磁化甘蔗汁微滤膜分离过程的膜通量预测模型

第31卷2015年第6期3月农业工程学报TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringVb1．31No．6Mar．2015333磁化甘蔗汁微滤膜分离过程的膜通量预测模型马森，高俊永2(1．河南工业大学粮油与食品学院，郑州450001；2．广州甘蔗糖业研究所，广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广州510316)摘要：为模拟磁化甘蔗汁微滤膜分离过程，建立了磁化微滤膜分离过程的的膜通量的无量纲数学模型。该研究以磁场、微滤膜器和膜管的参数、微滤膜的操作条件和料液的流体力学性质为影响因素，根据Ⅱ定理，因次一致性和流动相似理论建立了磁化微滤膜操作过程的膜通量的无量纲模型，并以甘蔗混合汁为原料进行了模型的求解与验证。结果表明：关于磁化甘蔗混合汁微滤过程所建立的多元回归模型的决定系数值为0．905，标准误差为0．173，模型精度较高。该模型可预测膜器条件、操作条件和磁场强度等参数条件下的磁化糖汁微滤膜分离过程的膜通量，为磁化陶瓷微滤膜装置的设计和操作工艺条件的确定提供了简便的计算方法。关键词：分离；膜；模型；磁化；甘蔗混合汁；陶瓷微滤膜；Ⅱ定理doi：10．39698．issn．1002—6819．2015．06．046中图分类号：TQ028文献标识码：A文章编号：1002—6819(2015)一06—333—05马森，高俊永．磁化甘蔗汁微滤膜分离过程的膜通量预测模型[J]．农业工程学报，2015，31(6)：333-337．MaSen，GaoJunyong．Non-dimensionalmathematicalmodelofmagnetizedsugarcanejuicebymicro-filtrationmembraneseparation[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2015，31(6)：333—337．(inChinesewithEnglishabstract)0引言膜分离技术在制糖行业中由于其通量维持度和成本等问题，造成膜分离这种节能、清洁、高效的分离技术在这一领域应用开展缓慢。近年来随着科技不断的发展，研究人员将颗粒覆膜、电场、超声场、强制振动、磁场、湍流促进器等强化手段应用于膜分离过程之中【l击J，大大改善了其分离效果，磁场强化就是其中一种。在实际膜分离操作中，通常以操作压力、料液流速等因素来调节膜的分离性能，由于磁化微滤过程引入磁场强化，改变了料液的物理特性】，并对膜面的过滤性能产生影响，使得膜分离过程分析变得更为复杂，单纯的数学推导难以得到各影响因素的相互关系，对于复杂物理化工过程，采用量纲分析方法可以较好解决未知的问题。辛军哲等[】I]建立了考虑水量蒸发的更精确的关于直接蒸发冷却填料性能的无量纲数学模型，解决了现有经验公式预测不准的问题；赵自强等[】]基于拉格朗日方程，通过无量纲化处理，研究了复杂的平动齿轮系统的无量纲六自由度运动微分方程，并对其存在的影响因素进行了分析，获得较好的研究成果；无量纲分析方法在机械设计、化工过程等方面广泛应用[13-163。在膜通量模型研究方面，赵鹤飞等【】通过物料在膜材料上的吸附和收稿日期：2014．12—18修订日期：2015-02．09基金项目：国家自然科学基金项目(31301594)；河南工业大学“省属高校基本科研业务费专项资金”项目(2014YWQQ02)；河南工业大学高层次人才基金(2012BS031)作者简介：马森，男，河南郑州，讲师，博士，谷物化学与品质。郑州河南工业大学粮油与食品学院，450001。Emaihbranch2007@126．com沉积对膜通量影响规律研究，建立了滤饼层阻力和吸附阻力随时间变化的数学模型，并在此基础上推导出计算微滤膜通量的微分方程数学模型；王湛等[18]阐述了浓差极化类模型和力平衡类模型的发展演变过程，以及基于溶质或微粒在孔内的收缩堵塞及在膜表面上的吸附和沉积特性，阐述了堵塞过滤定律和Darcy定律，以及基于膜表面上多种效应的协同作用来建立通量预测模型，包括切向流体剪应力与垂直过滤协同模型，反向传统和正向过滤协同模型，旋转膜分离过程等模型；陈山等[19]通过传递过程质量守恒定律和膜的吸附．扩散分离理论，针对电场强化下的超滤膜浓差极化现象，推导出了电场作用下的超滤膜的浓差极化比理论模型，并对该模型的影响因素进行了分析。因此，本研究在已有外加场强化方法和膜分离理论的基础上，以磁场强化、微滤膜器和膜管的参数、微滤膜的操作条件和料液的流体力学性质为因素，根据7c定理、因次一致性和流动相似理论【2oJ，研究磁化微滤膜操作过程理论膜通量无量纲模型，并以甘蔗混