膜蒸馏可在常压条件下利用100°C以下的低温热源进行高浓盐水脱盐,广泛应用于反渗透海水淡化过程集成和太阳能、地热等资源利用领域。膜蒸馏处理高浓盐水时,盐分不仅可能在膜面的结晶析出,还会导致严重的浓度极化现象影响正常操作。然而现有膜蒸馏研究较少关注高浓料液的浓缩特性,特别是尚未发现有揭示关键的膜蒸馏浓度场分布特性。为此,本文采用计算流体力学(CFD)方法详细研究了膜蒸馏单元中的传递现象,通过对膜侧流道的温度场和浓度场分析,揭示了高浓度膜蒸馏操作的传质分离规律和优化操作特征。在阐明膜蒸馏单元操作特性的基础上,进一步对膜蒸馏高浓脱盐过程进行了系统分析和优化,重点研究了在多膜蒸馏子系统组成的复合系统中,系统阵列设计与优化对复合系统的综合影响。本文主要工作包括膜蒸馏单元中的CFD模拟和膜蒸馏系统的流程模拟与优化,具体如下:(1)基于膜蒸馏热质传递机理建立了二维CFD模型。利用商用CFD软件FLUENT模拟了平板膜组件中的膜蒸馏过程,模拟结果与文献实验值较吻合,相对平均偏差为6.0%。利用所建立的CFD模型,模拟了不同料液温度、浓度及流速下的膜蒸馏过程。通过分析不同操作条件下的渗透通量变化、膜组件内的温度场和浓度场分布及过饱和度分布,确定了膜蒸馏过程的适宜操作条件:对于较低浓度原料(即料液侧进口NaCl质量分数为0.15),可采用低流速(0.02~0.06m/s)操作条件;而较高浓度料液的浓缩(即NaCl质量分数为0.25)时,应采取高料液侧流速操作(≥0.07m/s)以避免膜表面NaCl过饱和结晶析出影响膜蒸馏正常进行。(2)基于膜蒸馏单元过程的分析,建立了中空纤维管式膜组件的膜蒸馏模型,进而开发了Aspen Plus中的用户自定义膜蒸馏单元计算模块。进而在Aspen Plus中建立了膜蒸馏复合系统,其中包括多个可独立操作并具有相同结构和完整脱盐功能的膜蒸馏子系统。采用流程模拟方法研究了等膜长度和等膜丝数两种典型的子系统间复合阵列结构对膜蒸馏复合系统产能、能耗和生产成本的影响。模拟结果表明:在固定操作条件下,采用等膜丝数阵列结构有利于脱盐系统的提产、降耗和降低成本,且采用高填充密度膜组件的效果更为显著;优化各单元循环流量能有效降低生产成本,在优化循环流量条件下采用等膜丝数的阵列结构能进一步降低成本25%。本文的CFD模拟工作将填补高浓料液膜蒸馏浓缩的CFD传质研究空白,促进膜蒸馏跨膜传递机理研究的发展;同时本文的流程模拟工作将加深膜蒸馏系统设计和优化的理解,为膜蒸馏工业化应用夯实基础。