旋转管式膜分离器流场特征与过滤机理研究

【摘要】：旋转管式膜分离是强化十字流微滤的有效方法之一,它较好的解决了长期以来阻碍膜分离技术的膜污染和浓差极化问题。但是由于其内部为旋转剪切流、轴向剪切流和径向渗透流共同作用的三维流场,至今仍没有对其分离机理形成统一的认识。课题组于2001年采用PIV激光测试系统对旋转聚丙烯(PA)管式膜分离器环隙子午面的流场进行了实测,本研究将理论与测试结果结合进行分析,比较系统的研究了膜器环隙间的流场特征和膜器的过滤机理。 首先结合前人的研究成果,讨论了膜器环隙间的流动机制,分析了波涡、交错螺旋涡、交错螺旋波涡的涡动状态特征。推导出轴向流和渗透流同时存在时,流动从库特层流转化为层流涡以及从层流涡转化为波涡时临界Tavlor数的近似表达式,表达式较好地反映了轴向流和渗透流较小时的流态转变机制。 对课题组前期的测试结果进行分析发现:对于无轴向流和渗透流情形,在较低的内管转速下出现稳定的层流涡,涡的形状和位置基本不随测试时间的推移而改变,涡近似呈规则的正方形,大小与环隙宽度相当,流场近似活塞流,流场中的质量传递很小;随着内管转速的增大,环隙间的流体流动不稳定性增强,逐渐由层流涡向波涡、过渡涡甚至湍流涡发展。轴向流和渗透流同时存在时,环隙间仍会出现Taylor涡,并且涡在环隙间轴向漂移。在较宽的内管转速范围内均有波涡出现,波涡是比较适合实际过滤的一种流动形态。旁流伴随波涡的出现而产生,其流量随内管转速的增大逐渐减小,由于旁流对过滤速度和控制膜污染的影响相互矛盾,因此在实际过滤中应根据物料特性选择适当的内管转速。受底端进料的影响,垂直方向高位涡的轴向尺寸大于垂直方向低位涡的轴向尺寸。通过比较不同过滤压力和轴向流速下环隙间的流动发现:操作压力对环隙间的流动特征几乎没有影响;较大的轴向流会使环隙间的流动变得更加稳定,形成发育完全的稳定层流涡需要更大的内管转速。