基于内部流场分析的中空纤维膜组件设计与优化

摘要

常用延缓膜污染的方法之一是定期对膜组件进行曝气清洗。在曝气清洗过程中，中空纤维膜组件不同构型及尺寸，曝气孔的排布方式等都会对膜组件内部流场造成影响。借助数值模拟和实验研究的方法，以膜面速度和膜面剪切力为考察对象，研究了曝气强度与中空纤维膜组件尺寸的匹配关系及曝气结构的优化设计。
　　首先，研究了不同曝气强度(3 L/min，5 L/min，7 L/min)和不同组件长度(0.6m，0.8m，1.0m，1.2 m，1.4 m)体系下组件区域的流场特征。研究结果表明:曝气强度越大，流体速度越高。在一定曝气强度下，存在最佳组件长度，组件长度较小时，曝气产生的较高流速得不到充分利用;组件长度较长时，组件顶端得不到有效清洗。适当的组件长度使流体在膜纤维间形成较高的速度及膜面剪切作用，有利于减缓膜污染。因此，在膜曝气清洗的过程中，只有将中空纤维膜组件长度和曝气强度相匹配，才能有效的兼顾曝气能耗和控制膜污染两方面。
　　其次，借助电化学测膜面剪切力和三维电磁流体测速仪测速的方法，将数值模拟和实验研究建立联系，研究发现:相同曝气强度下，随着膜组件长度的增加，平均速度和平均膜面剪切力存在一定关联性。速度和剪切力的计算值总平均误差分别为6.13％和7.27％。表明模拟结果与实验结果一致性较好。
　　再次，结合数值模拟和实验研究了曝气孔半径比（曝气孔到中心柱的距离与膜组件半径的比值）γ=0.25，γ=0.5，γ=0.75，γ=1的四种布气方式对组件区域气液两相流的流动状况影响。研究表明:当γ=0.75时，整个组件区域都存在较高的流体速度且形成较大的膜面剪切力。且在整个组件区域分布相对均匀，使曝气清洗过程整个组件都处于较高流速和较高膜面剪切力的环境。有利于对膜面污染层的冲刷脱落，延缓膜污染，提高膜通量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 膜分离技术的概念和分类

1．2 中空纤维膜的发展应用及特点

1．2．1 中空纤维膜简介

1．2．2 中空纤维膜的特点

1．3 中空纤维膜组件

1．4 膜污染

1．4．1 膜污染定义与分类

1．4．2 膜污染的影响因素

1．4．3 膜污染的控制手段

1．5 中空纤维膜组的件优化设计

1．5．1 中空纤维膜组件优化设计的基本原则要求

1．5．2 中空纤维膜组件优化设计要考虑的一些主要因素

1．5．3 中空纤维膜组件优化设计的主要内容

1．6 计算流体力学在中空纤维膜组件设计中的应用

1．6．1 计算流体力学的概况及特点

1．6．2 计算流体力学在中空纤维膜组件设计中的应用

1．7 课题的提出及研究内容

1．7．1 课题研究背景

1．7．2 课题研究目的

1．7．3 课题研究内容

第二章 实验装置、材料及分析方法

2．1 实验装置及材料

2．1．1 实验装置

2．1．2 实验材料及药品

2．2 实验方法

2．2．1 膜面剪切力测试原理及方法

2．2．2 流速分析的仪器及方法

2．2．3 CFD三维数值模拟法

第三章 组件长度与曝气强度匹配关系的数值模拟及实验研究

3．1 计算模型的建立与简化

3．2 网格划分及边界条件

3．2．1 网格划分

3．2．2 边界条件的设置

3．3 Fluent求解器参数设置及数学模型

3．3．1 Fluent求解器参数设置

3．3．2 数学模型

3．4 不同长度的中空纤维膜组件纤维束间速度分析

3．5 不同长度的中空纤维膜组件纤维束间剪切力分析

3．6 组件长度与曝气强度匹配关系实验结果讨论

3．7 数值模拟结果和实验结果对比

3．8 本章小结

第四章 曝气结构设计的数值模拟及实验研究

4．1 计算模型的建立与简化

4．2 网格划分及边界条件的确定

4．3 不同布曝气结构设计的速度分析

4．4 不同曝气结构设计的剪切力分析

4．5 不同曝气结构设计优化实验

4．6 实验结果讨论

4．7 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 实验及研究结论

5．2 研究中的不足与建议

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢