旋转剪切流强化微滤膜器的性能研究

论文摘要

过滤通量随过程的进行而迅速减小是微滤应用中的难题，其原因主要是膜污染和浓差极化。目前，工业中常用的过滤强化方法有膜面改性、外加电场及超声场等，虽然效果明显，但往往结构复杂，能耗较高。旋转剪切流强化微滤膜器是水力旋流器与管式微滤膜器的完美结合，它既可以有效的解决上述难题，还具有结构简单，能耗小等优点，在工程领域具有广阔的应用前景。本文设计了一套利用旋流发生器产生流体旋转的旋转剪切流强化微滤膜器实验系统，从实验研究、理论计算及数值模拟三个方面对其性能进行了全面的研究。在实验方面，分析了悬浮液浓度、入口和出口压力等操作参数以及叶片个数和旋流发生器级数等结构参数对过滤通量的影响。悬浮液浓度越高，过滤通量的衰减速度越快，稳态过滤通量越小。入口压力升高可以提高稳态过滤通量，但存在一个最佳值，超过此值时过滤通量反而减小。出口压力的提高，可小幅提高过滤通量。减少叶片个数和增加级数均可以提高旋转剪切流微滤膜器的过滤通量。与普通管式错流微滤膜器进行了对比分析，验证了旋转剪切流强化微滤膜器具有更高的过滤性能。在理论方面，首先利用因次分析法建立了稳态过滤通量的经验模型，将影响过滤通量的因素归纳成膜器的进口雷诺数和欧拉数等重要的无因次数群，推导出了具体经验公式，为膜器的放大设计奠定了基础；其次建立了过滤通量的动态衰减经验模型，它是一个幂函数模型，综合了进出口压力及悬浮液浓度的影响，较准确地描述了过滤通量随时间变化的实际过程。在数值模拟方面，利用流体力学分析软件，首次在旋转剪切流强化微滤膜器的CFD模拟中引入了多孔介质模型，较好的描述了过滤介质内部的传质过程及阻力损失。通过对膜器环隙内及过滤介质内部流场的数值模拟，对旋转剪切流强化微滤膜器的过滤机理进行了较为全面的研究。通过上述研究工作可知，这种旋转剪切流强化微滤膜器具有较高的过滤强化性能，并且入口流场均匀，剪切速率高、跨膜压差小、结构简单、能耗小，因此具有非常重大的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 膜分离技术
• 1.2 微滤技术
• 1.3 微孔滤膜
• 1.3.1 微孔滤膜的简介
• 1.3.2 微孔滤膜的分离机理
• 1.3.3 微孔滤膜的处理范围及性能指标
• 1.4 过滤强化方法
• 1.4.1 附加场或附加装置强化
• 1.4.2 旋转管式强化
• 1.5 旋转剪切流强化管式膜微滤的研究现状
• 1.6 微滤膜分离的稳定过滤通量模型
• 1.6.1 布朗扩散模型
• 1.6.2 切变诱导扩散模型
• 1.6.3 惯性升力模型
• 1.6.4 滤饼流动和表面输送模型
• 1.6.5 四种稳定过滤通量模型的评价
• 1.7 本课题的研究意义、目的及主要工作
• 1.7.1 本课题的研究意义
• 1.7.2 本课题的研究目的
• 1.7.3 本课题的研究内容
• 2 实验台的建立及实验方案的确定
• 2.1 实验装置建立及工艺流程
• 2.1.1 实验系统
• 2.1.2 实验工艺流程
• 2.2 实验样机
• 2.2.1 实验样机的设计构想
• 2.2.2 实验样机的设计内容
• 2.3 实验物料
• 2.4 实验膜材
• 2.4.1 实验膜材的基本特性及尺寸
• 2.4.2 实验膜材孔隙率的测定
• 2.5 主要实验设备及仪器
• 2.6 实验方法
• 2.6.1 实验方案
• 2.6.2 实验步骤
• 2.6.3 微滤性能的评价指标
• 2.7 本章小结
• 3 旋转剪切流强化微滤膜器的性能研究
• 3.1 操作参数对旋转剪切流强化微滤膜器过滤通量的影响
• 3.1.1 悬浮液浓度对旋转剪切流强化微滤膜器过滤通量的影响
• 3.1.2 入口压力对旋转剪切流强化微滤膜器过滤通量的影响
• 3.1.3 出口压力对旋转剪切流强化微滤膜器过滤通量的影响
• 3.2 结构参数对旋转剪切流微滤膜器过滤通量的影响
• 3.2.1 叶片数量对旋转剪切流微滤膜器过滤通量的影响
• 3.2.2 旋流发生器级数对旋转剪切流微滤膜器过滤通量的影响
• 3.3 旋转剪切流微滤膜器与管式错流膜器过滤性能的对比
• 3.3.1 清水实验时过滤性能的对比
• 3.3.2 悬浮液实验时过滤性能的对比
• 3.4 本章小结
• 4 旋转剪切流过滤通量模型的研究
• 4.1 引言
• 4.2 旋转剪切流膜器过滤通量的稳态通量模型
• 4.3 旋转剪切流膜器过滤通量的动态衰减模型
• 4.4 本章小结
• 5 旋转剪切流微滤三维流场的数值模拟
• 5.1 旋转剪切流微滤膜器的单相流场数值模拟
• 5.1.1 旋转剪切流微滤膜器的湍流模型选型
• 5.1.2 求解方法确定
• 5.1.3 网格的划分及边界条件的处理
• 5.1.4 渗透区域的多孔介质模型
• 5.2 计算结果及分析
• 5.2.1 流体轨迹
• 5.2.2 速度矢量分布
• 5.2.3 压力分布
• 5.2.4 叶片截面上的总压分布
• 5.2.5 叶片截面上的速度分布
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 数据处理程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢