（化工过程机械专业论文）脉冲过滤的特性研究.pdf

摘要 本文在现有膜微滤的基础上，首次提出脉冲过滤，开辟了固一液分离新途径。具体过 程是用脉冲控制阀控制过滤在终端过滤和十字流过滤之间来回转换，即一个脉冲同期分作 两阶段，先进行终端过滤，当过滤速率下降到一定值时，采用短时间的十字流过滤，完成一 个脉冲周期。这不仅综合十字流过滤能扫除滤饼和终端过滤起始阶段过滤速率高的优点， 同时脉冲控制阀来回转换产生的脉冲波还能抑制滤饼的沉积。 在理论上，根据脉冲过滤物料在一个脉冲周期内的质量守衡，建立物料在膜管内的浓 度变化的数学模型，并推导出物料浓度随时阊和空间位置变化雨变化的关系式，关系式经 实验验证能正确反映脉冲过滤各操作工况，从而在覆盖层模型的基础上，能确定出脉冲过 滤的最佳操作时间。 脉冲过滤的实验研究表明：脉冲过滤在阀开启阶段能扫除部分终端过滤沉积下来的滤 饼，在相同的工况下，脉冲过滤的过滤效率远远高于十字流过滤和终端过滤。同时，周期 越长，过滤速率越高，但其衰减也较快；相反宽度越大，速率衰减较慢，但过滤速率也较 低：脉冲压力与过滤速率成正比；另外实验还表明脉冲过滤更适合于高浓度且易形成滤饼 的物料，这些实验数据为脉冲过滤能在工业中应用奠定了很好的基础。 关键词：脉冲陶瓷膜微滤 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , an e wk i n do ff i l t r a t i o nm e t h o d - - r 。 i m p u l s ef i l t r a t i o n i sp u tf o r w a r da f t e r a n a l y z i n g t h ew e a k n e s so ft h ef i l t r a t i o nm e t h o d se x i s ti nt h ew o r l dn o w d a y sa n ds t u d y i n gt h e i m p u l s et e c h n i q u eu s e ds u c c e s s f u l l y i ns o l i d g a ss e p a r a t i o n 1 1 1 ep r o c e s sc a r lb ed i v i d e di n t ot w o s u b p r o c e s s e s ，t h e f i r s ts u b p r o c e s si sd e a d e n df i l t r a t i o n w h e nt h ef i l t r a t i o nv e l o c i t yo f t h ef l r s t s u h p i o c e s sd e s c e n d a tac e r t a i nv a l u e ，t h es e c o n ds u b p r o c e s s ，w h i c hi sas h o r tt i m ec r o s s f l o w f i l t r a t i o n ，t a k ep l a c e d e a d - e n df i l t r a t i o ni sr e p l a c e db yt h es h o r tt i m ec r o s s f l o wf i l t r a t i o n ，a i m p u l s ec y c l ei sc o m p l e t e d 1 1 1 ea d v a n t a g eo f t h ed e a d e n df i l t r a t i o na n dc r o s s - f l o wf i l t r a t i o n h a v eb e e ns u c c e s s f u l l ye m b o d i e di nt h i sn e wf i l t r a t i o nm e t h o d ，a n dt h ed e p o s i to f p a r t i c l e sh a s b e e ni m p r o v e d b y t h ei m p u l s ew a v e t h e o r e t i c a l l y ，a c c o r d i n g t ot h ec o n s e r v a t i o no ft h em a t t e r d u r i n g a i m p u l s ec y c l e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h ec h a n g eo f t h em a t t e r d e n s i t y i nc e r a m i c s t u b eh a sb e e n e s t a b l i s h e d ， a n dt h e r e l a t i o n s h i pa m o n g m a t t e r d e n s i t ya n d t i m ea n d p l a c ei sd e d u c e d c o n c l u s i o no fe x p e r i m e n tr e s e a r c ho fi m p u l s ef i l t r a t i o n ：f o ri m p u l s ef i l t r a t i o n ，d u r i n gt h e p e r i o dw h e nt h ei m p u l s ev a l v ei so p e n , t h ei m p u l s ew a v ec l e a nu pp a r t l yt h ec a k ed e p o s i t e d d u r i n gt h ed e a d - e n d f i l t r a t i o np e r i o d t h e e f f i c i e n c yo f i m p u l s e f i l t r a t i o ni so b v i o u s l y g r e a t e rt h a n t h a to f d e a d - e n df i l t r a t i o na n dc r o s s f l o wf i l t r a t i o na tt h es a m ec o n d i t i o n s t h el o n g e rt h e c y c l ei s t h eg r e a t e rf i l t r a t i o nv e l o c i t yc a nb eg e t , b u ti td e d u c e sq u i c k l y ；o nt h ec o n t r a r y , t h eg r e a t e rt h e w i d t hi s ，t h ed e d u c eo ft h ef i l t r a t i o nv e l o c i t yi ss l o w e r , b u tt h ev a l u eo fi ti ss m a l l ；n e i m p u l s e p r e s s u r ei sp r o p o r t i o n a lt ot h e f i l t r a t i o nv e l o c i t y ；m o r e o v e r ，t h e e x p e r i m e n t r e s e a r c ha l s oi n d i c a t e t h a tt h e i m p u l s e f i l t r a t i o nm e t h o di sm o r eu s e f u lt ot h e s u s p e n s i o n st h a ti sd e n s ea n de a s y t of o r m c a k e n ed a t eg e tf r o mt h ei m p u l s ef i l t r a t i o ne x p e r i m e n tw i l lp r o v i d ea g o o d b a s ef o rt h e u s i n g o f i m p u l s e f i l t r a t i o ni ni n d u s t r y k e y w o r d ：i m p u l s e c e r a m i c sm e m b r a n e m i c r o - l f j i i t r a t i o n 重王 沈阳化工学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除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过的研究 成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献也已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名：嶙日期：掣? ，f ， 沈阳化工学院学位论文使用授权声明 沈阳化工学院有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其它自制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。在保密期外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的分布( 包 括刊登) 授权沈阳化工学院研究生部办理。 研究生签名：型婵导师签名趔日期：掣、一， 沈阳化工学院碳士学位论文 第1 章绪论 1 1 脉冲过滤 第1 章绪论 膜在自然界中，特别是生物体内是广泛而恒久存在的，它与生命起源和生命活动密切 相关，是切生命活动的基础。膜过程在许多自然现象中发挥了重大的作用，在现代经济 发展和人民的日常生活中也扮演着熏要的角色。 在人类的生活实践中，人们早已不自觉地接触和应用了膜过程。在我国汉代的淮南 子中已有制豆腐的记叙，这可以说是人类利用天然物制得“人工薄膜”的记载。但在随 后的漫长历史进程我国的膜技术没有得到应有的发展。在国外2 0 0 多年以前，n o l l e t 在1 7 4 8 年就注意到了水能自发地扩散通过猪膀胱而进入到酒精中的渗透现象，但由于受到人们认 识能力和当时科技条件的限制，过了l o o 年，1 8 6 4 年t r u b e 才成功地研制出人类历史上第 一片人造膜一亚氰铜膜。随后，研究工作一直徘徊不前，虽有g i b b s 的渗透压理论及热力 学理论做基础，但由于没有可靠的膜可供采用，研究工作曾一度被迫停顿。2 0 世纪早期膜 技术尚未在工业中应用，也未形成产品，只是到了2 0 世纪中叶，由于物理化学、聚台化 物化学、生物化学、医学和生理学筹学科的深入发展，新型膜材料及制膜技术的不断开拓， 各种膜分离技术才相继出现和发展，并渗入研究和工业生产的各个领域。反渗透、超滤、 电渗析和气体膜分离等技术开始在水的脱盐和纯化、石油化工、轻工、纺织、食品、生物 技术、医药、环境保护领域得到应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。膜分离过程 作为一门新型的高分离、浓缩、提纯及净化技术，在近3 0 年来发展迅速，已在各个工业 领域和科学研究中得到了广泛的应用【l 】。 膜分离是指通过特定的膜渗透作用，借助于外界能量或化学位差的推动，对两组分或 多组分混合的气体或液体进行分离、分级、提纯和富集的一种方法，且分离所用的膜必须 使有的物质通过、有的物质被截留。 作为一种新的分离净化和浓缩技术，膜分离的过程中大多没有相变化，而且在常温下 操作，具有高效、节能、工艺简单、投资少、污染小等优点，特别是对于处理热敏物质领 域如食品、药品和生物工程的产品时，显示出极大优越性。膜分离操作与传统分离操作( 如 蒸发、萃取或离子交换等) 相比较，不仅可以避免组分受热变性或混入杂质，而且还具有 能耗低、效率高等特点，因而具有显著的经济效益，故其发展相当迅速o 。 微孔膜过滤( m f ) 是世界上开发应用最早的膜过滤技术。以天然的高分子聚合物制成 的微滤膜的现代过滤技术始于1 9 世纪中叶，早在1 0 0 年以前在实验室中以制得了微孔滤 膜，但对于膜分离技术的系统研究始于2 0 世纪。1 9 0 7 年b e c h h o l d 制得系统化多孔火棉胶 膜并发表了第一篇研究微滤膜性质的报告，首先提出了用气泡法测微滤膜孔径。1 9 1 8 年 g s i g m o n d y 等人最早提出规模生产硝化纤维素的方法，并于1 9 2 1 年获得专利。1 9 2 5 年在 德国歌丁根成立了世界上第一个微滤膜公司s a r t o r i u sg m b h ，专门生产和经销滤膜。 4 鲨塑些! ：兰堕翌主兰竺笙兰星旦兰! 童生 第二次世界大战后，美英等国得到德国微滤公司的资料，于1 9 4 7 年相继成立了工业生产 机构，开始生产硝化纤维素微滤膜，用于水质和化学的检验。1 9 6 0 年s o u r i r a j a n 和l o e b 公布了著名的l s 膜制备工艺。从2 0 世纪6 0 年代开始，随着聚合物材料的开发，成膜机 理的研究和制膜技术的进步，微滤膜的发展进入到一个飞跃发展的阶段。膜品种扩大到 c a c n 、聚酰胺、p v d f ( 聚偏二氟乙烯) 、p a n ( 聚丙烯腈) 、p c ( 聚碳酸酯或磷脂酰胆碱) 、 p e s ( 聚醚砜) 、p s ( 聚苯乙烯) 、p p ( 聚丙烯) 、p e ( 聚乙烯或磷脂酰乙醇胺) 和p t f e ( 聚 四氟乙烯) 、聚脂和无机膜陶瓷材料( 氧化锆和氧化铝) ，此外，还可利用玻璃、铝、不锈 钢和增强的碳纤维作膜材料等。制膜工艺从完全挥发相转化扩大到凝胶转化、控制拉伸、 核辐射腐蚀制孔等；孔径范围从0 1 p m 到7 5 1 n 系列化；组成形式从单一的膜片滤器到板 式、中空纤维式和卷式等。应用范围从实验室的微生物检测急剧发展到制药、医疗、饮料、 生物工程、超纯水、饮用水、石化、环保、废水处理和分析检测等广阔的领域之中1 3 j 。 微孔过滤是以静压差为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。微孔滤膜 具有比较整齐，均匀的多孔结构，在静压力的作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，比膜孔 大的粒子则被阻拦在滤膜面上，使大小不同的组分得以分离，其作用相当于“过滤”。由 于每平方厘米滤膜中约包含数千万至亿的小孔，孑l 隙率占总体积的7 0 一8 0 ，故阻力很小， 过滤速度较快。 微滤同反渗透、纳滤、超滤一样，均属于压力驱动型膜分离技术。微滤主要从气相和 液相物质中截流微米及纳米级的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红血球、污染 物等以达到净化、分离、和浓缩的目的，被分离粒子的直径的范围为0 0 8 - 1 0 p m 。 现阶段微滤主要有静态过滤( 即终端过滤) 和动态过滤( 即十字流过滤) 两种操作模 式。 在静态操作中，原料液置于膜的上游，在压差推动下，溶剂和小于孔径的颗粒透过膜， 大于膜孔径的颗粒则被截留，该压差可通过对原料液侧加压或抽真空产生。在这种无流动 操作中，随着时间的增长，被截留颗粒将在膜表面形成滤饼层，使过滤阻力增加，随着过 滤的进行，滤饼层不断增厚和压实，使过滤阻力不断增加，在操作压力不变的情况下，膜 渗透量将下降。因此，静态操作只能是间歇的，必须周期性的停下来清除膜表面的污染层 或更换膜。但静态操作简便易行，适于实验室等小规模场合。对于固含量低于0 1 的料液 通常采用这种形式，固含量在0 1 0 5 的料液则通过预处理。 在动态操作中，原料液以切向方向流过膜表面，在压力作用下通过膜，料液中的颗粒 被膜截溜而停留在膜表面形成一层滤饼层。与静态操作相比，不同的是料液流经膜表面时 产生的高剪切力可使沉积在膜表面的颗粒扩散返回主流体，从而被带出微滤组件。由于过 滤导致的颗粒在膜表面的沉积速度与流体流经表面时由速度梯度产生的剪切力引发的颗 粒返回主流体的速度达到平衡，可使过滤速率在较长的一段时间内保持稳定o 。 分离膜是膜分离技术的核心。在膜分离技术领域，膜材料的化学性质和膜的结构对膜 分离的性能起着决定性的影晌。目前使用得分离膜大多数是高聚物膜，用无机材料制成的 沈阳化工学院硕士学位论文 第1 章绪论 分离膜仍属少数。但随着膜分离技术的飞速发展，无机膜越来越受到世界各国的关注。 无机膜的研究和应用始于2 0 世纪4 0 年代，其发展可分为3 个阶段：2 0 世纪4 0 年代 至7 0 年代，主要是核原料铀同位素的分离，在核工业的应用阶段；2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代，主要用于水质处理、乳制品、饮料等工业的液体分离应用阶段，特别是8 0 年代中 期溶胶一凝胶技术的出现，将无机膜的研究和应用推向一个新的高潮；2 0 世纪9 0 年代以后， 无机膜的研究与应用进入的第三个阶段，即以气体分离应用为主和陶瓷膜分离器一反应器 组合构件的研究阶段，是以膜催化反应为核心的全面发展时期。 无机膜与有机膜相比，具有良好的热稳定性、良好的化学稳定性以及很高的机械强度， 而且无机膜具有很好的抗微生物能力，清洁状态又好，分离性能还强，因此在化工、环保、 生物等工业具有广泛的应用领域，所以它的研究与应用，己成为当代膜科学技术领域中的 重要组成部分。无机膜可用于环己烷脱氧制苯、水蒸气转化、c l a u s 法处理硫化氢等高高 温反应分离场合，而有机膜却不能应用于这些温度高于2 0 0 c 的反应分离场合f 4 j 。 无机膜大多以金属氧化膜、陶瓷、多孔玻璃为材料，可分为致密膜、多孔膜及复合非 对称三神类型。而在无机膜的研究与应用中，又以陶瓷膜最为广泛，陶瓷膜已在食品、医 疗、生物、化工等领域得到了较为广泛的应用。 陶瓷是一种以耐火原料为骨架，配以结台剂等材料经过高温烧结而成的过滤材料。在 陶瓷内部有大量贯通的可控孔径的微细气孔。它除具有耐高温、耐高压、耐酸、耐碱等特 性外，还具有孔径均匀，透气性高等优点，因此可应用作过滤、分离、布气和消音材料“，。 与其它过滤材料相比，陶瓷作为过滤材料具有以下优点： 1 陶瓷过滤材料孔隙率高，最高可达6 0 以上。孔径均匀且易于控制。适用于各神悬 浮过滤。 2 耐酸碱性好。可适用于强酸( 硫酸、硝酸、盐酸) ，强碱( 氢氧化钠等) 和各种有机 溶剂的过滤。 3 机械强度高。工作压力可达6 m p a ，压差可达1 m p a 。 4 耐高温。具有良好的急冷急热性能，工作温度最高可达8 0 0 c ，适用于各种高温气 体过滤。 5 过滤元件自身清洁性好，无毒、无昧、无异昧脱落，可适用于无菌处理操作。 6 过滤元件使用寿命长，长期使用，微孔形貌不发生变化，便于清洗再生。 陶瓷膜除了具有陶瓷过滤材料的优点外，还具有膜层薄，过滤阻力小以及过滤精度高 等特点。由于陶瓷膜具有这些其它过滤介质无法比拟的优点，因此其产业化发展迅速。 膜分离技术具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和节能等优 点t 已作为一种单元操作日益受到人们的重视。但是，影响膜分离在工业生产中的大量应 用的重要原因是膜的污染问题，膜的污染不仅使膜的渗透通量下降，而且使膜发生劣化， 导致膜的使用寿命缩短。所以深入了解膜产生污染的各种原因，研究防止膜污染的理论， 提高膜通量和寿命的方法就显得十分重要。 沈m 化工学院硕士学位论文 第l 章绪论 多年来，人们为消除或减轻浓差极化和膜污染做了很多工作，也取得了许多成果。最 初，人们用横向过滤方式( 错流操作方式或十字流操作方式) 代替终端过滤方式。 因为终端过滤存在着如下的缺点：随着过滤过程的进行，被截留的固体颗粒逐渐沉积 形成滤饼层，滤饼层的出现增大了滤浆过滤时的阻力，使得滤浆的过滤速度减慢，极大地 影响了过滤效率，有时甚至会因为过滤介质的孔隙严重堵塞而使得过滤过程无法进行。为 了增大过滤效率并保持稳定的过滤速度，就必须增大推动力即过滤压力，但过滤压力增大 后又会压实滤饼层，造成滤饼层的透过率降低、过滤介质的孔隙迅速被堵塞，这同样也降 低了过滤速率，影响了过滤效率。至此，我们可以看出在终端过滤中滤饼的厚度与过滤压 力的大小是一对无法调和的矛盾。 为了解决这一问题，人们通过在实践中不断的研究、总结，又提出了另一种过滤方法 错流过滤法，也可称为十字流过滤法。 十字流过滤技术是伴随着膜分离技术出现的一种新型过滤技术，作为一种新型的过滤 技术，由于悬浮液沿膜面的切向流动的作用，可以在高速率长周期的状态下，实现连续稳 定过滤，因此广泛应用于工业及生活领域的分离过程中。 但是，十字流过滤也有它自身的缺点，过滤时要想避免出现过厚的滤饼层，就必须保 持较大的剪切力，以便及时冲走沉积的固体颗粒。这也就意味着滤浆的切向流速要大，但 切向流速过大又会影响过滤压力的提高。如果提高过滤压，则势必要降低滤浆的切向流速， 这样不仅减小剪切力，而且也不利于抑制滤饼的厚度。因此，十字流过滤也需要改进以满 足工业需要【，j 。 近年来，国内外许多学者开始对十字流的强化过滤进行研究，相继提出了许多方法， 如，旋转管式动态膜过滤”；旋转流强化膜过滤“”；旋转盘式动态过滤膜微滤“。：外加 电场力、离心力过滤“”；在膜面或流道内设置湍流促进器来增加流体流动的不稳定性“”： 利用同心圆管型膜与膜器相对旋转产生的t a y l o r 涡，弯曲流道产生d e a n 涡，周期性反冲 技术等过滤。 旋转管式动态膜的一般结构设计是由两个同，t l , 圆组成，内筒即膜管，分离过程中膜管 旋转而外管静止。 在国外，k r o n e r 是较早研究旋转管式膜的学者之一，他用膜孔径为o 卜o 2 微米的管 式膜回收生物培养液中的酶，与普通十字流和中空纤维比较，在3 0 0 0 的转速下，过滤速 率较普通十字流提高了近4 倍，较中空纤维提高了近8 倍。此外证明旋转管式膜器的渗透 通量明显高于十字流过滤的研究人员还有l e v y ，n a k a n o ，g o l d i n g ，b e l f o r t 等人。 在国内，四川大学的杨柳、陈文梅、褚良银、李小钟，四川纺织工业研究所的汤潍蔚 对旋转管式动态膜分离器内流体的剪切力分布进行了系统性研究。杨柳还对旋转管式动态 膜分离器流场特征和微滤性能进行了研究。 近年来，这项技术开始用于水处理和废水处理。m i k u l a s e k 利用旋转陶瓷膜微滤油乳 胶，m u r a s e 采用旋转管式膜器分离油水乳浊液，k o g a k a t a 用旋转膜分离装置静水，结果 7 鲨璺垡三堂堕堡兰二兰笙笙苎 发现渗透通量有较大提高。 第l 章绪论 经研究后，国内外的学者一致认为旋转膜分离技术明显优于传统的终端过滤和十字流 微滤。对过滤通量都有不同程度的提高。 旋转流强化膜微滤与旋转管式膜微滤相反，是膜静止，利用特殊构件，在膜器环隙内 形成高速剪切流。 旋转流强化膜微滤有如下结构：半圆截面管、螺旋激励件、外旋流管式膜结构。 在国外，w i n z e l e r 在2 0 微米的聚乙烯膜面上盘绕半圆截面管形成d e a n 涡，用于强 化面包酵母和蛋白乳清过滤的实验，结果与普通十字流过滤比较，过滤速度提高了l o 倍 左右，m a l l u b h o t l a 等人用该结构对酵母悬浮液进行实验，验证了它对微滤的强化作用。 m i l l w a r d 利用螺旋构件对高浓度牛血清对比实验，证明内设置加剧污染而外设置有效 减弱污染。i t o l d i c h 用内设置方式进行油水分离实验发现，出油率可达9 7 ，并可保持操 作压力和通量恒定。 在国内，近年来，四川大学陈文梅、褚良银等学者创造性地将水力旋流与膜分离结合， 提出外旋流膜式管结构并且循序渐进地做了大量研究工作。悬浮液切向进入膜器并绕膜管 轴线旋转，在中央膜管与外壳的环隙中形成旋转剪切流。此时颗粒受附加离心力会克服渗 透流曳力，沿径向向外运动。在管式陶瓷膜内轴向流、外轴向流、内旋流、外旋流四种悬 浮液流动方式的对比实验中发现，外旋流式膜微滤具有最大的通量和最好的分离效果。 厦门大学的沈亮、四川大学的陈文梅、李建明也对外旋流管式膜微滤器压力场的分布进行 了研究。褚良银、陈文梅、钟月华认为影响旋转流管式膜微滤过程的关键操作变量之一是 分离因素。分离因素增大，使固相颗粒不易向膜面迁徙沉积，并使过滤过程推动力提高。 为寻找合适的分离因素，实现研究外旋流管式膜微滤强化的设想，四川大学已开始对其过 滤机理进行研究，王成端利用先进的激光测试技术实时测试，探明膜器环隙中的流体流动 速度分布规律，在切向主流、法向渗透流和离心场联合作用下，判定膜面上离子的沉积或 迁徙条件，分析滤饼行成过程，初步建立外旋流管式膜微滤的数学模型。王成端、陈文梅 还对旋转切向流与轴向流p a 管式膜微滤对比进行了实验研究。四川泸洲工业学校的王志 斌、四川大学的陈文梅利用无机盐s i0 2 在旋转流场中进行的分离研究，对旋转流强化管式 微滤膜的迸料方式、悬浮液浓度及压力影响渗透通量的规律进行了探索。 旋转盘式动态膜微滤的结构是旋转件为膜面或紧邻膜面处外加旋件，离心力作用使流 体在膜面形成强错流，由于膜表面流体的高剪切作用，能有效削弱浓差极化，减少膜污染。 t o d a 最早对旋转盘式膜器的分离性能作了全面研究。m u r s e 对旋转盘膜结构的研究最 为深入和系统。l e e 利用该结构进行酵母细胞回收实验，在优化结构和操作参数下，将酵 母细菌回收过滤的速率提高8 倍；m a t s u s h i t a 等人采用多管膜组件和旋转盘式膜组件从酵 母中回收核酸等物质，发现旋转盘式膜组件在浓缩能力和渗透能力上分别是多管膜组件的 1 4 3 倍和1 1 6 倍；w r o n s k i 研究报道了旋转盘式管式膜器高剪切动态微滤的阻力模型。 我国天津大学化工系宗润宽、王晓静等也对旋转盘式动态膜微滤进行了多年有益的探索。 沈阳化工学院硕士学位论文 第1 章绪论 在膜面或流道内设置湍流促进器是一种强化效果较好、能耗较低、简便易行的方法。 w a l k e rg ，m i1 1 w a r dhr 等人对湍流促进器的结构形式和强化机理进行了研究。 在国内，南京化工大学膜科学技术研究所的童金忠、刑卫红、徐南平、时钧以钛白粉 水为处理对象，利用湍流促进器对陶瓷膜微滤过程进行强化的实验研究，考察了膜孔径、 过滤方式以及操作条件( 错流速度、过滤压差、温度、浓度) 对强化过程的影响，从而确 定合适的强化过程的工艺条件，为促进器的工业放大奠定基础。 虽然这些研究成果均从不同角度为强化过滤过程提供了一定有效手段，但有些方法也 带来相应的负面效应，如湍流促进器的设置会增大流体流动阻力，从而增加分离过程能耗； 并且湍流促进器的设置以及高速旋转构件均会使膜器结构复杂化。 另外，国内的许多科研机构对如何有效地使用陶瓷膜进行过滤作着有意义的探索。在 四川大学，方为茂、陈文梅“”以流体力学分析为基础，利用力平衡原理和多孔介质渗透定 律，分析了管式膜十字流微滤的过滤特性和滤饼的形成特点、规律；而宋航、石炎福、付 超。0 3 则以膜污染研究结果为依据，提出了微滤和超滤的一种新的数学模型；在天津大学， 许莉。”等人通过采用电子扫描与计算机图像处理技术相结合的方法对以平板陶瓷膜为过 滤介质的十字流过滤的滤饼结构、性能及影响因素进行了实验及理论上的研究：在南京化 工大学，张伟、童金忠、刑卫红、徐南平、时钩提出了陶瓷膜过程强化的数学模拟：钟臻， 徐南平，时钧则溶液环境对陶瓷膜微滤微米级颗粒悬浮液的影响进行了研究；此外，刘飞、 王沛、刘义恩等在陶瓷膜过滤的应用方面也作了大量的实验”2 ”。 虽然这些研究都对促进陶瓷膜过滤更广泛的应用提供了理论和实验的帮助，但都不能 综合终端过滤和十字流过滤的优点而克服其弊端。 近年在气一固分离领域运用脉冲技术清除沉积颗粒取得显著成效，出现两种不同的运 用方式，一种是柔性过滤介质。”，一种是刚性过滤介质( 主要为陶瓷过滤器) 2 9 - 3 4 q 柔性过 滤介质的主要原理是：将压缩空气在极短暂的时间内高速喷向滤袋，同时诱导数倍于喷射 气量的空气形成空气波，使滤袋由袋口至底部产生急剧的膨胀和冲击振动，在短促的时间 内形成滤袋往复地“鼓，瘪，鼓”的波浪形变形，使粉尘层发生变形、断裂，以块状脱离 滤布并受重力作用下落。而刚性过滤介质主要是运用脉冲反吹方式实现介质的循环再生。 柔性过滤介质和刚性过滤介质都是应用气体脉冲，周期性的形成气体波，清除沉积的固体 颗粒，使之具有清除沉积颗粒效率高，能有效的保证较低阻力和净化效果。但是，在脉冲 即将终止而过滤尚未开始的过度过程中，滤管内存在严重的低压区，滤管外存在较大的回 流区，此时部分原已离开过滤管壁的颗粒重新沉降在滤管壁上甚至穿嵌于滤管壁内，严重 妨碍了刚性陶瓷过滤器的长周期稳定运行。 但根据气一固分离和液一固分离形成滤饼的特点，液固分离产生的滤饼不会出现和 气一匿1 分离一样的回流，同时高传昌、陈广元等对脉冲流在管路中的流动研究表明”， 液体脉冲流也能产生脉冲波，增加流体的湍动，能抑制液体中固体颗粒的沉积。纵观中外 文献资料，到目前还没有把脉冲应用于固液分离领域，因此本文根据液一固分离的具体 9 沈阳化工学院硕士学位论文第1 苹绪论 特点，用一个脉冲阀控制液体流动，同时脉冲阀使过滤在终端过滤和十字流过滤之间转换， 从而综合十字流过滤和终端过滤的优点，试着把脉冲技术引入固一液分离领域。其具体过 程即过滤分为两段进行，先进行终端过滤，当过滤速率下降到一定值时，采用短时间的十字 流过滤，完成一个脉冲周期。从而使脉冲过滤能连续周期性的清除滤饼，恢复过滤速率，克 服过滤速率衰减快以及能耗大的弊端，实现过滤速率长时间保持较高的值，以期在现有过 滤基础上进一步提高过滤速率。 脉冲过滤速率与脉冲压力、脉冲周期、脉冲宽度等有密切的联系，在此把它们分别定 义如下： 脉冲压力指脉冲控制阀开启的瞬间膜管内的压力值； 脉冲周期指脉冲过滤进行中，脉冲控制阀从闭合到开启再闭合的一个过程的时间，也 即是完成终端过滤与和十字流过总的时间。 脉冲宽度指脉冲控制阀开启到闭合这段时间所进行的十字流过滤的时间。 1 2 本课题研究内容 1 在对脉冲过滤过程的分析基础上，建立脉冲过滤的物理模型，并由此建立数学模型， 求出理论解，应用实验数据验证，使最终的数学模型能应用于实际生产并指导实践生产； 2 设计实验装置和实验流程，以含杂质的水、粘土、电镀液为实验介质，比较脉冲 过滤与传统的十字流过滤和终端过滤的速率，确定出脉冲过滤的优势，同时考察脉冲宽度、 脉冲周期、脉冲压力和物料对脉冲过滤速率的影响，为脉冲过滤在工业中应用奠定基础。 1 0 沈阳化工学院硕士学位论文 第2 章理论研究 2 1 脉冲过滤的理论基础 第2 章理论研究 脉冲过滤综合微滤现有的十字流过滤和终端过滤的优点，也即同时具有滤饼的洗涤作 用，因此脉冲过滤理论也必以微滤和洗涤理论为基础。 2 1 1 微滤工作原理 微孔过滤是以静压差为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的膜过程，膜的物理 结构起决定性的作用。因此，吸附和电性能等因素对截留也有影响。 微孔过滤的截留机理因其结构上的差异而不尽相同，但大体可分为以下两类： 1 膜表面层截留 机械截留作用：指膜具有截留比它孔径大或与孔径相当的微粒等杂质的作用，此即过 筛作用。 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符合实际的结论，因此除 了考虑孔径等因素之外，还要考虑其它因素的影响，其中包括吸附和电性能的影响。 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。 2 膜内部截留 膜的网络内部截留作用是指将微粒截留在内部而不是在膜的表面。 对于表面层截留而言，其过程接近于绝对过滤，易清洗，但杂质捕捉量相对较少；而 对于膜内部截留而言，其深度过程接近于公称值过滤，杂质捕捉量较多，但不易清洗，多 流 速 便用时间使用时间 图2 1 表面型与深度型过滤的压降、流速与使用删问的关系 属于毕弃型。完全表面型或完全深度型过滤的压降，流速与使用时间的关系见图2 1 。 2 1 2 覆盖层模型 覆盖层模型是以渗透通量、覆盖层阻力和膜中的流动阻力之问的关联为出发点的。 1 i 压降 沈阳化工学院硕士学位论文第2 章理论研究 设单位面积的过滤总阻力为r ( m 。) 时，根据经典的过滤基本方程有 “= 百d v j l = 币了a p 确 ( 2 一1 ) c 打爿 ( 尺。+ 口。国) 过滤阻力包括滤饼阻力与过滤介质阻力r 。，滤饼阻力与单位面积上沉积的滤饼质量 m 有关，该参数是时间的函数。在时间t 内，彩和滤液累计体积v 之间的关系为： c o a = c v ( 2 - 2 ) 在恒压过程中，过滤压力为常量，变量为过滤速率，滤液总体积v 和过滤时间t ，联 立式( 2 一1 ) v 和式( 2 - - 2 ) ，基本方程可改为： 。矿雨 门 l 口。+ 矗。i 、n， 为了研究方便，将过滤介质阻力r m 也转变为滤饼阻力，表示为在此阻力下获得的滤液 体积量，则式( 2 - - 3 ) 变为： d va p a 2 d t 2 面砑再历( 2 - 4 ) 过滤计算时，式( 2 - - 4 ) 可改为： 矿= a v + b ( 2 5 ) 式中口：笔正，6 ：盟 a 醚a 世 当r ，、为已知时，可由( 2 5 ) 计算下列指标： ( 1 ) 瞬时过滤速率d 警= 卜g ) 。( 2 - 6 ) ( 2 ) 达到瞬时终速率p ) ，时，滤液的累计容积_ _ = 矿) ，_ 6 f ( 2 - 7 ) 式中d ：d ，b t ：6 a ( 3 ) 获得滤液容积所需的时间， f ，= 詈哆+ 6 ( 2 8 ) ( 4 ) 在过滤时间7 ，内能获得的滤液容积为 _ ：唆丛二!( 2 9 ) 利用以上一系列公式，可得出相应的值。“。 覆盖层模型的进一步扩展，是以同时考虑趋向膜的正向对流传递和离开膜的反向流体 些堕些三堂堕堡主兰些笙苎 塑! 兰兰堡! 茎 力学传递两个参数项为出发点的，并以此来确定覆盖的厚度。因此可以将覆盖层阻力转换 成了厚度相关的比覆盖层阻力，最后可以用c a n m a n - k o n z e n y 方程来对其进行估算。”。 2 1 3 分散模型 在层流状态下，当一种液体被具有同样密度和粘度的可混合液体从多孔介质中置换 时，这种由对流混合和扩散混合告成的置换是在微观是发生的。若混合前沿长度( t h e l e n g t ho ft h em i x i n gf r o n t ) 可定义为洗涤剂浓度从零变化到1 0 0 所经过的距离，则包 括置换前沿( t h ed i s p l a c e m e n tf r o n t ) 在内的混合区的长度，就取决于洗涤剂的流速，二 液体体系的扩散系数，孔隙几何特性和混合前沿在观察时间内所移动的距离“”。 两种液体的混合速度，一方面受内部分子扩散速度的影响，另一方面受混合物中机械 对流的影响，分散模型可用于洗涤之前已完全被滤液饱和的细颗粒滤饼的洗涤过程。不过 因为预测修正的佩克莱特数有一些困难，分散模型在预测洗涤性能方面的应用就受到了限 制。在分散作用很小的情况下，洗涤流出中溶质的浓度由下式给出 器小矧扣引，w 肥- j 引j d 1 0 ) c 0 一c 。2 。j2 、 。 在孔隙中液体的流速低于8 x 1 0 6 m s 的情况下，轴向分散系数与颗粒粒度无关，其值 与分子扩散系数相等。在孔隙中液体流速为8 1 0 “一2 1 0 4 m s 的情况下，颗粒粒度对分 散系数略有影响。影响分散系数的主要是洗涤液的流速。 2 1 4 固液两相流中颗粒脉动理论 流体作用下的颗粒脉动规律是固液两相流研究的重要问题，颗粒在水流中的悬浮与颗 粒脉动特性关系十分密切，近年来借助测量技术的进步对颗粒脉动特性进行精密的实验研 究【4 ”。 在目前用于固液两相流研究的各种理论中，动理论【4 习对于描述颗粒微观运动及其间作 用比较合适。两相流的微观动理论过去多运用于气固两相流中【4 3 】。研究的对象包括单个固 体颗粒和气体分子，它们的运动特征用b o l t z m m m n 方程描述。近年来，动理论已在固液两相 流颗粒浓度分布和其它运动特性研究方面得到了成功应用【4 4 舢】。将应用动理论，从颗粒运动 速度分布函数入手，对恒定均匀流时颗粒沿水平方向的速度二维平衡态颗粒的分布函数表 ，：害竺竺(2-11)j1一石 i e x p d u 其中 卜三稚s 纠，一昌刁) o 训+ 。，砘) 2 “：旦 1 “， 沈阳化工学院硕士学位论文 第2 章理论研究 s ：生 p 。 玎2 百y 2 1 + 毗z 书卫l + t ”卜删矧赢 垂向时速度二维平衡态颗粒的分布函数与式( 1 1 1 ) - - 样，但 卜矧鲁七乜k - c a r p t 2 + c t k r l m ：飞) 2 + 学 口：1 2 1 + 0 , 2 2 x 面 0 1 2 + r 1“j1 + 印 铲tf，+堑uj瑞l+16459、11 1t e h 2 2 脉冲过滤的物理模型 脉冲过滤分为两个阶段终端过滤和十字流过滤，表征终端过滤的数学模型主要 就是覆盖层模型，这阶段的研究本论文不作考虑，本文主要研究脉冲过滤对滤饼的扫除的 数学模型。如图2 - - 2 所示，膜管长为，直径为d ，横截面积为a 。在建立关于脉冲管路 的数学模型理论中，做下列假设： 1 陶瓷管中各管的流速相等。 2 管子的倾斜率为0 ： 3 应用一元流动关系式； 4 物料中只有液相通过过滤介质而颗粒被截留； 图2 - - 2 脉冲过滤冲洗阶段的物理模型 j 4 5 被扫除的滤饼不占用 主流体的体积； 6 滤饼均匀沉积在膜管 表面； 7 滤饼不能被冲洗时，阀 关闭。 沈阳化工学院硕士学位论文第2 章理论研究 2 3 脉冲过滤方程的推导 在膜管中取厚度为d z 流体隔离体，悬浮液沉经出的时间为西，设流入的质量速度为 u ( k g 5 ) ，则u 为管长z 和时间t 的函数，即： u = u ( z ，t ) 经过d t 后，流入a c t 的质量应为： 纠西 在b b 面的质量速度为： u + 型出 经过d t 时间后流过6 6 面的质量流量为： ( u + 罢出卜 d z 段管道在d t 时间内流出和流入的质量差为： 掣捌(2-12)02 d t 时间内流入流出的质量变化必然引起出段管道内的物料的质量发生变化。设在f 时刻d z 管道内的质量浓度为c 恼m 3 ) ，到t + d t 时刻浓度为c + 拿d t ，在衍时间内浓度变化为 o t 等卉，全部由质量浓度变化所引起的质量变化为： oac，dtadz(2-13) 西 根据物质守恒原则，式( 2 1 2 ) 应等于式( 2 1 3 ) ，即： i。百(2-14) 质量速度u 由浓度c 在z 方向的变化决定，则假设： u ：k 丝 出 式中kb 2 j ) 为脉冲系数，可根据实验反复验证得出。 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 - 1 4 ) ，得到滤饼扫除阶段物料浓度的变化方程： 一o c ：足一0 2 c 2 3 方程的解 初始条件 ，= o 时，c = c 边界条件 r 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 堡型些三堂堕婴主兰篁丝苎兰! 兰呈笙竺堑 利用分离变量法求解方程“6 ”3 ，边界条件是非齐次的，首先把非齐次的边界条件化为 齐次的，令 c 0 ，f ) = c 。+ 国g ，1 ) 就把c 的定解问题化为的定解问题， 所以( 2 - 1 6 ) 变为： 睾一置鲁：0 ( 2 - 1 7 ) 西出2 边界条件变为： 国i = ：o = c l 。o c o = 0 l = c k c i = c o c l 假设 0 ，) = z 0 沙( f ) 则塑：z f 甜 竺：眩- 出 鸳：t z ” 出 把上面三式代入式( 2 一1 7 ) ，得 z t = k z ”t 即! ：互 k tz 两边分别是时间r 和坐标z 的函数，不可能相等地，除非两边实际上是同一个常数，把 这个常数记作一口2 ， 即三：竺：一o r 2 k ? z 这可分解成关于丁和z 的常微分方程 r + 甜2 k t = 0 z ”+ a2 z ：0 从这两个方程解得 z = b e 。，t = a e 一“1 所以分离变数形式的解是 o ( z ，f ；口) = 爿0 k - t z 2 k t p ” 式中睇可取任意的实数值。一般是线性叠加即积分 g ，f ) = r 。彳0 - a 2 9 t e i a z d o t 为了确定爿k ) ，把上式代入初始条件，得 d - o ：2 , t t e i a z d c t = c o c 1 左边是傅里叶积分，这把右边的c 。一c 。也展开成傅里叶积分，然后把两边加以比较， 1 6 鲨堕些三兰堕堡主兰竺塑奎皇_ 三兰里兰! ! 里 知仁) 正是g c i 的傅里叶变换式， 一扛) = 去j ( c o _ c l 删蟛 这样所求的解是 一 功( z f ) = 缸一c 1 1 去d 1 砸扩扛妇防 引用定积分公式r e 膏a 2 p 肛 d c o = 二丝p 一4 a 2 ，可把所求解表为 r，y 圳：( c o c l j 击。等陆 再看边界条件，这种条件意味着奇延拓，即求解无界空间中的定解问题 所以：心一c ，2 菥1e 簪彤一f ( c 。一c 1 ) 而1 e 警必 在右边的第一个积分中令，：生塑，出：一必；在第右边二个积分中令 2 4 k t2 4 m x ：筵，出：士必，于是 2 4 k t 2 船。 妇卜警庐e 。出一警；：抽ze -x2,re- q 出 一 再 2 j 硌 ：一旦学晦e 。o 。x 。一1 一r ； 由于被积函数是偶函数，所以 棚( z ，) ( c o c 。，2 茅严e “2 出 以因为通常把7 2e - x 2 d x 记作g 咖，其值可查出，这样 4 玎” 国g ，r ) = ( c 一c o k ，c i 意j 所求