平板膜微滤过程的数值模拟论文.pdf

大连理工大学硕士学位论文摘要平板膜微滤过程面临的最主要的问题是膜污染。膜污染的种类包括膜孔堵塞、滤饼层形成、浓差极化等。膜污染会造成微滤阻力的增大,在恒速工况下跨膜压差(TMP) 随时间而增大,恒压工况下渗透速度随时间而减小。本文建立了平板膜微滤的机理模型, 对平板膜微滤过程进行了模拟。本文应用堵塞模型对平板膜死端微滤含有单晶硅颗粒悬浮液的实验进行了模拟和分析。首先推导了四种堵塞模型的函数关系式,非线性回归得到了模型中的参数,模拟了恒速下TMP随时间的增长,结果显示,堵塞模型可以在一定程度上模拟整个微滤过程,但无法得到较精确的结果,在分析模型参数后发现,膜孑L堵塞发生在微滤的初期时刻,绝大部分时间为滤饼过滤。鉴于上述结论,首先分析了实验滤饼的压缩性,发现滤饼固含率随着TMP的增大而增大,属于可压缩滤饼,建立了针对可压缩滤饼微滤的增量分析模型,以跨膜压差作为模型增量,采用Grace等提出的指数型函数式计算滤饼固含率,,推导得到了死端恒速下增量分析模型的模拟流程,TMP的模拟值和实验值吻合的较好。同时模拟了不同悬浮液浓度、不同渗透速度下TMP、滤饼固含率、滤饼比阻随时间的变化情况。对于错流微滤,本文分析了膜表面颗粒受力,发现对于微米级的颗粒,决定颗粒是否沉降在膜表面的力为渗透曳力和惯性升力,并且沉积到膜表面的颗粒将不会返回到悬浮液主体中,推导得到了颗粒受力模型的计算流程。计算了恒压工况下不同TMP、悬浮液浓度、错流速度下渗透速度、滤饼厚度、临界粒径随时间的变化情况。基于错流微滤的扩散模型,建立了一个二维错流微滤的CFD模型,使用有限元软件COMSOL对其进行求解。采用Leighton提出的粘度函数,扩散系数采用反映布朗扩散和剪切诱导扩散的混合扩散系数。模拟得到了非稳态下膜表面处浓差极化层的形成过程,以及稳态下不同颗粒粒径、错流速度、渗透速度下膜表面处颗粒浓度场分布情况, 计算了浓差极化层的阻力,和Romero和Davis的经验模型进行了比较,发现吻合较好。本文建立了平板膜在不同操作工况下微滤硅颗粒悬浮液的计算模型,编制了两种工况下的计算程序,模拟了微滤过程参数的变化。以上模拟可以在一定程度上指导实验, 减少实验量。同时建立了描述膜表面浓差极化的CFD模型,对于认识浓差极化层的形成机制和浓度分布具有重要意义。关键词:平板膜微滤;堵塞模型;增量分析模型;颗粒受力模型;CFD模拟平板膜微滤过程的数值模拟 TheNumerical Simulation forFIatMembrane Microfiltration Abstract Membrane fouling iS one of themostimportantproblems which includes membrane pore blocking,cake forming and concentration fouling can induce the increasement ofmicrofiltrationresistance,meanwhile transmembrane pressure(TMP)will increase over time,permeation velocity would decay over time atconstant thisstudy, mechanism models were developed forflatmembrane microfiltration. model WaS used tosimulate andanalyze experiments for(1ead microfiltrationsuspension containing particles relations of fourblocking models were derived toobtained model parameters USing non-linearregression. TIliSstudysimulated theTM口increase over timein constant resultofsimulation was essfully able toconfirm blocking model couldsimulate thewhole microfiltration process tosome extent,but themodelCan’t get exact was fo