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迪恩涡二次流强化编织型中空纤维膜分离性能的研究

刘建文  
【摘要】:迪恩涡二次流是弯曲流道中特有的流体流动现象,它的强化传质作用在热能工程中取得成功而广泛的应用。近年来国外二次流研究的热点是将它应用于膜分离过程,以减少和控制限制膜过程的浓差极化和膜污染。在国家自然科学基金(50274080)资助下,本文研究成功的迪恩涡二次流强化编织型中空纤维膜分离技术与湍流促进膜分离技术,填补了国内空白,它能显著提高膜分离性能、降低能耗、具有非常广阔的产业化前景。本文用流体力学理论研究了弯曲流道中流体的迪恩涡双涡流速度分布、因二次流引起的附加离心压力分布,采用Reid 窄隙理论推导并提出了编织型中空纤维膜优化设计理论,得到可供工程应用的优化设计理论和优化设计数据。采用优化设计制作的编织型中空纤维膜与线型中空纤维膜进行渗透性能对比试验研究,首次在国际上得到迪恩涡二次流能增强编织型中空纤维膜纯水渗透性能、显著降低渗透能耗; 编织型中空纤维膜中产生的迪恩涡二次流显著减少各种污染液过滤时的浓差极化和膜污染、渗透回收率增加5~6 倍,能耗降低40%,显著减少膜过滤过程的衰减速率; 首次在国际上提出编织型中空纤维膜优化设计理论并试验验证了该理论的可行性; 通过理论分析和试验研究,得到了以最小渗透能耗为目标函数的编织型中空纤维膜系统操作最优化; 发明了用于膜进口湍流强化传质的湍流促进器,它对线型中空纤维膜具有显著的性能强化作用,可提高渗透性能30%,显著减缓线型中空纤维膜渗透流量衰减,大幅提高渗透回收率及降低能耗; 本研究成果具有重要的理论指导意义及非常重要的现实意义,迪恩涡二次流强化编织型中空纤维膜分离技术及湍流促进膜分离技术,可广泛应用于MF/UF 膜法水处理系统、以MF/UF 为预处理的膜法集成系统; 既可用于新系统建设,亦可用于膜法水处理系统技术改造。


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