湍流促进器强化错流微滤膜过程的研究

摘要

膜污染现象引起微滤膜通量随时间急剧衰减，导致系统能耗显著增加，严重制约了微滤膜技术的应用。湍流促进器可以改善膜组件内的流体动力学条件，显著提高壁面流速或剪切速率，有助于抑制料液中的颗粒在膜表面的沉积，减轻微滤过程的膜污染现象，从而有效提高微滤膜通量。湍流促进器强化传质效果主要依赖于膜表面的流体动力学效应。然而，扰流挡板和螺旋式湍流促进器强化传质的流体动力学机制尚不明确，在微滤过程的强化传质机理尚未完善。本论文使用扰流挡板强化错流微滤碳酸钙悬浮液过程，考察挡板结构参数对强化传质效率的影响，设计了一种新型的具有矩形螺旋截面的螺旋式湍流促进器，CFD（Computational fluid dynamics）模拟管内附加不同湍流促进器的流场，数值分析两种湍流促进器强化传质的流体动力学机制，并以新设计的螺旋式湍流促进器为例，考察了湍流促进器对滤饼参数的影响，完善了湍流促进器在微滤过程的强化传质机理，最后建立可预测湍流促进器强化传质效率的神经网络模型，优化湍流促进器强化微滤过程的操作条件，从而为湍流促进器的应用提供指导。
　　首先，使用扰流挡板强化错流微滤碳酸钙悬浮液过程，考察扰流挡板的类型、结构参数（挡板收缩率和挡板间距）以及挡板排列方式对强化传质效率的影响。研究表明，挡板收缩率(β)对强化传质效率有显著的影响，β值大的扰流挡板可获得较高的强化传质效率。圆形挡板间距的优化依赖于β值，并且要满足旋涡的充分发展，环形挡板间距的优化与β值无关。基于相同的结构参数，圆形挡板可以获得比环形挡板更高的强化传质效率。与单独使用一种类型扰流挡板相比，混合使用两种类型扰流挡板可获得更好的强化传质效果。为了揭示扰流挡板强化传质的流体动力学机制，CFD模拟管内附加扰流挡板的流场。流场数值分析表明，扰流挡板诱发管内流体形成旋涡，引起壁面流速剧烈波动，显著提高流体的湍动强度，可以破坏边界层的发展，抑制料液中的颗粒在膜表面沉积，从而有效提高微滤膜通量。
　　其次，设计了一种新型的矩形截面螺旋式湍流促进器，CFD模拟管内附加新型湍流促进器的流场，分析强化传质的流体动力学机制，并考察湍流促进器结构参数对流场特性的影响。流场分析表明，矩形截面螺旋式湍流促进器引发螺旋流与轴向流的剧烈混合，可显著提高流体的湍动强度和壁面剪切力，壁面附近无滞流区或流动死区，螺旋槽内未形成旋涡或二次流，与文献报道的半圆形截面螺旋式湍流促进器相比，在相同条件下，膜组件轴向压力降减小了25％，壁面剪切力增大了6.7％，可显著降低能耗并获得较高的强化传质效率。螺旋式湍流促进器的结构参数对流场特性有显著的影响:壁面剪切力和膜组件轴向压力降均随着螺纹外径(Dh)和中心杆直径(Dr)的增大而提高，随着螺纹间距（λ）的增大而降低。基于临界剪切力的优化设计依据，确定了矩形截面螺旋式湍流促进器的优化结构参数:Dh=11 mm，λ=12 mm，Dr=4或5 mm。
　　以新设计的矩形截面螺旋式湍流促进器为例，考察了湍流促进器对滤饼参数的影响，通过滤饼阻力理论分析，完善了湍流促进器在微滤膜过程的强化传质机理。研究结果表明，在相同操作条件下（跨膜压力50 kPa、入口流速0.5 m/s和料液浓度1.0 g/L），湍流促进器使滤饼层厚度从0.59 mm显著减薄到0.1 mm，滤饼孔隙率从0.55增大到0.65，滤饼平均粒径从5.15μm显著减小到1.99μm;滤饼阻力分析表明，滤饼平均粒径的显著减小导致滤饼比阻增大了2.45倍，说明湍流促进器对微滤过程产生了负面效应。由于滤饼层厚度减薄和孔隙率增大的正面效应远大于滤饼比阻增大的负面效应，因此整体滤饼阻力显著降低。微滤过程的操作条件对滤饼参数有显著的影响:随着跨膜压力的升高，滤饼层厚度增大，滤饼孔隙率减小，滤饼平均粒径增大;随着入口流速的升高，滤饼层厚度减小，滤饼孔隙率增大，滤饼平均粒径减小;随着料液浓度的升高，滤饼层厚度增加，滤饼平均粒径减小，滤饼孔隙率在无湍流促进器时增大，在有湍流促进器时保持不变。湍流促进器可以减弱跨膜压力和料液浓度对滤饼参数的影响，增强入口流速对滤饼参数的影响。
　　最后，建立了可预测湍流促进器强化传质效率的神经网络模型，优化了神经网络模型的结构:隐含层神经元数为12，输入层与隐含层之间的传递函数为logsig，隐含层与输出层之间的传递函数为tansig。利用该模型分析了微滤过程的操作条件对湍流促进器强化传质效率的影响:强化传质效率随着跨膜压力的增大先升高后降低，随着入口流速或料液浓度的增大而升高;跨膜压力对强化传质效率的影响最大,料液浓度的影响次之，入口流速的影响最小。利用该模型优化了湍流促进器强化微滤过程的操作条件，从而为湍流促进器的应用提供指导:在较低的料液浓度时，采用较高的入口流速和较低的跨膜压力，湍流促进器可获得较高的强化传质效率;在较高的料液浓度时，采用较高的入口流速和较高的跨膜压力，湍流促进器可获得较高的强化传质效率。

目录

声明

摘要

CONTENTS

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 微滤膜过滤机理

1．1．1 微滤膜过程

1．1．2 错流微滤膜过滤机理

1．2 微滤膜污染

1．2．1 膜污染现象

1．2．2 滤饼层阻力模型

1．2．3 滤饼参数测量方法

1．3 湍流促进器强化传质研究进展

1．3．1 湍流促进器类型

1．3．2 湍流促进器的应用

1．3．3 流体动力学机制

1．3．4 强化传质机理分析

1．4 CFD及其在膜技术领域的应用

1．4．1 CFD概述

1．4．2 CFD在膜分离过程的应用

1．5 神经网络及其在膜技术领域的应用

1．5．1 神经网络概述

1．5．2 BP神经网络

1．5．3 神经网络在膜分离过程的应用

1．6 论文研究目的及主要研究内容

2 扰流挡板强化微滤膜通量的研究

2．1 实验仪器与方法

2．1．1 实验仪器与材料

2．1．2 实验方法

2．1．3 挡板结构参数

2．2 CFD数值计算方法

2．2．1 数学模型的建立

2．2．2 计算模型的建立

2．3 扰流挡板类型的影响

2．3．1 扰流挡板类型对强化传质效率的影响

2．3．2 流体动力学机制分析

2．3．3 网格无关性检验

2．4 扰流挡板结构参数的影响

2．4．1 圆形挡板收缩率的影响

2．4．2 圆形挡板间距的影响

2．4．3 环形挡板收缩率的影响

2．4．4 环形挡板间距的影响

2．5 混合使用两种类型扰流挡板

2．6 操作条件对强化传质效果的影响

2．6．1 跨膜压力的影响

2．6．2 入口流速的影响

2．7 小结

3 螺旋式湍流促进器的结构优化设计

3．1 实验仪器与方法

3．2 CFD数值计算方法

3．2．1 数学模型的建立

3．2．2 计算模型的建立

3．3 新型湍流促进器强化效果评价

3．3．1 与扰流挡板比较

3．3．2 系统能耗分析

3．4 流体动力学机制分析

3．4．1 速度矢量图

3．4．2 速度云图

3．4．3 壁面剪切力

3．4．4 湍流特性

3．5 螺旋式湍流促进器结构参数的影响

3．5．1 螺纹外径的影响

3．5．2 中心杆直径的影响

3．5．3 螺纹间距的影响

3．5．4 结构参数的优化

3．5．5 中心杆结构的影响

3．5．6 螺旋截面形状的影响

3．6 小结

4 湍流促进器对滤饼参数的影响

4．1 实验仪器与方法

4．1．1 实验设备与材料

4．1．2 滤饼参数的测定

4．1．3 传质阻力的测定

4．2 颗粒受力分析

4．3 湍流促进器强化传质机理分析

4．3．1 湍流促进器对滤饼层厚度的影响

4．3．2 湍流促进器对膜过滤阻力的影响

4．3．3 湍流促进器对滤饼孔隙率的影响

4．3．4 湍流促进器对滤饼粒径分布的影响

4．3．5 滤饼阻力分析

4．4 操作条件对滤饼参数的影响

4．4．1 跨膜压力对滤饼参数的影响

4．4．2 入口流速对滤饼参数的影响

4．4．3 料液浓度对滤饼参数的影响

4．5 小结

5 神经网络模型优化湍流促进器强化微滤膜过程

5．1 基于遗传算法的BP神经网络模型的建立

5．1．1 样本数据分类与处理

5．1．2 遗传算法优化BP神经网络

5．1．3 BP神经网络模型的建立

5．1．4 神经网络模型的回归方程

5．2 操作条件对强化传质效率影响

5．2．1 跨膜压力对强化传质效率的影响

5．2．2 入口流速对强化传质效率的影响

5．2．3 料液浓度对强化传质效率的影响

5．2．4 操作条件的相对重要程度

5．3 湍流促进器强化微滤过程操作条件的优化

5．4 小结

6 结论与展望

创新点摘要

参考文献

附录A 神经网络模型程序代码

作者简介

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢