.7 各目標函數之模擬值與迴歸結果比較-EOEP分佈 96 圖 6.8 比可用能損失反應表面圖-EOEP分佈 97 圖 6.9 各目標函數之殘差-LQ分佈 104 圖 6.10 各目標函數之模擬值與迴歸結果比較-LQ分佈 104 圖 6.11 比可用能損失反應表面圖-LQ分佈 105 圖 6.12 BC-AD、EOQ-AD、EOEP-OP、EOQ-OP與LQ-OP之 110 圖 6.13 BC-AD、EOQ-AD、EOEP-OP、EOQ-OP、LQ-OP之 111 圖 6.14 BC-AD、EOQ-AD、EOEP-OP、EOQ-OP、LQ-OP之 112 圖 6.15 BC-AD、EOQ-AD、EOEP-OP、EOQ-OP、LQ-OP之 113 圖 6.16 BC-AD、EOQ-AD、EOEP-OP、EOQ-OP、LQ-OP之 114 圖 6.17 BC-AD、EOQ-AD、EOEP-OP、EOQ-OP、LQ-OP之 115 圖 6.18 BC-AD、EOQ-AD、EOEP-OP、EOQ-OP、LQ-OP之 116 圖 6.19 BC-AD、EOQ-AD、EOEP-OP、EOQ-OP與LQ-OP之 117 圖 6.20 BC-AD、EOQ-AD、EOEP-OP、EOQ-OP與LQ-OP之 118 圖 6.21 BC-AD、EOQ-AD、EOEP-OP、EOQ-OP、LQ-OP之熵增之分佈 119 圖 6.22 EOEP-OP、EOQ-OP與LQ-OP之塔內主流體 120 圖 6.23 氣提段演進法最佳化過程之可用能損失分佈 123 圖 6.24 氣提段演進法最佳化過程之比可用能損失變化 124 圖 6.25 精餾段演進法最佳化過程之可用能損失分佈 125 圖 6.26 精餾段演進法最佳化過程之比可用能損失變化 125 圖 6.27 絕熱塔、均一熱分佈塔與演進法最佳塔之塔內氣體流量分佈 128 圖 6.28 絕熱塔、均一熱分佈塔與演進法最佳塔之操作曲線 129 圖 6.29 絕熱塔、均一熱分佈塔與演進法最佳塔之塔內驅動力分佈 129 圖 6.30 絕熱塔、均一熱分佈塔與演進法最佳塔之熱交換量分佈 130 圖 6.31 絕熱塔、均一熱分佈塔與演進法最佳塔之熵增分佈 131 圖 6.32 絕熱塔、均一熱分佈塔與演進法最佳塔之熵增分佈 132 表目錄 表 3.1 物理性質呼叫函數 18 表 3.2 中空纖維薄膜模組(陶瓷膜)規格 20 表 3.3 文獻實驗結果 22 表4.1 中空纖維薄膜蒸餾塔基本個案模組規格 25 表4.2 絕熱塔基本個案之操作條件與結果 28 表 4.3 基本個案性能指標分析結果 37 表 4.4 基本個案質傳阻力 41 表 4.5 改變氣體側熱傳係數之影響 45 表 4.6 改變氣體側質傳係數之影響 46 表 4.7 改變氣體側熱質傳係數之影響 47 表 4.8 改變液體側熱傳係數之影響 51 表 4.9 改變液體側質傳係數之影響 52 表 4.10 改變液體側熱質傳係數之影響 53 表 4.11 改變薄膜層熱傳係數之影響 57 表 4.12 改變薄膜層質傳係數之影響 58 表 4.13 改變薄膜層熱質傳係數之影響 59 表 5.1 改變回流比個案之模擬結果 65 表 5.2 改變氣化比個案之模擬結果 66 表 5.3 改變進料流量個案之模擬結果 67 表 5.4 改變塔高之影響 68 表5.5 改變薄膜孔徑個案之模擬結果 73 表5.6 改變薄膜孔隙度個案之模擬結果 74 表5.7 改變薄膜曲度個案之模擬結果 75 表 6.1 拉丁超立方實驗規劃個案 78 表 6.2 薄膜模組與薄膜特性資料 79 表 6.3 最佳化問題內層最佳化問題定義 80 表 6.4 最佳化問題自變數範圍 80 表 6.5 最佳化問題規劃個案 81 表 6.6 最佳化問題個案模擬結果-EOQ分佈 82 表 6.7 最佳化問題個案之目標函數值-EOQ分佈 84 表 6.8 比可用能損失迴歸參數結果(原始版)-EOQ分佈 84 表 6.9 比可用能損失迴歸參數結果(修正版)-EOQ分佈 85 表 6.10 驅動力變異數迴歸參數結果(原始版)-EOQ分佈 85 表 6.11 驅動力變異數迴歸參數結果(修正版)-EOQ分佈 86 表 6.12 可用能損失迴歸參數結果(原始版)-EOQ分佈 86 表 6.13 可用能損失迴歸參數結果(修正版)-EOQ分佈 87 表 6.14 最佳化問題個案模擬結果-EOEP分佈 90 表 6.15 最佳化問題個案之目標函數值-EOEP分佈 92 表 6.16 比可用能損失迴歸參數結果(原始版)-EOEP分佈 92 表 6.17 比可用能損失迴歸參數結果(修正版)-EOEP分佈 93 表 6.18 驅動力變異數迴歸參數結果(原始版)-EOEP分佈 93 表 6.19 驅動力變異數迴歸參數結果(修正版)-EOEP分佈 94 表 6.20 可用能損失迴歸參數結果(原始版)-EOEP分佈 94 表 6.21 可用能損失迴歸參數結果(修正版)-EOEP分佈 95 表 6.22 最佳化問題個案模擬結果-LQ分佈 99 表 6.23 最佳化問題個案之目標函數值-LQ分佈 100 表 6.24 比可用能損失迴歸參數結果(原始版)-LQ分佈 100 表 6.25 比可用能損失迴歸參數結果(修正版)-LQ分佈 101 表 6.26 驅動力變異數迴歸參數結果(原始版)-LQ分佈 101 表 6.27 驅動力變異數迴歸參數結果(修正版)-LQ分佈 102 表 6.28 可用能損失迴歸參數結果(原始版)-LQ分佈 102 表 6.29 可用能損失迴歸參數結果(修正版)-LQ分佈 103 表 6.30 最佳化問題最佳解 106 表 6.31 最佳化問題最佳解與絕熱塔性能比較 108 表 6.32 最佳化問題最佳解與絕熱塔性能比較(續) 109 表 6.33最佳化問題最佳解與絕熱塔質傳阻力比較 121 表 6.34 絕熱塔基本個案、均一熱交換塔與演進法最佳塔之比較 126 表 6.35基本個案、均一熱交換塔與演進法最佳塔之比較(續) 127[[note]]學號: 602400037, 學年度: 10