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旋转管式膜分离器流场特征与过滤机理研究

作　者: 左小红
导　师: 胡筱敏
学　校: 东北大学
专　业: 环境工程
关键词: 旋转管式膜分离 Taylor涡 PIV系统 流场特征
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


旋转管式膜分离是强化十字流微滤的有效方法之一,它较好的解决了长期以来阻碍膜分离技术的膜污染和浓差极化问题。但是由于其内部为旋转剪切流、轴向剪切流和径向渗透流共同作用的三维流场,至今仍没有对其分离机理形成统一的认识。课题组于2001年采用PIV激光测试系统对旋转聚丙烯(PA)管式膜分离器环隙子午面的流场进行了实测,本研究将理论与测试结果结合进行分析,比较系统的研究了膜器环隙间的流场特征和膜器的过滤机理。 首先结合前人的研究成果,讨论了膜器环隙间的流动机制,分析了波涡、交错螺旋涡、交错螺旋波涡的涡动状态特征。推导出轴向流和渗透流同时存在时,流动从库特层流转化为层流涡以及从层流涡转化为波涡时临界Tavlor数的近似表达式,表达式较好地反映了轴向流和渗透流较小时的流态转变机制。 对课题组前期的测试结果进行分析发现:对于无轴向流和渗透流情形,在较低的内管转速下出现稳定的层流涡,涡的形状和位置基本不随测试时间的推移而改变,涡近似呈规则的正方形,大小与环隙宽度相当,流场近似活塞流,流场中的质量传递很小;随着内管转速的增大,环隙间的流体流动不稳定性增强,逐渐由层流涡向波涡、过渡涡甚至湍流涡发展。轴向流和渗透流同时存在时,环隙间仍会出现Taylor涡,并且涡在环隙间轴向漂移。在较宽的内管转速范围内均有波涡出现,波涡是比较适合实际过滤的一种流动形态。旁流伴随波涡的出现而产生,其流量随内管转速的增大逐渐减小,由于旁流对过滤速度和控制膜污染的影响相互矛盾,因此在实际过滤中应根据物料特性选择适当的内管转速。受底端进料的影响,垂直方向高位涡的轴向尺寸大于垂直方向低位涡的轴向尺寸。通过比较不同过滤压力和轴向流速下环隙间的流动发现:操作压力对环隙间的流动特征几乎没有影响;较大的轴向流会使环隙间的流动变得更加稳定,形成发育完全的稳定层流涡需要更大的内管转速。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-12
第一章 绪论  12-22
  1.1 膜分离技术的发展  12-14
  1.2 旋转管式膜分离器的基本特点  14-15
  1.3 旋转管式膜分离器的研究进展  15-21
    1.3.1 旋转管式膜分离器的分离性能研究及工业应用  15-16
    1.3.2 旋转管式膜分离器的流场研究进展  16-19
    1.3.3 旋转管式膜分离器流场测试技术的发展  19-21
  1.4 本课题的意义、研究目标和主要内容  21-22
    1.4.1 本课题的意义  21
    1.4.2 研究目标  21
    1.4.3 研究内容  21-22
第二章 旋转管式膜分离器环隙间的流动机制  22-33
  2.1 引言  22-23
  2.2 同轴旋转圆管环隙间的流动机制  23-27
  2.3 临界TAYLOR数  27-31
    2.3.1 Taylor数的不同定义形式  27-28
    2.3.2 对临界Taylor数的讨论  28-31
  2.4 小结  31-33
第三章 旋转管式膜分离器流场测试系统  33-39
  3.1 引言  33-34
  3.2 旋转管式膜分离器系统  34-36
  3.3 PIV测试系统原理及其系统组成  36-37
  3.4 流场测试流程与方案  37-39
    3.4.1 测试流程  37-38
    3.4.2 测试方案  38-39
第四章 旋转管式膜分离器的流场测试分析  39-63
  4.1 引言  39
  4.2 无轴向流和渗透流的流场测试分析  39-47
    4.2.1 膜器环隙子午面的流场测试  39-41
    4.2.2 相同内管转速不同时刻环隙间的流场分析  41-44
    4.2.3 不同内管转速下的流场分析  44-47
  4.3 渗透流和轴向流同时存在时的流场测试分析  47-61
    4.3.1 相同操作条件不同时刻环隙间的流场分析  47-54
    4.3.2 不同位置的流场比较  54-57
    4.3.3 不同操作条件下环隙间的流场  57-61
  4.4 小结  61-63
第五章 旋转管式膜分离器过滤机理研究  63-71
  5.1 引言  63
  5.2 十字流过滤机理  63-65
    5.2.1 浓差极化模型  63-64
    5.2.2 惯性升力机理  64
    5.2.3 剪切诱导扩散机理  64-65
  5.3 膜器环隙间颗粒受力分析  65-67
  5.4 旋转管式膜分离器过滤通量模型  67-70
  5.5 小结  70-71
第六章 结论与存在的不足  71-73
  6.1 结论  71-72
  6.2 存在的不足  72-73
参考文献  73-78
致谢  78

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工业通用技术与设备 > 薄膜技术
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