（化工过程机械专业论文）旋管动态过滤的机理研究.pdf

中文提要 本文从流体运动的n a v i e r s t o k e s 方程出发，分析了理想条件下，旋管动 态过滤的滤室流场、压力分布状况及其影响因素。通过对离心力场下颗粒的 受力分析，揭示了旋管过滤中颗粒的沉降及反向迁移机理，并从理论上说明 了旋管转速、滤室环隙、过滤压差、进口流量等操作参数对过滤的作用机理。 f7 通过分析得出： 1 影响旋管过滤的主要因素在于过滤介质表面的流体剪切速度梯度，减 小滤室环隙、提高旋管转速和进口流量，有利于提高滤室内流体的剪切速度 梯度并扩大其作用区域，从而可削弱颗粒向过滤介质的沉积、增大反向迁移 的趋势。 2 在旋管动态过滤中，受离心力场的作用，由过滤介质表面向外，沉积 颗粒的平均粒径呈逐渐减小的趋势。旋管转速越高，这种趋势就越明显。 3 、由于旋管的高速旋转，流体受离心力场的作用，会产生一个反向离心 压差并随转速的提高而增大，这个压差会抵消一部分过滤推动力。 通过对清水和白刚玉微粉的过滤实验，考察了旋管转速、操作压差、物 料浓度、滤室环隙等因素对旋管过滤的影响，从实验上进一步证实了理论分 析的结论。、) i ， 关键词：旋管，动态过滤，流场，颗粒沉积 a bs t r a c t t h en a v i e r s t o k e sa n dc o n t i n u i t ye q u a t i o n sa r es o l v e dt og e tt h ep u r ew a t e r s v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ea n n u l u sb e t w e e nar o t a t i n g p o r o u si n n e rc y l i n d e ra n daf i x e di m p e r m e a b l eo u t e rc y l i n d e r t h ef o r c e se x e r t e d o nap a n i c l ea r ea n a l y z e dt od e s c r i b et h eb e h a v i o ro ft h ep a r t i c l e sd e p o s i t i o na n d t r a n s p o r t a t i o n t h ee f f e c to fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so nt h er o t a t i n gc y l i n d e rf i l t r a t i o n i sp r e s e n t e dt h e o r e t i c a l l y f r o mt h ea n a l y s i s ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d ： 1t h eg r a d i e n to f t h et a n g e n t i a lv e l o c i t yn e a rt h ef i l t e rm e d i ai st h ek e yf a c t o r o ft h er o t a t i n gc y l i n d e rf i l t r a t i o n ，w h i c hc a nb ei n c r e a s e db yi m p r o v i n gt h er o t a r y s p e e da n di n p u tf l o 诚o rb yd e c r e a s i n gt h ea n n u l a rg a p 2 i nt h er o t a t i n gc y l i n d e rd y n a m i cf i l t r a t i o n ，t h em e a ns i z eo ft h ec a k ep a r t i c l e s i sd i f f e r e n ta l o n gt h ec a k e st h i c k n e s s ，w h i c hb e c o m e ss m a l l e ru n d e rh i g h e rr o t a r y s p e e d 3 b e c a u s eo ft h ec y l i n d e r sr o t a t i o n ，t h e r ee x i s t sac e n t r i f u g a lp r e s s u r e ，w h i c h i n c r e a s e sw i t ht h er o t a r ys p e e d ，a n dc a nd e c r e a s e st h ef i l t r a t i o nf o r c e b a s e do nt h ef i l t r a t i o no fp u r ew a t e ra n dc o r u n d u m ，t h ee f f e c to ft h eo p e r a t i n g p a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gr o t a r ys p e e d ，o p e r a t i n gp r e s s u r e ，c o n c e n t r a t i o n ，a n n u l a rg a p ) i st e s t e d ，w h i c hv e r i f i e st h ec o n c l u s i o n so f t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e yw o r d s ：r o t a t i n gc y l i n d e r ，d y n a m i cf i l t r a t i o n , f l o wf i e l d ， p a r t i c l ed e p o s i t i o n 天津大学硕士论文 前言 日u舌 过滤是一种重要的固液分离形式。其广泛应用于化工、医药、石油、轻 工、食品、纺织等领域，在资源开发和环境保护中也发挥着重大作用。 二十世纪4 0 年代出现的动态过滤技术，从根本上改变了传统的过滤机理， 使过滤技术得到了迅速发展。动态过滤是指物料在压力、离心力或其它外力作 用下，与过滤面呈平行剪切流动的过滤过程。动态过滤( d y n a m i cf i l t r a t i o n ) 可 分为传统十字流过滤( g l o s s - f l o wf i l t r a t i o n ) 和机械动态过滤( m e c h a n i c a ld y n a m i c f i l t r a t i o n ) 。传统十字流动态过滤由于流道狭窄，流动阻力大，过滤介质表面 流体的剪切速率较低，一般在5 m s 。以下，低剪切不利于及时带走过滤介质 表面的沉积物，因而不能有效提高过滤速度。机械动态过滤是通过回转部件 使物料与过滤介质间产生很高的相对速度，回转体外周边线速度可达 1 0 2 0 m s 一，在过滤介质表面产生的强烈流体剪切，可有效抑制过滤介质表 面滤饼的形成，从而使过滤速度大幅提高。回转部件可以是旋管或旋叶。与 传统的十字流动态过滤相比，机械动态过滤的过滤速度可提高约一个数量级 【】。 旋管动态过滤是机搬动态过滤的一种。在英国、德国、瑞士等国的染料 厂内，普遍采用这种密闭、连续的过滤机来过滤染料，它可以处理有机合成 染料或颜料、偶氮、葸醌、可嗪染料、荧光增白剂、钛自粉、瓷土、沸石、 电化学加工废物和废水等“j 。旋管过滤在蛋白质的超滤、动物细胞的提取以 及酶制剂的提纯等方面有着明显的优势。国外已有许多学者着手旋管过滤的 研究，但目前国内对此的研究报道极少。 本文在前人研究的基础上，对旋管动态过滤的滤室流场、压力分布、离心 力场下颗粒的沉降与反向迁移进行了分析，并从理论上说明了旋管转速、滤室 环隙、过滤压差、进口流量等操作参数对过滤的作用机理。通过清水和白剐玉 微粉的旋管动态过滤实验，验证了理论分析的基本结论。 天津大学硕士论文第一章文献综述 第一章文献综述 过滤是种重要的固液分离手段，在食品、医药、轻工、生化等行业应 用广泛。动态过滤的出现，改变了过滤的操作方式，使过滤速度显著提高， 并使许多高分散难过滤物系的分离成为可能。已有许多学者对此进行了研究， 并取得了定成果。 1 1 动态过滤及其发展 在传统的死端过滤中，物料垂直于过滤面流动，过滤面为其流动终端， 随着过滤的进行，滤饼层不断增厚，过滤速度逐渐减小，直至过滤操作无法 进行，过滤操作只能是间歇的。动态过滤是指物料在压力、离心力或其它外 力作用下，与过滤面呈平行剪切流动的过滤过程。在剪切作用下，过滤介质 上不积存或只积存少量的滤饼，从而降低了滤饼阻力，使过滤速度大幅提高， 同时动态过滤的过滤速度可相对保持平稳，有利于实现连续操作( 见图1 一 】) 。 竺- ：二二_ 一 - 一磊黼竹一滤液tt ， j f6 滤饼厚度 一过滤速度 tt 传统过滤动态过滤 图l l传统死端过滤与动态过滤的比较 f i g 1 1 c o m p a r i s o n so f c o n v e n t i o n a lf i l t r a t i o na n dd y n a m i cf i l t r a t i o n 1 1 1 强化动态过滤的有关方法 十字流动态过滤最早出现于1 9 4 2 年，并成功地应用于废水的膜过滤中。 为迸一步提高过滤速度，人们在传统十字流过滤的基础上还进行了其它方面 的尝试： 1 物料预处理 常见的预处理方法有：絮凝、凝聚、调整p h 值、加热处理、调节表面张 力、冷冻和融化、超声波和机械振动等。根据物料的特性进行适当的预处理， 2 天津大学硕士论文 第一章文献综述 可以显著改善物料的过滤性能，达到事半功倍的效果。 2 过滤介质的预处理 通过对过滤介质表面进行化学改性和表面活性剂改性处理，可减少过滤 介质对固体小颗粒的吸附。在过滤介质表面预涂助滤剂可改善滤饼结构、降 低过滤阻力、防止过滤介质堵塞、提高过滤速度。 3 运用附加力增加过滤效果 近年来，运用附加力增强过滤效果愈来愈引起人们的重视。附加磁场的 方法己作为一种简便、可行的方法被广泛采纳。钟富优d 1 、刘姝红1 对附 加电场下的十字流膜过滤进行了研究，实验表明：附加电场的存在大大降低 了沉积层和浓差极化层的阻力。将电场与十字流技术结合起来，以增强过滤 效果是一种很有前景的过滤技术。w a k e m a n 1 采用电场和超声波场来辅助过 滤。认为单独施加电场和声场都可以降低物质沉积所造成的阻力。 4 流体力学方法 传统的方法是减小流道间隙、提高主体流速、增大剪切作用，从而达到 提高过滤速度的目的。通过改变流体流速的大小或方向，产生不稳定流动， 可以减小过滤阻力、强化传质、提高过滤速度。近年来，国内外学者在这方 面作了大量工作。姜涛6 1 对施加脉动流和附加湍流器这两种促成不稳定流动 的方法进行了研究，结果表明：适当组合的复合湍动方式可以较好地促进膜 蕊与主体流的对流传质，并减小膜面的沉积阻力。b r e u s t e r e t a 【7 1 采用了使流 体在螺旋半管旋转流动的方式来产生不稳定流动，当流速超过一个临界值时， 就会产生d e a n 旋涡，这种旋涡的出现可以有效地抑制沉积层的形成，使过 滤速度显著提高。 5 机械方法 振动过滤组件或加强搅拌的方法可以增加过滤介质表面的流体剪切，从 而达到限制颗粒沉积、提高过滤速度的目的。在滤室内增加回转部件就属于 这类，回转部件的高速旋转，使物料与过滤介质间产生很高的相对速度， 回转体外周边线速度可达1 0 2 0 m s ，在过滤介质表面产生的强烈流体剪切， 可有效抑制过滤介质表面滤饼层的形成，从而使过滤速度锝以提高，回转部 件可以是旋管或旋叶。与传统的十字流动态过滤相比，机械动态过滤的过滤 速度可提高约一个数量级。旋管压滤机主要由旋转的内筒( 称为旋管) 和静 止的外简构成。1 9 7 9 年，瑞士的e s c h e rw y s s 公司n ，制作了内外筒上均带过 滤介质的旋管压滤机；八十年代以后，k h k r o n e r l 9 1 将旋管过滤技术用于生 物过程；同本的t m u r a s e 【i o l i l 2 1 用圆筒形陶瓷膜作为旋管，对其微滤性 能进行了一系列研究；u b h o l e s c h o v s k y 【l 则在旋管动态过滤装置中对蛋白 质的超滤性能进行了探讨。 八十年代以来，国外的a l e xb a g d a s a r i o n 、自户纹平等就旋叶压滤机的性 能1 ：展了一系列工作”。国内学者对此也做了大量探索5 卜i2 1 】，不仅对其 过滤、增浓、洗涤、清沈与再生、滤室流场进行了研究，还对其在食品发酵 i 、和酶解反应中的产物分离进行了探讨。这些研究表明：滤室内回转部件 天津大学硕士论文 第一章文献综述 的旋转，可大大减小过滤阻力、提高过滤速度；用于酶解反应过程，既强化 了传质过程，又减轻了产物对反应物的抑制作用。 1 1 2 旋管过滤研究概况 旋管的高速旋转使过滤介质表面产生很强的流体剪切，可以有效抑制固 体颗粒的沉积、减小过滤阻力、提高过滤速度。在一定的转速范围内，滤室 内可以产生泰勒旋涡( t a y l o rv o r t e x ) 。在旋管过滤中流体的剪切速度主要由 旋管旋转产生，受主体流速影响较小，可在低主体流速下实现较高的剪切速 度梯度，同时减小了压力降和进料泵的负荷，与旋叶动态过滤相比，旋管过 滤流场较为均匀，更适于对机械剪切敏感的生化物系分离。 早在1 9 3 0 年，m o r t o n 【2 2 1 就设想了一种过滤装置的结构形式，并申请了 号利，其基本结构是在一圆筒形容器中装一圆柱形的转子，滤液穿过转子上 的过滤介质流出，物料被增浓后由浓浆口排出。k a s p e r 2 1 1 ( 1 9 6 4 年) 将这一 过滤原理进一步完善，在英国申请的专利中，包括了所有可能的结构，并正 式提出动态过滤的概念。美国的j r i z a r r ym m 等2 1 ( 1 9 7 1 年) 开发出的旋 管压滤机，主要由静止的外筒和带过滤介质的旋管构成。s u l z e r 公司对旋管 压滤机进行了工业推广应用，并于1 9 8 6 年推出了过滤面积为2 m 2 的旋管压滤 机2 ”。在旋管压滤机中，静止外筒和旋管上均可装过滤介质，j l i e b e r h e r r 【2 6 j 的研究表明：旋管上的过滤速度大约是外筒的两倍。g b e a u d o i n 2 ”用旋管 过滤装置从血浆中提取红细胞，为防止红细胞破碎，在旋管内装一电磁启动 系统，这种装置减少了一个动密封。 1 2 滤室内流体流动的研究 在旋管过滤中，流体从两筒问的环隙流过，旋管和外筒上都可以装过滤 介质，具有渗流作用。学者们对滤室内流体流动的研究主要是针对流体的流 动状态和离心压差。 1 2 1 滤室内流体流动分析 当两同心圆筒都不可渗透时，假设：l 、两圆筒足够长，可忽略两端的影 响：2 、流体的轴向流速为零：3 、流速在径向无分量；4 、旋管旋转时，流体 处于层流状态：5 、流体为牛顿流体。求解连续性方程和运动方程，得到滤室 环隙内任意半径r 处周向速度的解析解： ：婺萼三一姜乓，(1-11,)0 2 万葛了一府7 式中：u 一流体周向速度m s ； ( ) 一旋管角速度s ： r 一旋管外半径 m ； r ，一外筒内半径 m 。 乒在1 9 2 3 年，g i t a y l o r i2 8 1 在r a y l e i g h 、c o t t e 、r e y n o l d s 等人研究的基 础f ，对环隙内牛顿流体的流体力学特性进行了深入地研究。g i t a y l o r 首次 鲞壅查兰堡主丝塞丝= 兰塞壁垒i 兰一 发现：当旋管转速超过某一值时，就会出现不稳定流动，并用拍照的方式汜 录下了流体的流动情况。当环隙内流体超过稳定流动界限后，就会形成完整 的三维旋涡，称其为泰勒旋涡( 见图l 一2 ) 并引入泰勒准数t a ，其定义式为： n = 型vv f 二r , + l r 2 1 2 式中：d _ 环隙宽度，d = r 2 - r ，m ：u 一运动粘度 m _ s 。 图l 一2 泰勒旋涡示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cv i e wo f t a y l o rv o r t e xf l o w 当d r 时，泰勒准数t a 可表示为： 而= 警层( 1 - - 2 a ) 当t a 4 1 3 时，流体处于层流状态，其速度可用式( 1 1 ) 来表示； 4 1 3 一r e 。 ( 1 1 4 ) ( 1 一l5 ) ( i 1 6 b ) r e 。= 4 1 2 ( d r i ) - 0 5 + 2 7 2 ( d r 1 ) o5 + 2 8 ( d r ) 1 5 ( 1 一1 7 ) 式中：r e c _ 一临界雷诺准数。 t m u r a s e 指出，影响j ，的参数有：角速度、d r 。、浓度c 、操作压差 p 以及过滤介质的平均孔径d 。等。t , m u r a s e 的研究将传统的过滤阻力模型应 用到旋管过滤中，找出了影响过滤速度的因素，但其对于j 的计算完全从实 验数据回归得到，还不能从理论上给予适当描述。 一8 一 奎鎏查兰塑圭丝奎 一丝二塞墨兰篁! ! 茎一 j i nr o n gp a r k 1 认为旋管过滤中的滤饼阻力同换热器中的热阻相类似， 单位过滤面积上的滤饼质量m c 可以表示为： 掣：m 旷m 。 d t m “= k l j c + k 2 c r 。 m 。= e f ：j 式中：m c 厂一滤饼沉积速率 m 。r 滤饼移走速率 i 、t 、毛一系数： k g m 。2 s k g m 一2 s 8 一滤饼厚度m ；h 一指数。 ( 1 一l8 ) ( 1 一1 9 ) ( 1 2 0 ) m 。与滤饼阻力之间存在下列关系： m c = p c 6 = t 彤 ( 1 _ 2 1 ) 式中：pc 一滤饼密度k g m 一；t 。一系数； 群一包含粘度项的滤饼阻力p a 。s 。m 一。 假定过滤阻力仅包括滤饼阻力和介质阻力， 模型方程变为： 肚 j = 一 ( 聪+ 彤) 将粘度归到阻力中，则阻力 ( 1 2 2 ) 式中：聪一包含粘度项的过滤介质阻力p a s m 。 将式( 1 2 1 ) 和( 1 2 2 ) 带入式( 1 1 8 ) 得： 堡d t = 七一瓦a p + c 群+ k ：c _ _ h f(1-23) 式中：k i 、k 2 、k 3 一系数。 初始状态时： 警 ，毛等+ 如若 稳定状态时： d r ：o d t 式中：砭一包含粘度项的稳态滤饼阻力p a s m 。 一9 一 ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) 盔生查兰堡主笙苎 量= 耋苎壁耋! i 茎一 j i nr o n gp a r k 的模型可以分别求出初始状态和稳定状态的滤饼阻力，但 其中的系数k ，、k ：、k 3 依赖于实验。另外，在实际过滤中过滤速度达到稳态 后，仍有缓慢衰减。 1 3 2 浓差极化模型 在微滤和超滤过程中，过滤介质附近的物料浓度高于主体流浓度，形成 浓差极化( 见图l 一3 ) 。这个与过滤渗透方向相反的浓度梯度推动被截留物 质向反向扩散，最终达到与颗粒向介质表面的对流传递相平衡，因此有传质 方程： 图l 一3 浓差极化示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n 1 滤液2 过滤介质3 沉积层4 浓差极化层5 主流体 考虑边界条件：x = 0 ，c = c ，：x = 6o ，c = c b 解方程( 1 2 6 ) 得： ，= 胁i ( 雨c , - c p ( 1 - - 2 7 ) 式中：d 一扩散传质系数m 2 s ：k 一传质系数，k = d 6 。m s ； 6 。广浓度边界层厚度m ：c b 一主体流物料浓度k g m ； c i _ 沉积层浓度k g m 一；c 。一滤液的浓度k g m 。 当颗粒完全被截留或滤液的浓度与主体流浓度相比小得多而可以忽略 时，c 。= o ，此时式( 1 2 7 ) 变为： l i l f 导1 ( 咄) 由式( 1 2 8 ) 可以看出，提高传质系数k ，就可以提高过滤速度，传质 系数k 与流动条件和物料特性有关，计算传质系数k 的通用形式是： 一1 0 一 弱一 0 1 = 丝舻 d一 丝出 ， n 查鎏奎兰堡主丝苎 墨二兰苎坚釜鎏 鼢：口r e “s c 。 ( 1 2 9 ) 式中：s h 一舍伍德准数： r e 一雷诺准数；s c 一施密特准数： a 一系数：m 、l 一指数。 u b h o l e s c h o v s k y 【”1 在旋管过滤装置中，对传质系数k 进行因次分析和 测定，他认为k 与以下因素有关：运动粘度u 、扩散系数d 、旋管角速度u 、 轴向速度v ：、旋管半径r ，、水力直径d h ，其中d , = 2 d ，并提出： 七= a 黜? ( 甜e ：( i - - 3 0 ) 式中：a 一系数：r e ，一周向雷诺数，r e = d h u 。v ；a 、b 、c 、e 一指数。 与周向速度相比，轴向速度小得多而可以忽略，因此e = 0 ，经实验回归得： 朋( 詈 衅( 玎2 舻3 ( 1 - - 3 1 ) 将泰勒准数引入式( 1 3 1 ) 得： 2 j 旦k 。s f 生r 妒， ( 1 - - 3 2 ) i d jl r ij 式( 1 3 0 ) 、( 1 3 1 ) 、( 1 3 2 ) 的适用范围： 2 5 r e 2 0 0 ；0 0 4 d r l o 1 4 8 ：6 8 t a 9 7 4 0 ；6 8 0 r e t 5 0 6 0 0 。 浓差极化模型引入了沉积层浓度，对于无机物料无浓差极化现象，因此 该模型适用于大分子有机物料，而不适用于无机物料。它较好地说明了大分 子物质( 如乳清、蛋白质) 的过滤速度与传质系数和极化度( c 。c 。) 的关系， 但它还存在一些缺陷：1 、式中没有直接体现出过滤压差的影响：2 、模型没 有体现出过滤介质对过滤速度的影响，而将其引入到传质系数中：3 、沉积层 浓度c 。难以测量；4 、传质系数k 的计算只能依靠各种经验公式，而各个公 式的适用条件也不相同，目前还不能从理论上精确推导出传质系数k 的计算 公式。 1 3 3 颗粒的沉积机理 在旋管过滤中，沉积层表面的颗粒在径向主要受两个力的作用：沉积力 和离心力。沉积力f p 是由流体的渗流作用产生的，其计算公式为： b = 6 掣加( 1 3 3 ) 式中：p 一流体粘度p a s ；由一颗粒半径m ： u 一流体相对于颗粒的流速1 1 1 s 。 忽略滤饼厚度，离心力f ，可表示为： 4 c = 聊3 ( 店一p ) 0 2 墨( 1 3 4 ) 盔鎏查兰堡主丝苎三2 生二苎坚! 童i ! 一 式中：p _ 颗粒密度 k g m 。 m e l o j t 1 认为沉积在滤饼表面颗粒受到多个力和力矩的作用，除了离 心力和沉积力以外，还包括：剪切诱导力、粘性力、惯性力、切向推移力矩 等。 1 4 旋管过滤的应用前景 目前，国外学者对旋管过滤的应用研究作了一些工作，但多处于实验研 究阶段，主要分为以下几个方面： 1 染料的过滤 在英国、德国、瑞士等国的染料厂内，已经普遍采用这种连续、密闭的 压滤机来分离溶剂中的染料。w t o b t e r 1 在0 5 m 2 样机和1 6 m 2 工业用旋管 压滤机中用黄颜料悬浮液做试验，进料浓度1 0 ，出料浓度大于2 0 ，其过 滤能力为4 0 0 k g m 2 h 。1 9 8 4 年5 月，我国第一台旋管压滤机试车成功1 3 6 1 以阳离子染料中间体6 一甲氧基2 一氨基苯骈噻唑为物料，悬浮液自4 5 增 浓到1 9 ，生产能力可达8 0 0 k g m 2 h 一，具有较大的应用潜力。但在滤布 的安装与密封上还存在一些问题，有待进一步改进。 2 蛋白质的超滤 在普通超滤过程中，过滤介质表面很容易形成浓差极化层，使过滤阻 力大幅增加，从而大大降低了超滤速度。采用旋管装置可以有效抑制浓差 极化的形成，使超滤速度显著提高，并可以降低由于流体剪切造成的蛋白 质失活。u b h o l e s c h o v s k y m l 在旋管装置上对牛血清蛋自的超滤性能进行 了研究；g e a g a r w a l 3 7 建立了牛血清蛋白与卵清蛋白通过亲水性超滤膜 的旋管过滤模型；m b a l a k r i s h n a n l 3 9 ”等人用旋管过滤分离溶菌酶肌红 蛋白和溶菌酶卵蛋白的模拟混合物料。这些研究表明：在较高转速下，可 以有效抑制浓差极化层的形成，膜的堵塞大大减轻，可以维持较高的过滤 速度。 3 生物过程的应用 旋管过滤的优点是在很低的主体流速下仍能保持较高的过滤速度、降低 流体剪切造成的活性物质失活和破坏。这一点特别适于生物细胞的分离。 表l l 处理生物细胞的实验结果 物料名称 进料浓度出料浓度过滤速度备注 细胞无破损 人体癌细胞 1 x 1 0 6 m l 9 x1 0 6 m l 。 4 5 0 i i l l 2 h 1 保持1 0 0 活性 细胞无破损 混合细胞 0 5x1 0 6 m l - 2 5x1 0 6 r n l - 1 4 5 0 1 m o h 保持1 0 0 活性 细菌细胞 1 5 v ，v 8 9 v | 、 1 6 0 1 1 1 1 - 2 h 1细胞回收 一1 2 天津大学硕士论文 第一章文献综述 w g o l d i n g e r l2 5 1 研究指出用旋管过滤回收或浓缩生物细胞，细胞回收率高、 不易破碎，可以保持细胞1 0 0 的活性。表1 1 给出了其研究的部分实验结 果。k h k r o n e r 在旋管装置上对酶制剂进行了回收，其回收率和过滤速度 均高于传统的十字流过滤，对比数据见表1 2 。 表l 一2 酶制剂回收对比数据 t a b l el 一2c o m p a r i n gd a t ao f e n z y m er e c o v e r y 传统十字流过滤旋管过滤 名称 回收率 过滤速度 回收率 过滤速度 1 m 2 h 11 m 2 h 1 蛋白酶 8 03 39 4 7 0 甲酸脱氢酶 4 01 58 0 6 0 天冬氨酸酶 3 01 57 55 0 旋管过滤在处理一些难过滤物料上有着明显的优势。本文将对旋管动态 过滤的滤室流场、压力分布、颗粒的沉降与反向迁移进行理论分析与实验研 究，为揭示旋管过滤机理、探索其适用场合以及其工业化应用提供理论参考。 旋管压滤机的结构与操作条件优化、旋管压滤机的放大、过滤介质的选 型与安装等将是旋管过滤技术工业化应用之前所必须解决的实际问题。 查鲨当茎堡圭丝塞 丝三塞壅丝丝i ! ： 第二章实验设计 实验是在旋管压滤机实验装置上进行的，通过滤布透水实验和白刚玉微粉 过滤实验，对旋管过滤的过滤机理进行了初步探讨，并对旋管过滤的滤室流 场、压力分布和颗粒的沉降与反向迁移进行了研究，同时分析了操作参数对 旋管过滤的影响。 2 1 实验装置及流程 2 1 1 实验流程 实验流程如图2 一l 所示，物料经螺杆泵5 送入旋管压滤机2 ，过滤浓缩 液经管路系统循环阐料槽7 中，滤液汇入滤液槽3 ，在实验过程中为保持进 料的浓度恒定，滤液也回流至料槽内。为消除旋管与物料的摩擦升温，保持 进料温度恒定，在进口管路上装有套管换热器4 ，冷却水流量由阀v ：来控制； 物料流量由调速电机6 控制螺杆泵转速来实现；通过调节阀v 。来改变操作压 差：旋管压滤机的主轴转速由调速电机1 来控制。 图2 一l旋管过滤实验流程图 f i g 2 一ld i a g r a mo fr o t a t i n gc y l i n d e rf i l t r a t i o ne x p e r i m e n t 1 电磁调速电机2 旋管压滤机3 滤液槽4 套管换热器 5 螺杆泵6 电磁调速电机7 料槽v ，出口阀v 2 进水阀 2 1 2 主要实验设备 实验的关键设备是旋管动态压滤机，其基本结构见图2 - - 2 。旋管压滤机 主要由旋管、外筒体、密封装置和传动装置构成，在旋管的外壁上装有过滤 介质。物料从上部流入压滤机并进入狭窄的环状滤室，此环隙很小，一般只 有几毫米。传动装置带动旋管高速旋转，在过滤介质表面产生流体剪切，可 有效抑制固相物在过滤介质表面的沉积，使过滤介质表面不积存或只积存少 一1 4 _ 荔一、 瀚逢 垄鎏叁兰堡笙塞 篁= ：兰塞丝丝生 量滤饼，从而大大提高了过滤速度。随着液体不断被滤出，物料沿旋管爪滤 机轴向浓度逐渐增大，最后，滤液与浓缩液沿各自流道排出。滤室环隙可通 过安装衬筒来调整。旋管压滤机的主要结构尺寸及性能指标见表2 1 。 图2 2 旋管压滤机结构简图 f i g 2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fr o t a t i n gc y l i n d e rf i l t e r 1 法兰2 机械密封3 衬筒4 旋管5 过滤介质6 外简体 7 填料密封a 物料进口b 浓缩液出口c 滤液出口 表2 一l旋管压滤机主要结构尺寸及性能指标 t a b l e2 1 m a i np a r a m e t e r so f t h er o t a t i n gf i l t e r 名称旋管直径旋管转速旋管长度过滤面积 指标8 l m m 0 8 0 0 r m i n 11 8 0 r a m0 0 3 5 m 2 其它实验设备还有： ( 1 ) y c t l 3 2 4 a 型电磁调速电机：额定转矩7 1 n - m ，转速范围 1 2 5 1 2 3 0 r m i n 一。 ( 2 ) y 9 0 s 一4 型三相异步电动机：功率1 i k w ，转速1 4 0 0 r m i n 一。 ( 3 ) g s 3 0 2 a 型螺杆泵：功率0 3 4 k w ，额定转速9 7 0 r r a i n 一，流量 0 4 m 3 h 一，工作压力0 4 m p a 。 2 2 实验物料与过滤介质 实验物料为去离子水和白刚玉微粉，白刚玉微粉的密度为3 9 1 0 3 k g m 一， 图2 3 电镜照片给出了自刚玉微粉的颗粒形状，并由此得出其投影圆的当量 直径，最大为1 7 1 3um ，最小为o 6 2um ，平均粒径为3 2 5um 。用m a s t e r s i z e r ： ， l o ， 奎丝查兰堡主丝兰丝三兰壅丝丝兰! 一 si o n gb e dv e r 2 18 粒度分析仪测定颗粒的表面积体积平均粒径为5 6 4 “m ， 粒度分布见图2 4 。 过滤介质采用涤纶6 2 1 ，其平均鼓泡孔径为8 5 4 9 um ，编织结构为平纹。 图2 3白刚玉微粉电镜照片 f i g 2 3 p h o t oo fc o r u n d u mp a r t i c l e s t a k e nw i t he l e c t r o ns c a n n i n gm i c r o s c o p e 1 0 11 01 0 0 颗粒直径u m 图2 4白刚玉微粉的粒度分布曲线 f i g 2 4 s c a t t e rd i a g r a mo f c o r u n d u mg r a n u l a r i t y 2 3 实验内容及方法 2 3 1 实验内容 实验研究内容如下： 1 白刚玉微粉的旋管动态过滤正交实验分析。 2 离心力场下过滤介质的透水实验及其过滤压差实验分析。 3 以自刚玉微粉为物料，从颗粒的沉积机理分析旋管转速对滤饼比阻、 过滤阻力、过滤速度及其衰减的影响。 4 以自刚玉微粉为物料，考察不同操作压差、物料浓度下过滤速度的变 化规律，分析操作压差、物料浓度对过滤阻力的影响。 5 滤室环隙对旋管过滤影响的实验分析。 2 3 2 实验方法 1 透水实验 将去离子水加入料槽，开启进料泵，依次调节主体流量、旋管转速和操 作压差达到实验要求并开始计时，隔时测取其透水通量，利用初始的透水速 度可求出滤布初始的介质阻力。每次实验时间为4 0 分钟，实验完毕后，拆机 换装新滤布以备下次实验使用。 2 白剐玉微粉实验 一1 6 一 ，o，l，1，f1o 8 6 4 2 0 查生盔兰堡主笙苎 篁：兰窒竺坠竺 将预先配好的白刚玉物料加入料槽，开启进料泵，依次调节主体流量、旋 管转速和操作压差达到实验要求并开始计时，隔时测取其过滤速度。为保证 实验过程中料液浓度的恒定，将滤液和浓缩液引回料槽。 实验进行6 0 分钟，测取过滤速度随时问的变化关系。通常，过滤进行2 0 - 3 0 分钟时，会出现一转折点，从该点开始，过滤速度的衰减趋于平缓，接近于 线性，过滤速度达到相对稳定阶段。在实验中取该转折点的过滤速度为该工 况下的稳态过滤速度j ，求取其过滤总阻力。 拆开机器，除去滤布表面的滤饼层，重新装好机器后。用去离子水将管路 清洗干净。进行1 0 分钟的透水实验，测其初始透水速度j ：，求出过滤介质工 作阻力。实验完毕后，拆机装换新滤布以备下次实验使用。 在本实验中，认为过滤阻力由滤饼阻力和介质工作阻力两部分组成。即： r ，= r 。+ r 。， 因此，对阻力模型公式( 1 9 ) 变形得 耻2 盖j l 牡f 同理可得： ( 2 1 ) ( 2 2 ) r ，竺 ( 2 3 ) a j 2 利用式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可分别求r 、k 。，将r 、r 。的值带入式( 2 1 ) 可求出r 。的值。 2 3 3 实验参数舅量与仪器 操作压差：压力表，精度2 5 级，量程0 - 0 6 m p a ，名义分度o 0 2 m p a 。 旋管转速：j d la 一4 0 型电磁调速电机控制器，最小刻度5 0 r r a i n l ；用 d t - _ 6 2 3 4 型光电式转速表校正，误差为1 0 r m i n 。 物料浓度： 物料温度： 主体流量： 滤液流速： 物料粒度： 物料粘度： t g 一3 2 8 型分析天平，分度值0 1 m g ，最大量程2 0 0 9 ：红外 烤灯。 精密水银温度计，量程2 0 4 0 ，名义分度0 1 。 量筒，量程0 - - 5 0 0 m l ；电子