雙軸旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流膜分離過(guò)程的數(shù)值模擬

程大洲+何欣明

摘 要：傳統(tǒng)的膜分離設(shè)備有易堵塞、清洗頻繁、高能耗的缺陷，根據(jù)主動(dòng)錯(cuò)流過(guò)濾原理，將中空腔式膜組件改進(jìn)為雙軸交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)以獲得更好的流場(chǎng)。對(duì)裝置數(shù)值模擬表明，該結(jié)構(gòu)的改進(jìn)能夠有效促進(jìn)錯(cuò)流過(guò)濾、增大膜剪切力、降低膜污染，在以后設(shè)備改進(jìn)中具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：雙軸；主動(dòng)錯(cuò)流；膜分離；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.138

1 研究現(xiàn)狀和目的意義

隨著膜分離技術(shù)的不斷推陳出新，其低能耗、設(shè)備簡(jiǎn)單、溫度要求低、分離效果好、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)在眾多分離技術(shù)中脫穎而出[1]。目前，主動(dòng)錯(cuò)流式膜分離設(shè)備將“靜態(tài)”變?yōu)椤皠?dòng)態(tài)”操作方式，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式錯(cuò)流過(guò)濾，消除濃差極化，提高膜通量，并充分利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生沖刷剪切力和濾液湍流，防止濾層產(chǎn)生，無(wú)需曝氣和反沖洗即可高效防止膜阻塞和延緩膜污染[2]。雙軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使得膜盤(pán)間交錯(cuò)區(qū)域相比其他區(qū)域有著較大的剪切速度，該結(jié)構(gòu)的改進(jìn)相比原裝置有更好的錯(cuò)流效果。

2 模型基本介紹

2.1 理論依據(jù)

運(yùn)行時(shí)原液相對(duì)于膜表面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的速度梯度，由于流體粘性作用而產(chǎn)生在膜表面的剪切力，這種剪切力的存在減小了滯留層的厚度，從而提高膜通量，同時(shí)對(duì)原液里的固體濃度也沒(méi)有嚴(yán)格的限制。同時(shí)與膜表面接觸的微粒受到以下3個(gè)力的作用：由滲透流引起的垂直于膜表面的力（∝m，u其中m為微粒質(zhì)量，u為滲流速度），由錯(cuò)流速度v引起的平行于膜表面的向前的力（∝m，v）（如是紊流狀態(tài)，則是因紊流引起的力）；由黏附及摩擦作用而引起的向后的力，如果沿膜表面向前的力大于其他的力時(shí)，顆粒就不會(huì)停留；當(dāng)向前的力小于其他力的作用而無(wú)法繼續(xù)跟隨沿膜表面的水流運(yùn)動(dòng)時(shí)，顆粒便沉積在膜表面成為濾餅的一部分[3]。

2.2 模型思路與框架

在workbench建立三維物理模型后進(jìn)入meshing劃分網(wǎng)格，用MRF模型模擬旋轉(zhuǎn)并設(shè)置旋轉(zhuǎn)相，并根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，對(duì)流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體采用掃掠網(wǎng)格劃分，共計(jì)2070719個(gè)單元，在后面的計(jì)算中加入dpm模型模擬水中的污泥顆粒，為了減少計(jì)算量，將膜面設(shè)置為出口。本文根據(jù)所使用的MRF模型和膜盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)，并且相間密度比接近于1，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型可以利用混合物特性和混合速度可以捕捉湍流的重要特性。此模型在先前試驗(yàn)中已經(jīng)被成功運(yùn)用到旋轉(zhuǎn)剪切流當(dāng)中。

3 設(shè)備概況

3.1 設(shè)備原理和結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)上訴原理，本文采用和以前一樣的中空腔式平板膜組件、內(nèi)置式集水系統(tǒng)、浸沒(méi)式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及程控驅(qū)動(dòng)裝置，使整套膜分離設(shè)備高度集成化。設(shè)備由長(zhǎng)50cm、寬40cm、高30cm的鐵制外殼和兩根穿插膜組件的集水管組成。由六角網(wǎng)孔和中空腔式結(jié)構(gòu)組成的中空腔式膜組件加載平板式有機(jī)高分子超 / 微濾膜，支撐膜板可注塑加工，膜片焊接容易，膜填充密度可達(dá) 120 /，膜組件實(shí)現(xiàn)單元化和模塊化.原水從XOZ面垂直進(jìn)入裝置，經(jīng)膜片過(guò)濾后沿兩根中空管導(dǎo)出。本設(shè)備采用內(nèi)置式集水系統(tǒng)，在進(jìn)口速度分別為0.8m/s、1m/s和1.2m/s探究速度沿盤(pán)徑分布情況。

3.2 運(yùn)行工況條件

裝置用膜為有機(jī)纖維膜，膜孔徑為 0.04 μm，在每分鐘130轉(zhuǎn)、抽停比為13：7的條件下，兩組膜盤(pán)相互“咬合”轉(zhuǎn)動(dòng)，含有污泥顆粒的原液由下往上以一定的初速度進(jìn)入該裝置，原液過(guò)濾以后由兩根集水管將過(guò)濾后的水導(dǎo)出，濃水滯留在該裝置內(nèi)，與下一次原水混合。

4 結(jié)果與討論

4.1 討論

進(jìn)口速度為1.2m/s時(shí)，水力死區(qū)壓力最低為60pa，主體區(qū)域?yàn)?020pa，主體區(qū)域速度大致為1.28m/s，水力死區(qū)速度為0.512m/s，顆粒停留時(shí)間為0.114秒。

進(jìn)口速度為1m/s時(shí)，水力死區(qū)壓力最低為35.7pa，主體區(qū)域?yàn)?60pa，主體區(qū)域速度大致為1.06m/s，水力死區(qū)速度為0.212m/s，顆粒停留時(shí)間為0.214秒。

進(jìn)口速度為0.8m/s時(shí)，水力死區(qū)壓力最低為43.4pa，主體區(qū)域?yàn)?32pa，主體區(qū)域速度大致為0.936m/s，水力死區(qū)速度為0.425m/s，顆粒停留時(shí)間為0.31秒。

從速度沿盤(pán)徑分布可知，兩膜盤(pán)相互咬合，得到了速度上的一些補(bǔ)償，使得中間出現(xiàn)了一個(gè)峰值，這個(gè)峰值的存在表明此結(jié)構(gòu)的改進(jìn)得到了速度上的收益，有利于弱化膜污染。

5 結(jié)論

相較于裝置其他區(qū)域，在交錯(cuò)區(qū)域形成了水力死區(qū)從而降低了錯(cuò)流速度，但是由于交錯(cuò)區(qū)域的形成，從而減小了壓力，大大地降低了顆粒沉積的可能性，同時(shí)，雖然液體速度在水力死區(qū)降低，但是污泥顆粒速度在交錯(cuò)區(qū)域較其他區(qū)域僅僅略有提高。隨著進(jìn)口速度的增大，顆粒停留的時(shí)間減小。此結(jié)構(gòu)對(duì)于可使兩膜組件相互得到速度上的補(bǔ)償，有利于減小膜污染。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘭會(huì)賢.綠色化學(xué)的膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用[J].化工設(shè)計(jì)，2009，19（05）：37-42.

[2]耿安朝，王銳，廖德祥，周?chē)?guó)昆.主動(dòng)錯(cuò)流式膜分離設(shè)備的研制[J/OL].水處理技術(shù)，2013，39（10）：122-124+127.

[3]楊澤志，奚旦立，毛艷梅.錯(cuò)流過(guò)濾中由顆粒沉積模型對(duì)濾餅厚度的分析[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，34（06）：736-739.

作者簡(jiǎn)介：程大洲（1993-），男，四川綿陽(yáng)人，碩士，研究方向：水文學(xué)及水資源。endprint