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《四川大学》 2001年
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旋转切向流强化管式膜微滤的机理研究

王成端  
【摘要】: 旋转切向流强化膜微滤是近几年提出的一种新的强化方法,它把水力旋流器的作用原理引入到管式膜微滤中,从而改进了膜器结构和悬浮流体进入膜器的方式,提高了膜通量,降低了膜污染。本课题首次设计出了旋转切向流管式膜分离器及其实验系统,通过理论研究和实验测试,首次系统地研究了旋转直线切向流和旋转圆弧切向流聚丙烯管式膜微滤的流场特征,揭示了旋转切向流强化膜微滤的机理。研究成果不仅具有理论价值,而且具有推广应用价值。研究的主要内容和成果如下: 1.在一定条件下,首次从Navier-Stokes方程推导出膜器环隙三维旋转流切向速度、径向速度和轴向速度的解析表达式,分析了其相应的变化规律。 2.推导出旋转切向流单位时间内形成滤饼层的厚度公式。公式表明,滤饼层厚度与过滤渗透速度和悬浮液与渗透液的密度差成正比,与滤饼层的密度成反比。 3.推导出旋转切向流管式膜器膜管与外筒的半径比、旋转流切向速度和膜器环隙过滤渗透速度之间的关系式,以及最大膜管长度的计算公式,为优化设计旋转切向流管式膜器提供了理论依据。 4.首次采用激光粒子成像测速系统PIV实测研究了旋转直线切向流和旋转圆弧切向流无渗透系统与聚丙烯管式膜微滤有渗透系统的流场,获得了膜器环隙子午面和切剖面大量不同工况的流线图和涡量图,定量分析了相应面上的速度分布规律: (1)在非涡区域,无论操作参数如何变化,在横坐标相同时,靠近旋转切向流入口方向的速度比远离入口方向的速度要大;涡内区域流体的速度一般小于涡外部的流体速度;涡心处速度最低,而且切向速度、径向速度一般为零;涡心附近的切向和径向速度小于轴向速度。 (2)在实验工况下,涡边缘附近的切向、径向和轴向速度均为膜器环隙间平均轴向流速的1~2倍;形成Taylor涡或椭圆涡面上的最大切向、径向和轴 摘要 向速度一般为膜器环隙间平均轴向流速的2—6倍。 O)环隙切剖面和子午而上形成的涡,其内部流体都要与涡外部的流体进 行质量交换。涡外流体大量涌入涡内部,能够防止颗粒过早堵塞膜管。 K)定性和定量证明了流线越密,其速度越大,流线越疏,其速度越小; 同一时刻,流线密的区域比流线疏的区域速度高的流体力学经典结论。 *)总体上旋转圆弧切向流的强化膜微滤作用优于旋转直线切向流。 5.通过对旋转切向流聚丙烯管式膜器的微滤试验与传统的轴向流过滤对 比试验,发现: *)对旋转切向流膜器,相同入口切向流量下,悬浮液浓度越高,初始膜“ 微滤与稳态膜微滤通量越低,达到稳态的时间越长;悬浮液浓度相同,入口切 向流量越高,初始膜微滤与稳态膜微滤通量越高,达到稳态的时间越短。 O)膜微滤过程的影响因素复杂,浓度、压力、结构参数等因素与渗透通 量呈复杂的非线性关系。 ()在实验条件内,圆弧切向流的稳态通量和直线切向流的稳态通量分别 是轴向流稳态通量的 1.584~2.5 11 倍和 1.697~2.298倍。相同条件下,旋转切 向流管式膜微滤比轴向流膜微滤的渗透通量大,分离效果好。 6.在PIV实测基础上,定性分析和定量研究出了旋转切向流管式膜器的 数学模型,得到了膜微滤通量随时间的变化关系式,同时推导出无滤饼形成时 膜微滤的渗透通量计算公式,给出了决定膜微滤渗透通量大小的主要因素,阐 明了旋转切向流管式膜微滤的强化机理。 7.初步研究了旋转切向流膜器设计和参数优化的一般原则和影响因素。 8.能耗分析表明,旋转切向流管式膜微滤比一般轴向流膜微滤的有效利 用率要高得多,是一种非常有效的强化膜分离技术。在实验条件下,直线切向 流膜微滤和圆弧切向流膜微滤的稳态能量有效利用率比轴向流稳态能冕有效利 用率分另高11.185倍和14.591倍。
【学位授予单位】:四川大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TQ028.8

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