On the basis of heat and mass transfer, this project establishes a mathematical model suitable for this experimental device, associates the temperature polarization and concentration polarization to the model, and uses the COMSOL software to solve the model. Firstly, using the relationship between different feed temperature and flow rate and flux in the pure water system, the empirical equations of mass transfer and heat transfer inside the membrane module are determined. By analyzing the influence of ionic liquid on the mass and heat transfer of MD process, COMSOL software is used to establish a flux prediction model under the ionic liquid-water mixture system, to investigate the consistency between the predicted flux and the experimental measurement value, and to estimate the VMD process Intermediate temperature difference and concentration difference polarization coefficient, discuss the influence of different operating conditions such as temperature, flow rate, ionic liquid concentration and other parameters on membrane flux.
项目组人员：
陈妍妍2017级环境科学与工程专业，吴昕瑶2018级环境科学与工程专业， 周煜杰2019级环境科学与工程专业
项目指导教师：吴欢欢
推荐级别：北京市级
研究背景：
本项目在传热传质的基础上，建立适用于本实验设备的数学模型，将温差极化和浓差极化关联至模型中，采用COMSOL软件对该模型进行求解。首先利用纯水体系下不同进料温度和流速与通量之间的关系，确定膜组件内部的传质和传热经验方程。通过分析离子液体对MD过程传质传热的影响，采用COMSOL软件建立离子液体-水混合液体系下的通量预测模型，考察预测通量与实验测量值之间的一致性，并估算VMD过程中温差和浓差极化系数，讨论不同操作条件如温度、流速、离子液体浓度等参数对膜通量的影响。
研究过程：
由指导老师为学生提供软件支持，并指导学生学习COMSL软件；通过研究老师提供的相关原始数据，学生建立膜蒸馏处理离子液体-水溶液过程中的传质传热模型，并在指导下发表相关论文。
应用：
近年来随着计算机技术的发展，计算流体力学（CFD）已能较为准确地模拟膜分离中传质传热过程。COMSOL Multiphysics 作为一种优秀的数值模拟软件，具有对多物理场耦合分析的优点。本项目利用COMSOL 软件对膜蒸馏处理高浓度离子液体-水混合体系下的通量、温差极化和浓差极化系数进行数值模拟。对模型进行可行性验证，讨论在条件下，膜蒸馏的传热传质特性，得到膜蒸馏膜表界面温度的分布情况，预测实际反应中的温差，并与实验的果进行比较。综上，利用COMSOL软件处理膜蒸馏技术过程中的传质传热是可行的，可以很好地解决本项目中的问题。通过该软件的模拟，可将膜蒸馏膜表界面的温度进行可视化，通过建立的CFD模型，分析了流动、温度、真空度和浓度等不同工艺条件对渗透通量的影响。
未来展望：
通过CFD模型确定界面温度，估算了不同操作参数下的温度极化系数，在解决膜蒸馏方面问题有较好的应用前景。
项目创新点：
创新地用COMSOL软件模拟并分析真空膜蒸馏处理离子液体-水混合液体系下的传质传热模型，并从多个方面分析其对膜通量的影响程度，同时实现了真空膜蒸馏系统内液体温度、压强等性质实现可视化分析。
项目成果：
本项目讨论了利用 PTFE 膜分离高浓度[Bmim]Cl离子液体-水混合液的VMD 传质与传热过程，利用comsol软件建立相关传热模型以及适于膜组件的传热经验公式对离子液体水体系下的通量预测模型，将预测通量与实验值进行对比，下图(a)是料液浓度对[Bmim]Cl 水溶液中模拟通量和实验通量影响对比，
同时分析了不同操作条件下温差极化与浓差极化的影响，上图中(b)和(c)分别为不同料液浓度情况下COMSOL模拟和实验结果浓差极化系数与温差极化系数的对比，并实现了膜表界面温度的可视化，如下图(a)和(c)所示分别为料液流速为1L/min和3L/min时COMSOL模拟膜面温度图,且(b)和(d)分别为两种流速下膜面温度变化的局部放大图。
Feed: 1L/min
(b)
Feed:3L/min
(c) (d)
用COMSOL软件对该体系的传质传热进行模拟求解，并得出相应的模拟通量、活度系数、浓差极化和温差极化等系数。通过COMSOL软件的使用，可建立膜蒸馏处理高浓度离子液体体系下的传质传热模型，该模型可有效反馈膜蒸馏膜表面温度的变化，可有效指导相关参数的设计，从而有效膜蒸馏的分离性能，为设计人员提供科学可靠的依据。
