（材料科学与工程专业论文）管式膜流体动力学的研究.pdf

ijrliillll 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：移厩签字日期：沙易年f 月d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：岛却 导师签名： 叫县罕 签字日期：0 2 , 7 o 年月p 日 签字日期：铷d 年f 月aj 日 学位论文的主要创新点 一、采用自制的两种长度规格的管式膜组件组装成管式膜串联装 置进行过滤实验，通过改变系统进口流量、出口压力、过滤流体温度 和粘度等条件，记录不同条件下膜管内压力及透过液量变化，考察各 因素对管式膜过滤性能的影响，为实际应用过程中综合考虑各个因素 提供依据。 二、利用实验数据推导压力与膜管长度关系方程及通量与压力的 关系方程，总结出其中的规律，为管式膜过滤过程提供数据上的比对， 完善基础的理论体系。 摘要 本文采用自制的两种长度规格的管式膜组件，组装成自下而上的管式膜串联 装置进行实验，通过改变系统进口流量、出口压力、流体温度和流体粘度等条件， 记录不同条件下膜管内压力及透过液量变化，考察各因素对管式膜过滤性能的影 响，同时利用实验数据推导压力与膜管长度关系方程及通量与压力的关系方程。 实验结果表明： ( 1 ) 管式膜过滤纯水和甘油溶液过程中，膜管按照自进口到出口的串联顺序， 各膜管的进出口压力呈现出逐渐下降的趋势；相同出口压力和进口流量条件下， 两种规格的膜管装置，在过滤纯水和甘油溶液时，各膜管的压力降受温度影响较 小，压力降有随温度上升而略微下降的趋势，但数值变化很小；在相同温度和进 口流量条件下，1 m 长的膜管组成的串联装置过滤纯水时，各膜管的压力降受出 口压力的影响较小，随着出口压力的增加略微下降；3 m 长的膜管组成的串联装 置，过滤纯水和2 5 甘油时，各膜管的压力降随出口压力的增大而减小，而5 0 甘油系统，各膜管的压力降受出口压力的影响较小，随着出口压力的增加略微下 降；相同温度和出口压力条件下，纯水系统和甘油系统中，各膜管的压力降均随 着进口流量的增大而增大；两种规格的膜管装置，在过滤纯水和甘油时，各膜管 的透过液量均随着温度的升高而增加，随出口压力的增大而变大，随着进口流量 的增大而变大；纯水系统与甘油系统比较可知，过滤液体的粘度对过滤系统的性 能有一定的影响，粘度大，压力降也就越大，透过液量越小。 ( 2 ) 利用实验测得的压力数据，同时根据流体流动过程的阻力损失，对每根 膜管的进出口处列机械能守恒方程，求得每根膜管进出口的直接压力，推导出形 如尸( ，) = p o a “”的压力与膜管长度关系方程，验证方程的准确性，误差均在5 以 内；利用计算所得的每根膜管进出口压力求得各膜管的平均压力，同时将实验测 得的透过液量换算为通量，取各膜管的平均压力和通量作线性拟合，得通量与压 力的关系方程f = 彳尸+ b ，经过验证误差基本在5 以内。 关键词：管式膜；压力降；透过液量；进口流量；出口压力；温度；方程 a b s t r a c t i nt h i s a r t i c l e ，t u b u l a rm e m b r a n em o d u l e sw i t ht w ok i n d so fl e n g t hw e r e a s s e m b l e di n t ot u b u l a rm e m b r a n ed e v i c e si n s e r i e s b yc h a n g i n gt h eo p e r a t i o n c o n d i t i o n so fe x p e r i m e n t ( i n l e tf l o wr a t e ，o u t l e tp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dv i s c o s i t y ) ， t h ec h a n g e so fp r e s s u r ea n dp e n e t r a t i o na m o u n t si n s i d et h em e m b r a n et u b ew e r e r e c o r d e dw i t ht h ea i mo ft e x t i n gt h et u b u l a rm e m b r a n ef i l t e r i n gq u a l i t y a tt h es a m e t i m e ，e x p e r i m e n t a ld a t aw e r eu s e dt od e d u c ep r e s s u r er e l a t i o ne q u a t i o nw i t hc h a n g i n g o ft h et u b u l a rm e m b r a n el e n g t ha n df l u xr e l a t i o n e q u a t i o nw i t hc h a n g i n go ft h e p r e s s u r e t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h ef i l t e rp r o c e s so fp u r ew a t e ra n dg l y c e r i t e t h ep r e s s u r eo fe v e r yt u b u l a r m e m b r a n ed e c l i n eg r a d u a l l yf r o mt h ee n t r a n c et ot h ee x i to fs y s t e m ；u n d e ri d e n t i c a l o u t l e tp r e s s u r ea n di n l e tf l o wr a t ec o n d i t i o n ，t u b u l a rm e m b r a n em o d u l e sw i t ht w o k i n d so fl e n g t hw e r eu s e dt of i l t e rp u r ew a t e ra n dg l y c e r i t e ，t h et e m p e r a t u r ee f f e c to n p r e s s u r ed r o po fe v e r yt u b u l a rm e m b r a n ew e r en o to b v i o u s ，t h ep r e s s u r ed r o p d e c r e a s es l i g h t l yw i t ht h er a i s eo ft e m p e r a t u r e ，b u tt h en u m e r i c a lv a l u eh a dl i t t l e c h a n g e ；u n d e ri d e n t i c a lt e m p e r a t u r ea n di n l e tf l o wr a t ec o n d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n t d e v i c ew h i c hw a sc o m p o s e do f1m e t e rl e n g t ht u b u l a rm e m b r a n ew a su s e dt of i l t e r p u r ew a t e r , t h ep r e s s u r ed r o pd e c r e a s es l i g h t l yw i t ht h er a i s eo fo u t l e tp r e s s u r e ；t h e e x p e r i m e n td e v i c ew h i c hw a sc o m p o s e do f3m e t e rl e n g t ht u b u l a rm e m b r a n ew a s u s e dt of i l t e rp u r ew a t e ra n d2 5 g l y c e r i t e ，t h ep r e s s u r ed r o po fe v e r yt u b u l a r m e m b r a n ed e c r e a s ew i t ht h er a i s eo fo u t l e tp r e s s u r e ，a n dt h e5 0 g l y c e r i t e ，t h e p r e s s u r ed r o pd e c r e a s es l i g h t l yw i t ht h er a i s eo fo u t l e tp r e s s u r e ；u n d e rt h ei d e n t i c a l t e m p e r a t u r ea n do u t l e tp r e s s u r ec o n d i t i o n ，t h et u b u l a rm e m b r a n em o d u l e sw i t ht w o k i n d so fl e n g t hw e r eu s e dt of i l t e rp u r ew a t e ra n dg l y c e r i t e ，t h ep r e s s u r ed r o po f e v e r y t u b u l a rm e m b r a n ei n c r e a s ew i t ht h er a i s eo fi n l e tf l o wr a t e ；t h et u b u l a rm e m b r a n e m o d u l ew i t ht w ok i n d so fl e n g t hw e r eu s e dt of i l t e r p u r ew a t e ra n dg l y c e r i t e ， p e n e t r a t i o na m o u n t so fe v e r yt u b u l a rm e m b r a n ei n c r e a s ew i t ht h er a i s eo f t e m p e r a t u r e ，i n c r e a s ew i t ht h er a i s eo fo u t l e tp r e s s u r e ，a n di n c r e a s ew i t ht h er a i s eo f i n l e tf l o wr a t e ；c o m p a r i n gt h ep u r ew a t e rs y s t e ma n dg l y c e r i t es y s t e m ，t h ev i s c o s i t y o ff i l t e rl i q u i dh a sc e r t a i ne f f e c to nf i l t e r i n gq u a l i t y , t h ep r e s s u r ed r o pi n c r e a s ew i t h t h er a i s eo fv i s c o s i t y , a n dp e n e t r a t i o na m o u n t sd e c r e a s ew i t ht h er a i s eo f v i s c o s i t y ( 2 ) m a k i n gu s eo ft h ed a t ao fp r e s s u r et e x t e di ne x p e r i m e n ta n dr e s i s t a n c el o s si n t h ef l o w i n gp r o c e s sc o m p u t e d ，t h e na c c o r d i n gt om e c h a n i c a le n e r g yc o n s e r v a t i o n e q u a t i o n ，t oo b t a i nt h ed i r e c tp r e s s u r eo fe n t r a n c ea n de x i t ，f i n a l l yd e r i v e dap r e s s u r e r e l a t i o ne q u a t i o n 尸( ，) = e o a “”，t h ee 1 t o rn o te x c e e d5 t h r o u g ht h ev e r i f i c a t i o n ；t h e a v e r a g ep r e s s u r e a n df l u xw e r eu s e dt of i tl i n e a r ，d e r i v e d af l u x r e l a t i o n e q u a t i o nf = 彳p + b ，t h r o u g ht h ev e r i f i c a t i o nt h ee r r o rw i t h i n5 b a s i c a l l y k e yw o r d s ：t u b u l a rm e m b r a n e ，p r e s s u r ed r o p ，p e n e t r m i o na m o u n t s ，i n l e tf l o wr a t e ， o u t l e tp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，e q u a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 膜的概念及分类1 1 1 1 膜的概念1 1 1 2 膜的分类l 1 2 膜分离及膜分离技术2 1 2 1 膜分离的概念2 1 2 2 膜分离技术的发展概况2 1 2 3 膜分离技术的特点3 1 3 管式膜的特点及应用3 1 3 1 管式膜的特点3 1 3 2 管式膜的应用4 1 4 课题研究的意义6 1 5 课题研究的内容7 第二章实验部分9 2 1 实验仪器及装置9 2 1 1 实验仪器及材料9 2 1 2 实验装置9 2 2 实验方法1 1 第三章各因素对管式膜过滤性能的影响结果分析1 3 3 1 管式膜过滤纯水结果分析1 3 3 1 1 规格l m 长的膜管串联组成装置过滤纯水1 3 3 1 1 1 进口流量对压力和透过液的影响1 3 3 1 1 2 设定的出口压力对压力和透过液的影响1 8 3 1 1 3 温度对压力和透过液的影响2 2 3 1 1 4 采用h 型弯头测定结果讨论2 6 3 1 2 规格3 m 长的膜管串联组成装置过滤纯水3 0 3 1 2 1 进口流量对压力和透过液的影响3 0 3 1 2 2 设定的出口压力对压力和透过液的影响3 3 3 1 2 3 温度对压力和透过液的影响3 5 3 1 2 4 弯头压力损失的影响3 7 3 1 3 两种长度规格管式膜过滤纯水结果比较3 9 3 2 管式膜过滤2 5 的甘油溶液结果分析4 1 3 2 1 进口流量对压力和透过液的影响4 1 3 2 2 设定的出口压力对压力和透过液的影响4 4 3 2 3 温度对压力和透过液的影响4 7 3 2 4 弯头压力损失的影响4 9 3 3 管式膜过滤5 0 的甘油溶液结果分析5 0 3 3 1 进口流量对压力和透过液的影响5 0 3 3 2 设定的出口压力对压力和透过液的影响5 3 3 4 管式膜过滤纯水和2 5 甘油溶液、5 0 甘油溶液结果比较5 6 第四章管式膜过滤过程压力及通量变化方程推导6 l 4 1 推导过程概述6 1 4 2 压力与膜管长度关系方程6 3 4 2 1 不同进口流量下的比较6 3 4 2 2 不同出口压力下的比较6 5 4 2 3 实验值与计算值的比较6 6 4 3 通量与压力关系方程6 7 4 3 1 不同进口流量下的比较6 7 4 3 2 不同出口压力下的比较。6 8 4 3 3 实验值与计算值比较6 8 第五章结论与建议7 1 5 1 结论7 1 5 2 建议7 2 参考文献。7 3 硕士期间发表文章及参加科研情况。7 7 致谢7 9 i i 第一章绪论 1 1 膜的概念及分类 1 1 1 膜的概念 第一章绪论 广义的“膜”是指分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递各种化学物质， 有选择性，它可以是均相的或是非均相的；对称的或是非对称的；固体的或液体 的；中性的或荷电性的【。简单地说，膜是分开两种流体的一个薄的阻挡层，这 个阻挡层阻止了这两种流体间的水力学流动【2 1 。 1 1 2 膜的分类 表1 1 膜分离过程及其摹本特征【3 1 膜的形态多种多样，最早采用的为平板式，之后有管式、卷式及中空纤维等。 从分离膜组件的外型可分为：平板膜、卷式膜、管式膜和中空纤维膜；从结构上 分：非多孔膜、多孔膜和液膜；根据被分离的物质的性质分为：气体分离膜、液 天津工业人学硕士学位论文 体分离膜、固体分离膜、离子分离膜和微生物分离膜；从膜的微孔及膜的分离特 性分：微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 、渗透蒸发( p v ) 等4 1 。 表卜1 列出了几种膜分离过程及其基本特征。 1 2 膜分离及膜分离技术 1 2 1 膜分离的概念 膜分离是利用天然或人工制备的具有选择透过性膜，借助膜的选择透过作用 以及膜两侧的某种推动力( 如压力差、电位差、温度差、浓度差等) 对混合物中 不同组分进行分离提纯的过程【5 】。常用的膜分离过程有微滤( m a c r o f i l t r a t i o n ) 、 超滤( u l t r a f i l t r a t i o n ) 、纳滤( n a n o f i l t r a t i o n ) 、反渗透( r e v e r s e o s m o s i s ) 、 电渗析( e l e c t r o d i a l y s i s ) 、渗透蒸发( p e r v a p o r a t i o n ) 、液膜( l i q u i dm e m b r a n e ) 、 渗析( d i a l y s i s ) 。图1 1 是膜分离性能示意图。 徽漕 超稳 纳漳 反渗滤 水。 图1 - 1 膜分离性能示意图 1 2 2 膜分离技术的发展概况 等 膜分离现象在大自然中，特别是在生物体内是广泛存在的【6 】。膜分离技术的 大发展和工业应用在2 0 世纪6 0 年代以后。1 9 6 0 年洛布( l o e b ) 和索里拉金 ( s o u r i r a j a n ) 【7 墩授制成了第一张高通量和高脱盐率的醋酸纤维素膜，这种膜具有 非对称结构，从此使反渗透从实验室走向工业应用，其后各种新型膜陆续问世。 1 9 6 7 年美国杜邦公司首先研制出以尼龙一6 6 为膜材料的中空纤维膜组件；1 9 7 0 年又研制出以芳香聚酰胺为膜材料的“p e r r n a s e p 一9 ”中空纤维膜组件，并获得 1 9 7 1 年美国柯克帕特里克化学工程最高奖。从此反渗透技术在美国得到速猛的 发展，随后在世界各地相继应用。其间微滤和超滤技术也得到相应得发展瞵j 。2 0 世纪8 0 年代后，膜分离技术和传统分离技术的结合，发展出一些新的杂化膜过 2 第一章绪论 程，如膜蒸馏、膜萃取及膜吸收等。据报道，世界膜产品市场销售额巳超过1 0 0 亿美元，且以1 4 - - - - 3 0 的年增长速度在发展，膜产业将成为2 l 世纪新型十大高 科技产业之一【9 1 。 近些年来，我国膜技术也有了长足发展。最早研制出并应用了中空纤维膜， 以后又研制出卷式膜、平板膜和管式膜等。在材料方面，研制出醋酸纤维素膜、 聚砜膜、聚偏氟乙烯膜等有机膜，以及氧化铝、氧化锆等无机膜【1 0 l 。 1 2 3 膜分离技术的特点 ( 1 ) 膜分离过程不发生相转变，与其它分离法相比，能耗低，因此膜分离技术 又称为节能技术； ( 2 ) 根据膜的选择透过性和膜孔径大小的不同，可以将不同粒径的物质分开， 使物质得以纯化但不改变其原有的属性； ( 3 ) 膜分离过程适用的对象广泛，大到肉眼看得见的颗粒，小到离子和气体分 子； ( 4 ) 膜分离过程可在常温下进行，特别适合于热敏性物质( 如果品、酶、药物) 的分离、分级和浓缩； ( 5 ) 膜分离工艺适应性强，处理规模有大有小，而其操作及维护也较方便、实 用，易于实现自动化控制，投资及运行费用低【】。 1 3 管式膜的特点及应用 1 3 1 管式膜的特点 目前，在工业上常用的膜组件有以下几种型式：管式膜组件，中空纤维式膜 组件，板式膜组件和螺旋卷式膜组件【i2 1 ，表1 - 2 是各种形式膜组件优缺点比较。 在诸多的膜品种中，管式膜有以下优点： ( 1 ) 流道宽，料液在管内湍流流动，膜不易污染： ( 2 ) 对料液的预处理精度要求低； ( 3 ) 管式膜易于清洗，除可用化学试剂清洗外，还可以用机械方法进行清洗。 目前管式膜有聚乙烯烧结管支撑的管式膜、陶瓷管式膜和无纺布支撑的管式 膜等。聚乙烯烧结管支撑的管式膜由于受聚乙烯烧结管的限制，其长度、强度和 使用性能都不适合工业化大规模应用；陶瓷管式膜制造工艺复杂，成本高，价格 昂贵，目前还没有大规模的工业应用；无纺布支撑的管式膜由于采用无纺布卷制 的管作支撑层，克服了上述两种膜的缺点，生产工艺相对简单，易于生产加工， 天津，【：业火学硕士学位论文 而且生产品种较多，如：微滤、超滤、纳滤等：膜材质较多，如p v d f 、p s f 、p e s 、 p a n 以及复合膜等。产品规格多样化，膜组件可长可短，从1 m 到4 m 或更长，都 可以生产【1 3 】。 表1 2 各种膜组件的优点、缺点 1 3 2 管式膜的应用 目前人们主要将管式膜应用于以下几个方面。 l 、在食品工业中的应用 ( 1 ) 白酒生产中的应用 以超高分子聚乙烯为主要原料制造的管式膜，可有效拦截酒中现有其他手段 难以去除的非溶解固形物，如粉末活性炭、胶体等。固形物高达2 0 m g l 的酒液， 经硅藻土过滤机及高分子片式过滤机处理三次之后，固形物指标基本无变化。用 专用管式膜元件的过滤装置处理一次即达到国家标准要求【1 4 】。 ( 2 ) 果蔬汁澄清 管式超滤膜技术用于果汁过滤。传统的果汁澄清工艺主要有离心分离、酶解、 硅藻土过滤及纸板过滤等工序。而采用超滤技术后省去了后面的3 道工序，加工 时间从原来的1 2 小时，缩短到4 小时内，果汁回收率将从8 0 - - 9 0 提高到9 5 - 9 9 。然后用反渗透膜分离设备对超滤的清汁进行浓缩，既保持了果汁原来的风 味，又大大的节约了成本【l5 1 。 ( 3 ) 净化玉米糖浆。 在玉米湿磨法工业中，玉米淀粉在酸或酶以及高温条件下被转化为玉米糖 4 第一章绪论 浆，转化后玉米糖浆还含有“糖泥”包括未转化的淀粉、玉米油和高分子量的蛋 白质，传统的处理方法是用预涂真空鼓式过滤机或加压叶滤机。采用微滤管式膜， 不仅滤后产品质量高，而且滤泥不带硅藻土等杂质，可作动物饲料，操作费用低 【1 6 】 o 2 、在生物工程方面的应用 膜分离在处理发酵液中被认为是一种非常有效的手段，它通过增加细胞液的 浓度来提高发酵液的产量。错流过滤和中空纤维膜组件虽然可以提高稀薄液的浓 度，却因为膜污染而缩短了细胞液的培养时间。旋转动态管式膜过滤方法被认为 是一种很有效的方法，是八十年代初开发出的一种新型膜器，膜的旋转过程中所 产生的t a y l o r 涡能有效地使膜污染减小到最低程度。日本的n a k a n o ，k a z u n o f i 等 人研究旋转陶瓷膜时，在分离细胞培养液的过程中，分别以充气和未充气的酵母 细胞悬浮涟为研究对象，发现充气的细胞培养液的过滤通量显著高于未充气的细 胞培养液的过滤通量【1 7 】。 3 、在水处理和废水处理方面的应用 ( 1 ) 膜生物反应器 进入9 0 年代中后期，膜生物反应器在国外已进入了实际应用阶段。加拿大 z e n o n 公司首先推出了超滤管式膜生物反应器，并将其应用于城市污水处理。管 式膜生物反应器的处理对象不断拓宽，除中水回用、粪便污水处理以外，膜生物 反应器在工业废水处理中的应用也得到了广泛关注，如处理造纸废水【l8 1 、石油化 工废削19 1 、调味品生产废水【2 0 1 、中药废水2 1 之2 1 、高含盐有机废水2 3 1 ，均获得了 良好的处理效果。 ( 2 ) 饮用水中有害物质的去除 饮用水主要强调水的浊度、微生物和微污染物的含量要低于一定的标准。由 于资源有限，在工农业中很多时候需要对水进行循环使用，水在循环使用之前必 须经过处理。膜分离技术主要用于水的第三级处理，以达到消毒灭菌的目的。最 大限度地除去水中的悬浮颗粒和胶体是非常必要的，传统的流床过滤在这方面有 较大的局限性。残留物所产生的浊度与操作条件有关，并且要保持水的浊度始终 低于一定水平( o n 0 1 或0 2 n t u ) 几乎是不可能的，因为水中与微生物粒径相当的 微米级的微粒是最难过滤的，实验表明，微滤管式膜可以使水的浊度达n 0 1 0 2 n t u ( 根据水的特性可添加或不加絮凝剂1 【2 4 1 。 ( 3 ) 乳化液废水处理 机械加工厂的废冷却液中含有金属细粉和矿物油等，其中矿物油呈乳化油状 态存在，油一水两相体系稳定，不易分离，成为含油废水处理的难点。国内通常 采用的处理工艺有破乳+ 气浮+ 生化处理等，工艺流程长，投资较高，处理效果不 天津工业人学硕士学位论文 理想。采用管式膜处理含乳化液废水，可以有效去除废水中油类，达到国家排放 标准，还可以回收废乳化油【2 5 】。 ( 4 ) 电泳漆回收利用 汽车、家电等行业在涂装过程采用电泳漆，电泳漆在使用过程中，要定期更 换一部分水。由于水中含有大量电泳漆，直接排放，将造成严重的环境污染，而 且浪费大量电泳漆，增加成本。采用管式膜处理电泳漆废水，废水中的电泳漆被 浓缩回收，透过液达标排放，既解决了环保问题，又回收了电泳漆，降低了成本 【2 6 1 。 1 4 课题研究的意义 膜分离技术作为一项新兴的高效分离技术。其分离过程是一个无相变、能耗 低、效率高的分离过程。在能源紧张、资源短缺、生态环境恶化的今天，产业界 和科技界把膜过程视为2 1 世纪工业技术改造中的一项极为重要的新技术，它的开 发应用具有非常重要的意义。同时关于膜分离技术的重要性，国外有关专家把膜 技术的发展称为“第三次工业革命”，日本则把膜技术作为2 1 世纪的基盘技术进 行研究和开发。世界著名的化工与膜专家、美国国家工程院院士、北美膜学会会 长黎念之博士在访问我国化工部时说“要想发展化工就必须发展膜技术”【27 1 。 由此可知，膜分离技术对国民经济的发展扮演着十分重要的角色，它的发展前景 十分广阔。 管式膜作为膜组件的一种，因其具有易于清洗、预处理要求精度低等诸多优 点，已经在很多方面得到了应用。但是关于管式膜内流体动力学理论的研究却并 不多。国内的一些文献，大多是关于旋转切向流管式膜内传质机理、渗透通量、 流场和能耗等的研鳅2 8 。3 4 】；国外的文献中【3 5 铂】，多是采用c f d ( 计算流体力学) 方法模拟管式膜内的错流过滤，然后考察其对浓差极化层和膜污染的影响，提出 优化膜性能参数的建议，另外还有利用纳维斯托克斯方程、达西定律和物质传递 方程等预测管式膜内壁浓差极化层的变化，量化各种因素在错流过滤过程中对浓 差极化层的影响等。c h i k h im u s t a p h a 4 5 等曾在文章中考察过跨膜压差、膜管长度 对渗透通量的影响；d a v i dam a s c i o l a 【4 6 j 等利用油水乳液分离实验考察了管式超 滤膜中错流速率、跨膜压差、料液粘性系数和渗透通量的关系。为了更加完善管 式膜的应用效果，我们拟通过实验研究管式膜内流体动力学条件，考察这些因素 对管式膜性能的影响，为实际应用过程中综合考虑各个因素提供依据，便于管式 膜性能得到更好的发挥，并且最大限度的降低能耗。 本课题主要研究的是管式膜在过滤纯水和甘油过程中，温度、出口压力、进 6 第一章绪论 口流量等不同条件对其压力损失和透过液量的影响。通过实验，总结出其中的规 律，为管式膜过滤过程提供数据上的比对，完善基础的理论体系。 1 5 课题研究的内容 本次实验采用自制的8 根管式膜组件自下而上组装成管式膜串联装置，在各 膜管管件间的弯头连接处接压力表测定每根管的进出口压力，同时测定膜管的透 过液量。通过改变进口流量、出口压力、温度和实验流体等条件，考查不同条件 下，膜管内压力降及透过液量的变化。具体研究内容主要包括以下几方面： 1 利用纯水作实验，测定不同温度、不同出v i 压力及进v i 流量下，各膜管的 进出口压力和透过液量，考察膜管内压力降及透过液量变化。 2 利用甘油作实验，考察不同温度、不同出口压力及进口流量下，各膜管内 压力和透过液量变化，考察膜管内压力降及透过液量变化。 3 改变甘油测定系统的膜管长度，比较相同运行条件下不同膜管长度的测定 结果。 4 相同运行条件下甘油与纯水系统作比较，考查不同流体粘度对管式膜性能 的影响。 5 利用实验测得的数据，推导压力与膜管长度关系方程及通量与压力关系方 程。 7 天津i ：业人学硕+ 学位论文 8 第二章实验部分 2 1 实验仪器及装置 2 1 1 实验仪器及材料 第二章实验部分 弟一早 头砸郁万 表2 1 实验仪器及材料 2 1 2 实验装置 实验流程示意图见图2 1 ，实验装置实物图见2 2 。 9 天津j i ：业人学硕+ 学位论文 5 图2 - 1 实验流程示意图 1 水箱2 阀门3 泵4 压力表5 温度计6 管式膜组件7 流量计8 过滤液体 9 换热器 图2 - 2 实验装置图 1 0 第二章实验部分 如图2 2 所示，实验装置主体管式膜过滤装置由8 根自下而上排列的管式膜 通过弯头( 弯头按照由进口到处口的顺序依次定为1 7 号) 首尾相连接组成， 按照自下而上的顺序依次定为l - - , 8 号膜管。实验过程中，通过泵将水箱中的流 体送至管式膜装置中，流体由1 号膜管自下而上依次流入其余7 根膜管，在流体 流过8 号膜管后再流回水箱，同时每根膜管上设置透过液出口，8 根膜管透过液 集合后也流回水箱；操作时通过调节进水和出水阀门来改变进口流量和出口压 力；水箱中插入温度计，并在水箱中设置换热器，实时监控并保持水温恒定；每 个膜管间的弯头连接处通过软管和压力表连接，测定进出口压力( 按照自下而上 流经顺序对压力测定口进行编号，h 型弯头有9 个测定口，h 型弯头有1 6 个测 定口) ；每根膜管的透过液出口通过软管连接流量计测定透过液量，所有透过液 经软管连接汇合至集合管。 2 2 实验方法 实验中，具体操作方法如下： 1 、采用8 根l 米长膜管首尾连接组成实验过滤装置，对纯水进行过滤，首 先各膜管间采用h 型弯头连接( 即看做前一根管出口压力与后一根管进口压力相 同) ，设定温度在1 9 0 c ，出口压力为o m p a 时，调节到不同进口流量下，测定各 管的压力和透过液量，并计算各管压力降；再在同一温度下调节出口压力分别到 0 0 5m p a 、o 1m p a 、0 1 5m p a 、0 2m p a 、0 2 5m p a 、0 3m p a 和0 3 5 m p a ，测定 各进口流量下各管的压力和透过液量，并计算各管压力降；改变温度到1 5 c 、 2 5 和3 0 ，重复上述操作； 2 、1 米膜管连接成的串联装置过滤纯水，更换h 型弯头为h 型弯头( 两种弯 头的差异见图2 3 和2 4 ) ，h 型弯头测定每根膜管的进出口压力，去掉弯头的压 力损失。在2 5 、不同出口压力和进口流量条件下，分别测定每根管的进出口 压力，考察弯头压力损失对纯水系统压力损失的影响； 嘎鼍 秀列 图2 3 h 型弯头实物图图2 _ 4 h 型弯头实物图 天津工业火学硕士学位论文 3 、更换为8 根3 米长膜管，通过首尾连接组成实验过滤装置，对纯水进行 过滤，采用h 型弯头，测定1 9 、2 5 、3 0 和3 5 ，各出口压力及不同进口 流量下的各管的压力和透过液量，再将h 型弯头更换为h 型弯头，在2 5 c 、不 同出口压力和进口流量条件下，分别测定每根管的进出口压力，考察弯头压力损 失对系统压力损失的影响。 4 、3 米膜管连接成的实验装置，改变测定流体为质量浓度2 5 的甘油溶液， 采用h 型弯头，测定3 0 、3 5 、4 0 和4 5 ，各出口压力及不同进口流量下 的各管的压力和透过液量，更换为h 型弯头，在4 5 、不同出口压力和进口流 量条件下，分别测定每根管的进出口压力，考察弯头压力损失对甘油系统压力损 失的影响。 5 、3 米膜管连接成的实验装置，改变测定流体为质量浓度5 0 的甘油溶液， 采用h 型弯头，测定3 5 和4 0 ，各出口压力及不同进口流量下的各管的压力 和透过液量。 1 2 第三章各冈素对管式膜过滤性能的影响结果分析 第三章各因素对管式膜过滤性能的影响结果分析 3 1 管式膜过滤纯水结果分析 3 1 1 规格l m 长的膜管串联组成装置过滤纯水 3 1 1 1 进口流量对压力和透过液的影响 首先取温度1 5 。c 、出1 ：3 压力为o m p a 和0 1 m p a 时的实验数据，作单根管的 压力降随进口流量变化图和总压力降随进口流量变化图，见图3 1 和3 2 。 进u 流量( l h ) 图3 1 温度1 5 c ，出1 ：3 压力为o m p a ，1 号膜管在不同进口流量下的压力降拟合曲线 进口流量( l h ) 图3 - 2 温度1 5 c ，出1 3 压力为o m p a 和0 1 m p a ，不同进1 3 流量下的总压力降拟合曲线 1 3 & 窆v 逝r 鹾 畲v逝r邕蘧 天津- t 业人学硕士学位论文 根据图3 - 1 和3 - 2 可以看出，无论是单根膜管的压力降还是系统的总压力降 均随着进口流量的增大而增大。并且在图中利用不同进口流量下的实验实测数值 点，作1 号膜管压力降和总压力降随进口流量变化的多项式拟合曲线，可以得到 如下形式的方程， p = a + b q 进+ c q 进2 ( 3 - 1 ) 式中，q 进为进水流量( 单位为l h ) ，p 为压力降( 单位m p a ) ，a 、b 、c 为系数。 根据拟合结果，图3 1 中拟合曲线的相关系数为0 9 9 9 1 6 ，3 - 2 中的两条拟 合曲线相关系数为0 9 9 9 2 分别为0 9 9 8 8 3 ，拟合相关性较好，所以可以认为压 力降与q 进2 成正比关系，即随着进口流量的增加，压力降增大。 另外，根据管路中的阻力损失方程【4 7 】： 厅，：a 三一u 2 ( 3 2 ) 。d2 式中，h ，为阻力损失( 单位j k g ) ，五为雷诺准数和相对粗糙度的函数( 无 量纲) ，为管路长度( 单位m ) ，d 为管路直径( 单位m ) ，u 为管路中流体流动 速度( m s ) 。 同时根据流速与流量关系方程： “：里 么 式中，q 为流过该管段横截面的流量( 单位m 3 s ) ， ( 单位m 2 ，彳：笙) 。 4 ( 3 3 ) 彳为管路的横截面积 将式3 - 3 代入3 - 2 中，得到 驴磅筹，= 筹 4 ， 由式3 4 可以看出，膜管中的阻力损失与其中的流量q2 呈正比关系，即流 该管段横截面的流量越大，管路中的阻力越大。 取温度2 5 c ，出口压力0 m p a 时，不同进1 ：3 流量下的透过液量数据作图。 1 4 第三章各冈素对管式膜过滤性能的影响结果分析 2 0 蝴l 矮 捌 蜊 图3 3 温度2 5 。c ，出口压力o m p a 时，不同进口流量下的透过液量 图3 - 4 温度2 5 c ，出口压力o m p a 时，1 号膜管的透过液量随进口流量变化 根据图3 3 ，在出口压力为o m p a 时，单独看每个进口流量条件下各膜管的 透过液量都随系统进口到出口的顺序不断下降。比较不同进口流量下的各膜管透 过液量变化曲线可以看出，进口流量为2 0 0 0 l h 的透过液量曲线位于最上方，进 口流量为8 0 0 l h 的透过液量曲线位于最下方，即进口流量越大，透过液量越多， 结合图3 4 中1 号膜管的透过液量随进口流量变化曲线，也说明了透过液量随进 口流量的增大而增大。这是因为系统进口流量增大引起了压力的增加，而压力的 增加又导致膜通量的增大，膜通量的增大就使膜管的透过液量变多。 同时从图3 3 上还可以看出，不同进口流量引起的透过液量差异在进口处的 膜管较大，而随着接近出口，差异越来越小，这是因为进口流量较大时，透过液 量增加，进入后续膜管中的流量也相应增加，由式3 4 知阻力也越大，所以压力 降大，即进口流量越大的条件下，随着向后续膜管流动压力下降也越快，而进口 1 5 天津上业人学硕十学位论文 流量小的条件下，随着向后续膜管流动压力下降相对较慢，所以在膜管进口处不 同进口流量条件下引起的压力差为最大，随着向后续膜管流动，不同进口流量条 件下的压力越来越接近，由于透过液量随压力增大呈正比增长( 见图3 5 ，压力 与膜管通量关系曲线) ，因此而带来的透过液差异也就越来越小。 图3 5 管式膜过滤纯水过程通量与压力关系曲线 图3 - 6 温度1 9 、出口压力为o m p a ，不同进口流量下的压力变化 如图3 - 6 所示，在相同温度、相同出口压力条件下，单独看每个进口流量下 的压力变化曲线都是比较有规律的下降的直线，即随着由系统进口到出口的位置 变化，各压力测定口的压力呈不断下降的趋势；比较不同进口流量下的每个测定 口的压力看出，压力随进口流量的增加而增大，进口流量8 0 0 l h 时压力最小， 进口流量2 2 0 0 l h 时最大，并且观察由进口到出口的9 个压力测定口的压力变化 曲线，曲线的斜率随进口流量的增加而增大，这也说明进口流量大，膜管由进出 1 6 到出口的压力降大。 o 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 o 02 0 0 1 o 0 0 膜管编号 图3 7 温度1 9 。c ，出口压力为o m p a 时不同进口流量下压力降变化 o o7 o 0 6 o 0 5 墨0 0 4 皇 遵0 0 3 r 出0 0 2 o 0 1 o o o 膜管编号 图3 8 温