（化工过程机械专业论文）旋转剪切流强化微滤膜器的性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 过滤通量随过程的进行而迅速减小是微滤应用中的难题，其原因主要是膜污染和浓 差极化。目前，工业中常用的过滤强化方法有膜面改性、外加电场及超声场等，虽然效 果明显，但往往结构复杂，能耗较高。旋转剪切流强化微滤膜器是水力旋流器与管式微 滤膜器的完美结合，它既可以有效的解决上述难题，还具有结构简单，能耗小等优点， 在工程领域具有广阔的应用前景。 本文设计了一套利用旋流发生器产生流体旋转的旋转剪切流强化微滤膜器实验系 统，从实验研究、理论计算及数值模拟三个方面对其性能进行了全面的研究。 在实验方面，分析了悬浮液浓度、入口和出口压力等操作参数以及叶片个数和旋流 发生器级数等结构参数对过滤通量的影响。悬浮液浓度越高，过滤通量的衰减速度越快， 稳态过滤通量越小。入口压力升高可以提高稳态过滤通量，但存在一个最佳值，超过此 值时过滤通量反而减小。出口压力的提高，可小幅提高过滤通量。减少叶片个数和增加 级数均可以提高旋转剪切流微滤膜器的过滤通量。与普通管式错流微滤膜器进行了对比 分析，验证了旋转剪切流强化微滤膜器具有更高的过滤性能。 在理论方面，首先利用因次分析法建立了稳态过滤通量的经验模型，将影响过滤通 量的因素归纳成膜器的进口雷诺数和欧拉数等重要的无因次数群，推导出了具体经验公 式，为膜器的放大设计奠定了基础；其次建立了过滤通量的动态衰减经验模型，它是一 个幂函数模型，综合了进出口压力及悬浮液浓度的影响，较准确地描述了过滤通量随时 间变化的实际过程。 在数值模拟方面，利用流体力学分析软件，首次在旋转剪切流强化微滤膜器的c f d 模拟中引入了多孔介质模型，较好的描述了过滤介质内部的传质过程及阻力损失。通过 对膜器环隙内及过滤介质内部流场的数值模拟，对旋转剪切流强化微滤膜器的过滤机理 进行了较为全面的研究。 通过上述研究工作可知，这种旋转剪切流强化微滤膜器具有较高的过滤强化性能， 并且入口流场均匀，剪切速率高、跨膜压差小、结构简单、能耗小，因此具有非常重大 的工程应用价值。 关键词：过滤强化；旋转剪切流；固液分离 旋转剪切流强化微滤膜器的性能研究 p e r f o r m a n c er e s e a r c ho f m i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n es e p a r a t o rw i 廿l r o t a t i o n a lf l o w a b s t r a c t t h et o u g h e s tp r o b l e mo fm i c r o - f i l t r a t i o na p p l i c a t i o ni st h a tf i l t r a t i o nf l u xd e c r e a s e ss h a r p l y w i t ht i m e 。w h i c hi sc a u s e db ym e m b r a n ec o n t a m i n a t i o na n dc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n a t p r e s e n t ，al o to fi m p r o v e m e n t s ，s u c h 舔m o d i f y i n gm e m b r a n em a t e r i a l ，a d d i n ga ne l e c t r i co r s o n i cf i l e d , h a v eb e e nt n a d et oa l h a n c ef i l t r a t i o na n dp r o v e de f f e c t i v e l yi np r a c t i c e , b u t l i m i t e di na p p l i c a t i o nb e c a u s eo ft h eh i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dc o m p l e xs 1 瞳u c t i 鹏 h o w e v e r , t h ea b o v ep r o b l e mc a l lb es o l v e db yu s i n gr o t a t i o n a lf l o wi su s e dt oe r l h a n c e f i l t r a t i o ni nm e m b r a n es e p a r a _ c o r an e ws e p a r a t o rw h i c hc o m b i n e sw i t ht h eh y d r o - c y c l o n e a n d 也et u b u l a rm i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n es e p a r a t o ri sd e s i g n e dw i t hs o m ea d v a n t a g e ss u c ha s s i m p l es t r u c t u r ea n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n dh a saw i d e l ya v p l i e df o r e g r o u n d as e to f e x p e r i m e n t a ls y s t e mo f m i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n es e p a r a t o rc o m b m e dw i t hv o r t e x g e n e r a t o r si sb u i l ti nt h i ss t u d y , a n das e r i e so fe x p e r i m e n t s ，t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n d s i m u l a t i o n sa r ec o n d u c t e d a st oe x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h ei n f l u e n c eo f o p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha sc o n c e n t r a t i o no f s u s p e n s i o n , i n l e ta n do u t l e tp r e s s u r ea n ds l n m t u r ep a r a m e t e r ss u c ha st h eb l a d en u m b e ro f v o r t e xg e n e r a t o ra n dt h en u m b e ro fv o r t e xg e n e r a t o r so nt h ef i l t r a t i o nf l u x t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t ss h o wt h a tw i t ht h ei n h e r eo f c o n c e n t r a t i o n , f i l t r a t i o nf l u xd e c r e a s e ss h a r p l ya n d s t a t i cf i l t r a t i o nf l u xd e c r e a s e s ；t h ei n c r e a s eo ft h ei n l e tp r e s s u r eu n d e ra no p t i m u mv a l u ec a n f f f l h a n c cs t a t i cf i l t r a t i o nf l u x ，b u ti f i te x c d st h i sv a l u e ，t h ef i l t r a t i o nf l u xw i l ld e c r e a s e ；t h e i n c r e a s eo ft h eo u t l e tp r e s s u r ec a na l s oe n h a n c es t a t i cf i l t r a t i o nf l u x ，b u tt h ee f f e c ti sl e s s r e m a r k a b l e i ti sf o u n dt h a tt h er o t a t i o n a lf l o wc a nb ee n h a n c e da n df i l t r a t i o nf l u xc a l lb e r a i s e db y d e c r e a s i n gt h en u m b e ro f b l a d e so ri n c r e a s i n gt h en u m b e ro fv o r t e xg e n e r a t o r s n 坞 r e s u l t sv e r i f yt h a tm i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n ew i t hr o t a t i o n a lf l o wh a sag r e a t e rf i l t r a t i o n p e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t ht u b u l a rm i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n es e p a r a t o rw i t hc r o s s f l o w a st ot h e o r ya n a l y s i s ，t w om a t h e m a t i c a lm o d e l so ff i l t r a t i o nf l u x ，a ne m p i r i c a le q u a t i o nf o r s t a t i c f i l t r a t i o nf l u x ，a n da ne m p i r i c a le q u a t i o nf o rd y n a m i cf i l t r a t i o nf l u x ，a x ep r e s e n t e da n d v e r i f i e db ye x p e r i m a n t a ld a t ar e s p e c t i v e l y i nt h ef o r m e r , i n f l u e n c ef a c t o r sa r es u m m e du p i n t os o m ei m p o r t a n td i m e n s i o n l e s sn u m b e r sl i k er a n de ut oo b t a i naf e a s i b l ef o r m u l at h a t p r o 、d d e sb a s i sf o rs c a l e - u po ft h em o d u l e 1 kl a t t e rw h i c hi sap o w e rf u n c t i o ne q u a t i o n , b a s e d0 1 1t h ep r e v i o u ss t u d y , c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fc o n c e n t r a t i o no fs u s p e n s i o n , i n l c t 大连理工大学硕士学位论文 a n do u t l e tp r e s s u r e ，d e s c r i b e st h er e a lv a r i a t i o no ff i l t r a t i o nf l u xw i t ht i m ea n df i t st h e e x p e r i m e n t a ld a t aw e l l a st os i m u l a t i o n , u s i n gc f ds o t t w a r e - f 1 u e n t ，t h es i m u l a t i o no f m i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n e s e p a r a t o rw i mv o r t e xg e n e r a t o ri sp r e s e n t e di nt h i ss t u d y , i nw h i c hap o r o u sm e d i u mi s i n t r o d u c e df o rt h ef i r s tt i m ew h i c hc a nd e s c r i b e sm a s st r a n s f e rp r o c e s sa n dr e s i s t a n c e1 0 5 8i n f i l t e rm e d i u ma c c u r a t e l y b a s e do nt h es i m u l a t i o no ff l u i df i e l di nt h eg a pb e t w e e nm e m b r a n e s e p a r a t o ra n df i l t e rm e d i u m ，a l lo v e r a l ls t u d y i sc a r r i e do i l t h er e s u l t so fa b o v es t u d yd e m o n s t r a t et h a tam i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n es e p a r a t o rw i t h v o r t e xg e n e r a t o rm i g h th a sg r e a tp r a c t i c a le n g i n e e r i n gv a l u ef o ri t sr e m a r k a b l ea d v a n t a g e s s u c ha sh o m o g e n e o u si n l e tf l u i df i e l d ，h i g h e rs h e a rr a t e , l o w e rp r e s s u r e - d r o pt h r o u g h m e m b r a n ea n d h i g h e re n h a n c e m e n tp e r f o r m a n c ei nf i l t r a t i o n k e yw o r d s ：e n h a n c e m e n to f f i l t r a t i o n ：r o t a t i o n a lf l o w ：s o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o n - i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盈! 塾 日期：筮吃么：到 i 呻 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名蕉坠 导师签名：二铅 _ 皇止 五盥2 年月型日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 膜分离技术 近3 0 多年来，膜分离作为一种新兴的高效的分离、浓缩、提纯及净化技术，发展 极为迅速，已得到了广泛应用，形成了独特的新兴高科技产业。经过不断的发展，膜技 术已成为高效节能的单元操作，对相关产业的发展起到了很大的推动作用。 膜分离技术与传统的分离过程相比，具有无相变、设备简单、操作容易、能耗低和 对所处理物料无污染等优点。许多已经成熟的和不断研发出来的技术，如反渗透、超滤、 微滤、纳滤、电渗析、渗析、气体分离、渗透汽化、无机膜、膜反应及控制释放等，在 化工、电子、医药、食品加工、气体分离和生物工程等各行业的广泛应用，产生了很大 的经济效益和社会效益【”。 1 2 微滤技术 微滤也称微孔过滤，是以压力为推动力，服从筛分原理的分离过程。在一定压力作 用下，当含有高分子溶质( 或粗的固体颗粒) 和低分子溶质( 或细的固体颗粒) 的混合 液流过膜表面时，大部分溶剂( 或液体) 和小于膜孔的低分子溶质( 或细的颗粒) 透过 膜，成为渗透液，另一部分则被截留成为浓缩液。但在实际过滤过程中，过滤通量并不 会随驱动力的增大而线性增大，而是存在一个稳态值。此外过滤通量与溶液( 或悬浮液) 的浓度( 曲、传质系数怖) 等也有一定关系，如图1 1 所示。微滤与其他压力驱动的膜分 离过程，诸如超滤、纳滤和反渗透相比，由于滤膜的孔径大小不同而在分离颗粒的大小 上有所差异，微滤膜孔径为o i 1 0l lm 【2 】，其余的则依次减小。由于微滤膜孔径较大， 膜的传质阻力相对较小，被截留的颗粒也相对较大，因此过滤过程更容易受流体流动条 件的影响，其在工业上的应用也不尽相同。医药工业的除菌过滤是目前微滤的最主要的 应用领域；在食品工业中，由于需要杀灭的微生物直径大多包括在微孔过滤的范围内， 在许多啤酒厂、饮料厂可代替传统的巴氏灭菌，在明胶的澄清、葡萄糖的澄清、果汁的 澄清等工艺中也有较为广泛的应用口】；微滤技术在工业废水的处理、城市污水的处理、 饮用水的生产等方面也有较好的应用前景；随着生物工程技术的发展，微滤在该领域的 应用将进一步扩大。 旋转剪切流强化微滤膜器的性能研究 j p 图1 1 不同浓度和传质系数下通量随压力的变化 f i g 1 1r e l a t i o n s h i p s o f ja n d 卸a c c o r d h l g t o d i f f e r e n t “a n d 屯 1 3 微孔滤膜 1 3 1 微孔滤膜的简介 一般来说，微孔滤膜( m i c r o - p o r o u sf i l t e rm e m b r a n e ) 是指一种孔径为0 1 1 0 1 u n ，厚度 均匀，具有筛分过滤作用的多孔固体连续介质。 微孔滤膜可用不同方法制备。由于微孔滤膜主要是通过筛分原理进行分离的，因此 膜的微孔结构影响着膜的分离效率和分离水平。例如，烧结膜的结构主要取决于粉末的 堆积机构，核径迹刻蚀的膜为圆管状贯穿结构，拉伸膜的结构是被拉开的片晶之间的贯 穿空隙，而相转化膜的结构取决于相分离形成的网络形态及非对称性。 微孔滤膜所用材料可以是有机的( 聚合物) 或无机的( 陶瓷、金属、玻璃) 。合成 聚合物膜可以分成两大类，即疏水类和亲水类。陶瓷膜主要有两种材料，氧化铝( a 1 2 0 3 ) 和氧化锆( z r 0 2 ) 。原则上也可使用如氧化钛( t i 0 2 ) 等其他材料，它们都具有特别良好的机 械性能以及很高的热稳定性和化学稳定性。以下列出一些有机及无机材料： 疏水聚合物膜：聚四氟乙烯( p t f e ，特富龙) 聚偏二氟乙烯( p v d f ) 聚丙烯( p p ) 亲水聚合物膜：纤维素脂 聚碳酸酯( p c ) 聚砜，聚醚砜( p s 聊e s ) 聚酰亚胺，聚醚酰亚胺( p i p e i ) 聚脂防酰胺( p a ) 一2 ，皇_ 大连理工大学硕士学位论文 聚醚醚酮 陶瓷膜： 氧化铝( a 1 2 0 3 ) 氧化锆( z r o d 氧化钛( t i 0 2 ) 碳化硅( s i c ) 另外，玻璃( s i 0 2 ) 碳及各种金属( 不锈钢、钯、钨、银等) 材料也被用来制备微滤 膜。 1 3 2 微孔滤膜的分离机理 微孔滤膜的分离机理是由膜和与过滤对象相关的物理化学特性决定的。微滤膜的截 留机理因其结构上的差异而不尽相同。大体可以分为以下几种：( 如图1 2 所示) 在膜内部的网络中截留 图1 2 微滤膜截留机理示意图 f i g 1 2d i a g r a mo f 厕e c t i o nm e c h a n i s mb ym i c r o f i l w a t i o nm e m b r a n e 旋转剪切流强化微滤膜器的性能研究 ( 1 ) 机械截留作用 机械截留作用是指膜具有截留比其孔径大或与其孔径相当的微粒等杂质的作用， 即筛分作用。 ( 2 ) 物理作用或吸附截留作用 如果过分强调筛分作用，就会得出不符合实际的结论。所以除了要考虑孔径因素之 外，还要考虑其他因素的影响，其中包括吸附和电性能的影响。 ( 3 ) 架桥作用 通过电镜可以观察到，在孔的入口处，微粒因为架桥作用也同样可被截留。 ( 4 ) 网络型模的网络内部截留作用 这种截留是将微粒截留在膜的内部，而不是在膜的表面。 由上可见，对滤膜的截留作用来说，机械作用固然重要，但微粒等杂质与孔壁之间 的相互作用有时较其孔径的大小显得更为重要。 压 降 使用时闻 图1 3 完全表面型及完全深度型过滤的压降与使用时间的关系 f i g i 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r e - d r o pa n dw o r k i n gt i m eo f c o m p l e t e l y5 u r f a c 4 ：f i l t r a t i o na r i d c o m p l e t e l yd e p t hf i l t r a t i o n 漉 遗 使用时问 图1 4 完全表面璎及完全深度璎过滤的流速与使用时间的关系 f i g 1 4r e l a t i o n s h i pb e t v v if l o wv e l o c i t ya n dw o r k i n gt i m eo f c o m p l e t e l ys u r f a c ef i l t r a t i o na n d c o m p l e t e l yd e p n if i l t r a t i o n 4 一 大连理工大学硕士学位论文 对于表面层截留( 表面型) 而言，其过程接近于绝对过滤，易清洗，但杂质捕捉量 相对于深度型较少；而对于膜内部截留( 深度型) 而言，其( 深度型) 过程接近于公称 值过滤，杂质捕捉量较多，但不易清洗，多属于用毕废弃型。完全表面型及完全深度型 过滤的压降、流速与使用时间的关系见图1 3 、图1 4 。 1 3 3 微孔滤膜的处理范围及性能指标 微滤膜主要以筛分作用全面截流比膜孔大的粒子、孔径均匀、过滤精度高、通量大、 厚度薄、吸附量小、无介质脱落以及颗粒容纳量小、易堵塞等特性而区别于深层过滤介 质如硅藻土、沙、无纺布。相对于孔径更小的超滤来说，微滤则主要用来从气相或液相 中分离大的胶状颗粒或悬浮的微粒、浓缩细菌系统、消毒溶剂及分析环境介质中的微生 物的污染，也可用来提高燃料、油和其他液体的介质的纯度 4 1 ，从而达到净化、分离和 浓缩的目的。 对微滤膜本身的性能评价包含有微孔的结构、孔径、孔隙率、透气率、耐热性能和 耐湿性能等六个指标。微滤膜的孔径一般在o 1 1 0 岫之间，按微孔的形态可以分为弯 曲孔膜和柱状孔膜两种。弯曲孔膜一般是通过相转化法、拉伸法( 相分离) 、溶胶一凝 胶法或烧结法制得，其孔隙率一般达到3 5 , - , 9 0 ，柱状孔膜通常通过核经迹蚀刻法由聚 碳酸酯或聚酯等薄膜材料制得，或用阳极氧化法由金属薄片( 如铝箔) 等制得，其孔隙 率一般小于1 0 ，且厚度通常小于1 5 1 m a 。 1 4 过滤强化方法 微滤膜分离过程的阻力主要来源于被截留的溶质或颗粒在膜的表而形成的浓差极 化和滤饼层的阻力及颗粒在膜微孔内的吸附和阻塞，表现为渗透流量随过程的进行而下 降。因此，微滤膜分离过程的强化应从消除或减小浓差极化层和滤饼层、以及防止悬浮 颗粒在膜孔内的吸附与阻塞等方面入手。 1 4 1 附加场或附加装置强化 附加场的方法包括电场、超声场，脉动亚声场等方法。直流电场作用下的横流过滤 是一个多效应的过程。它既有颗粒在电场下的电泳迁移，又有溶剂在电场作用下的电渗 效应，还有横流的剪切效应，这些效应减少了颗粒在膜表面上的沉积和浓差极化作用， 从而提高了过滤速度【5 】o 在流道中或者管内壁设置湍流促进器，增加悬浮液的湍动以限制浓差极化层的形 成。湍流促进器结构形式很多，如圆柱式、变截面式、螺旋式、缠绕式等。赵宗艾1 6 1 、童 金忠【7 1 、张国胜等1 9 分别对其中的一种或三种结构形式进行了研究。实验结果表明， 旋转剪切流强化微滤膜器的性能研究 附加湍流促进器都不同程度地提高了过滤通量，其中缠绕式和螺旋式湍流促进器是较合 理、强化效果较好的结构形式，能耗也较低。 1 4 2 旋转管式强化 1 9 2 3 年，t a y l o r l l 0 1 首次发现两个同心圆筒，内筒旋转而外筒静止，当内筒转速超过某 个临界值时，环隙间的流体就会出现一系列沿轴向排列且相邻方向相反的圆环面涡 ( t a y l o rv o r t i e 髂，如图1 5 ) 。利用这个基本原理，膜管旋转而外壳静止的旋转膜过滤器 应运而生。g o l d i n g e r 1 ，d o l e e e k 1 2 博大批学者通过实验证明旋转膜管式膜器良好的分 离性能。近二十年中，人们对这种膜器的微滤特性和过滤机理进行了深入研究。国外具 有代表性的如美国西北大学应用流体力学实验室的b e l f o r t 1 3 i ，m a l l u b h o l t a 1 4 】等人，他们 在单相流研究的基础上转入多相流情况，证明t a y l o r 涡会以主体流轴向速度沿轴平移， 并且膜器下端料液浓缩，粘度增加，t a y l o r 数减小，t a y l o r 涡有可能消失。深刻揭示流 场的不稳定性。我国四川大学对旋转聚乙烯( p e ) 管式膜分离器的微滤特性作了比较系统 的研究：赵飞蒯1 5 j 在对旋转管式膜器环隙间粒子的受力分析中，认识到由旋转剪切引起 的离心力成为颗粒反向扩散的主要作用力，首次确定出颗粒不在膜面沉积的最小膜管旋 转速度表达式。杨柳【1 6 】在此基础上改进，强调了t a l y o r 涡的重要性，他认为环隙间生成 t a l y o r 涡时，其曳力对颗粒运动作用最大，强大的t a l y o r 涡曳力使大部分颗粒在涡内循 环，少部分粒子扩散到涡外到达膜管表层，膜管表面的浓差极化得到抑制；t a l y o r 涡的 冲刷作用和轴向迁移还有效防止了粒子在膜面滞留沉积：在他建立的过滤速率模型中也 出现了t a l y o r 涡。 图1 5 泰勒涡 f i g 1 5t a y l o r v o r t i c e s 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 5 旋转剪切流强化管式膜微滤的研究现状 1 9 9 8 年，褚良银【1 7 】等人首次报道了固定陶瓷膜微滤过程中外旋流、外轴向流、内 旋流和内轴向流四种流动方式的对比试验研究，结果发现综合考虑膜器运行成本( 能耗) 和运行效率( 过滤通量) 这两个指标，外旋流在上述四种流动方式中分离效果最优。王 成端【1 8 】、王志斌【哼噪用激光粒子成像测速系统( p ) 对外旋流方式下管式膜的微滤的流 场特征进行了研究，获得了大量不同工况下的流线图和涡量图，认为在膜器内有涡存在； 涡的形成，大大减少了颗粒在膜面上的沉积，有利于过滤的强化；采用量纲分析方法建 立了外旋流管式膜微滤的数学模型，并证明对于确定的膜器，悬浮液的浓度、旋转切向 流入口雷诺( r e y n o l d s ) 数和环隙宽度是决定膜器微滤过滤通量大小的主要因素。沈亮【捌 对外旋流膜器中的压力场进行了测试，发现环隙剖面压力沿径向呈鞍型分布，沿轴向略 有下降的规律( 不计重力场的影响) ，建立了过滤通量的稳态经验模型和动态衰减模型。 四川大学的褚良银【2 1 l 等建立了外旋流过滤通量的衰减模型，认为与轴向十字流过 滤相比，外旋流过滤速率的衰减趋势较快，但由于其过滤初始通量较高，因此其通量可 在较长时间内高于轴向十字流微滤的通量。徐菡1 2 2 】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，分析了外旋流强化微滤的机理。认为：采 用外旋流的方式将对膜压力有削弱作用，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。黄雏菊【2 习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。并创造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。 1 6 微滤膜分离的稳定过滤通量模型 当被过滤的颗粒很小，或者具有可压缩性时，一种薄的污染层在几分钟内就可以形 成，这种污染层迅速增加膜过滤的阻力，使过滤通量很快达到远小于洁净膜具有的初始 过滤通量而形成稳定的渗透流量。当达到稳定的过滤通量时，被渗透流带向膜表面的颗 粒的速率就被颗粒离开膜的反向传输速率所平衡；而反向传输的速率主要是由微滤膜表 面悬浮液在流体边界层的物理性质和流动性质决定的。在错流微滤膜分离过程中，起平 衡作用的反向传输速率主要由膜面所受到的切应力作用而产生的切向对流所引起。根据 悬浮颗粒扩散运动的不同机理，有4 种模型可以预测错流膜分离操作中出现的稳定渗透 流量的大小。 旋转剪切流强化微滤膜器的性能研究 1 6 1 布朗扩散模型 布朗首先从液体分子运动规律出发，描述微小粒子因分子作用而产生的运动。仿照 布朗运动规律而建立了微滤膜稳定渗透流量的布朗扩散模型 2 4 1 ，其理论式为： - p 。叫“3 私九 - ， ， 、1 ，3 j s = 0 1 1 4 | 簪l l i l 帆砌丸一九“丸 ( 1 2 ) 式中，为切变率，缸为b o l t z m a a 常数( = 1 3 8 x 1 0 - 2 3 j m o l k ) ，l 是动力粘度，口 为颗粒当量半径，九为悬浮液总体的颗粒体积浓度，丸为壁面上颗粒的体积浓度，三是 膜管通道长度。布朗扩散在亚微米颗粒和低剪切切变率条件下是过程的控制因素。对 于处理微米级悬浮颗粒的微滤膜过程，根据布朗扩散建立的模型预测的流量结果比实际 实验观察到的结果小一个数量级以上。 1 6 2 切变诱导扩散模型 为解决布朗扩散理论在微滤膜分离实验中出现的大偏差，提出了切变诱导扩散模 型。该模型认为颗粒发生切变诱导扩散的原因是因为颗粒个体在剪应力流中从流线所在 位置发生随机的位移，并和其它颗粒相互作用，进而使其它颗粒发生滚动。z y d n e y 2 5 1 等用e c k s t e i n 测得的剪切扩散系数伪代替布朗扩散系数，当主体料液的颗粒体积分数 为唬e o 2 ，0 4 5 】范围内时，d s = 0 3 y 0 0 2 ( 式中，切变率7 o 为切向速度法线梯度在膜面的 值，矗为颗粒当量球半径) 。这样，剪切诱导扩散系数与颗粒尺寸的平方成正比，与剪 切率成正比。其确定的稳定平衡过滤通量为： 以= 0 0 7 8 y o ( 口4 l ) ”i n ( 丸，九) ，九一九 丸( 1 3 ) 以= 0 1 2 6 y o 饥口4 ，死上y 乃l i l 轨唬l 九“丸 ( 1 4 ) 在涉及微米级和更大颗粒的典型的错流微滤膜中，剪切诱导水力动力学扩散成为最 主要的控制因素。从( 1 3 ) 和( 1 4 ) 式中切变扩散所产生的稳定渗透流量来看，它与压差驱 动力无关。若剪切切变率为零，其稳定渗透流量也为零，这种情况就是死端过滤膜分离 情况：任何压力差驱动下，随着过程的进行，死端过滤的稳定过滤通量都是零。而在错 流膜分离中，切变诱导控制模型将使稳定渗透流量达到这样一个极值，即在一般的错流 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 膜分离中，当压力驱动力超过某个临界值时，渗透流量完全由切变率控制后，其稳定渗 透流量就与所施加的推动压力无关：这时提高切交率成为提高稳定渗透流量最有效的方 法。 1 6 3 惯性升力模型 如果惯性升力的速度足以抵消反向渗透流的速度，那么颗粒就不会沉积到膜的表 面，惯性升力来自于颗粒与周围流场的非线性相互作用。在层流条件下，稀溶液中的颗 粒的相互作用可以忽略不计。但当n a v i e r - s t o k e s 方程中非线性项起作用时，基于颗粒尺 寸的雷诺数就不可忽略，层流中的惯性上升速度与颗粒的尺寸的立方成正比，与膜面切 变率的平方成正比，这一结论在大颗粒和高流速状态下显示出来。刚开始使用新膜时， 渗透流夹带颗粒的流速超过颗粒的惯性上升速度，沉积颗粒的浓化层就在膜表面逐渐形 成，并逐渐增加过程的阻力；这反过来造成渗透流量的下降。当渗透流夹带颗粒的能力 与惯性提升颗粒的能力相当时，浓差极化污染层就达到了平衡状态，对于有薄层污染的 快速层流流动稀溶液，用惯性提升理论预测的平衡态时的渗透流量为【2 6 】； 2 _ 2 i tr 以= o 0 3 6 p a 3 ，o i z ，掣“1 ) ( 1 5 ) z 盯o 式( 1 5 ) 中，当从管内过滤时凰为内管半径，当为环隙过滤时凰为环隙宽度的一半；u 为平均流速。( 1 5 ) 式表明；渗透流量与料液的粘度成反比例，与膜器的长度和主体料液 的颗粒浓度无关。对于较浓的稀溶液，应该对公式进行修正，以便考虑颗粒之间的相互 影响。 1 6 4 滤饼流动和表面输送模型 当颗粒被渗透流带到膜表面后，颗粒可能在切向流的作用下沿着膜表面滚动或滑 动。采用连续介质模型分析这种情况时，由于该模型没有较好的考虑颗粒浓度、有效粘 度和流动滤饼的比阻，所以结果与实验数据吻合性较差。对于这种情况，较为适合的为 独立颗粒模型，其基本思想是考虑在膜表面或污染滤饼表面的球形颗粒的行为，由所受 的力和力矩的平衡来判断颗粒是粘附在膜表面还是沿着膜表面传输。对于光滑表面，达 到稳态厚度时，在临界状态时的渗透流量为1 2 7 l ： ，0 = 2 4 a y o 2 墨) ”c o t 0( 1 6 ) 式( 1 6 ) 中，r 。是滤饼的比阻。该表面输送模型表明，长期的稳定渗透流量与切变率和颗 粒半径成正比例。由于悬浮颗粒都具有一定的粒度分布，在形成稳定过滤通量的过程中， 随着渗透流量的减少，更细的颗粒持续地进入滤饼的污染层，而更大的颗粒却被切向扫 一9 一 旋转剪切流强化微滤膜器的性能研究 出，结果随着滤饼的生长，滤饼就含有更多的细颗粒，使滤饼的比阻依赖于错流流速， 以至出现随着切变率的增加而过滤通量减少的情况【2 8 1 。 1 6 5 四种稳定过滤通量模型的评价 以上四种模型对稳定渗透流量的预测都建立在滤饼层具有高的比阻，并这个比阻成 为控制膜阻和渗透流量的绝对因素的假设基础上。预测操作因素对稳定渗透流量的影响 时均表明：稳定过滤通量随切变率的增加而增加；但布朗扩散预测颗粒半径越小，通量 越大，其它模型的预测则相反。对于小于1 微米的小颗粒悬浮液，布朗扩散最强烈；而 对于l 3 5 微米的颗粒，切变率诱导扩散起主要作用；对于大于3 5 微米的颗粒，惯性 提升模式最为重要。表面传输机理预测的过滤通量比典型的清洁膜高几个数量级，相当 于一般的机械过滤的情况。现在还没有一种模型能通用于所有微滤膜分离过程，在不周 的尺寸范围和物理参数下，可能有多种机理起作用。 1 7 本课题的研究意义、目的及主要工作 1 7 1 本课题的研究意义 膜分离技术由于具有高效、节能、简单、造价低、易于操作等特点，被认为是2 0 世纪到2 1 世纪中期最有发展前途的高科技技术之一，目前受到普遍关注。新型的膜材 料( 包括有机、无机和复合材料) 以及膜组件不断被研制出来。有关膜在各种应用领域 的开发研究文章也累累见诸于各种学术刊物之中。但是通过所检索到的相关资料表明， 膜分离成功地应用于工业生产的实例并不多，其中影响工业应用的主要原因之一就是膜 的污染问题。膜的污染不仅使膜的过滤通量下降，而且使膜发生劣化，导致使用寿命缩 短。1 9 0 7 年b e e h h o l d 在实验中发现，当胶体悬浮液平行流过介质时，可以增加膜的过 滤通量。这种错流流动的切向主流可以带走一部分颗粒，从而抑制饼层的形成。其相对 于死端微滤，可以使饼层厚度较长时间内保持在一个较低的水平。但是在这种错流过滤 过程中，粒子的选择沉降会使滤饼层中细粒子增多，阻力加大，过滤通量反而减少【2 9 。o 】。 为了使错流过滤得到强化，学者们采用了很多方法，如膜材改性以减轻固粒在膜面的吸 附、外加电力或超声场使粒子远离膜面等。这些措施虽然有明显的效果，但是往往结构 复杂、能耗较高。而旋转剪切流强化的方法，利用旋转产生的离心力克服透过流的曳力， 使固体颗粒沿径向向外运动远离膜面，使过滤得到强化。但是从所检索的资料来看，目 前所采用的旋转剪切流微滤膜器，都是采用的切向入口进料方式，其具有一定的缺陷： 大连理工大学硕士学位论文 对入口部分的冲刷比较严重，入口流场分布不均匀，旋转强度不对称等。所以采用旋流 发生器入口方式的旋转剪切流微滤膜器的研究就具有了实际意义。 1 7 2 本课题的研究目的 ( 1 ) 通过对旋转剪切流强化微滤膜器进行实验研究，分析各操作参数及结构参数对过 滤通量的影响，并对比分析旋转剪切流强化微滤膜器与普通错流管式膜器的过滤性能。 ( 2 ) 由于旋转剪切流强化微滤膜器的流体流动于固体颗粒的受力较为复杂，过滤机理 认识尚不充分，不能通过现有的过滤模型来对旋转剪切流微滤进行合理的解释，因此需 要利用实验数据来建立一种预测膜过滤通量的模型。 ( 3 ) 对实验结果进行分析，并借助c f d 方法，用f l u e n t 计算流体力学软件对旋转剪 切流强化微滤膜器内部流场进行分析，进一步掌握旋转剪切流强化微滤膜器的过滤机 理，解释旋转剪切流强化微滤膜器过滤过程中所产生的一些现象及规律。 1 7 3 本课题的研究内容 ( 1 ) 设计、制作一套旋转剪切流强化微滤膜器实验装置和测试系统。通过实验对入口 压力、出口压力、悬浮液浓度等操作参数，旋流发生器叶片的数量、旋流发生器的级数 等结构参数对过滤通量的影响进行分析。 ( 2 ) 完成旋转剪切流强化微滤膜器与普通错流管式微滤膜器的对比实验，对比分析旋 转剪切流强化微滤膜器与普通错流管式微滤膜器的过滤通量、滤饼阻力、过滤效率等过 滤性能指标。 ( 3 ) 利用实验结果，采用因次分析、线性回归的方法，建立适用于带有单级四叶片旋 转剪切流强化微滤膜器的稳态过滤通量和过滤通量的动态衰减的数学模型，并对这两个 模型进行验证。 ( 4 ) 利用f l u e n t 软件，选择r s m 模型，对所设计的带有单级三叶片旋流发生器的旋 转剪切流强化微滤膜器、带有单级四叶片旋流发生器的旋转剪切流强化微滤膜器、带有 两级四叶片旋流发生器的旋转剪切流强化微滤膜器进行数值模拟，分析内部流场、压力 场及能耗损失。 旋转剪切流强化微滤膜器的性能研究 2 实验台的建立及实验方案的确定 为了方便对四种微滤膜器的实验研究，分析物料浓度、入口压力、出口压力等操作 参数；叶片个数、旋流发生器级数等结构参数对过滤通量的影响，设计、制造了旋转剪 切流强化微滤膜器的实验装置。本装置具有易操作、易拆装和方便观察等特点，为确定 旋转剪切流强化微滤膜器的不同操作参数、结构参数对过滤通量的影响奠定了基础。 2 1实验装置建立及工艺流程 2 1 1 实验系统 室内实验装置工艺结构能够实现注水、固液混合、流量、压力的调节测定及过滤、 试样的采集、排水等一系列功能。实验系统的实物布置见图2 i 。该实验系统分为三个 单元：料液循环单元、计量单元、实验单体单元。 图2 1 实验系统的实物和置图 f i g 2 1 p r a c t i c a l i t yd i s p o s a lm a po f e x p e r i m e n t a ls y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 料液循环单元 料液循环单元由水泵、输水管线、控制阀门和储液槽组成。水泵是系统的动力单元， 其主要功能是料液的收集、输送及固液均匀混合的功能。为保证长时间的提供实验用水， 并且本着节约的原则，实验将样机两个出口排出的液体及时收集到储液槽中循环使用。 为保证固液混合均匀，辅助以人工搅拌的方式。 ( 2 ) 计量单元 计量单元主要由压力表、流量计、压差计组成。并且由于渗透液出口流量变化范围 较大，为了测量准确故采用“量筒计时法”来对渗透液出口流量进行计量。系统的入口 流量由流量计读出。膜器内过滤介质两侧压差由u 型管水银压差计测得。在膜器的入口、 浓缩液出口配有压力表，以方便对操作压力的控制。 ( 3 ) 实验单体单元 实验单体即旋转剪切流强化微滤膜器实验样机，为了便于观察过滤介质表面滤饼的 形成，膜器主体部分采用有机玻璃制成。实验单体采用平台架结构与管路相连。为了节 省