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EDI设备离子膜研究及淡水室隔板流场模拟

作　者: 郭键平
导　师: 李鑫钢
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: EDI 离子交换膜淡水室隔板计算流体力学改进
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

EDI(即电去离子技术)是结合离子交换膜和离子交换树脂,在直流电场的作用下同时实现连续除盐以及树脂连续再生的新型分离技术。它具有高效、节能、环境友好等显著优点,广泛应用于化工、电力、电子、制药、石化等领域的超纯水生产。本文主要对EDI设备中的离子交换膜进行研究,并首次采用计算流体力学(CFD)软件对淡水室隔板的流场分布进行模拟。对于EDI设备的连续除盐过程来说,阴阳离子交换膜起着至关重要的作用,是实现淡水中离子脱除以及产生水解离实现树脂再生的重要部件。本文通过实验对比国产的千秋膜和日本产的旭硝子膜的性能,比较了它们在填充还原型树脂的EDI设备通电开机后的产水电阻率变化规律,同时也比较了它们在填充盐型树脂的EDI设备通电开机后对树脂进行电再生时的产水电阻率变化规律。实验表明旭硝子膜的性能要优于千秋膜,但其价格较贵。因此对于不同的工程应用水质要求,应选择合适的离子膜和EDI设备。淡水室隔板的设计是EDI装置设计的核心内容,也是EDI研究的关键技术之一,本文首次采用CFD对淡水室流场进行模拟。首先对淡水隔板内树脂采用多孔介质模型,模拟整个淡水室的总体压降,其结果和实验值对比虽具有一定的误差,但是能很好的预测不同流量下的淡水室压降。随后将主要模拟目标变为淡水经过导流槽、布水槽及细缝后的水流分布均匀情况。通过对不同细缝宽度下的水流分布均匀性以及压降进行对比,最终确定了合适的细缝宽度范围为0.3-0.4mm。随后对比了两种不同导流槽结构下的水流分布均匀性,并综合两种结构的优点,提出了一种新的导流槽结构。该结构既能获得良好的水流分布均匀性和较低的压降,而且对导流槽覆盖板也有较好的支撑作用,能有效防止离子膜凹陷,是一种综合性能优异的淡水室隔板改进结构。最后总结了EDI运行过程中出现的问题以及解决方法。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章文献综述  8-27
  1.1 EDI 技术的发展  8-11
    1.1.1 国外EDI 技术的发展  8-10
    1.1.2 国内EDI 技术的发展  10-11
  1.2 EDI 过程的技术原理  11-13
  1.3 EDI 设计以及主要研究内容  13-17
    1.3.1 EDI 膜堆结构  13
    1.3.2 离子交换树脂与离子交换膜  13-17
  1.4 EDI 技术的工业应用  17-18
  1.5 CFD 的应用  18-25
    1.5.1 CFD 的简介及优点  18-19
    1.5.2 流体力学控制方程  19-23
    1.5.3 基于有限体积的离散方法  23-25
  1.6 本课题的研究目的与意义  25-27
第二章 EDI 离子膜理论及实验研究  27-41
  2.1 EDI 过程膜选择透过性理论  27-31
    2.1.1 唐南（Donnan）膜平衡理论  28-29
    2.1.2 浓差极化  29-30
    2.1.3 水解离  30-31
  2.2 实验设备和方法  31-36
    2.2.1 实验系统流程  31-33
    2.2.2 实验材料  33-36
    2.2.3 实验操作条件  36
  2.3 实验结果与讨论  36-39
    2.3.1 EDI 开机后两种膜的产水电阻率对比  36-38
    2.3.2 EDI 电再生时两种膜的产水电阻率对比  38-39
  2.4 两种离子膜应用的工程经济评价  39-40
  2.5 本章小结  40-41
第三章淡水室隔板的流场模拟  41-63
  3.1 淡水室隔板的设计优化目标  41-42
  3.2 淡水室隔板的总体压降模拟  42-49
    3.2.1 Fluent 中的多孔介质模型  42-44
    3.2.2 模拟准备  44-48
    3.2.3 模拟结果与讨论  48-49
  3.3 隔板布水流道细缝宽度对流场的影响  49-52
    3.3.1 布水流道细缝结构  49-51
    3.3.2 模拟结果与讨论  51-52
  3.4 导流槽结构对流场的影响  52-61
    3.4.1 现有两种不同导流槽结构下流场的分布  53-58
    3.4.2 导流槽结构的改进  58-61
  3.5 EDI 运行和维护  61-62
  3.6 本章小结  62-63
第四章结论  63-64
符号说明  64-66
参考文献  66-71
发表论文和参加科研情况说明  71-72
致谢  72

EDI设备离子膜研究及淡水室隔板流场模拟

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