气升式陶瓷膜过滤过程的气液两相流模拟

采用VOF双流体模型对19通道气升式陶瓷膜过滤装置进行气液两相流的流体动力学模拟,研究了曝气孔直径和曝气量对气升式陶瓷膜过滤装置的气含率、环流液速、膜面剪切力及膜管内湍流强度的影响,模拟结果与实验结果的误差在5%~10%之间。结果表明,气升管与降液管的气含率都随曝气量增大而增大,随曝气孔直径减小而增大;环流液速、膜面剪切力及膜管内的湍流强度都随曝气量增大先增大,当曝气量达到400 L·h-1时其增大趋势变缓。通过实验和模拟比较了3种不同孔径的曝气头,环流液速与曝气孔的直径关系不大,仅与曝气量相关,但曝气孔直径越小,其膜面剪切力越大,越有利于过滤过程的进行。     

气升式陶瓷膜装置过滤钛硅分子筛悬浮液

为克服膜污染,提高膜通量,文章将曝气引入到陶瓷膜过滤过程中,计算了曝气量对液相循环流速、气含率以及膜面剪切力的影响。采用气升式陶瓷膜过滤装置,以平均孔径为200 nm的ZrO2陶瓷膜为分离介质,考察了固含量(质量浓度)、曝气量、跨膜压差对钛硅分子筛悬浮液固液分离性能的影响。结果表明:曝气量增大,液相循环流速和气含率随之增大;曝气量在416—2 333 mL/min内,气液二相流流型为弹状流,气弹区膜面剪切力是液弹区的3—10倍。陶瓷膜对钛硅分子筛的截留率为100%;当固含量为1%时,曝气量由100 mL/min增大至850 mL/min,膜稳定通量增大了33%,进一步增大曝气量,通量开始下降。膜的稳定通量随着固含量的增大而降低。当曝气量为850 mL/min,固含量为1%时,跨膜压差由0.1 MPa增大至0.2 MPa,稳定通量降低了41%,但进一步增大跨膜压差到0.3 MPa时,稳定通量又表现出增大趋势。对膜过滤阻力的计算分析结果表明:曝气作用能减轻浓差极化,但不能消除滤饼与膜孔堵塞污染。     

柱式膜组件曝气过程的气液两相流模拟

采用欧拉模型与多孔介质模型对柱式膜组件的曝气过程中气液两相流进行了计算模拟,研究了曝气量、曝气孔数目以及相对位置对膜组件的气液两相分布、流体湍流黏度、液体速度场的影响,模拟数据与实验数据吻合良好。研究结果表明:随着曝气孔数目增加与相对位置均匀排布使得膜组件内气液两相分布更加均匀;湍流黏度随着曝气量增大而增大,当曝气量达到5 m~3×h~(-1)时,湍流黏度不再增加;随着曝气孔数目增加与相对位置的均匀排布使得液体形成较多涡流流动与循环流动。增加曝气孔数目与优化曝气孔相对位置能够有效提高组件内部流场的均匀分布,有利于膜丝的清洗。     

气升式陶瓷膜过滤装置处理油田含聚采出水

采用新型的气升式陶瓷膜过滤系统处理油田含聚采出水,通过气液两相流替代单一的液相流动,降低了陶瓷膜处理油田含聚采出水过程的能耗,系统考察了曝气孔大小、曝气量和跨膜压差对膜渗透通量的影响。结果表明,采用孔径为微米级的曝气头曝气使高压气体在多通道膜管内的分布更为均匀,进而有效抑制膜污染和浓差极化,延缓通量衰减。当曝气孔径为1 μm时,渗透通量达到最大,且曝气量从300 L·h^-1增加到600 L·h^-1时,通量显著增加。此外,跨膜压差对膜的渗透通量影响显著,当跨膜压差为0.4 MPa时,渗透通量最佳。陶瓷膜处理油田采出水的出水水质各方面指标数据较为稳定,达到5.1.1回注水标准。最后,计算讨论了气升式陶瓷膜过滤装置的吨水能耗。     

气升式陶瓷膜过滤装置处理油田含聚采出水

采用新型的气升式陶瓷膜过滤系统处理油田含聚采出水,通过气液两相流替代单一的液相流动,降低了陶瓷膜处理油田含聚采出水过程的能耗,系统考察了曝气孔大小、曝气量和跨膜压差对膜渗透通量的影响。结果表明,采用孔径为微米级的曝气头曝气使高压气体在多通道膜管内的分布更为均匀,进而有效抑制膜污染和浓差极化,延缓通量衰减。当曝气孔径为1μm时,渗透通量达到最大,且曝气量从300 L·h~(-1)增加到600 L·h~(-1)时,通量显著增加。此外,跨膜压差对膜的渗透通量影响显著,当跨膜压差为0.4 MPa时,渗透通量最佳。陶瓷膜处理油田采出水的出水水质各方面指标数据较为稳定,达到5.1.1回注水标准。最后,计算讨论了气升式陶瓷膜过滤装置的吨水能耗。     

弹状流对陶瓷膜超滤葡聚糖水溶液的影响

为降低膜污染和浓差极化需维持较高膜面流速,能耗较高。将气升式外循环引入膜过程,可有效降低浓差极化和能耗。实验考察了曝气量对渗透通量的影响,当曝气量为400 L·h^-1时,与相同液速条件下单相流错流过滤相比较,膜通量提升87%;进一步增大曝气量,膜通量增加趋势变缓。对气升式膜过滤过程的水力学特性进行了研究,在弹状流条件下,气液两相流可有效提高膜面剪切力,增强膜面传质。在较低流速下,曝气可有效降低膜污染阻力,提高膜通量。结合气液两相流理论和膜过滤阻力模型,分析了弹状流提升膜通量的机理。     

陶瓷膜气升式纳滤装置过滤杆菌肽水溶液的研究

气升式纳滤装置是一种新型膜过滤装置,具有能耗低、过滤条件温和等优点,在生化产品的分离纯化中应用前景广泛。以杆菌肽水溶液为过滤体系,采用孔径为0.9 nm的TiO2陶瓷纳滤膜,系统考察了曝气量和跨膜压差对气升式纳滤装置过滤性能的影响。结果表明,曝气可有效提升通量和截留率;当跨膜压差为0.3 MPa时,曝气量由20 L h 1增大到100 L h 1,通量和截留率分别提升34.0%和14.5%,在曝气量100 L h 1时两者达到最大,进一步增大曝气量,通量和截留率开始下降;当跨膜压差为0.1、0.3、0.5 MPa时,对应的最优曝气量分别为60、100、140 L h 1。并通过模型计算,分析了不同操作条件下,气升式纳滤装置流体力学性质和能耗的变化情况。     

气液两相流强化陶瓷膜过滤煤炭矿井水的研究

采用气液两相流工艺强化陶瓷膜过滤矿井水。研究了曝气与不爆气、曝气流量以及曝气头孔径大小对陶瓷膜通量的影响。结果表明,曝气对陶瓷膜通量影响较大,采用2 mm曝气孔、在曝气量为1.5~2.5 m3/h条件下的陶瓷膜运行效果比采用1.2 mm曝气孔、曝气量为0.8~1.1 m3/h的运行效果好。并在此基础上,考察了浓缩倍数对陶瓷膜通量的影响。     

柱式膜组件结构的CFD优化设计

采用Euler模型与多孔介质模型对不同结构的柱式膜组件内的流体流动进行了计算模拟。研究了曝气孔数目（开孔率为1.92%保持不变）与膜组件高度对膜组件膜丝填充区域内的气液两相分布、壁面剪应力、湍流黏度以及液相速度场的影响。计算模拟数据与实验结果吻合良好。计算模拟表明：通过减小曝气孔直径,增加曝气孔数目的方式能够促进气液两相流场与液相速度场的均匀分布,以及壁面剪应力与湍流黏度的增强;增加膜组件的高度,有利于增加单支膜组件膜面积的同时充分利用曝气擦洗过程中气液两相流对膜丝壁面进行高效的气擦洗。综合考虑膜组件的安装运输、膜丝通量分布以及能耗等因素,对于直径250 mm的膜组件采用曝气孔的直径为6.32 mm,数目为30个,长度在2~2.5 m之间为最优。     

柱式膜组件结构的CFD优化设计

采用Euler模型与多孔介质模型对不同结构的柱式膜组件内的流体流动进行了计算模拟。研究了曝气孔数目(开孔率为1.92%保持不变)与膜组件高度对膜组件膜丝填充区域内的气液两相分布、壁面剪应力、湍流黏度以及液相速度场的影响。计算模拟数据与实验结果吻合良好。计算模拟表明:通过减小曝气孔直径,增加曝气孔数目的方式能够促进气液两相流场与液相速度场的均匀分布,以及壁面剪应力与湍流黏度的增强;增加膜组件的高度,有利于增加单支膜组件膜面积的同时充分利用曝气擦洗过程中气液两相流对膜丝壁面进行高效的气擦洗。综合考虑膜组件的安装运输、膜丝通量分布以及能耗等因素,对于直径250 mm的膜组件采用曝气孔的直径为6.32mm,数目为30个,长度在2~2.5 m之间为最优。     

微藻柱状式光生物反应器流动特性及结构的数值模拟优化

微藻作为最具潜力的可再生生物质能源,在生物固碳和生物燃料生产领域优势显著,有助于碳达峰、碳中和目标的实现。通过改善反应器曝气装置的性能可以大幅度提高微藻的培养效率,本工作采用数值模拟方法对柱式光生物反应器的球型曝气结构进行了优化。模拟采用欧拉模型,湍流模型选取k-ε模型,研究分析了不同曝气装置条件下气含率、平均液相速度、湍流动能几种参数的变化和光生物反应器内的流场情况。结果表明,曝气装置结构的变化对光生物反应器内的流动特性具有很大的影响,通过曝气装置向反应器内通气,气含率、平均液相速度、湍流动能随着曝气量的增大而增大,随着曝气装置孔径的增大而减小。综合各相关参数得到当总曝气量为1400 mL/min、曝气孔数为50、曝气孔径为30μm时,曝气装置性能最好,此时测得气含率为68.6%,平均液相速度为0.905 m/s,湍流动能为0.149 m²/s²。     

新型AmOn反应器好氧区流场优化与实验研究

基于气升式环流反应器原理设计的新型AnOn反应器，是集传统氧化沟和二沉池工艺于一体，同时实现有机物去除、反硝化脱氮除磷、污泥回流以及泥水分离等功能的高效污水处理生化反应器。曝气装置是该反应器的核心部件，不但起到曝气充氧、紊动传质的作用，而且还是整个反应器内液相垂直流动的动力来源。本文借助CFD技术，对好氧区曝气方式改进前后流场特征进行模拟，分析不同流场情况对好氧区紊动传质及处理效果的影响。实验表明，双管曝气方式下，中间一道曝气管的曝气搅拌作用破坏了单管曝气方式下的循环涡流，使得液速和气含率分布更加均匀合理，好氧区流场更加有利于气液和液固传质，相同曝气量条件下污水处理效果得到很大加强。     

气泡循环流动型膜生物反应器流体力学特性研究

以气升式环流反应器和膜生物反应器为基础,提出气泡循环流动型膜生物反应器的概念.利用气液循环流动减缓膜污染,通过充压渗透的操作方式,降低水处理能耗与设备投资.实验研究了下降管内中空纤维膜填充率对反应器的平均气含率、循环液速等流体力学性能的影响,使用模拟体系考察膜分离性能. 研究结果表明:循环流动的气液两相能够明显缓解膜污染,提高膜渗透通量;利用充压渗透的操作方式可以实现膜分离过程,同时加压操作会导致平均气含率减小,循环液速降低.在理论分析基础上,导出平均气含率、循环液速随操作气速和压强的变化关系.     

超声波气升式内循环反应器流体力学性能研究

研究了超声波对气升式内循环反应器流体力学性能的促进作用,重点考察比较了有无超声波时气升式反应器性能及超声功率对反应器气含率、液体循环速度、混合时间等的影响。实验证明,超声波的加入对气含率未见影响,有使液体循环速度逐渐减小的趋势,而对混合时间的影响较复杂。在小气速下,小功率超声波促进流体的径向混合,随着超声功率的增加,超声振动阻碍流体的径向混合,因而存在一个最佳的超声功率,并且超声波对混合时间的影响随着表观气速的增加而逐渐减小。提出了该反应器流体力学关联式。     

LDV技术优化膜反应器结构

通过采用激光多普勒测速仪（LDV）测定膜反应器内气水混合液的流速分布,研究了膜反应器中设置导流板、膜出水流速以及曝气强度对膜面的剪切流速的影响。研究结果表明,导流板可以增大混合液在中下部膜面附近的切向上升时均流速,混合液的紊动性增强,进而增强了对膜面的剪切作用,有助于延缓膜面滤饼层的形成,缓解浓差极化现象。增大膜出水流速,混合液上升流速和指向膜面的流速均有所增大。曝气强度也会影响流速。时均上升流速和脉动上升流速与曝气强度符合正对数关系。增大气量后,混合液的紊动性增大,气水混合液对膜面的剪切强度也增大。     

鼓泡塔气液两相流内部流场的流体力学特性

采用计算流体力学CFD软件对鼓泡塔内部4种表观气速下内部流场的流体力学行为进行模拟。分析了鼓泡塔内部整体气含率及轴截面处（X=0）液相速度随时间的变化情况;并且对比了在不同表观气速下局部气含率和液相速度在不同高度处的径向分布情况。模拟结果表明,随着时间的增大,整体气含率增大速度比较快,到达稳定时间,整体气含率不再增大。在同一高度处局部气含率随着表观气速的增大而增大。H/D<3时,液相循环流动表现为单相循环流;当H/D=3时,表现为双循环流,流型较单相复杂。     

气升式环流反应器流动特性的数值模拟

应用Fluent计算流体力学软件，通过数值模拟的方法考察了气升式环流反应器内导流简直径、导流筒高度、导流筒安装高度以及液相进口速度对反应器内两相流动的影响。计算结果表明：导流简直径增大。液相循环量和上升段气含率均增大；导流筒高度增大，液相循环速度和循环量均增大，但是当导流筒的高径比增加到6．3后，液相循环速度和循环量反而减小；导流筒安装高度增加．液相循环速度及循环量均增大，升液管气含率降低；增加液相的进口速度，虽然上升段的液速有所增加，但是降液管循环液速及循环量基本不受影响。最后计算了反应器内液相速度随进口气速的变化情况，并与实际测量值进行了比较，模拟值和测氨值都表明随着进口气速的增加，液相循环速度随着进口气速的增加而增加．两者呈现良好的一致性。     

Dynamic gas disengagement: A new technique for assessing the behaviour of bubble columns

A precise measure of the liquid motion and distribution of bubble sizes is essential for designing gas-liquid reactors for complex reactions in which product distribution may be a function of bubble size. A theoretical approach is presented which shows how the interaction of bubble size distribution and bubble rise velocity functions leads to predictions of the overall steady state hold-up in a bubble column within which the liquid flow is understood. Since this approach is based on a physical understanding of how bubble flow at a given superficial velocity must relate to the static hold-up, the theory can be immediately extended to describe the disengagement of gas bubbles if the gas feed is cut off. Thus the dynamic gas hold-up during gas disengagement can be used to provide new insights into the fundamentals of bubble column behaviour. In this way it becomes possible in principle to inter-relate macroscopic properties such as surface area, gas phase residence time distribution and intensity of mixing in the liquid phase.A new experimental technique is described which measures the dynamic gas hold-up during gas disengagement Experimental results at a nominal 20 mm/s gas superficial velocity are compared with various approaches based upon the theory. The effects of the accompanying induced liquid movements are represented by a simplified core-annulus circulation model. Bubble size distributions and liquid circulation can then be related to both the static and dynamic hold-up behaviour. It is shown that ambiguity due to uncertainty about the relative differences in bubble size distribution in upflow and downflow regions can be resolved from a knowledge of the surface area.     

Experimental and numerical study of gas hold-up in surface aerated stirred tanks

Although the distribution of gas hold-up in stirred tanks is a key factor to their design and operation, systematic experimental data on local gas hold-up of surface-aerated stirred tanks are not available in open literature. In this work, turbulent two-phase flow in a surface aeration stirred tank with a diameter of 0.380 m was investigated experimentally and numerically. The gas hold-up was measured with a conductance probe at various operating conditions. A surface baffle to improve the efficiency of surface aeration of a Rushton disk turbine was designed and tested. The experimental data suggest that the gas hold-up distribution in the surface aeration tank is very non-uniform, and the surface baffle improves the aeration rate particularly at a high agitation speed. A three-dimensional in-house computational fluid dynamic (CFD) two-fluid model with the standard k?A_p turbulence model was used to predict the gas-liquid flow, and the impeller region was handled using the improved inner-outer iterative procedure. Based on Kolmogoroff's theory of isotropic turbulence, a constitutive equation for surface aeration strength was proposed. The numerical prediction, in combination with the measurements, gives insight to the surface aeration performance of stirred tanks. It was found that the simulation reasonably predicted the gas hold-up distribution in the upper tank, but underestimated it in the region below the stirrer.