用于研究横流微过滤滤饼堆积的压力模式流体动力学测量外文翻译资料

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用于研究横流微过滤滤饼堆积的压力模式流体动力学测量

摘 要

利用Chew等人报道[1]的流体动力学测量(FDG)技术的一种新的操作模式，研究了滤饼层在多孔表面(如横流微滤产生的表面)上的堆积。FDG用于现场实时跟踪使用压力模式FDG的悬浮液微过滤过程中滤饼的堆积，这显示出与传统FDG相比的结果(从系统中抽取的液体量可能不同)。报道了压力模式FDG的验证，以及使用混合纤维素酯膜和玻璃球悬浮液的简短演示研究。通过测量渗透通量的变化，可以计算滤饼电阻并估算滤饼厚度:这些结果与FDG的测量结果很一致。计算流体动力学(CFD)模拟了管道内、仪表内和跨膜内的流动，以阐明流动模式和施加在被测表面上的应力。模拟结果与实验结果吻合较好。建立了使用压力模式FDG研究高压下膜模块的污垢和清洗的范围。

关键词： 微过滤；CFD；FDG

Pressure mode fluid dynamic gauging for studying cake build-up in cross-flow microfiltration

The build-up of particulate cake layers on porous surfaces such as those arising in cross flow microfiltra- tion has been investigated using a new mode of operation of the fluid dynamic gauging (FDG) technique reported by Chew et al. [1]. FDG was used to track, in situ and in real time, the build-up of a filter cake during microfiltration of a suspension using pressure mode FDG, which is shown to give comparable results to conventional FDG (where the amount of liquid withdrawn from the system may vary). Valida- tions of pressure mode FDG are reported, alongside a short demonstration study using mixed cellulose ester membranes and glass ballotini suspensions. Measurements of changes in permeate flux allowed the cake resistance to be calculated and the thickness of the cake estimated: these results gave good agreement with the FDG measurements. Computational fluid dynamics (CFD) simulations of the flow in the duct, in the gauge, and across the membrane and were performed to elucidate the flow patterns and stresses imposed on the surface being gauged. The flows were in the laminar or inertial regime, and the simulations gave good agreement with experimental measurements. The scope for using pressure mode FDG for studying fouling and cleaning in membrane modules operating at higher pressures is established.

Keywords： microfiltration；CFD；FDG

第一章 绪论

膜表面沉积层的积累是膜运行中的一个重要现象。沉积层通常会减少渗透膜的流量，因此决定了系统的可操作性。沉淀物可以是由排出的固体形成的饼状物，也可以不是饼状物，如污垢层。为了选择适当的缓解方法或最佳的操作条件，需要了解它们形成和清除。（如清洗作业中所出现的机制)。虽然膜单元性能的整体测量可以给出沉积累积的平均指标，详细的模型需要局部的数据来验证他们的预测。Chen等人对监测膜系统污染层积聚的实验方法进行了广泛的综述。现代技术是非破坏性的，测量可以在现场和实时进行。Chen等人对非破坏性方法分为光学和非光学两类，并给出了它们的应用实例和局限性。光学技术利用高倍摄像机实时观察表面的膜污染，并提供信息，可用于识别合适的设计参数。例如折射测量[3]，干涉测量[4]，光传感器[5]等。这些方法的缺点是它们需要特殊设计的膜细胞，并且限制在特定的膜上。非光学探针通常用于埃、微米和宏观水平的研究。这些包括超声波反射仪[6]，激光片[7]和磁共振成像(MRI，如[8])。从工业单位获得精确的、局部分布的数据对于特定的单位和沉积的组合是可能的，例如，Graf von der Schulenburg等人[8]报道，使用MRI监测反渗透膜上的生物膜生长。所有这些方法都很昂贵，需要专家操作。否则，局部测量需要使用设计来适应传感器的仪器，对工业过程中使用的条件进行实验室规模的模拟。一种简单、低成本和可靠的现场检测层厚的技术仍然是需要的。

其中一个实验室工具是流体动力测量(FDG)。它是相对简单和廉价的实现，但产生沉积厚度测量的实时精度为plusmn;10微米。Chew等人的[1]报道了其用于研究终端过滤中滤饼的形成，即由于体积流动相对缓慢和过滤通量和压力表的作用引起。由于许多膜分离操作在交叉流模式，其中有一个主导的对流组件垂直于跨膜通量，本文提出了一种新的FDG操作模式，即压力模式，它允许用于研究交叉流操作中的沉积堆积。我们演示了它在中性浮力的热气球悬浮液微过滤中的应用。本文首次报道了含FDG操作的交叉流微过滤的计算模拟。这些模拟结果提供了深入了解流动模式和应力分布，这是很难获得的实验。

图1：测量喷嘴示意图，循环数与分析压降的站有关。 尺寸：dt=1mm，d=4mm，˛alpha;=30◦，s=0.5mm。

1.1配合的原则

FDG用于监测浸在液体中的沉积层的厚度。该技术利用液体流动特性来定位表面:它是一种非接触技术，只要求在测量时间内表面局部僵硬。如图1所示，喉部直径为d的锥形喷嘴朝向浸没在液体中的表面移动。在散装液体和喷嘴排出物之间施加压力差，将液体吸入喷嘴。当h/d lt;0.25时，通过喷嘴的流量(m_gauge)对喷嘴与表面之间的间隙非常敏感，标记为h。这种关系可以用无量纲的形式表示。流体流动分析得到以下无量纲关系[9]:

(1)

这里Re_gaugeis是在喷嘴喉部定义的测量流量的雷诺数，Cd是流量系数，是测量流量（m_gauge）与预期的无损失流量的比值:

(2)

其中rho;是液体密度，是图中①和③之间的压差，图1图2显示了用不同模式的FDG配置[1,11]得到的Cd与h/d_t的图。 在名义上静止的液体中（其中唯一的运动是由测量作用产生的）在不透水板上测量所获得的剖面几乎与在微滤膜上测量所获得的剖面相同(即多孔衬底)。 当h/d_tlt;0.25和FDG厚度测量时，流量间隙剖面表现出几乎线性的关系，通常用位于0.1lt;h/d_tlt;0.2的喷嘴进行。 通过测量结果，可以从图中推断出间隙值h。如果喷嘴相对于基板的位置是已知的，例如H_O。沉积层的厚度theta;可以通过相差获得，即theta;=H₀-h.如图所示,图2是测量在不透水板上的剖面图，在那里体流正在移动：Tuladhar等人已经证明，FDG可以成功地应用于监测管道流动中的沉积物的生长和去除。如果喷嘴靠近表面太近，测量流动引起的应力会干扰表面反应，该设施被开发用于FDG作为表面强度传感器，如Chew等人所描述的本文报道了它在单渗透壁管道流动中的应用，如横流过滤。观察到当喷嘴太近或流量太大时，测量流动会破坏沉积物，通过计算测量流动施加的应力大小，被用作表面强度测量的方法。 通过喷嘴的流量通常保持在层流状态，以便使用计算流体力学(CFD)方法求解相关的控制方程(纳斯托克斯系列和连续性）。 Gu等人表明，只要管道流动的雷诺数不太高，就可以实现管道流动以及具有不渗透表面的准静态系统。 在高雷诺数下，湍流建模中的计算记忆要求和不确定性成为问题。 这里描述了一个例子，以确认该方法可以应用于横流膜系统。

1.2 压力模式FDG

到目前为止，大多数FDG研究都是用固定的压力驱动力操作的，因此C_d中的主要变量是测量的质量流量。 在膜横流研究中，不同的质量流量可能是不可取的，因为它有利于保持管道流量（或由于测量而改变管道流量）常数。 许多膜操作在压力下工作，因此，固定压差将需要在受控压力下提供一个排放库。 Gu等人提出了一种替代的操作模式，称为压力模式FDG。[13]研究在压力下热交换器中的污垢。在这种新模式下，通过喷嘴的流量被测量和控制在一个设定值（可以选择以尽量减少对流动状态的干扰），并且当喷嘴向表面移动时，使用精确的差压池测量喷嘴的压降。检查公式（1)和(2）表明可以用char计算C_d和h/d_t为公式（1）建立了特征，流量不需要控制到完全相同的值。该技术需要可靠和灵敏的差压测量以及流量测量，但很容易用于研究加压系统。流量控制阀也可用于隔离系统，例如在测量之间的周期中可能需要：当需要时，流量可以很容易地重新测量。

图2：不同配置和不同操作模式下生成的金属板上FDG校准的比较。

符号：△P_gauge=32mbar；在非压力工作中Re_duct=465，m_gauge/m_duct=10%，正方形，p_static=4.8mbar[11]；在压力工作中，Re_duct=450，m_gauge/m_duct=10%钻石，p_static=130mbar。

图3：设备示意图：(a)流量回路；(b)试验段；(c)压力模式FDG的喷嘴配置。BP-排气点、CV控制阀、DP-差压传感器、FC柔性联轴器、G表、M膜、米微分表、PT压力接头、S支架、T热电偶和V阀。单位为mm。

第二章 材料和方法

2.1膜

从MilliporeUK(SMWP29325型)获得混合纤维素酯微滤膜，名义孔径为5m，孔隙率为84%。 采用无阀滤池，以自来水为渗透液，在17◦C处测定膜的渗透性。 不同膜的渗透率值从2.5到3.75times;10^minus;13m²不等，平均值为2.9times;10^minus;13m²(膜阻力、Rm=2.1times;10⁷m^-1)，这与用Belfort等人描述的方法估计的理想值6.6times;10^-13 m²(Rm=0.9times;10⁷m^-1)有合理的一致性。

2.2 暂停功能

用自来水(17plusmn;0.5℃，pH=7.3)和空心圆球（球形，，密度1100kgm^minus;3)制备固体体积分数为0.34%的悬浮液。用自动图像分析显微镜(MorphologiG3，Malvern仪器)对颗粒形状和尺寸进行了研

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