2004_面上_简谐运动膜分离器的流动特性及强化机理.doc
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1、 国家自然科学基金申请书申请代码:B0603受理部门: 收件日期:受理编号:第 5 页 版本1.004.880国家自然科学基金您现在不能检查保护文档或打印文档,请根据以下三个步骤操作: 1)如果您是Word2000或以上版本用户,请把Word宏的安全性设为:中 方法: Word菜单-工具-宏-安全性-安全级,设置为中 (如果您是Word97用户,继续执行以下步骤) 2)关闭本文档,重新打开本文档 3)点击启用宏按钮,即可开始填写本文档或打印了申 请 书资助类别:面上项目亚类说明:自由申请项目附注说明: 项目名称:简谐运动膜分离器的流动特性及其强化机理研究申 请 者:周先桃 电话: 021-28
2、576954 依托单位:华东理工大学 通讯地址:上海市 梅陇路130号 邮政编码:200237 单位电话:021-64252413 电子邮件:robert_zhoucn 申报日期: 2005年3月15日国家自然科学基金委员会基本信息1QDJwePC申 请 者 信 息姓名性别男出生年月1967年3月民族汉族学位博士职称博士后主要研究领域分离过程与设备 电话021-28576954 电子邮件robert_zhoucn 传真021-64252469 个人网页 工作单位华东理工大学 /机械与动力工程学院在研项目批准号 依托单位信息名称代 码20023701 联系人金雪娟 电子邮件nsfc 电话021-
3、64252413 网站地址 合作单位信息单 位 名 称代 码 项 目 基 本 信 息项目名称资助类别面上项目 亚类说明自由申请项目 附注说明 申请代码B0603:分离过程及设备B060308:膜分离基地类别 预计研究年限2006年1月 2008年12月研究属性基础研究 申请经费28.0000万元摘 要项目研究内容和意义简介(限400字):性能优异的简谐运动膜分离强化技术的进一步发展迫切需要对其流动特性及强化机理进行深入研究。从定性和定量两方面分别描述简谐运动膜分离器内流体和粒子的运动规律是研究流动特性最基本的内容。分析测试膜面切变率与速度在层流和湍流时的相位差将揭示流体控制方程非线性性在膜器内
4、的表现形式及其对强化能耗的影响,继而探明简谐运动膜分离器固有频率与外界强制频率间的相互作用机理并建立相应的准数关系,深化对简谐运动膜分离器流动特性的认识。实验研究简谐运动膜分离器渗透性能与简谐运动的频率、振幅及膜器特征尺寸之间的定量关系,为简谐运动膜分离器中强化操作参数的优化建立实验模型并优化膜器结构,进而通过对比试验来证明简谐运动膜分离强化技术的优越性,为简谐运动膜分离强化技术的工业化应用铺平道路。最后在深入认识简谐运动膜分离器流动特性及其强化机理基础上建立较完善的简谐运动膜分离强化理论,推动膜科学技术的发展及其过程装备的革新。关 键 词(用分号分开,最多5个)膜分离器;简谐运动;流场特性;
5、过程强化 项目组主要成员(国家杰出青年科学基金不填此栏)编号姓 名出生年月性别职 称学 位单位名称电话电子邮件项目分工每年工作时间(月)11945-10-21 男教授博士华东理工大学 64252469 jzpan 流场测试、 粒子跟踪 6 21968-10-9 男教授博士华东理工大学 64252748 wang2000q 结构设计、 数值模拟 3 31975-7-20 男博士生硕士华东理工大学 64252469 rockysy 结构设计、 流场测试 10 41980-4-12 男硕士生学士华东理工大学 64252101 yeacellenty 分离实验、 切变测试 10 51949-9-25
6、男工程师学士华东理工大学 64252347 robert-zhoucn 结构设计、 切变测试 10 6789总人数高级中级初级博士后博士生硕士生621111说明: 1. 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报,总人数自动生成。说明: 2. 项目组主要成员不包括项目申请者。经费申请表 (金额单位:万元)科目申请经费备注(计算依据与说明)一.研究经费24.80001.科研业务费13.1300(1)测试/计算/分析费5.1000流场测试及粒子示踪各1.4万元,切变率动态监视1.3万元,模拟计算1.0万元(2)能源/动力费1.4000实验用水电费按5%计算(3)会议费/差旅费2
7、.8000会务费1.6万元,调研费1.2万元(4)出版物/文献/信息传播费2.6000文献资料费0.6万元,论文版面费1.2万元,专利及维持费0.8万元(5)其它1.2300办公及不可预见费2.实验材料费3.8000(1)原材料/试剂/药品购置费2.0000分离试验物料、流场示综粒子(2)其它1.8000膜材料及更换组见3组3.仪器设备费3.8000(1)购置0.7000小试验仪器(2)试制3.1000研制运动幅、频率和结构可调的简谐运动膜分离器4.实验室改装费2.5000改装流场示综系统装置1.2万元、改制切应变动态显示系统装置1.3万元5.协作费1.5700试验膜器的相关协作及委托加工二.
8、国际合作与交流费0.00001.项目组成员出国合作交流2.境外专家来华合作交流三.劳务费1.8000研究生及实验室人员劳务补助四.管理费1.4000管理费按5%计算合 计28.0000与本项目相关的其他经费来源国家其他计划资助经费其他经费资助(含部门匹配)其他经费来源合计0.0000报告正文(一)立项依据与研究内容: 1、项目的立项依据膜分离技术以其优异的性能而广泛应用于水处理、电子、食品、环保、化工、冶金、医药、生物、能源、石油和仿生等领域,并产生了巨大的经济效益和社会效益1;然而膜污染和浓差极化问题从膜分离技术诞辰时起就一直困绕着膜科学与技术的发展2;尽管高性能膜材料的研制已经达到了很高的
9、水平3,但在现有膜材料性能的前提下,从膜分离操作工艺及其设备入手来强化膜分离的传质以抑制膜污染及浓差极化的影响就成为膜分离技术工业化应用直接而现实的道路之一。本申报书的目的是在本项目申请者提出的一种膜分离强化新技术简谐运动膜分离强化技术的基础上4研究其流动特性及其强化机理。所谓简谐运动膜分离强化技术,如图1所示:就是在现有的高剪切动膜分离技术基础上发展起来的膜分离强化新技术,其核心在于膜的运动形式不再采用高速运动而是采用简谐运动Asin(t)的形式在很低的运动速度下来形成膜面上的高剪切 5;由于膜本身作简13谐运动,使膜表面边界层内的流场也呈现出简谐运动所具有的性质,并在膜表面的边界层区域内形
10、成交变流场,从而在膜表面产生交变的剪切应力,并以此抑制浓差极化和膜污染的影响;同时由于沉积在膜表面的污染附着物与膜表面间也承受交变剪切应力的作用,从而有利于清除膜表面的污染6。下面从膜分离操作工艺及其膜分离设备的发展历程和发展趋势来阐述研究简谐运动膜分离的流动特性及其分离强化机理的科学意义和社会经济价值。图1 简谐运动膜分离单元简图51.组合转轴;2.简谐运动膜上片;3.料液;4.简谐运动膜下片从膜分离操作工艺及其膜分离设备的发展历程和发展趋势看,简谐运动操作技术将是膜分离操作工艺及其膜分离设备现代化发展的必然结果,对简谐运动膜分离器的流动特性及其强化机理的研究具有重要的科学意义和社会经济价值
11、。膜分离操作工艺已经经历了并流膜分离操作、低剪切错流膜分离操作和高剪切错流膜分离操作等三个阶段。并流膜分离操作7以其进料流动方向与渗透方向相同而得名,是膜分离工业化过程中最早采用的操作工艺;因其所有截留物质都留在膜器内有时又被称为死端过滤膜分离技术。由于被截留微粒都沉积在膜上并形成随时间增厚的滤饼,从而导致过程阻力的过度增长;因而并流膜分离操作工艺8多用于稀料液的净化和悬浮粒子的回收,或用于小处理量(常小于几升)如实验室里的应用。并流膜分离操作工艺最大优点是简单:悬浮料液不用循环、密封可靠;但由于渗透流带动所有的溶质、悬浮物和不溶物流向膜面,从而导致膜孔内的吸附、进入和膜面的沉积,进而发生严重
12、的膜污染和浓差极化现象而不能满足工业化大生产的要求。为了抑制并流膜分离过程阻力的过度增长,低剪切错流膜分离技术应运而生。低剪切错流膜分离操作以输送料液沿静止膜面流动进而对膜面附着物施加一定的切应力并同时向膜面渗透而得名;因输送料液的方向与渗透流的方向垂直有时又被称为十字流膜分离技术。由于膜面附着物受到料液沿膜面流动产生的粘性剪切力的作用,在一定程度上抑制了膜污染和浓差极化的作用。过程开始时,渗透流速很高,随后逐渐下降,并达到一个较稳定的平衡渗透通量。当达到稳定的渗透通量时,被渗透流带向膜表面颗粒的速率就为颗粒离开膜面的反向传输速率所平衡;而反向传输的速度主要是由膜表面悬浮液在流体边界层的物理性
13、质和流动性质如膜面所受到的切变率所确定,为预测平衡时稳定渗透流量的大小,Green等9建立了微滤膜稳定渗透流量的布朗扩散模型,Zydney10等提出了切变诱导扩散模型,其它还有惯性升力模型11和表面流动模型12,这四种模型在预测操作因素对稳定渗透流量的影响13时均强调其稳定渗透通量与膜面上流体的切变率成正相关关系14。错流膜分离操作工艺利用在膜表面上形成的剪应力使部分沉积在膜孔上的颗粒重新返回主流体,进而抑制滤饼的过度生长,可以保持较高的稳定通量,适用于高浓度料液的处理及原料液的浓缩,并获得了工业化的大规模应用,特别是在矿物、生化和制药等方面应用相当广泛。但低剪切错流膜分离工艺会引起大量处理料
14、液流出膜分离器,从而引起输送能量和压力能量的额外损耗。为了得到足够高的稳定渗透通量,就必须在膜面上形成足够大的切变率,这通常就要求保持料液的高速流动,进而造成额外能耗进一步增加。该操作工艺主要用于得到滤过液的操作,能耗在回流过程中损失较大,高压操作尤为突出;由于回流速度受到限制,作用于膜面的剪切力一般较低,这是低剪切错流膜分离操作受到的致命限制,而为了获得更高的平衡稳定渗透流量,开发既能提高流体在膜面的切变率又不增加料液的输送能耗的新型膜分离操作技术就成为工艺和设备研究者首先追求的目标。为了解决膜面高切变率和料液高回流量形成能源高浪费的这种正相关的依存关系,Magarits15等于1978年开
15、发了动态膜分离技术,有时又称为高剪切膜分离技术。动膜分离技术使错流膜分离操作工艺中的膜面切变率和浓缩料液的输送成为相互可以独立控制的参数,解除了膜面切变率与料液回流量间的依存关系。该操作工艺采用强化转子或膜本身做高速运动的方法使流体在膜面上形成很高的切变率;由于膜面受到的剪切力与料液的输送状态无关,可以使切变率达到较高的值,所以该技术又称为高剪切错流膜分离技术16。动膜分离技术不仅解决了低剪切错流膜分离技术中剪切力受到料液输送速度限制的问题,而且还可以实现对排出浓缩液浓度的控制,使膜分离强化技术向前迈进了一步。目前的动膜分离技术主要有旋转管式膜和旋转盘式膜两种类型。旋转管式膜因膜器环隙间泰勒涡
16、不稳定流的作用而具有非常强的抗污染能力,但很小的过滤面积限制了生产能力的提高;旋转盘式膜解决了增加膜面积的困难,强化效果良好。虽然高剪切错流技术取得了很大的发展和广泛的工业应用,但由于膜面的高切变率是由膜面或强化转子的高速运动来产生的,其切变率与膜运动速度成正比例增加,而强化能的消耗却与速度的平方成正比例增加,这种增长关系致使强化能的有效利用率随着转速的增加而急剧下降,并很快达到很不经济的程度;再加上能源问题日益成为关注的对象以及高速运动附带的如磨损、振动和动平衡等问题,限制了膜面切变率的大幅度提高。本申请研究的简谐运动膜分离强化理论和技术,克服了以前高剪切技术中高切变率对膜或强化转子高速运动
17、的依存关系,使膜在极低的运动速度下获得很高的切变率成为现实17。由于膜本身的简谐运动导致膜间料液也呈现出简谐运动的速度分布特性:当流体质点运动速度处于最大值时,简谐运动的加速度为零,这时相临流体通过流体粘性传递给质点的切应力的绝对值最小;而当流体质点运动速度为零时,简谐运动的加速度处于强化过程的最大值,这时相临流体通过流体粘性传递给质点的切应力的绝对值最大。另外,在当前能够抑制膜污染和浓差极化的手段中,通过脉动给料的方式可以有效地抑制膜污染,以至出现了高频反冲洗的强化膜分离技术,而旋转简谐运动过程中产生的简谐变化压力就起到了脉动给料的作用;不稳定流动的方法如用预制螺纹面来代替光滑平面以引发高频
18、回流也可以强化膜分离过程18,而简谐运动膜分离本身就会产生回流运动;往复运动的膜分离实验证实其具有很强的分离性能12,但往复运动在平稳阶段只是一般高剪切的翻版,只有在速度变向的短时间内具有变化的特性,简谐运动显然具有往复运动膜分离的特性;振动膜分离实验也已经表现出优异的分离强化性能19,20,21,但目前只是刚揭示了这种宏观效果,其分离强化机理还只是模糊的定性认识,简谐运动同样具有振动的性质;再者,简谐运动在减速运动阶段容易失稳而很容易产生湍流,其湍流性也有利于抑制膜污染和浓差极化现象22。因此,简谐运动膜分离强化技术具有集多种强化手段于一体的特征,具有更优异的膜分离强化性能,它将成为目前膜分
19、离强化操作的重要替代技术。上述膜分离操作工艺的发展历程及其发展趋势表明:这种具有高剪切低速度特征的简谐运动膜分离强化操作技术将是膜分离强化操作技术发展的必然结果。尽管申请者从理论上对简谐运动膜分离强化技术和理论进行了多年的探索,形成了对简谐运动膜分离器内流动特性及其强化机理的初步认识;但申请者仍感到对简谐运动膜分离强化理论所涉及的流动特性及其强化机理的认识还需要进行更深入的探索:如探明由简谐运动膜分离器结构(特征尺寸h)和流体性质(运动粘度v)共同确定的固有频率f()在膜分离过程中的作用机理,这不仅可以指导新型膜器的设计研发工作,推动膜分离设备的发展,而且也可以促进对流体机械的共振性研究,推动
20、化工流体力学的发展;再如通过对简谐运动膜分离过程中膜面切变率与运动速度的相位差mf层流时在能量消耗中所起的作用及其控制机理的研究,在能源问题日益严重的时代,将具有重要的社会经济意义,等等。总之,本申请通过对简谐运动膜分离器的流动特性及其强化机理的研究,可以进一步建立和完善简谐运动膜分离强化技术的基本理论和基本方法,这将促进膜分离科学与技术向纵深方向发展,具有重要的科学意义;用简谐运动膜分离强化理论作指导研发出的高性能膜分离强化设备,将成为目前膜分离强化设备的更新换代产品,在简谐运动膜分离强化技术产业化过程中必将促进膜分离的工业化发展过程,并产生巨大的社会经济价值。参考文献:1 任建新. 膜分离
21、技术及其应用. 北京: 化学工业出版社, 2003:1-20.2 Marcel Mulder著. 李琳译. 膜技术基本原理. 北京:清华大学出版社,1999.3 Gomes D, Nunes S P, Peinemann K V. Membranes for gas separation based on poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)- silica nanocomposites. J. of Membrane Science, 2005, 246(1):13-25.4 周先桃,陈文梅,褚良银,肖新才,王广金,王枢. 简谐运动膜分离过程及其强化机理. 膜科学
22、与技术. 2004(4):9-13.5 周先桃,雷明光,陈文梅. 解决膜污染技术的理论探讨. 过滤与分离,2001,11(4):10-12.6 周先桃,雷明光,褚良银,陈文梅,喻伟. 错流膜分离强化技术的理论分析. 水处理技术 2003,29(4): 197-199.7 刘茉娥. 膜分离技术. 北京: 化学工业出版社, 1998:1-100.8 徐南平,邢卫红 赵宜江. 无机膜分离技术与应用. 北京:化学工业出版社,2003.9 Green G, Belfort G. Fouling of ultrafitration membranes: lateral migration and the
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- 2004 面上 简谐运动 分离器 流动 特性 强化 机理