中空纤维超滤膜组件通量分布的数值模拟

作者:庄黎伟;戴干策 刊名:膜科学与技术 上传者:王春风

【摘要】为了研究中空纤维超滤膜组件通量分布,建立了基于膜丝实体为骨架的三维多孔介质模型,通过商用有限体积法软件求解管壳程以及膜丝多孔区纯水渗透过程的控制方程,得到管壳程的流场信息和多孔区的通量分布.研究表明,任意膜丝和膜丝束均存在通量分布的三维不均匀性,局部高通量增大了设备能耗,降低了组件效率;增大进出口压差降低了通量分布的均匀性,由于考虑了进口效应而更接近实际;膜丝渗透性的提高降低了通量分布的均匀性,在本文研究范围内,相同的进出口压差,膜丝渗透性提高5倍,产水量仅提高10%.本文计算流体力学模型适用于膜丝单元和膜组件研究,与实验偏差均在10%以内,可用于指导组件设计和优化.

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第 36卷 第 2期 2016年 4月 膜 科 学 与 技 术 MEMBRANE SCIENCE AND TECHNOL0GY Vol_36 No.2 Apr.2016 中空纤维超滤膜组件通量分布的数值模拟 庄黎伟,戴干策 (华东理工大学 化学工程联合国家重点实验室,上海 200237) 摘要 :为了研 究中空纤维超滤膜组件通量分布 ,建立 了基 于膜丝 实体 为骨架的三维多孔介质 模型,通过商用有限体积法软件求解管壳程以及膜丝多孔区纯水渗透过程的控制方程,得到管 壳程 的流场信 息和多孔区的通量分布.研究表 明,任 意膜丝和膜丝束均存在通量分布的三维不 均匀性 ,局部 高通量增 大了设备能耗 ,降低 了组件效率 ;增大进 出口压差降低 了通量分布的均 匀性,由于考虑了进口效应而更接近实际;膜丝渗透性的提高降低了通量分布的均匀性,在本 文研 究范围内,相 同的进 出口压差 ,膜丝渗透性提 高 5倍 ,产水量仅提 高 10 .本文计算流体 力学模型适用于膜丝单元和膜组件研 究,与实验偏差均在 1O 以内,可用于指导组件设计和 优 化 . 关键词 :中空纤维膜组件 ;超滤 ;数值模拟 ;多孔介质模型;通量三维分布 中图分类号 :TQ051.8 TQO21.1 文献标志码 :A 文章编号:1007—8924(2016)02—0086-10 doi:IO.16159/j.cnki.issnlO07—8924.2016.02.015 早在 2o世纪 90年代中期,中空纤维膜超滤就 开始被大量应用,迄今为止仍不断发展.一方面由于 日益苛刻的环保法提高 了饮用水 的卫生标准 ;另一 方面由于水资源的匮乏推动了脱盐技术 的发展,而 中空纤维膜超滤可以作为海水和苦咸水脱盐的预处 理过程 ,与反 渗透 集成 于 同一系统 (即 IMS,inte— grated membrane system)口].中空纤维膜组件高装 填密度 以及高 比表面积 的特性lⅢ2],决定 了实现通量 分布均匀性 的重要性和难度.组件通量分布 的均匀 性决定着膜面积 的利用率,而且通 量不均匀分布造 成 的滤饼厚度不均 ,可 能导致膜丝局部发生不可逆 结垢[3],从而使该部分膜面积失去分离功能. 在组件 内,通量存在沿 中空纤维膜 (即膜丝 )长 度 的不均匀分布.Chang等_4]通过模型法研究 了浸 没式中空纤维膜组件的通量分布.结果显示,靠近抽 吸端的通量最高 ,通量沿膜丝长度的分布取决于膜 丝的内径、长度和渗透性.Giinther等[5]运用有 限元 数值模拟方法 ,研究纯水操作下装 填密度对通量沿 膜丝长度方 向分布的影响,发现当装填密度较大时 , 渗透倾向于发生在膜丝底部;当装填密度较小时,渗 透倾向于发生在膜丝顶部.王捷等 ]建立 了双端出 水单根 中空纤维膜 (即膜丝)的渗透模型 ,以局部通 量 的均匀性系数为 目标函数 ,得 到了特定 内径范围 对应的最佳长度范围.文献 中主要考察单根膜丝的 一 维分布,而实际膜组件 内存 在绕流、沟流、死 区[7 ],由此造成膜丝之间通量分布的差别使 得整 个组件的通量存在三维分布.由于膜组件管程与壳 程通道细微 以及局部通量较小 ,实验方法很难进行 通量分布的测定.计算 流体力学 (CFD)方法能有效 预测通量分布 ,但如果考虑浓差极化和结垢的影响 , 膜表面的高浓度梯度要求极其 细微 的 网格进行 捕 捉¨9],现有的计算能力 只能将此类数值模拟研 究限 制在二维情况口 ¨]. 因此 ,本文建立 了中空纤维超 滤膜组件的三维 多孔介质

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