CN2761254Y - 一种旋流式湍流发生装置 - Google Patents
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Abstract
一种旋流式湍流发生装置，在膜组件前安装一旋流诱导式的湍流发生装置，它包括入料进口、锥体导向装置和出口。当流体从液流入口进入旋流诱导装置后，流体产生旋流，旋流进入锥体产生二次流湍流并经锥体缩口作用以高速旋流湍流进入膜管进口段，由于旋流式湍流强化的作用，大大减轻了错流膜过滤时的浓差极化和膜污染，降低了膜渗透能耗，延长了膜的使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种物理分离装置的辅助设施，属于膜分离领域，尤其是指一种旋流式湍流发生装置，该装置能对膜组件进口段产生较强的湍流强化传质和增大膜表面剪切力作用，从而减轻膜过程的浓差极化和膜污染，延长膜的使用寿命。该装置所适用的膜过程包括微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)和纳滤(NF)。
背景技术
膜分离技术是清洁生产的理想载体，膜技术的技术进步正快速提高我们在许多工程技术方面的创新能力如革新生产工艺、保护生态环境与大众健康、为经济可持续发展创新新技术等，膜技术作为单元操作在资源回收、环境保护、能源生产以及环境监测和质量控制方面起着日益重要的作用，同时也是燃料电池和生物分离应用的关键技术。膜过程的经济性由膜的渗透通量、单位渗透通量能耗和膜使用寿命来评价，效率由选择性和渗透阻力衡量。浓差极化和膜污染会显著地降低膜渗透通量，使膜的使用寿命缩短，经济效益和效率降低，是制约膜过程的应用和发展的主要因素。
大多数压力驱动膜过程的设计，如反渗透、纳滤、超滤和微滤，是基于单位体积的膜面积最大化和膜组件操作方便。目前减少浓差极化和膜污染的许多方法(见表1)包括膜表面的化学改性和物理方法如冲洗。众所周知的水力学方法依靠紊流中产生的涡流或诱导流体不稳定性。这种流体不稳定性可在流道中嵌入障碍物来形成，通过膜表面的不稳定流也可用于减少溶质-膜界面溶质的堆积。目前，已采用的不同类型的流体不稳定性包括涡流和粗糙膜表面、流体脉冲和振动膜表面引起的流体不稳定。除粗糙表面外，也可以采用旋转过滤盘***产生流体不稳定。已采用的去浓差极化方法中最成功的方法是旋转环形式过滤组件中产生的泰勒涡，这个设计的主要限制是难于放大膜面积以及高能耗。在直线膜流道中设置波状障碍物，通过周期性的反向紊流(8Hz)也可以产生涡流(参见Stairmand，J.W.and Bellhouse，B.J.，″Masstransfer in a pulsating turbulent flow with deposition into furrowed walls.″Int.Heat Mass Transfer，27，1405(1985))。压力驱动流体流过平板膜上设置半圆柱形螺旋通道也能产生涡流(参见PCT patent application WO 90/09229 of Aug.23，1990 to Winzeler)。所有这些方法都显示存在涡流时能增加膜的性能，但每种都存在着无法克服的困难如处理量放大和密封问题。在螺旋缠绕式膜组件采用间隔装置被广泛推荐和采用，但对大多数螺旋缠绕式膜组件来说，在低轴向雷诺数时采用的是典型的Poiseuille流(参见Toray Industries Inc.disclosed in their spiral flow filters brochure entitled Romembra Toray ReverseOsmosis Elements)。
流体不稳定性的有效利用如涡流，在减少压力驱动膜***中浓差极化和自清洁合成膜应用已为众多的文献广泛证实(参见See Winzeler，H.B.andBelfort，G.(1993)，Enhanced performance for pressure-driven membraneprocesses：The argument for fluid instabilities，J.Membrane Sci.，in 80，35-47)。
传统的膜分离机理是：过滤开始时，多半由于膜的筛滤作用，即有固体颗粒沉积在膜的表面，当这层初始滤饼出现在膜上，过滤过程逐即转到初始滤饼本身，此后膜本身只起支撑作用。在传统的膜过滤装置中，滤饼不受搅动，固体颗粒连同悬浮液都以垂直方向趋于膜，这样的过滤所需时间长，而且随着滤饼增厚，膜阻塞增大，过滤速率逐渐下降，故生产能力较低。为减少膜过程中的浓差极化及膜阻塞与膜污染，膜过滤普遍采用动态过滤技术。所谓动态过滤，是为了提高过滤速率，以机械的或水力学的以及电学、声学的人为干扰限制滤饼增长，从而达到较大的生产能力。具体说来，就是在流体进入膜组件前通过错流、电场、超声波场、湍流促进流场等促进方式，使得流体发生湍流。其中错流过滤(Crossflow filtration)，其应用较为普遍，因膜组件受流道流速与流体阻力的限制，膜过滤需采用错流过滤附加场操作方式。现有的湍流促进器多采用双螺旋叶片结构，但这种结构产生的湍流强度不够，且阻力损失大。因此很有必要对此加以改进。
发明内容
本实用新型的目的是根据现有湍流促进器的不足，提供一种湍流强度更高，阻力损失小，能促进膜分离的膜组件湍流发生装置，该装置可以克服传统湍流促进器湍流强度低和阻力损失大等问题。
根据本实用新型的目的所提出的技术实施方案是：迪恩流现象是W.R.Dean在研究弯曲管道中的流体运动产生的二次流时首先发现的。通过对弯曲流道迪恩涡流的分析，在正常条件下，流体以超过临界流速流(层流和紊流转换点)过直线管道时，压力损失会经历突然的增加过程。Dr.Dean的研究显示，弯曲管道中的流动出现不稳定和二次流。但即使弯曲管道中流速远高于临界流速，压力损失也不会突然增加。这种现象说明，在同一速度状况下，弯曲管道中的压力损失比直线管道中低得多。并且弯曲管道中的迪恩数是与管径的。工业上广泛应用的水力旋流器是一种高效低能耗分离设备，实践证明旋流式湍流强较高，采用优化入口及旋流流道设计，可有效克服传统湍流促进器湍流强度低和阻力损失大等问题。
本实用新型的技术原理就是：在膜组件前安装一旋流诱导式的湍流发生装置，它包括入料进口、锥体导向装置和出口。当流体从液流入口进入旋流诱导装置后，流体产生旋流，旋流进入锥体产生二次流湍流并经锥体缩口作用以高速旋流湍流进入膜管进口段，由于旋流式湍流强化的作用，大大减轻了错流膜过滤时的浓差极化和膜污染，降低了膜渗透能耗，延长了膜的使用寿命。
试验结果本实用新型的旋流湍流发生装置可以产生强烈的湍流入料，能显著强化线性中空纤维膜传质，渗透流量增加30％，渗透回收率增加3～5％，低渗透操作压力时单位渗透流量能耗降低达35％；湍流入料显著减缓了渗透流量的衰减速率，降低了能耗，增大了渗透回收率。而且，料粘土悬浮液浓度越高，湍流入料强化传质效果越明显。本实用新型装置的试验结果(如图6所示)证明，湍流入料能显著强化线性中空纤维膜传质，渗透流量增加30％，渗透回收率增加3～5％，低渗透操作压力时单位渗透流量能耗降低达35％；湍流入料显著减缓了渗透流量的衰减速率，降低了能耗，增大了渗透回收率。而且，料粘土悬浮液浓度越高，湍流入料强化传质效果越明显。
附图及说明
图1为螺旋式湍流发生装置示意图；
图2为螺旋式湍流发生装置K向侧视图；
图3为带螺旋流道的锥体湍流发生装置示意图；
图4为收缩的矩形或圆形断面切线进料管示意图；
图5为不收缩的圆形横截面切线进料管示意图；
图6为三维螺旋进料结构。
图中：1、液流入口；2、湍流诱导装置；3、湍流发生装置；4、出口。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步的描述，附图1-6为本实用新型一个实施例的结构原理示意图，从附图中可以看出，本实用新型是一种湍流发生装置，包括液流入口1、湍流诱导装置2、湍流发生装置3、出口4几部分。湍流诱导装置2安装在湍流发生装置3前面，流体是经液流入口1进入湍流诱导装置2再经湍流发生装置3产生湍流后，由出口4输出的，其特点是湍流诱导装置2为旋流诱导装置，湍流发生装置3为锥体状螺旋式湍流发生器，湍流诱导装置2的入口进料管(二维)结构是收缩的矩形或圆形断面切线进料管(如图4所示)；也可以是不收缩的圆形横截面切线进料管(如图5所示)或螺旋线进料管或渐开线进料管或带调整楔的进料管或两管对称的进料管或同心圆圆环形进料管或弧形进料管；还可以是三维螺旋进料结构(如图6所示)。而且湍流发生装置3的锥体高度是出口管径d的1～3倍。湍流发生装置3的锥体的内表面可以是光滑表面，也可以是螺纹阶梯流道(如图3所示)。
Claims (4)
1、一种旋流式湍流发生装置，包括液流入口(1)、湍流诱导装置(2)、湍流发生装置(3)、出口(4)几部分，湍流诱导装置(2)安装在湍流发生装置(3)前面，流体是经液流入口(1)进入湍流诱导装置(2)再经湍流发生装置(3)产生湍流后，由出口(4)输出的，其特征在于：湍流诱导装置(2)为旋流诱导装置，湍流发生装置(3)为锥体状螺旋式湍流发生器，湍流诱导装置(2)的入口进料管结构是收缩的矩形或圆形断面切线进料管；湍流发生装置(3)的锥体高度是出口管径d的1～3倍。
2、如权利要求1所述的一种旋流式湍流发生装置，其特征在于：所述的湍流诱导装置(2)的入口进料管结构是不收缩的圆形横截面切线进料管或螺旋线进料管或渐开线进料管或带调整楔的进料管或两管对称的进料管或同心圆圆环形进料管或弧形进料管。
3、如权利要求1所述的一种旋流式湍流发生装置，其特征在于：所述的湍流诱导装置(2)的入口进料管结构是三维螺旋进料结构。
4、如权利要求1所述的一种旋流式湍流发生装置，其特征在于：所述的湍流发生装置(3)的锥体的内表面可以是光滑表面，也可以是螺纹阶梯流道。
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