中空纤维膜组件中流动均布模型与模拟

发布时间：2018-02-17 08:37

本文关键词： 中空纤维膜组件计算流体力学流动分布模型模拟　出处：《华东理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：中空纤维膜组件性能低于预期,原因在于组件特殊的几何结构造成了不均匀的流动分布。本文建立了单根膜丝与全组件的流动与传质模型,采用计算流体力学(CFD)外加辅助实验的方法,系统研究了流体流动分布与组件性能之间的关系。发展了强化膜过程的均布技术,根据模拟结果拟合出了中空纤维膜组件产水性能关联式,实现了大型中空纤维膜组件全过程的模拟,建立了细微流场结构与组件宏观性能之间的联系,可用于指导组件的设计和优化。主要工作有以下三方面：(1)膜丝通量分布均匀性与能量利用率首先采用模型法建立了膜丝通量分布的解析表达式,据此提出三个无量纲数,分别用于预测局部通量最大值所处位置,表征通量分布均匀性和能量利用率。然后建立膜丝外压式全量纯水过滤的CFD模型,模拟得到通量分布均匀性和能量利用率随几何参数的变化关系。通量分布均匀性的降低必然导致能量利用率的降低。提出了膜丝尺寸的合理范围,即长度低于2 m,内径大于0.4mm,装填密度低于0.6,以避免通量分布均匀性和能量利用率的恶化。最后根据数理推导,设计出了阻力沿长度方向呈抛物线分布的中空纤维膜丝,用于保证初始通量分布的完全均匀。(2)组件外部壳体的优化设计首先采用CFD模拟和实验测试研究了中空纤维膜组件外部空壳的流体分布特性以及各部件的阻力损耗,发现壳体内部流动分布均匀性不受操作流量影响,而各部件阻力损耗占总能耗的比例均随流量的变化而变化,中空纤维膜组件外部壳体总阻力损耗中惯性阻力损耗约占一半。然后建立了中空纤维膜组件外压式纯水过滤的三维CFD模型,研究进口分布器结构对组件能耗,管壳程速度分布以及通量分布的影响。结果表明：单根膜丝产水性能优于组件产水性能的原因在于后者存在进口阻力损耗；进口分布器开孔率的增大有助于降低进口阻力损耗；进口分布器造成的不均匀初始流动影响壳程流场均匀性,但几乎不影响管程速度分布;组件通量分布存在三维不均匀性；对于给定尺寸的膜丝,提高通量分布均匀性关键在于提高壳程流场均匀性。最后,设计出了新型进口分布器。(3)大型中空纤维膜组件污水过滤的全过程模拟基于膜过滤的滤饼形成机理,建立了中空纤维膜组件外压全量过滤的CFD模型。首先,模拟得到各种膜丝长度,直径,渗透系数,装填密度,污染指数以及跨膜压差下,通量分布和产水量的动态演变过程。研究结果表明：通量分布会随着过滤的进行而逐渐变得均匀,这种通量分布的自我调节作用在膜丝较长,较细,渗透系数较高,装填密度较高,污染指数较高以及跨膜压差较高时更为明显；产水流量的倒数与累积产水量呈线性关系,但由于通量分布不均匀并且均匀性存在演变,这种线性关系区别于传统滤饼过滤模型；通过数据拟合得到了适用于中空纤维膜外压式全量操作的滤饼过滤关联式。然后,以结构优化的中空纤维膜组件为对象,采用CFD方法模拟了大型中空纤维膜组件外压全量过滤过程。结果表明：壳程速度分布均匀性随时间变化较小,因此进口分布器设计的合理性关系着整个过滤过程壳程流场分布的均匀性；外压式恒压操作,进口损耗随着过滤进行而不断减小。污垢与通量之间存在互相调节的作用。但是污垢分布均匀性的提升远不如通量分布,原因在于污垢对通量分布的调节能力存在对时间的“记忆性”,而通量对污垢的调节作用仅与即时通量大小有关。组件产水流量的倒数和累积产水量仍然呈线性关系,虽然进口损耗随时间不断减小,该线性关系仍然可以采用上述关联式进行描述。该关联式结合简单实验可以直接得到进口分布器损耗的动态变化数据。
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【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893

【参考文献】