卷式膜组器平行流道中横向网丝间距对流体流动的影响

在卷式膜组器平行流道中,利用计算流体力学(CFD)方法研究了横向网丝间距对流体流动的影响.在横向网丝间距依次为1.333 mm、2 mm、4 mm的3种平行流道中,分别考察了流体的速度和压力分布,并且分析了膜通量与压降之间的关系.模拟结果表明:平行流道中横向网丝间距对流体流动有着重要的影响,横向网丝间距为2 mm的流道是较好的流道,因为它能够较好地平衡膜通量与压降之间的关系.     

电渗析器中隔板构型的优化设计

运用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟软件对电渗析器中的隔板构型进行了模拟优化.主要考察4种隔板布水槽的构型和不同网丝间距对流体流动状态以及压力降的影响.研究结果表明,"b"型布水槽在减少隔室内部死区、加强隔室内部流体湍动强度和减少压力降等方面具有一定的优势,而且随着隔板网丝间距的减少,隔室内流体的湍动程度明显加强.     

平板膜组件中隔网构型的CFD模拟

在由卷式膜组件简化成的平板膜组件的隔网流道中,利用计算流体动力学(CFD)方法对流道中纤维丝的排布方式进行二维模拟。考察了3种排布方式(同边,交错,中心)下,流体的速度分布以及对于壁面的剪应力分布.结果表明,交错排列的方式效果最佳.当提升流体流速时,纤维丝背后产生的逆流区域范围逐步增大,但存在一定的上限值.通过自行搭建的平板膜组件测试装置,考察了纤维丝不同排布方式下的Re和摩擦因子f的关系曲线,与CFD模拟得到的结果比较吻合良好,证明了模型的准确性.     

膜器结构对纳滤膜过滤性能的影响

旨在通过使用自行设计的平板式纳滤膜组件以及商品膜片进行实验,考察3种不同的膜器流道结构对纳滤膜过滤性能,如通量Jv、表观截留率Robs的影响.3种流道膜器系统(螺旋流道、蛇形流道、无绕流流道)的实验结果表明,在实验条件范围内、相同操作条件下,浓差极化程度对通量有很大的影响.由于二次流对浓差极化层的扰动作用,螺旋流道膜器的通量最大,蛇形流道膜器的次之,无绕流流道膜器的最小.当膜面错流为层流时,螺旋流道膜器的通量接近蛇形流道膜器的2倍;湍流时由于二次流扰动相对较弱,前者的通量约为后者的1.6倍.对于表观截留率而言,流道结构和通量对其影响均较大.层流时无绕流流道膜器对Mg2+的表观截留率最大,可达到94.2%,而螺旋流道膜器的表观截留率高于蛇形流道膜器的值;湍流时由于螺旋流道中二次流的影响减弱,蛇形流道膜器的Mg2+的表观截留率高于螺旋流道膜器的表观截留率,最大为97.1%.     

反渗透膜处理PVC离心母液

采用反渗透膜分离技术对PVC离心母液进行试验,研究了不同进膜压力对膜通量、渗透液电导的影响.在确定了压力参数后.分析了运行时间对膜通量、渗透液电导、COD的影响.试验结果表明.第一次通过RO膜的渗透液电导为42.3 μs;在进膜压力为1.0 MPa,膜设备运行30 min情况下.第二次通过RO膜的渗透液电导为7.37 μs,COD接近于0.出水达到排放标准.经进一步处理可回用于生产.     

基于CFD的渗透汽化膜分离技术研究进展

渗透汽化膜分离技术具有低能耗、高分离效率、设备简单等优势，广泛应用于化工、能源等领域.计算流体力学(CFD)模拟以其低成本、可视化等优点为渗透汽化技术发展提供了重要辅助.本文综述了CFD在渗透汽化膜分离过程中的研究进展，并对相关的模拟方法进行了分析与对比.根据简化的传质过程将模拟方法分为拟一级反应法、对流扩散法、质量跳跃法、膜内扩散法.基于此，归纳了操作温度、渗透压强、进料组分、进料流速、膜厚度等相关参数对渗透汽化影响机理，并进一步总结了近年来膜组件结构优化对膜组件流场的影响，展示了CFD技术在渗透汽化领域内的应用潜力.提出了面对未来发展，需要结合最新的传质理论与耦合分子模拟等技术进一步提升模拟精度，并在膜组件结构优化与新型湍流促进器等方面进行探索的建议，以便于实现工业规模应用.     

膜过程强化和组件放大的CFD应用

膜分离作为21世纪最具前景的高新技术之一,已广泛应用于化工、环境、生物、医药、电子等领域.然而,能耗高、产量低和寿命短三大问题始终制约着膜组件的应用.寻求合适的方法研究膜组件非理想流动下的传递过程,可用于指导膜组件放大和性能提升.计算流体力学(CFD)作为继量纲分析法和模型法之后一种新兴的化学工程研究方法,已被广泛应用于膜分离领域.本文以膜单元为对象的过程强化研究和以组件为对象的设备放大研究两方面综述了膜分离CFD模拟的最新进展.前者归纳了中空纤维膜、卷式膜和平板膜CFD研究所采用的模型和处理方法;后者总结了中空纤维膜组件三维CFD模拟的简化策略.然后提出两类CFD研究应着重发展的方向.最后根据CFD和膜技术的发展路线,预测两者在未来的结合将更加紧密.     

双轴旋转超滤膜组件过滤厌氧泥水混合液

设计开发了一套中试规模的双轴旋转超滤膜组件系统.系统容器容积120 L,内装填的有效膜面积为4 m2.试验选用两种不同截留分子量(5万和10万)的PVDF超滤膜,采用该系统处理厌氧生物反应器内泥水混合液,研究了膜截留分子量、膜渗透通量、过膜压差、膜旋转速度之间的相互关系.结果表明,一定膜旋转速度下,随着过膜压差的提高,存在一个膜极限渗透通量;随着膜旋转速度的降低,膜极限渗透通量明显下降,且膜极限渗透通量出现时对应的过膜压差往低压方向迁移;截留分子量大小对膜过滤行为的影响在高压、高转速区有减弱趋势.     

PVDF疏水中空纤维膜与组件对真空膜蒸馏性能的影响

利用高孔隙率的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维疏水膜进行真空膜蒸馏(VMD)脱盐实验.在真空度0.095MPa,盐水温度60℃,流速1.5kg/min的条件下,着重研究了中空纤维膜内径、壁厚,组件长度、装填纤维数目等结构参数对VMD性能的影响.结果表明:组件长度或装填纤维数目增加,组件产水通量明显降低而总产水通量明显提高;中空纤维膜内径对VMD产水通量影响较小,而膜壁厚增加使通量明显降低;用内径1.0mm壁厚0.1mm的膜制成的长度21cm装填纤维50根的膜组件,产水通量达到21.8kg/(m2·h).VMD过程产水的电导率保持在4μS/cm以内,脱盐率达99.99%,受膜、组件结构及操作条件影响很小.     

真空膜蒸馏过程的流体力学模拟

利用计算流体力学(CFD)技术成功建立了真空膜蒸馏(VMD)过程中空纤维膜的三维传热和传质模型,并通过实验数据进行了验证.评估了操作条件对VMD性能的影响,讨论了温度、传热系数、热通量、膜通量、温度极化系数和总热效率沿着纤维长度的变化规律.研究发现,VMD中传质主要受料液热边界层内的传热控制,传热阻力主要存在于进料侧.较高的料液进口温度可以增大平均膜通量和总热效率,但温度极化现象更显著.提高料液流速有助于获得更高的跨膜通量,但会使总热效率减小.当料液流速低于0.7 m/s时,温度极化系数先减小随后增大,但若料液流速高于0.7 m/s,则呈现持续减小的趋势.透过侧绝对压力减小会提高传质推动力,进而提高膜通量和热效率,但真空泵的能耗会升高.     

膜分离过程中的Dean涡流及其作用分析

综述了螺旋式膜组件的Dean二次流基本原理、管程常用传质关联式及其在膜分离过程中的应用状况,并从Dean二次流对膜过程通量和压力降以及传质性能的影响等诸方面.阐述了螺旋式组件的优势及限制因素.分析结果表明,流体在螺旋流道中由向心力产生Dean流效应,使管内湍动状态增强、边界层效应减弱,从而缓解浓差极化,使管程传质和膜通量与直管组件相比有明显改善.此外,该结构还有助于消除壳程流体的沟流、死区等常见负面因素.     

能量回收式膜蒸馏组件的设计和性能

针对膜蒸馏过程热效率低、耗能高的问题,设计了新型能量回收式膜蒸馏组件,其特点是膜蒸馏组件由中空纤维膜、换热管和隔网组成,通过换热管回收膜蒸馏过程的能量,通过隔网将中空纤维膜和换热管隔开,减少了膜蒸馏过程中热传导传递的热量,采用新型能量回收式膜蒸馏组件对质量分数3.0%的氯化钠溶液进行浓缩实验,考察膜管比例、组件长度以及空气隙宽度对膜蒸馏过程膜通量、造水比和热效率影响.实验结果表明,在原料液进料温度T1为40.0℃,T3为90.0℃,流量为10.0L/h,气隙间隙为0.5mm,换热管根数Nd/中空纤维膜根数Nm为2∶1时,膜通量为3.1kg/(m2·h),造水比为4.3,热效率为85%.     

真空膜蒸馏过程CFD模拟及膜组件设计

利用计算流体力学模拟软件对真空膜蒸馏过程进行模拟计算.通过自行编写UDF对实验结果进行验证,模拟结果表明,在不同进料温度、进料流量以及渗透侧真空度的影响下,模拟值与实验值均高度吻合,编写的UDF可用于膜组件放大化模拟.对平板真空膜蒸馏组件进行放大设计后模拟发现,当有效过滤面积为0.25 m~2时,平板膜组件最佳长宽比为1∶2,组件内通道高度为7.5 mm,此时渗透通量为6.08 kg/(m~2·h);通过在组件内部增加隔板以加快料液互相渗透,模拟结果表明,隔板最佳高度为3 mm,隔板间距为40 mm,优化后的膜组件渗透通量达到了6.53 kg/(m~2·h),相比初始膜组件提高了10.3%.     

基于界面聚合法在受限空间内诱导合成反渗透/纳滤复合膜的研究

一种新的概念,受限空间内的界面聚合,用于研究反渗透膜(RO)/纳滤膜(NF)复合膜的合成。实验设计使用受保护的多胺单体通过延迟扩散与均苯三甲酰氯反应,获得了过渡态结构的RO/NF膜。在NF膜水相配方中加入大分子模板剂,诱导界面反应在受限空间内定向发生,将聚合物网络的聚集态由无序转变为有序,同时NF膜对盐的截留性能不变,水通量提高一倍。RO膜有机相配方中加入纳米分子筛,提升水通量超过50%,复合膜表面结构呈现NF膜的特性,同时脱盐性能保持不变。     

长度及出水方式对中空纤维膜过滤性能的影响

为了更好的对中空纤维膜组件进行优化设计,通过对4组试验的对比,就中空膜纤维的长度和膜组件出水方式对过滤性能的影响进行考察.结果表明:无论是静态过滤还是曝气条件,在试验周期内,单端出水组件的膜比通量要比双端出水组件的变化趋势更为平缓.相同条件下,双端出水组件的平均通量要高于单端出水组件.静态过滤条件下,双端比单端的稳定运行通量有较大提高;在曝气条件下,由于气泡诱发的纤维抖动和水力错流作用,曝气对通量的影响要大于出水方式对通量的影响.在本研究的条件下,固定曝气强度为7.99 m3/(m2·h),100～120 cm为单端出水的膜纤维最佳长度设计值,在此范围内膜比通量与短纤维相比不会有明显的降低.当组件的出水方式改为双端时,膜纤维的最佳设计长度可延长至120～140 cm.     

用缠绕式膜组件强化传递过程的研究

用中空纤维膜实验研究了缠绕式膜组件对膜分离传递过程的促进作用,并从理论上分析了缠绕式膜组件对膜两侧对流传递过程的影响,膜蒸馏实验结果表明,相对于普通的中空纤维膜组件,这种膜组件可提高渗透通量50％以上。     

膜循环发酵生产乙醇中膜组件性能的研究

本文对影响膜循环发酵装置长期操作的关键因素——膜组件的操作性能进行了研究。结果表明,膜组件经过一定时间松弛后,渗透通量不仅明显恢复,而且稳定性也较好,若用二套超滤膜组件与发酵釜切换使用,可确保膜循环发酵器在高稀释率下进行高速发酵。     

浸没式中空纤维膜过滤点通量分布数学模拟

本文根据质量和动量守恒原理,考虑纤维膜径向跨膜流动对流动阻力影响,构建出基于完全质量和动力守恒的中空纤维膜过滤点通量分布流体力学数学模型,并应用该模型研究了操作通量和纤维膜外形结构(内外径、长度、固有阻力)对局部过滤行为影响规律.结果发现,中空纤维膜在一定操作条件下存在一个有效工作长度或区域.并且,点通量分布不均匀程度随着纤维膜长度、操作通量和膜固有阻力的增加而增加,但随纤维膜内径减小而增加.     

石墨炭纳米颗粒改性聚砜支撑层制备正渗透复合膜

正渗透膜分离技术是以膜两侧的渗透压差作为驱动力,因此能耗低,符合绿色节约型社会的发展需求.然而,主流的聚酰胺复合膜在正渗透过程中存在内浓差极化现象,使其水通量远小于理论值.因此,改性正渗透复合膜减小其内浓差极化以提高水通量,对促进正渗透技术大规模应用具有重要的意义.本研究采用相转化法制备了掺杂石墨炭纳米颗粒的聚砜支撑层,通过间苯二胺和均苯三甲酰氯在支撑层表面进行界面聚合制备了聚酰胺薄层复合膜(Thin-film composite,TFC).采用扫描电子显微镜和接触角分析仪对聚砜支撑层和TFC复合膜进行表征,观察膜表面形貌和亲水性,考察不同石墨炭纳米颗粒添加量对正渗透膜性能的影响.结果表明:在基膜中掺杂石墨炭纳米颗粒会使基膜表面孔隙率增大,表面亲水性增强,结构参数减小,这表明内浓差极化得到有效的改善.当石墨炭纳米颗粒添加量为0.01％(质量分数)时,水通量在活性层朝向汲取液(AL-DS)时达到22.4 L/(m2·h),相比未改性的正渗透膜增加了96.7％,这表明新型石墨炭材料可以有效地提高聚酰胺复合膜的正渗透分离性能.     

无机盐体系卷式纳滤膜真实截留率的求取方法

在表征纳滤膜分离性能时通常采用真实截留率(R),然而R不能直接测定,一般借助传质系数通过浓差极化模型求得,因实验条件的差别导致文献报道的计算传质系数的经验方程各异,对卷式膜的有效性也难以确定.文章基于浓差极化理论模型和卷式膜元件的流道结构,结合NF90-2540型卷式纳滤膜元件对NaCl溶液的纳滤实验结果,建立了膜真实截留率的计算公式,为卷式纳滤膜R的求取提供了一种直接方法.同时,实验和分析结果表明,浓差极化程度主要受渗透通量和料液在流道中平均流速的影响:流速较低时,浓差极化程度随渗透通量增加也明显增加,表观截留率(Robs)与R相差明显;随着流速增加,浓差极化程度下降,当流速达到0.2 m/s以上时,渗透通量对浓差极化的影响较小,Robs与R可不超过1%.