振动剪切流过滤过程及其强化性能的研究

摘要

如何解决过滤过程中过滤介质污染、滤饼层增厚所导致的过滤通量迅速降低等问题，是固液分离的一个重要研究内容。提高过滤介质表面的剪切力是强化过滤过程的重要方法之一。进料流速的提高或装置的高速转动可以提高过滤介质表面的剪切力，但能耗较高，结构复杂、密封困难。振动剪切流强化过滤装置通过过滤盘自身周期性的扭转振动产生较高的剪切力，仅受过滤转盘振幅和频率的影响，而与料液的进口流速无关，可以有效地解决上述问题，在工程领域具有广阔的应用前景。 本文自行设计一套振动剪切流强化过滤实验系统，对其进行系统的实验测试和模型分析工作。实验中，测试并分析进料液浓度、振幅和频率等操作参数，以及过滤物料颗粒直径和物料种类等物性参数对过滤通量的影响。结果表明，进料液浓度越高，过滤通量的衰减速度越快，稳态过滤通量越小；提高装置的振动频率和振幅均可强化其过滤通量，并可减轻过滤介质的污染程度；物料种类的不同会影响过滤效果，易形成可压缩性滤饼层物料的过滤通量较高，且颗粒粒径越小，受到振动剪切力的影响越大。振动剪切流强化过滤过程与传统的错流过滤过程的对比实验结果表明，振动剪切流对过滤过程具有明显的强化效果。 本文对实验装置的模型进行简化，通过建立非稳态周期性流动的N-S方程和连续性方程，得出振动剪切流对过滤器内流体速度和剪应力的分布情况。模拟计算结果表明，振动剪切流强化过滤过程的最大剪应力比错流过滤过程的最大剪切力高70～90倍。 本文利用参数分析和正交实验等手段，建立雷诺数、欧拉数以及装置的操作参数等无因次数群之间的关系，得出过滤过程中稳态通量参数模型，为振动剪切流强化过滤装置的优化和设计提供依据。本文还综合考虑装置的振幅和频率以及进料液浓度等参数的影响，建立过滤通量参数的动态衰减模型，为过滤过程的实时控制提供计算依据。 通过本文的研究发现，振动剪切流对过滤过程具有较好的强化效应，振动剪切流过滤装置具有剪切速率高、结构简单、能耗小、易于工业放大等优点，在过程工业中有较好的应用前景和潜在的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1文献综述

1.1固液分离

1.2错流动态过滤机理

1.2.1错流动态过滤机理

1.2.2错流过滤方法对比

1.3高剪切力机械式动态过滤机

1.3.1高剪切力机械式动态过滤的原理和特点

1.3.2新型多功能高剪切力动态过滤机

1.4本章小结

2实验流程及测试

2.1实验装置及工艺流程

2.1.1实验装置的设计

2.1.2实验工艺流程

2.1.3主要实验设备仪器

2.3实验材料

2.3.1待滤物料

2.3.2过滤介质

2.4实验方法

2.4.1实验安排

2.4.2实验步骤

2.4.3实验效果的评定

2.5本章小结

3实验结果分析及讨论

3.1操作参数对过滤通量的影响

3.1.1进料液浓度对过滤通量的影响

3.1.2振幅对过滤通量的影响

3.1.3频率对过滤通量的影响

3.2待滤物料对过滤通量的影响

3.2.1颗粒类型对过滤通量的影响

3.2.2颗粒粒径对过滤通量的影响

3.3振动剪切流过滤器与传统错流过滤器过滤性能的对比

3.3.1清水实验时过滤性能的对比

3.3.2悬浮液实验时过滤性能的对比

3.4本章小结

4模型建立及参数分析

4.1理论模型

4.1.1剪切力表达式和N-S方程

4.1.2单圆盘扭转振动的流动特性分析

4.1.3双圆盘扭转振动的流动特性分析

4.1.4振动剪切流强化作用的理论分析

4.2实验参数分析

4.2.1过滤通量的稳态通量模型

4.2.2过滤通量的动态衰减模型

4.3本章小结

结论

参考文献

附录A 论文第二章中省略的复杂公示的推导过程

附录B 振动剪切流数值模似的UDF

附录C 淀粉实验的稳态通量模型

附录D 淀粉实验的动态衷减模型

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢