乳化油错流膜过滤流场及阻力模拟

作     者：王庆港 

作者单位：天津科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李桂水;李振峰

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：流场分布 油水分离 数值模拟 油滴运动 过滤阻力 

摘      要：对于非均相混合(乳化)、不稳定的油水两相体系,传统的实验很难测量出流场分布情况。利用传统的死端膜过滤方式来处理乳化含油废水的效率低,也很容易造成膜的污染,增加后期膜清洗的困难程度。而错流膜过滤废水克服了死端过滤中油滴分子易阻塞膜孔的缺点,利用原液流入的方向与渗透液流出的方向保持垂直的特点,可以有效的减缓膜污染的进程,同时提高膜过滤过程的膜通量与截留率。本文利用欧拉多相流模型对强制错流滤室内油水分离过程进行数值模拟,分析了料液侧油滴运动的动力学规律,结合膜过滤实验处理乳化含油废水,实现了装置内错流膜油水分离过程的数值模拟,并通过实验数据验证了模型的正确性。研究确定了油水处理装置内部的流体速度场和压力场、湍流特性分布、油相体积分数分布以及不同的参数变化对膜通量和截留率的影响,在理论上分析了料液测油滴多向扩散、油滴间碰撞及聚并的动力学规律,以及搅拌桨产生的剪切应力降低膜污染和过滤阻力的本质。通过模拟结合实验的方法来分析错流膜过滤乳化含油废水过程,模拟结果表明:在同一旋转角速度下,浓缩液的油滴向中心聚集,油滴碰撞后发生聚并。随着旋转角速度的增加,渗透液出口和过滤膜上表面处的油相体积分数会减小。利用控制变量法来研究料液的不同的温度、多孔介质的不同孔隙率和搅拌桨的不同旋转角速度等条件对油水分离过程的膜通量与截留率的影响。研究发现:在料液温度与搅拌桨转速一定时,随着孔隙率的增加,膜通量先增大后不变,截留率先不变后减小;在料液温度与多孔介质的孔隙率一定时,随着旋转角速度的增大,膜通量和截留率都会增大;在多孔介质的孔隙率与搅拌桨的旋转角速度一定时,随着料液温度的增加,膜通量是逐渐增大的,截留率先增大后逐渐降低。模拟得出的实验操作最优解是孔隙率为0.4,旋转角速度为9 rad/s,温度为310 K。实验过程中利用机械搅拌的方法来制备乳化含油废水,在油相体积分数为0.2%的情况下,加入非离子型表面活化剂吐温80,在3000 r/min的转速下可制备出体积平均粒径为3.868μm的乳化液。在模拟的最优工况下、给水压力为0.34 MPa时,进行微滤处理体积分数为0.2%的乳化含油废水。膜过滤过程的膜通量是155.92 L/(m·h),截留率可达到89.16%,实现较大膜通量亦可保证分离的效果。