[[alternative]]CFD simulation study of membrane-based fluid contacting separators

碩士[[abstract]]本研究利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)模擬探討薄膜接觸器應用於鹽水脫鹽與二氧化碳吸收之流力與熱質傳特性。薄膜接觸器使用多孔疏水性膜且模組型式包括空通道與具網狀間隔物通道。本研究使用FLUENT軟體之層流模式與VOF(Volume of Fluid)多相模式，薄膜為可滲透邊界條件。模式之驗證是利用文獻實驗數據且獲得相當接近之結果。 具間隔物模組之流力與熱質傳特性皆會受到間隔物配置之影響，而呈現上下震盪之變化，其壓降、熱傳係數與質傳係數均高於空通道。間隔物通道與空通道之濃度邊界層厚度分別約為1 mm與2-4 mm。使用具間隔物通道可大幅提升鹽水脫鹽系統與碳酸丙烯酯之二氧化碳物理性吸收系統之質傳通量。間隔物通道之水利損耗遠高於空通道，後者接近平板通道關聯式預測值。間隔物與空通道之熱傳係數與質傳係數均與文獻報導關聯式之預測值有很大偏差。[[abstract]]In this thesis, the fluid flow, heat and mass transfer characteristics in the membrane contactors for desalination and carbon dioxide physical absorption with propylene carbonate are studied using computational fluid dynamics (CFD) simulation. For desalination, the membrane modules are direct contact type. The membrane contactors simulated use hydrophobic membranes and either empty or spacer-filled channels. The laminar flow model and Volume of Fluid (VOF) multiphase model in FLUENT are employed with the membranes defined as permeable boundary conditions. The model simulation results are fairly close to the literature experimental data The fluid flow, mass and heat transfer characteristics of spacer-filled channels show fluctuating patterns corresponding to the spacer configurations. The pressure drop, heat and mass transfer coefficients of spacer-filled channels are all higher than the empty channels. The concentration boundary layer thicknesses of spacer-filled and empty channels are approximately 1 mm and 2-4 mm, respectively. For both desalination and carbon dioxide absorption systems, the spacers significantly enhance the transmembrane mass fluxes. The hydraulic power consumptions of spacer-filled channels are much higher than the empty channels, which are close to the correlation for parallel-plate channels. The heat and mass transfer coefficients of both spacer-filled and empty channels are not close to the literature reported correlations.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 目錄 III 圖目錄 VI 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 9 1.3 論文組織與架構 10 第二章 文獻回顧 11 2.1 薄膜接觸器分離程序 11 2.1.1 薄膜蒸餾 11 2.1.2 薄膜吸收 12 2.2 紊流強化 15 2.2.1 粗糙面 15 2.2.2 間隔物強化 18 2.3 薄膜接觸器之計算流體力學模擬 21 第三章 模擬系統 27 3.1 直接接觸式薄膜蒸餾平板模組 27 3.2 具間隔物平板模組 29 3.3 二氧化碳氣體吸收薄膜中空纖維模組 35 第四章 薄膜熱質傳模式與物理性質 38 4.1 質傳模式 38 4.2 熱傳模式 43 4.3 鹽水系統物理性質 48 4.4 二氧化碳-碳酸丙烯酯系統物理性質 50 第五章 計算流體力學模式建立 53 5.1 基本統制方程式 53 5.2 使用者定義函數 56 5.3 求解設定 57 5.3.1 離散方法 57 5.3.2 速度-壓力耦合方法 58 5.4 收斂準則 59 第六章 網格無關化分析與模式驗證 60 6.1 鹽水系統直接接觸式平板模組 60 6.1.1 網格無關化分析 60 6.1.2 模式驗證 63 6.2 二氧化碳-碳酸丙烯酯系統中空纖維模組 68 6.2.1 網格無關化分析 68 6.2.2 模式驗證 71 第七章 模擬結果與討論 74 7.1 鹽水脫鹽 78 7.1.1 基本個案內部特性 79 7.1.2 變因影響分析 97 7.1.3 關聯式比較 100 7.2 二氧化碳吸收 103 7.2.1 基本個案內部特性 104 7.2.2 變因影響分析 124 7.2.3 關聯式比較 127 第八章 結論 131 符號說明 134 參考文獻 139 圖目錄 圖 1.1市售中空纖維型薄膜接觸器 1 圖 1.2薄膜蒸餾操作原理 4 圖 1.3薄膜蒸餾配置 (a)DCMD, (b)AGMD, (c)SGMD, (d)VMD (Meindersma et al, 2006) 5 圖 1.4二氧化碳薄膜吸收器 6 圖 1.5使用薄膜接觸器之二氧化碳吸收系統 6 圖 1.6薄膜層質傳機制 8 圖 1.7薄膜氣液接觸器之溫度極化與濃度極化 8 圖 2.1粗糙面高度與分離流程度 16 圖 2.2流體通道板 (a)開放式通道 (b)篩網式通道 20 圖 2.3網狀間隔物 (a)俯視圖 (b)側視圖 20 圖 2.4間隔物不同方位配置 23 圖 2.5間隔物幾何配置 23 圖 2.6間隔物之幾何參數(Meindersma et al., 2004) 24 圖 2.7狹窄通道模擬範圍與邊界定義 25 圖 2.8薄膜介面邊界之定義 26 圖 3.1直接接觸式薄膜蒸餾平板模組 (1)冷流體入口；(2)出口；(3)熱流體入口；(4)出口；(5)、(7)流體分離通道；(6)薄膜 27 圖 3.2直接接觸式薄膜蒸餾平板模組模擬系統 28 圖 3.3具間隔物模組 30 圖 3.4最小重複單元與關節點 31 圖 3.5間隔物接觸點處理 32 圖 3.6流體區塊內銳角處處理(水力角45o個案) 33 圖 3.7殼側自由表面 36 圖 3.8中空纖維模組模擬系統 36 圖 4.1薄膜內之質傳機制與阻力聯結 39 圖 4.2薄膜蒸餾與薄膜氣體吸收之熱傳機制與阻力聯結 44 圖 4.3複合膜結構與熱傳導阻力 (Martinez et al., 2008) 46 圖 5.1使用者定義函數(UDF)計算流程 57 圖 6.1鹽水系統直接接觸式平板模組尺寸 61 圖 6.2鹽水系統直接接觸式平板模組L2D3網格 62 圖 6.3鹽水系統直接接觸式平板模組驗證個案實驗數據(Martínez and Rodríguez-Maroto, 2007) 64 圖 6.4鹽水系統直接接觸式平板模組驗證結果 66 圖 6.5二氧化碳-碳酸丙烯酯系統中空纖維模組尺寸 68 圖 6.6二氧化碳-碳酸丙烯酯系統中空纖維模組L3D1網格 70 圖 6.7二氧化碳-碳酸丙烯酯系統中空纖維模組驗證個案實驗數據(Dindore et al, 2007) 71 圖 6.8二氧化碳-碳酸丙烯酯系統中空纖維模組模式驗證 73 圖 7.1 L8T90通道流體流動路徑示意圖 74 圖 7.2 L11T45通道流體流動路徑示意圖 75 圖 7.3鹽水系統L8T90通道基本個案速度等高分佈 80 圖 7.4鹽水系統L11T45通道基本個案速度等高分佈 81 圖 7.5鹽水系統L8T90與L11T45通道基本個案壓力等高分佈 82 圖 7.6鹽水系統L8T90與L11T45通道基本個案溫度等高分佈 83 圖 7.7鹽水系統L8T90與L11T45通道基本個案質量分率等高分佈 84 圖 7.8鹽水系統基本個案之質傳通量與膜面剪應力分佈 85 圖 7.9鹽水系統具基本個案之溫度與溫度極化係數分佈 88 圖 7.10鹽水系統基本個案之熱傳通量分佈 89 圖 7.11鹽水系統具基本個案之局部熱傳係數分佈 90 圖 7.12鹽水系統基本個案質傳通量 92 圖 7.13鹽水系統具基本個案熱側通道截線濃度分佈 94 圖 7.14鹽水系統基本個案之濃度與濃度極化係數分佈 95 圖 7.15鹽水系統之功率數隨雷諾數之變化(T1) 97 圖 7.16鹽水系統平均熱傳係數隨雷諾數之變化 98 圖 7.17鹽水系統之平均質傳通量隨進料速度之變化 99 圖 7.18鹽水系統摩擦因子模擬結果與關聯式之比較 100 圖 7.19鹽水系統熱傳係數模擬結果與關聯式之比較 101 圖 7.20鹽水系統雪耳伍德數模擬結果與關聯式之比較 102 圖 7.21二氧化碳-碳酸丙烯酯系統L8T90通道基本個案速度等高分佈 104 圖 7.22二氧化碳-碳酸丙烯酯系統L11T45通道基本個案速度等高分佈 105 圖 7.23二氧化碳-碳酸丙烯酯系統L8T90與L11T45通道基本個案壓力等高分佈 106 圖 7.24二氧化碳-碳酸丙烯酯系統L8T90與L11T45通道基本個案溫度等高分佈 107 圖 7.25二氧化碳-碳酸丙烯酯系統L8T90與L11T45通道基本個案質量分率等高分佈 108 圖 7.26二氧化碳-碳酸丙烯酯系統基本個案之質傳通量與膜面剪應力分佈 110 圖 7.27二氧化碳-碳酸丙烯酯系統基本個案之溫度分佈 112 圖 7.28二氧化碳-碳酸丙烯酯系統基本個案氣液側熱傳通量分佈 114 圖 7.29二氧化碳-碳酸丙烯酯系統基本個案之局部熱傳係數分佈 115 圖 7.30二氧化碳-碳酸丙烯酯系統基本個案質傳通量 117 圖 7.31二氧化碳-碳酸丙烯酯系統基本個案氣體通道截線濃度分佈 118 圖 7.32二氧化碳-碳酸丙烯酯系統基本個案液體通道截線濃度分佈 120 圖 7.33二氧化碳-碳酸丙烯酯系統基本個案之氣體側濃度與濃度極化係數分佈 122 圖 7.34二氧化碳-碳酸丙烯酯系統功率數隨雷諾數之變化 125 圖 7.35二氧化碳-碳酸丙烯酯系統平均熱傳係數隨雷諾數之變化 125 圖 7.36二氧化碳-碳酸丙烯酯系統之平均質傳通量隨進料速度之變化 126 圖 7.37二氧化碳-碳酸丙烯酯系統摩擦因子模擬結果與關聯式之比較 127 圖 7.38二氧化碳-碳酸丙烯酯系統氣體側納塞數模擬結果與關聯式之比較 128 圖 7.39二氧化碳-碳酸丙烯酯系統液體側納塞數模擬結果與關聯式之比較 129 圖 7.40二氧化碳-碳酸丙烯酯系統氣體側質傳係數模擬結果與關聯式之比較 130 圖 7.41二氧化碳-碳酸丙烯酯系統液體側雪耳伍德數模擬結果與關聯式之比較 130 表目錄 表 1.1利用薄膜接觸器之系統(Drioli et al., 2005) 2 表 1.2薄膜接觸器系統對應之傳統單元操作(Drioli et al., 2005) 2 表 1.3薄膜接觸器優缺點(Drioli et al., 2005) 3 表 3.1直接接觸式薄膜蒸餾薄膜與模擬通道規格 28 表 3.2具間隔物模組之規格 33 表 3.3具間隔物模組之模擬系統規格與薄膜特性 34 表 3.4中空纖維模組規格與薄膜特性 37 表 5.1求解設定 59 表 6.1鹽水系統直接接觸式平板模組網格無關化分析個案 61 表 6.2鹽水系統直接接觸式平板模組網格無關化分析結果 61 表 6.3純水系統直接接觸式平板模組驗證個案邊界條件設定 65 表 6.4鹽水系統直接接觸式平板模組驗證個案邊界條件設定 66 表 6.5純水系統直接接觸式平板模組透膜質傳通量比較 67 表 6.6鹽水系統直接接觸式平板模組透膜質傳通量比較 67 表 6.7二氧化碳-碳酸丙烯酯系統中空纖維模組網格無關化分析個案 69 表 6.8二氧化碳-碳酸丙烯酯系統中空纖維模組網格無關化分析結果 69 表 6.9二氧化碳-碳酸丙烯酯系統中空纖維模組驗證個案邊界條件設定 72 表 6.10二氧化碳-碳酸丙烯酯系統中空纖維模組透膜質傳通量比較 73 表 7.1層流摩擦因子關聯式 76 表 7.2具間隔物通道質傳係數關聯式 77 表 7.3鹽水系統直接接觸式模組之模擬個案 78 表 7.4二氧化碳-碳酸丙烯酯系統模擬個案 103[[note]]學號: 602400490, 學年度: 10