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《四川大学》 2003年
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外旋流微滤膜器环隙内流场的数值模拟及膜器分离性能研究

徐菡  
【摘要】: 微滤也称微孔过滤,是以压力为推动力,以选择性屏障(膜)为分离介质,服从筛分原理的分离过程。在化工、医药、食品等领域都有广泛的应用,是一项极具市场潜力和经济价值的新兴技术,但浓差极化和膜污染是制约微滤技术进一步发展和应用的两大难题。外旋流式膜器巧妙地将水力旋流器的原理与管式膜器微滤相结合,是一种新的强化微滤的膜器结构,目前对其膜器环隙内的流场分布及分离性能研究均处于起步阶段,且都以实验研究为主。本文采用数值计算的方法首次对层流范围内膜器环隙内的流场进行数值模拟,从理论的角度分析其流场分布的细节和特点,与前人的实验研究结果和外轴向流微滤进行比较,分析外旋流强化微滤的机理,对膜器优化设计提供理论依据。 (1)对外轴向流和外切向流两种方式下膜器环隙内流场进行变参数数值实验,作出流场及切应力的分布规律,分析无颗粒沉积时层流条件下流动结构对过滤通量的影响,认为:采用外旋流的方式将对膜面压力有削弱作用,但并不明显。而在实际微滤中,其向上凸的膜面切应力沿轴向的分布则有利于减小颗粒在膜面的沉积。 (2)采用正交回归实验,在无颗粒沉积的理想情况下,建立基于层流数值解的膜器跨膜压力损失模型、过滤通量模型、过膜器的压力损失模型和膜器过滤效率模型,首次从通量、能量损失及膜器对料液的处理能力等三个方面,更全面地对外旋流方式下的微滤过程进行了描述。 (3)综合分析了在无颗粒沉积的理想情况下,流动参数、结构参数对微滤效 果的影响情况,发现各参数对微滤效果的影响复杂,在膜器优化设计时必须综 合考虑各因素而适当选取,且微滤效果的提高是以过膜器压力损失的增大为代 价的,从而从理论上对实际微滤过程中观察到的通量随操作压力的增大而增大 的现象做出了解释。 (4)通过颗粒受力分析,推导出外旋流方式下颗粒不沉积膜面的条件和已沉 积颗粒沿膜面滚动的条件,认为从减小颗粒的沉积到促使已沉积颗粒沿膜面的 滚动等方面,外旋流方式相对外轴向流较容易实现,当膜面上所有点上都满足 上述条件时,在膜面上将无滤饼或形成一阻力较小的动态滤饼层。且为保证膜 器长时间连续过滤,并不一定要一味地追求大的通量值。 (5)对环隙内涡的形成及其对微滤的影响进行了初步的定性分析,认为当环 隙内流速达到一定程度时,在环隙纵剖面上会有涡的出现,涡的产生对颗粒的 沉积和运动都有较大影响,可减小甚至防止滤饼的生成,从而起到强化微滤的 作用,但为减小或防止环隙内出现低压区等对微滤不利的因素,切向速度的选 取也存在最佳值的问题。 总之,在层流条件下,对于纯净水的微滤,外旋流的方式对微滤通量的影 响并不显著。但对于悬浮液,外旋流中流体的旋转确实起到了强化微滤的作用。 同时也需指出的是,为使外旋流的方式较好地达到强化微滤的目的,建议采用 一定流量下的湍流方式较为合适。
【学位授予单位】:四川大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TQ02

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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