[发明专利]一种电渗析传质过程的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种对电渗析传质过程的数值模拟方法，该方法以离子交换膜和隔室作为计算单元进行在电场作用下物质传递的数值分析，根据膜的特性，利用二次电流分布及三次电流分布理论建立传质模型方程，采用有限元法对模型方程进行数值求解。由于光凭实验手段很难监测电渗析过程中各种复杂的现象以及参数的变化，因此本发明提供了一种对电渗析传质过程的数值模拟方法，有助于研究参数变化规律和预测电渗析行为。该模拟方法几何模型简单，计算时间短，参数变化直观，可应用于海水/苦咸水淡化、物料分离等过程的模拟仿真。

技术领域

本发明属于水处理问题数值模拟技术领域，涉及一种电渗析传质过程的数值模拟方法。

背景技术

电渗析是一种在电场驱动下利用离子交换膜从溶液及其他不带电组分中分离出离子的物质分离过程，该技术具有预处理简单、适应性强、能耗低、环境污染小等优点，已被广泛应用于化工、生物等水处理领域的分离纯化过程。电渗析分离效果和电流效率主要取决于电渗析设备的设计和工艺参数的设定。但是，电渗析过程因包含流体流动行为、浓差极化、物质传递、膜-溶液平衡等复杂现象，使各因素对电势、浓度、离子迁移通量、分离率等的影响规律难以精确掌握，阻碍电渗析在实际应用中分离能效的提高。传质模型化为电渗析分离过程的物质传递研究提供了一条有效途径，借助数值模拟方法，可以从膜性能参数、设备结构、操作参数等多方面对电渗析分离过程进行优化，通过模拟电势分布、电流密度、浓度分布等情况，导向设计电渗析结构和操作工艺，从而提高电渗析分离性能并降低系统能耗。研究人员曾探索了设备结构和操作参数对电渗析过程物质传递的影响，但成果尚未具有普遍性的指导意义，而且所用数学模型较复杂，计算求解时间长，难以在实际工程中应用。因此，需建立一种与实际吻合度高且计算求解方便的电渗析传质过程的数值模拟方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种电渗析传质过程的数值模拟方法，该方法根据离子交换膜和物料溶液的性质，以膜和隔室作为计算单元进行电渗析分离过程物质传递的数值分析，解决电渗析过程中实验难以监测各种复杂现象及参数变化的难题，并且具有建模简单、计算求解快速等优点。

为了达到上述目的，本发明提出了一种电渗析传质过程的数值模拟方法，该方法包括以下步骤：

S1、选择传质方程(指物质传递微分方程，是公知常识)用以描述电渗析过程物质传递通量，传递通量包括电迁移通量、扩散通量和对流通量，然后与电中性方程∑z_ic_i＝0，法拉第定律Nernst-Einstein关系式u_i＝D_i/(RT)联立建立数学模型，其中D_i为扩散系数，c_i为离子浓度，z_i为电荷数，u_i为离子迁移数，Φ为电势，I为电流密度，F为法拉第常数(96485C/mol)；传递方程采用传质微分方程，优选为二维Nernst-Planck方程描述垂直和平行于电流方向离子在流体对流、化学势梯度、电势梯度影响下的迁移传递；

S2、根据S1中建立的数学传质模型选择所需模块中相应的物理场，结合电渗析设备结构参数定义模型几何；所述几何模型是通过选择电渗析膜堆的重复单元并几何化得到，并根据所选择的重复单元进行比例缩放，提高对不同电渗析设备模型应用的普适性；

S3、对几何模型中的离子交换膜和隔室进行网格划分；其中的网格划分是垂直于电流方向网格均匀划分，平行于电流方向膜和主体溶液部分网格密度较小，靠近膜-溶液边界处密度较大，单元网格划分比率为1:2～1:1000；所述几何模型是通过选择电渗析膜堆的重复单元并几何化得到；

S4、确定初始条件和边界条件；其中的初始条件包括膜性能参数：离子交换容量、膜电导率、流体初始流速和浓度、操作电压以及溶液初始温度；边界条件包括进口处：垂直于电流方向流速等于初始流速，平行于电流方向流速等于零，离子浓度等于溶液初始浓度；出口处：