多孔基底原子层沉积薄膜分布的数值模拟

原子层沉积(ALD)技术能在多孔基底内沉积亚纳米精度的薄膜,从而调节孔道尺寸和界面性质。此类ALD薄膜沉积,同时受到前驱体扩散和反应的影响,这给沉积动力学研究带来了困难。本文对ALD制备ZnO薄膜过程中前驱体在γ-Al_(2)O_(3)基底外表面沉积和孔道内沉积过程建立了模型,并通过数值模拟对表面和孔道两种模型进行了参数敏感性分析,拟合得到沉积物覆盖率公式。结果表明:在表面沉积过程中,随着吸附速率常数ka、吸附态的二乙基锌(DEZ*)向单乙基锌(MEZ)转化速率常数k1、羟基浓度COH的增大,和脱附速率常数kd的减小,基底表面的薄膜沉积加快;对于孔道内沉积过程,较大的羟基浓度COH和较小的扩散系数DS,驱使薄膜沉积在较浅位置;拟合所得解析式能准确预测多孔基底外表面和孔道内的沉积物覆盖率及其分布。

膜过程强化和组件放大的CFD应用

膜分离作为21世纪最具前景的高新技术之一,已广泛应用于化工、环境、生物、医药、电子等领域.然而,能耗高、产量低和寿命短三大问题始终制约着膜组件的应用.寻求合适的方法研究膜组件非理想流动下的传递过程,可用于指导膜组件放大和性能提升.计算流体力学(CFD)作为继量纲分析法和模型法之后一种新兴的化学工程研究方法,已被广泛应用于膜分离领域.本文以膜单元为对象的过程强化研究和以组件为对象的设备放大研究两方面综述了膜分离CFD模拟的最新进展.前者归纳了中空纤维膜、卷式膜和平板膜CFD研究所采用的模型和处理方法;后者总结了中空纤维膜组件三维CFD模拟的简化策略.然后提出两类CFD研究应着重发展的方向.最后根据CFD和膜技术的发展路线,预测两者在未来的结合将更加紧密.

中空纤维膜外压全量过滤动态过程的数值模拟

建立了中空纤维膜外压式全量过滤的CFD模型,模拟膜丝长度、直径、渗透系数、装填密度、污染指数以及跨膜压差不同条件,得到通量分布和产水量的动态演变过程。研究结果表明:通量分布会随着过滤的进行而逐渐变得均匀,这种通量分布的自我调节作用在膜丝较长、较细,渗透性较好,装填密度较高,污染指数较高以及跨膜压差较高时更为明显;产水流量的倒数与累积产水量呈线性关系,但由于通量分布不均匀并且均匀性演变,这种线性关系区别于传统滤饼过滤模型;通过数据拟合得到了适用于中空纤维外压式全量操作的滤饼过滤关联式,可用于预测组件的性能和指导组件的设计。

中空纤维超滤膜组件通量分布的数值模拟

为了研究中空纤维超滤膜组件通量分布,建立了基于膜丝实体为骨架的三维多孔介质模型,通过商用有限体积法软件求解管壳程以及膜丝多孔区纯水渗透过程的控制方程,得到管壳程的流场信息和多孔区的通量分布.研究表明,任意膜丝和膜丝束均存在通量分布的三维不均匀性,局部高通量增大了设备能耗,降低了组件效率;增大进出口压差降低了通量分布的均匀性,由于考虑了进口效应而更接近实际;膜丝渗透性的提高降低了通量分布的均匀性,在本文研究范围内,相同的进出口压差,膜丝渗透性提高5倍,产水量仅提高10%.本文计算流体力学模型适用于膜丝单元和膜组件研究,与实验偏差均在10%以内,可用于指导组件设计和优化.

浅谈化工教学的与时俱进问题

面对化学工程新的发展态势,化工教学与时俱进的问题值得关注。文章以化工原理和传递过程两门课程为例,分析了教学内容的调整;以MOOC和虚拟仿真教学为例,阐述了教学模式的改革。文章认为,化工教学的与时俱进是任课教师不断提升自身教学能力、改进教学方法的过程。

射流环流反应器中颗粒悬浮的数值模拟

为确定射流环流反应器中射流所能驱动的环流速度的大小,以此来确定催化剂颗粒的粒度。在二维轴对称假定下,采用雷诺应力模型(RSM)模拟考察了导流筒与反应器直径比(De/D)、反应器底部型式、射流口与导流筒下缘距离(Hn)的变化对环流流量与射流流量比(RQ)的影响,并结合离散相模型(DPM),模拟了不同几何结构,不同射流速度下,不同粒径催化剂颗粒的悬浮情况。研究表明,De/D为0.67时RQ最大,而不同底部型式和Hn下的RQ相差均低于3.6%,影响可以忽略;但反应器底部的锥形设计以及较低的Hn值有助于改善催化剂颗粒的悬浮状况;按给定的设备结构参数和物性参数,得出了低体积浓度(约0.1%)下实现催化剂完全悬浮于整个设备的临界射流速度(Vnc),建立了Vnc与催化剂颗粒粒径的关联式。通过模拟方法实现了催化剂粒径的设计、射流速度的选择和设备结构的优化。

中空纤维膜组件壳体流体分布与阻力研究

采用计算流体力学(CFD)和辅助实验的方法,在操作流量范围内(4.62~20m^3/h),研究了中空纤维膜组件壳体的流动分布和各部件阻力.研究结果显示:壳体各部件的阻力随着体积流量的增大而增大,且增速均不断提高;顶部胶水层的阻力曲线较其他部件,更接近线性.随操作流量的提高,顶部胶水层阻力占总能耗的比例不断下降,而其余部件则相反.整个壳体惯性阻力系数较高,所以在实际操作过程中,高流量运行会降低总能耗分配于过滤推动力的比例.底部分布器造成不均匀的初始流动分布,但分布的均匀性会随着高度的增大而变好.在组件正常操作流量范围,壳体内速度分布仅与几何结构有关,与操作流量无关.

PVDF微滤膜表面改性与沉积Ag纳米颗粒研究

本文采用聚乙烯吡咯酮(PVP)和过硫酸铵(APS)对聚偏氟乙烯(PVDF)膜表面改性处理,并将纳米Ag颗粒负载在PVDF膜表面,制备了PVDF-PVP-Ag和PVDF-APS-Ag膜。结果表明PVP通过物理吸附在PVDF膜表面,使得膜的亲水性得到改善,沉积Ag纳米颗粒后膜的亲水性和耐污染性能得到显著提高,PVDF-PVP-Ag膜的纯水通量要优于PVDF基膜,通量恢复率达到93%;APS处理的PVDF-APS-Ag膜是通过化学脱氟反应改性而成,虽然PVDF-APS-Ag膜的亲水性也有提高,但是PVDF-APS-Ag膜的力学强度明显下降,以及其不均匀性导致Ag粒子聚集在膜表面,从而影响膜的耐污染性能。

中空纤维膜渗透汽化过程中Dean涡强化传质的CFD模拟

建立了一个三维的弯管式中空纤维膜渗透汽化传质CFD模型,研究Dean涡对渗透汽化过程传质的影响,描述了膜内侧的浓度和速率变化情况,该模型与Leveque传质关联式具有良好的一致性。研究结果显示:弯管膜中Dean涡的存在能降低边界层传质阻力,总传质系数比直管膜提高了4倍;在不同的入口速率和浓度条件下,弯管膜内侧的壁面剪应力均大于直管膜。在膜阻力远小于边界层阻力的情况下,入口速率0.275 m·s^(-1),水浓度10%(质量)时,弯管膜的渗透通量为12636 g·m^(-2)·h^(-1),是直管膜的5倍。可见,弯管式中空纤维膜在渗透汽化过程中具有显著的强化传质效果。

湿法脱硫喷淋塔内文丘里棒层构件流体力学

在冷模实验观察测定基础上,采用Euler-Euler多相流模型对湿法脱硫(WFGD)喷淋塔内文丘里棒层进行数值模拟,得到不同操作条件下压降和持液量的变化规律。结果表明,棒层区域阻力系数λ分别与Re-0.58g和Re0.65l成线性关系(Reg,Rel分别为气相雷诺数和液相雷诺数),持液量H分别与Re_g^(0.52)和Re_l^(1.06)成线性关系。加入棒层可显著提高持液量,降低液气比(液气体积比为Vl/Vg),此举有利于压降减小。拟合结果对于工程应用有指导意义。

涡轮桨搅拌槽内湍流尺度的数值模拟

本文采用了多重参考系法结合标准κ~ε湍流模型模拟了槽径为270 mm、叶轮直径为93 mm的搅拌槽内的湍流流场。通过考察搅拌槽内的湍流强度、湍流尺度及两者之间的相互关系,是以一个新的角度从更深层次上研究搅拌槽内的湍流特性。研究表明了湍流强度及湍流尺度在搅拌槽内的分布;并得到在湍流耗散区尺度大的区域,湍流强度大;而在含能区尺度大的区域,湍流强度小;耗散区尺度与湍流强度相关性大。

椭圆中空纤维膜渗透汽化的传质强化数值模拟

本文建立了一个三维中空纤维膜渗透汽化传质模型,研究了膜管截面形状对渗透汽化过程传质的影响.该模型与经典理论Leveque传质关联式具有良好的一致性,且在同样的操作条件下,该模型与椭圆中空纤维膜接触器有一致的传质强化效果.相比传统圆形截面中空纤维膜,椭圆形截面能显著降低边界层传质阻力.在膜阻力远小于边界层阻力的情况下,椭圆膜半轴比由1增大到3,椭圆形截面膜的渗透通量可提升0.6%~28%.可见,椭圆形截面中空纤维膜在渗透汽化过程中具有良好的传质强化效果.

膜丝渗透系数不均影响中空纤维膜组件性能的CFD研究

本文建立了中空纤维膜组件外压式死端过滤的纯水过滤CFD模型,模拟研究了膜丝渗透系数不均匀对组件流场和性能的影响。以膜丝渗透系数均匀分布的组件为参照对象,分别考察了膜丝渗透系数由壳体向内逐渐增大,由壳体向内逐渐减小,以及随机分布的三种组件。结果表明,各个组件不同位置的压力场差别较小,而速度场随着高度而变化;4个组件的产水流量接近,原因在于高低渗透系数的膜丝数量相同,在产水流量上产生了抵消效应。

膜丝非均匀排布中空纤维膜组件内流场的模拟

本文建立了中空纤维膜组件外压式死端过滤的纯水过滤CFD模型,模拟得到了膜丝不同装填方式下组件内流场以及组件的产水性能。以膜丝均匀装填的组件为参照对象,分别考察了膜丝装填由壳体向内逐渐紧密,由壳体向内逐渐稀疏,以及随机装填的三种组件。结果表明,各个组件不同位置的压力场差别较小,而速度场随着高度而变化;膜丝排布由组件壳体边缘向中心逐渐稀疏的组件产水效率高于其他三个组件,单膜丝平均产水流量比最小值高出约10.9%。

含重金属废水膜分离技术的应用进展

随着工业的快速发展,其排放的废水对环境造成的污染日益严重,并已威胁到了人类的健康。重金属作为工业废水中较为常见的污染物,对其的治理也日益重要。膜分离技术是应用于水处理的高新技术,根据膜本身的特性,通过膜的处理,可以有效去除重金属离子,并对其进行有价资源的循环再利用。本文主要叙述了几种处理重金属废水的方法,着重介绍了膜分离技术的原理、类型特点及超滤膜、纳滤膜、反渗透等膜分离技术在处理重金属废水中的应用,并在最后对膜分离技术在处理工业废水中的发展趋势进行了分析及展望。

浸渍提拉法制备TiO2/不锈钢中空纤维复合膜及其应用

大孔无机膜基底的表面改性,一般采用溶胶凝胶法以求表面均匀性.但该法合成工艺复杂,控制因素较多,限制了其在工业领域的应用.利用悬浮液体系改性不锈钢中空纤维膜,采用浸渍提拉法在不锈钢膜表面涂覆25 nm的TiO2粒子,通过500℃的高温烧结制备了TiO2/不锈钢中空纤维复合膜.研究了聚乙烯醇(PVA)和TiO2浓度对不锈钢中空纤维膜的形貌,孔径,纯水通量和抗污染性能的影响.结果表明,所制备的TiO2功能层具有超亲水和水下超疏油性,对BSA的截留率达到90%,油水乳液分离率超过99%,并且具有良好的分离性能和抗污染性能.

光刻胶树脂结构与性能技术进展

光刻工艺随集成电路的发展成为核心环节,被誉为集成电路制造这顶皇冠上最耀眼的明珠。而光刻技术离不开其辅助材料光刻胶,每一代光刻技术得到的突破都将在相应光刻胶技术上得到体现,从436 nm光刻技术到248 nm KrF光刻技术、193 nm ArF光刻技术再到EUV光刻技术等,与之相应的光刻胶也不尽相同。

电子化学品分离纯化材料制备及其应用技术进展

电子化学品又被称为电子化工材料,是集成电路(IC)、平板显示(FPD)、印刷电路板(PCB)行业的基础性材料。电子化学品大体上包括这四类:超净高纯化学试剂、光刻胶、封装材料、液晶材料。随着电子工业的快速发展,对电子化学品的纯度提出了更高的要求,电子化学品的发展面临新的挑战。电子化学品的提纯方式多样,应用广泛。

泰勒—库特反应器流场演变的CFD研究

本文建立了泰勒—库特反应器流场的CFD模型,模拟研究了反应器内筒不同转速下,环隙流场结构的演变。结果显示,当转速为0.274 rad/s,环隙流场为库特泊肃叶流;当转速从0.315 rad/s升高至0.684 rad/s时,环隙流场从层流泰勒涡流转变为波流泰勒涡流。本文研究为泰勒—库特反应器在不同领域的应用奠定了流体力学基础。

静电喷雾制备NH_(2)-UIO-66(Zr)复合纳滤膜及其性能研究

利用静电喷雾方法成功制备了聚乙烯亚胺(PEI)/均苯三甲酰氯(TMC)荷正电纳滤膜,并在此基础上引入NH_(2)-UIO-66(Zr),进一步提升了复合纳滤膜的性能。通过FTIR、SEM、EDS、Zeta电位等表征手段研究了复合膜结构、形貌和表面电荷,并采用错流测试装置对不同重金属溶液进行分离性能测试。结果表明,当MOFs的添加量为0.01 wt%时,制备出的复合纳滤膜性能最优,通量为8.9 L·m^(-2)h^(-1 )bar^(-1),对NiCl_(2)的截留率为90%,较空白纳滤膜的通量提高26%且未牺牲截留效果。此外,NH_(2)-UIO-66(Zr)复合纳滤膜对Cu Cl_(2)的截留效果大于90%,且稳定性较好,该工作为制备荷正电纳滤膜提供了参考。