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《四川大学》 2003年
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旋转横流膜微滤压力场及流动数值模拟研究

黄维菊  
【摘要】: 为减小和消除膜微滤过程中的浓差极化和膜污染,在国家自然科学基金资助项目(29976025)“离心力场对微滤膜过滤强化的机理研究”的支持下,本文利用计算机控制的在线膜器环隙压力测试系统,实测了管式旋转横流和轴向横流微滤膜器环隙压力场,对旋转横流强化膜微滤机理进行了研究,并对旋转横流管式微滤膜器环隙三维湍流场进行了数值模拟计算。 1.首次较为深入与系统地对旋转横流管式微滤膜器环隙的压力场(包括时均力场和瞬时力场)进行了实测研究,弄清了旋转横流膜器环隙内的时均压力和脉动压力的分布和变化规律,及其对膜微滤过程的影响,弄清了膜器入口操作压力、膜器环隙大小以及过滤悬浮液浓度对膜微滤过程的影响。 旋转横流微滤膜器环隙压力径向分布,无论是时均压力还是脉动压力,总趋势是在膜器环隙壁面处最大,呈不对称的马鞍形,中间压力有起伏,其波动大小随操作工况不同而异。从上向下,随着距悬浮液入口距离的增加,径向压力梯度逐渐减小。脉动压力在膜面和其附近最大,膜器壁面和其附近次之,其值处于同一数量级别,当入口压力为50kPa时,平均幅度在0.3~0.4kPa范围内,环隙中间脉动值最小。压力脉动沿径向变化的趋势与膜器环隙中时均压力沿径向分布变化趋势相同。引起环隙压力径向上梯度变化的原因主要是悬浮液切向进口产生的离心惯性力和环隙内的湍流流动。它们 摘要 的共同作用,使在膜面上和膜面附近压力脉动剧烈,压力减小的径向梯度和 速度变化的径向梯度均很大,压力能与动能强烈交换。旋转横流强化膜微滤, 正是通过离心力与湍流扩散的共同作用,使悬浮液中的颗粒克服渗透流对它 们的曳力,导致膜面和膜面附近剧烈的脉动和扰动,而使欲沉积到膜面的固 相颗粒由于该反向曳力和湍流脉动,而不沉积到膜面,又反向回到主流体, 重新掺合和混掺,浓差极化和膜污染被阻碍,从而强化膜过程。 环隙压力轴向分布,从上向下,压力随距悬浮液入口距离增加而增大, 主要受重力的影响。沿轴向在膜面、膜面附近和膜器壁面附近的压力起伏较 大,主要是因为离心力使膜面上和膜面附近存在旋涡流动,速度的变化带来 了压力的起伏。膜器壁面附近的轴向压力起伏,则主要是因为旋转液流与器 壁碰撞及摩擦的结果。 2.探明了旋转横流较轴向横流过滤时能耗低,有效能量利用率高,渗透 通量大的原因,为其推广和应用的合理性提供了依据。 创新性地从膜器能量损失系数和膜器有效能量利用等方面,分析研究了 旋转横流与轴向横流两种形式膜微滤的能耗。旋转横流膜微滤因为环隙内有 离心力存在,使其在同样的操作条件下环隙内的压力较轴向横流过滤时大而 且径向存在压力差和速度差,结果其渗透通量总是比轴向横流过滤时大,因 而其能耗系数较轴向横流过滤时低,有效能量利用率较轴向横流过滤时高。 3.首次通过旋转横流与轴向横流微滤膜器环隙粒子受力与压力场特性的 对比研究,探明了旋转横流强化膜微滤机理,弄清了两种过滤方式下,膜器 环隙内的时均压力和脉动压力的分布和变化规律的不同,以及对膜微滤过程 的影响。受力主要不同点在于旋转横流时悬浮液切向进入而产生了离心力, 导致在时均力场中,虽然操作条件相同,但旋转横流时在环隙径向将形成较 大的压力差和速度差,使其过滤渗透通量总比轴向横流过滤时大,一般大1.5 倍以上。环隙内脉动压力较轴向横流过滤时约大40%一60%。旋转横流的脉动压 力基本与其时均压力分布规律相似,呈不对称的马鞍形;而轴向横流过滤, 其脉动压力的分布是随机而无序的。旋转横流与轴向横流过滤时脉动压力的 差值,主要分布在膜面和膜面附近区域以及壁面,大小占旋转横流总脉动压 力值的50%左右。这部分脉动压力的差值,也主要是受离心力的影响而产生, 因而,它们将转化为形成类泰勒涡的能力,使固体颗粒不能沉积于膜面,从 四川大学博士学位论文 而防止了浓差极化和膜污染,强化了膜微滤。 4.首次探明,对一定结构的旋转横流微滤膜器,(1)存在最佳入口压力, 在最佳入口压力值时,渗透通量值最大,超过此值后,尽管环隙内压力继续 增加,但其对应的渗透通量却增加很少或者甚至减小。(2)存在最佳旋转强 度。离心力强化膜微滤有一定的范围。过强的离心力强度不但会将固体颗粒 抛离膜面,也会使液体透过滤膜受阻,使其渗透通量增加很少,甚至有所降 低。根据最佳入口压力值,得出了表征最佳旋转强度极限值的旋转强度特征 数入的大小,同时也得到了表征最佳旋转强度范围的旋流强化因子Q的大 小。由此得到膜器设计的重要依据。(3)在低浓度范围内,悬浮液浓度有最 佳值。当悬浮液浓度超过最佳值后,随着浓度增大,环隙内压力增大,渗透 通量减小,较大的浓度改变了混合液的粘性系数,大量粒子的存在,流体介 质的运动也受到影响,这时颗粒的运动反过来促使二相流的湍动减弱。 5.创新性地提出了旋转横流强化型微滤膜器的工程设计原则。给出了膜 管?
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