两相流在炭膜微滤钛白悬浮液中的应用研究

论文摘要

在微滤的应用过程中，最主要的问题是膜透过液流率随过滤时间变化下降很快，其关键所在是浓差极化和膜污染。尽管人们在减少浓差极化和膜污染方面已经取得了一些成果，如采用湍流促进、流体脉动、离心失稳等强化措施，但是都存在着某些不足，难以工业化。相比之下，采取气液两相流强化膜过程具有强化效果好、过滤方法简单、容易实现等特点。但由于气液两相流技术在膜分离中的应用研究起步较晚及两相流自身流动的复杂性等特点，目前还没有完善的理论研究和准确的机理模型。本论文以开发炭膜微滤二氧化钛悬浮液的应用技术为研究背景，以降低浓差极化和膜污染、提高膜通量为目的，对气液两相流在炭膜微滤钛白悬浮液中的应用展开系统研究，为进一步的理论研究和工业化应用提供基础研究。实验中我们采用自制平均孔径1.0μm管状多孔炭膜，在温度20℃、跨膜压差0.04～0.16MPa、料液流速0.85～1.56m／s、气体流速0.29～2.02 m／s、悬浮液浓度0.1～1.0g／L的条件下，重点考察气液两相流对微滤过程的影响。实验结果表明，在微滤过程中，通入气体形成的气液两相流增加了流体的湍流流动，促进了料液的局部混合，通量增加到单相流时的162％。弹状流是提高膜通量较有利流型。通入气体后随着压力的增大，通量快速增加，然后缓慢降低，在压力0.11MPa时通量达到极大值1275L／(m~2·h)。通过计算微滤过程各部分阻力，对SEM扫描电镜进行分析，确定气液两相流可以显著地减少微滤过程中膜内堵塞阻力和滤饼层阻力，随着微滤过程浓差极化和膜污染程度地不断加重，气体对微滤过程的强化程度也越来越明显。此外，随着气体速度的增加滤饼阻力快速减小，当气体速度达到一定值时，滤饼阻力开始缓慢减小，再增大气体的速度并不能完全消除堵塞阻力和滤饼层阻力。论文的最后，探讨了气液两相流在微滤中的强化机理，认为强化过程中起主要作用的是颗粒受到来自于气体向下的剪切力τ_g和液体向上的剪切力τ_l。基于两个无因次剪切数和阻力数，建立了气液两相流的微滤模型，并将所建立模型通量值与实验值进行比较，证明了模型的可行性和准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 无机膜与炭膜
• 1.1.1 炭膜是一种新型的无机膜
• 1.1.2 炭膜在液体分离领域中的应用
• 1.2 无机膜处理钛白悬浮液的研究进展
• 1.2.1 我国钛白粉生产的状况及废液处理
• 1.2.2 膜法处理钛白悬浮液的研究进展
• 1.3 微滤技术
• 1.3.1 微滤膜分离的机理
• 1.3.2 微滤膜分离技术的操作方式
• 1.3.3 微滤膜过程的数学描述
• 1.3.4 微滤膜分离过程中操作参数的影响
• 1.3.5 微滤膜分离过程中的阻力
• 1.4 微滤膜技术存在的主要问题及其控制方法
• 1.4.1 微滤膜技术存在的主要问题
• 1.4.2 微滤膜分离过程膜污染和浓差极化的控制
• 1.5 两相流的特性参数和流型
• 1.5.1 两相流的特性参数
• 1.5.2 垂直上升管道中的流型划分及特性
• 1.6 两相流在膜分离中的应用
• 1.6.1 两相流在超滤实验中的应用
• 1.6.2 两相流在微滤中的应用
• 2 煤基管状炭膜的制备及性能表征
• 2.1 煤基管状炭膜的制备
• 2.2 膜材料
• 2.3 炭膜的表征
• 2.3.1 炭膜孔径测定
• 2.3.2 孔隙率的测定
• 3 实验装置及实验方法
• 3.1 实验药品
• 3.2 实验材料
• 3.3 实验流程及操作步骤
• 3.4 实验数据处理方法及检测手段
• 3.4.1 实验数据处理
• 3.4.2 检测仪器和方法
• 3.5 实验中两相流的流型判断
• 4 两相流微滤钛白悬浮液实验结果与讨论
• 4.1 膜孔径对微滤过程的影响
• 4.2 实验参数对微滤通量的影响
• 4.2.1 两相流对微滤通量的影响
• 4.2.2 间歇通入气体对微滤通量的影响
• 4.2.3 膜组件的放置方向对两相流微滤通量的影响
• 4.2.4 两相流的流型对微滤通量的影响
• 4.2.5 总表观速度对通量的影响
• 4.2.6 跨膜压差对两相流微滤通量的影响
• 4.2.7 两相流对微滤截留留的影响
• 4.3 炭膜的清洗
• 4.4 两相流微滤二氧化钛悬浮液的阻力分析
• 4.4.1 膜污染阻力分析的计算方法
• 4.4.2 阻力分析计算的结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 5 两相流微滤机理的初步探讨及模拟计算
• 5.1 两相流时通量模型的研究
• 5.2 弹状流的流动特性及微滤强化机理
• 5.2.1 弹状流的流动特性
• 5.2.2 两相流微滤的机理分析
• 5.3 实验的模拟与计算
• f'>5.3.1 无因次剪切数Ns和阻力数N_f
• 5.3.2 无因次数在两相流中的修正
• 5.3.3 实验模拟与结果讨论
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢