（化学工程与技术专业论文）中空纤维膜接触器壳程添加构件强化传质研究.pdf

r 学位论文数据集 中图分类号 1 q 0 2 8 8 学科分类号5 3 0 。2 1 5 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 l l o l l 4 密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名董艳艳学号2 0 0 8 0 0 01 1 4 获学位专业名称化学工程与技术获学位专业代码0 8 1 7 课题来源自选课题研究方向膜分离 论文题目 中空纤维膜接触器壳程添加构件强化传质研究 中空纤维膜接触器，壳程、强化传质、筛网、弓形折流板、螺旋折 关键词 流板 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 7论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 刘丽英副教授北京化工大学化学工程 指导教师 评阅人1丁忠伟教授北京化工大学化学工程 评阅人2孙建军副教授北京化工大学化学工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员蝴陈晓春教授北京化工大学 化学工程 答辩委员1丁忠伟教授 北京化工大学化学工程 答辩委员2 刘伟教授北京化工大学化学工程 答辩委员3孙建军 副教授北京化工大学化学工程 答辩委员4杜俊琪副教授北京化工大学化学工程 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在( 中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 中空纤维膜接触器壳程添加构件强化传质研究 摘要 中空纤维膜接触器以其体积小、装填密度高和无需支撑等优势受到关 注，在膜分离领域有越来越广泛的应用。但是，由于其中壳程流动情况复 杂，影响因素较多，一直是人们关注的热点。对于传统的平直式中空纤维 膜接触器，膜丝的随机装填使其在壳程分布不均匀，造成流体的非理想流 动，使传质效率降低。因此，研究中空纤维膜接触器壳程强化传质性能， 对于中空纤维膜接触器的应用有着重要的实际意义。 本文以氮气吹扫水中溶解氧为实验体系，通过在壳程中添加筛网、弓 形折流板和螺旋折流板三种不同构件改变壳程的空间结构，研究了装填分 率、构件的数目及组件的尺寸对壳程流体力学性能及传质性能强化的影响。 对中空纤维膜组件壳程中添加筛网强化传质过程进行了研究。考察了 装填密度及筛网数目对流体力学性能和传质性能的影响，得到了传质增幅 与压降增幅的关系及单位压降的传质系数。结果表明：添加筛网使壳程的 非理想流动下降，沟流、死区等影响降低，有效传质面积增大，传质性能 增强。在研究范围内，添加3 个筛网时，传质系数增幅最大达4 6 。装 填密度低，雷诺数较小时，传质增幅较大。添加l 、2 个筛网组件单位压 降下的传质系数高于平直组件，添加3 个筛网组件单位压降下的传质系数 低于平直组件，且添加2 个筛网的组件单位压降下的传质系数最高。 对中空纤维膜组件壳程中添加弓形折流板强化传质进行了研究。研究 i 北京化工大学硕士学位论文 了装填分率、组件的长径比对流体力学性能及传质性能强化的影响，得到 压降增幅与传质增幅的关系及单位压降的传质系数，并获得了传质准数关 联式。结果表明：添加弓形折流板后流体的湍动程度增大，传质性能增强 明显。对于长径比为1 4 的膜组件，装填分率越大，强化传质效果越好， 最大传质增幅为3 7 ，但是单位压降下的传质系数均小于平直组件。对于 长径比为4 的组件，传质增幅较大在6 0 1 0 0 ，且单位压降下的传质系 数高于平直组件。 类比于螺旋折流板换热器，对中空纤维膜组件壳程中添加螺旋折流板 强化传质进行了研究，并与添加弓形折流板组件进行了对比。结果表明： 添加螺旋折流板后流体湍动程度大大增强，传质效果是平直组件的 1 7 2 2 倍，且单位压降下的传质系数高于平直组件；添加的螺旋折流板 数目越多，强化传质效果越显著。与相应的弓形折流板组件相比，在同样 条件下，螺旋折流板组件的传质系数更大、压降更小，即单位压降下的传 质系数更大。 从传质系数的角度评价强化传质的效果，则添加内部构件的膜组件， 与平直组件相比均增大，其中增幅最大的是螺旋折流板膜组件；从单位压 降下的传质系数角度来评价，添加1 和2 个筛网、长径比较小的弓形折流 板组件和螺旋折流板组件的单位压降下的传质系数数值比平直组件的高。 故综合考虑，螺旋折流板膜组件的传质强化效果最优。 关键词：中空纤维膜接触器，壳程，强化传质，筛网，弓形折流板，螺旋 折流板 i i a b s t r a c t m a s st r a n s f e re n c h a n c e m e n ti nh o l l o wf i b e r m e m b r a n ec o n t a c t o rs h e l l s i d ew i t ha d d i t i v e a b s t r a c t h o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l e s ，w i t ht h ea d v a n t a g eo fs m a l ls i z e ，h i g h 1 0 a d i n gd e n s i t ya n du n r e q u i t e ds u p p o r t i n gi nt h ep r o c e s s ，a r ew i d e l yu s e di n m e m b r a n es e p a r a t i o np r o c e s s i na d d i t i o n ，t h es h e l l - s i d em a s s 蛾m s f e ri s c o m m o n l yf o r c e do nd u et oi t sc o m p l i c a t e dc o n d i t i o n sa n dv 撕o u sa a e c t i n g f a c t o r s t h ef i b e ro f 仃- a d i t i o n a lh 0 1 1 0 wf i b e rm e m b r a n ec o n t a c t o ra 陀 d i s t r i b u t e dr a n d o m l yw h i c hr e s u l t si nal o s si ne 衔c i e m t h e r e f o r e ，t h es t l l d y o fs h d l - s i d em a s st r a n s f e rp e r f o m l a n c ei so f g r e a ts i g n i f i c a n c eo n 印p l i c a t i o n i nt h i sp 印e r ，t h ed i s s 0 1 v e do x y g e nw a su s e df o re x p e r i m e n ts y s t e m ，a n d t h ef a c t o r ss u c ha sp a c l d n gd e n s i t y t h en u m b e ro fa d d i t i v ea n dl d ( t h er a t i o o ft h e l e n g t h t od i a m e t e ro ft h em o d u l e ) r h i c hi n n u e n c es h e l l s i d e h y d r o d y n a m i ca n dm a s st r a n s f i e rp e r f o n l l a n c ew e r es t l l d i e db yc h a n g i n gt h e s t r u c t u r eo fh o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l e sb yt h em e t h o do fa d d i n gs p a c e r ， b a 用ea n ds p i r a lb a 御e t h em a i nc o n t e n t sa n df i n d i n g sa r es u m m a r i z e da s f 0 1 l o w s m a s st r a n s f e re n h a n c e m e n ti ns h e l l s i d eo fh o l l o w6 b e rm o d u l ew i m s p a c e r w a s i n v e s t i g a t e df i r s t l y h y d r o d y n a m i c sa n dm a s st r a n s f e r p e r f o n n a n c e o fh o l l o wf i b e r sm e m b m em o d u l e sw e r es t l l d i e dw i t hd i f f e r e n t i i i 北京化工大学硕士学位论文 p a c k n gd e n s i t ya n dt h en u n l b e ro fs p a c e r i na d d i t i o n ，t h ec o n e l a t i o n b e t w e e nm c r e a s eo 士m a s s 饿m s 士e rc o e t t l c l e n ta n dt n ep r e s s e rd r o pa 1 1 dm a s s 1 ，” 。1 t r a n s f e rc o e 箍c i e n tp e rp r e s s e rd r o pw e r ea l s oa 1 1 a l y z e d i tc a nb ec o n c l u d e t h a tt h es p a c e rc a nd e c r e a s en o n i d e a lr e s p o n s e ，l e a m n gt oi n c r e a s eo ft h e m a s st r a n s f e rc o e 衢c i e n t 1 1 1 eh i 曲e s ti n c r e a s eo fm a s st r a n s f e rc o e m c i e n ti s u pt o4 6 a t3s p a c e r s t h ei n c r e a s eo fm a s s 饥m s f e rc o e 衔c i e n ti sh i 曲e ra t l o wp a c k i n gd e n s i t y 鲫【dl o wi 沁i na d d i t i o n ，m a s s 仃a n s f - e rc o e f j f i c i e n tp e r p r e s s e rd r o pi sh i g h e rt h a j ls 舰i g h tm o d u l ea tla n d2s p a c e l l s ，w h i l el o w e ra t 3s p a c e r s ，a n di ti sh i g h e s ta t2s p a c e r s m a s st r a n s f e re d h a n c e m e n ti ns h e l ls i d eo fh o u o wf i b e rc o i l t a c t o rw i t h d i 船r e n tb a m e r sw a si n v e s t i g a t e d t h ee 腩c t so f p a c 虹n gd e n s 咄n u m b e ro f b a m ea n dl do nb y d r o d y n a m i c sa n dm a s st m s f e rp e r f o m a n c eo f h o l l o w f i b e r sm e 埘【b r a n em o d u l e sw e r e 向r t h e rs t u d i e df o rm a s st r a n s f e re n h a n c e m e n t p e r f o m a n c e i na d d i t i o nw eo b t a i n e dt h ec o 玎e l a t i o nb e 研e e ni n c r e a s eo f m a s st m s f e rc o e m c i e n ta n dt h ep r e s s e rd r o p 弱w e na sm a s st r a n s f e r c o e m c i e n tp e rp r e s s e rd r o p nc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h eb a m ec a ni n c r e a s e t h em a s st r a n s f e rc o e m c i e n t w h e ni tc o m e st ot h em o d u l e so fl d = l 4 ，t h e h i g h e rt h ep a c k i n gd e n s i t y ，t h eh i g h e rt h em a s st r a n s f e rc o e 伍c i e n t ，a n dm e ， h i g h e s ti n c r e a s ei su pt o3 7 h o w e v e r ，t h em a s st 啪s f e rc o e m c i e n tp e r p r e s s e rd r o pi sl o w e rt h a ns 舰i g h tm o d u l e m o r e o v e r ，m ei n c r e a s eo fm a s s t r a n s 矗玎c o e m c i e n tc a nu p 舶m6 0 t olo o ，a n dt h em a s st r a i l s 点胃 c o e 硒c i e n t sp e rp r e s s u r ed r o pi sb i g g e rt h a ns 仃a i g h tm o d u l e ，f o rt h em o d u l e s a b s t r a c t 一一。 o f l d = 4 c o n s i d e r i n gt h es i m i l 撕t yw i t ht h es p i r a lb a 笳eh e a te x c h a n g e r t h e s p i r a lb a 用e sw e r e 如r t h e ra d d e dt ot h es h e ns i d e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s p i r a lb a m ec a na l s oi n c r e a s em a s st r 觚s f e rp e r = e i o 加a n c e ，a 1 1 di ti s1 7 2 2 t i m e st h a nt h a to f s t r a i g h tm o d u l e u n d e rt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，t h em o r e t h en u m b e ro fs p i r a lb a 用e s ，t h eb 甜e rt h em s st r a n s f e rp 曲m l a n c e t 1 1 e p r e s s e rd r o pi sl o w e ra n dm a s s 讹n s f e rc o e 衔c i e n ti sb i g g e rt h a nt h o s eo f b a m ea tt h es 锄e c o n d i t i o n ，t h a ti sm a s st r a n s f e rc o e f j f i c i e n tp e rp r e s s e rd r o p i sh i g h e r t h ee v a l u a t i o nf o rt h em a s st r a n s f i e re n h a n c e m e n tp e 墒r m a n c ef o r d i 腩r e n tm o d l l l e sw a si nt w of i e l d s ：t 1 1 a ti sm a s st r a n s f e rc o e 伍c i e n ta n dm a s s t r a n s f e rc o e f | f i c i e n t p e rp r e s s e rd r o p a sf o rm a s st m s f - e rc o e 街c i e n t ，t h e m o d u l e sw i t ha d d i t i v ea r eb i g g e rt h a n s t r a i g h to n e s ，e s p e c i a l l yt h es p i r a l b a m em o d u l es h o w st h ee x c 印t i o n a lb i g g e s to n e ；a sf o rm em a s st r a n s f e r ，r - c o e m c l e n tp e rp r e s s e r m o p ， t h ev a n o u sm o d l l l e sg i v ed i v e r s ep e 响珊a n c e s t h em o d u l e sw i t ho n ea n d 锕os p a c e r s ，m eb a m ep o s s e s s i n gs m a l l e rl d ， a n dt h e s p i r a lb a m em o d u l e ss h o wb e t t e rp e 墒m a n c et h a n 渤i 曲to n e s s o ， b a s e do nt h ed b o v ed i s c u s s i o n ，t h es p i r a lb a m em o d u l e s ，c o n s i d e d n gb o t h m a s st r a n s f e rc o e 衔c i e n ta n dm a s st m s f e rc o e 衔c i e n tp e rp r e s s e rd r 叩，c a n s h o wb e s tm a s st 1 a n s f e re n h a n c e m e n t k e y w o r d s ：h o l l o wf i b e rm o d u l e ，s h e l ls i d e ，m a s st r a n s f e re i m a n c e m e n t ， s p a c e r b a m e ，s p i r a lb a m e v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 符号说明x i i i 第一章文献综述1 1 1 膜分离过程简介1 1 2 膜分离过程发展简史l 1 3 膜接触器与中空纤维膜组件3 1 4 前人研究成果4 1 4 1 中空纤维膜组件的理论研究5 1 4 2 强化传质研究6 1 4 2 1 改变流动方式强化传质6 1 4 2 2 改变操作方式强化传质7 1 4 2 3 改变膜组件构型方式强化传质8 1 4 3 螺旋折流板列管式换热器的传热强化1 2 1 4 4 中空纤维膜接触器应用1 4 1 4 4 1 中空纤维膜接触器传统应用1 4 1 4 4 2 中空纤维膜接触器最新应用1 4 1 4 4 3 中空纤维膜接触器商业化应用1 5 1 5 本论文工作的目的和意义1 6 第二章中空纤维膜接触器壳程添加筛网强化传质研究1 7 2 1 引言。1 7 2 2 理论部分1 7 2 2 1 流体力学性能1 7 2 2 2 传质性能18 2 2 3 传质准数关联式。2 1 2 3 实验部分2 2 v i i 北京化i i 人学硕士学位论文 2 3 1 膜组件的制备2 2 2 3 2 实验流程与设备2 3 2 3 3 实验步骤2 4 2 4 实验结果讨论2 5 2 4 1 流体力学性能2 5 2 4 2 传质性能2 7 2 4 3 传质强化效果与压降增幅关系3 0 2 4 4 单位压降传质系数。3 1 2 5 结：沦3 3 第三章中空纤维膜接触器壳程添加弓形折流板强化传质研究3 5 3 1 引言3 5 3 2 理论部分。3 5 3 3 实验部分3 5 3 3 1 膜组件制备3 5 3 4 实验结果讨论3 6 3 4 1 长径比为1 4 的中空纤维膜组件性能3 6 3 4 1 1 流体力学性能3 6 3 4 1 2 传质性能3 8 3 4 1 3 传质增幅与压降增幅关系4 1 3 4 1 4 单位压降传质系数4 2 3 4 2 长径比为4 的中空纤维膜组件性能4 4 3 4 2 1 流体力学性能4 4 3 4 2 2 传质性能4 4 3 4 2 3 传质增幅与压降增幅关系4 6 3 4 2 4 单位压降下的传质系数4 7 3 4 3 相同装填分率下传质性能随组件长径比的变化4 7 3 4 4 相同装填分率的组件壳程添加不同构件传质性能比较4 8 3 5 结论4 9 第四章中空纤维膜接触器壳程添加螺旋折流板强化传质研究5 l 4 1 引言。5 1 v i 目录 4 2 理论部分5 1 4 2 1 螺旋折流板5 1 4 3 实验部分。5 2 4 3 1 膜组件制备5 2 4 4 实验结果讨论5 3 4 4 1 螺旋折流板膜组件传质研究5 3 4 4 1 1 流体力学性能5 3 4 4 1 2 传质性能5 4 4 4 1 3 压降增幅与传质增幅关系5 5 4 4 1 4 单位压降下的传质系数5 6 4 4 2 壳程添加弓形折流板与螺旋折流板对比5 6 4 4 2 1 流体力学性能5 6 4 4 2 2 传质性能5 8 4 4 2 3 传质增幅与压降增幅关系6 0 4 4 2 4 单位压降下的传质系数6 1 4 5 结论6 3 第五章结论6 5 5 1 结论6 5 5 2 本文工作的创新点6 5 参考文献6 7 致谢7 1 研究成果及发表论文7 3 作者及导师简介7 5 北京化工大学硕十学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t i n o m e n c l a t u r e x i i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n l 1 1i i l 臼o d u c t i o nt om e m b 砌es 印a r a t i o np r o c e s s 1 1 2a b r i e f k s t o d ，o f m e i l 曲m es 印a r a t i o np r o c e s s 1 1 3m 锄b r a n ec o n t a c t o ra n dh o n o wf i b e rm o d u l e s 3 1 4r e s u l t s0 f d r e v i o u ss t u d i e s 4 1 4 1t h e o r e t i c a ls t u d vo f h o n o wf i b e rm 锄b r a n em o d u l e 5 1 4 。2s t u d vo f m a s st r a n s f e re i l l l a l l c 锄e i l t 6 1 4 2 1m a s st i 锄s f 白e l l l l a i l c 锄e i l tw i t hc h a j l 百n gt h en o wp a t t e n l s 6 1 4 2 2m a s st r a n s 缸e i l l l a n c e m e n tw i t hc h a n 西n go p e r a t i o n 7 1 4 2 3m a s s 仃a n s f e re n h a l l c e i l l e n tw i t l lc h a l l 百n gm e n 曲r a j l ec o n f i g u r a t i o n 8 1 4 3h e l i c a lb a m eh e a te x c h a i l g e r 1 2 1 4 4a p p l a t i o no f h 0 1 l o wf i b e rc o n t a c t o r 1 4 1 4 4 1t r 撕t i o n a la p p l a t i o no 仆o l l o w 肋e rc o n t a c t o r 1 4 1 4 4 2n e wa p p l a t i o no f h 0 1 l o w6 b e rc o n t a c t o r 1 4 1 4 4 3c o m m e r c i a la p p l i c a t i o n so f h o l l o w 丘b e rc o n t a c t o r 15 1 5o b i e c tf o rt l l i sw o r k 。16 c h a p t e r 2m a s st r a n s f e re n h a n c e m e n ti nh o l l o wf i b e rc o n t a c t o rs h e l l _ s i d e w i t hs p a c e r 1 7 2 1i n t r o d u c t i o n 1 7 2 2t h e o r i c a lp a n 。1 7 2 2 1h y d r o d y l l 锄i cp e r l o n l l a l l c e 1 7 2 2 2m a s st r a n s f e rp e d 0 珊a n c e 18 2 2 3t h en u 前b e ro f m a s s 协a i l s f 钉c o r r e l a t i o n 2 l 2 3e x p e r i m e n t a lp a r t ，2 2 x 目录 2 3 1m e l b m em o d u l e s 2 2 2 3 2e x p 甜m e i l t a lp r o c e d u r ea i l de q u i p m e n t 2 3 2 3 3e x p 舐m e n t a lp m c e d u r e s 2 4 2 4d i s c u s s i o n 2 5 2 4 1h y d r o d y i l 锄i cp e r f o 咖a n c e 2 5 2 4 2m a s st m s f e rp 柏m l a n c e 2 7 2 4 3 t h er e a l t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n c r e a s eo f m a s s 觚l s f 打a n dp r e s s e rd r o p 。3 0 2 4 4t h em a s st r a n s f - 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s i d e w i t hs p r i a lb a m e 5 1 x i 北京化工大学硕士学位论文 4 1m 仃o d u c t i o n 5l 4 2t h e o r i c a lp a r t 5 l 4 2 1s p i r al b a m e 5 1 4 3 e x p e r i m e n t a lp a r 5 2 4 3 1m 锄b r a n em o d u l e s 5 2 4 4d i s c u s s i o n 5 3 4 4 1m a s st m s f 打p e r f o m l a i l c eo f s p r i a lb a m em o d u l e s 5 3 4 4 1 1h y d r o d y n 锄i cp 曲m a l l c e ”5 3 4 4 1 2m a s st r a l l s f 打p e r f o m a n c e 5 4 4 4 1 37 1 1 1 er e a l t i o n s h i pb e t 、) i ，e e l lt h ei n c r e a s eo fm a s st r a i l s f ha n dp r e s s e rd r o p 5 5 4 4 1 41 1 i l em a s st r a i l s f 醯c o e 伍c i e i l