CFD用于反渗透膜组件隔网构型的优化研究

第38卷第1期2018年2月膜科学与技术MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYVo1．38No．1Feb．2018CFD用于反渗透膜组件隔网构型的优化研究方健，张峰，仲兆祥，刘业飞，邢卫红(南京工业大学化工学院，国家特种分离膜工程技术研究中心，南京210009)摘要：RO膜已广泛应用于废水处理过程，采用计算流体力学(CFD)优化RO膜组件结构是近年来研究的重点．本研究通过CFD方法建立卷式RO膜组件隔网流道的3D纯水渗透模型，对现有的商品型隔网丝构型进行改进，分析了隔网丝的结构对流道内的传质效率、能耗以及渗透通量等参数的影响．结果表明，隔网丝结构对反渗透膜流道内的流体流动具有重要的影响，随着隔网丝长度的减小，流道的流动死区面积减少明显；随隔网丝细直径的减小，流道内的逆流涡流增加，浓差极化现象减弱．改进的隔网构型较商品化的隔网，流道内传质有较大的提升，能耗明显下降，渗透通量提升了10左右．关键词：反渗透膜组件；CFD；隔网流道；构型优化中图分类号：TQ028．8文献标志码：A文章编号：1007—8924(2018)01—0074—07doi：10．】6l59／j．cnki．issnl007—8924．2018．01．01l在卷式反渗透膜组件中，浓水隔网不但起到支撑流道、导流液体的作用，而且可以作为组件内的湍流促进器，在有效加强湍流的同时降低膜面上的浓差极化和污染现象．但是，隔网在提高传质效率的同时，使得流体的流动阻力增加，压力损失增大，从而加大了能耗，还会带来局部的沟流、死区等，因此隔网优化设计的重点在于如何平衡传质效率和压降之间的关系．目前对浓水隔网的优化主要集中在隔网厚度l卜引、隔网间距、入水角度[3]以及隔网形状l_4』等几何参数的优化设计．计算流体力学已经应用于研究反渗透膜流道的流体力学行为中，大多数研究集中于不同隔网类型对于进料隔网流道内的流动和传质的影响L6]．Fimbres—Weihs等[提出了稳态三维流动与传质模型，膜面被看作不可渗透的壁面，这与实际的隔网流道具有很大的区别．Bucs等l_]l_采用COMSOLMul—tiphysics软件模拟研究了不同厚度隔网对流体的水力学性质、溶质传递以及生物污染形成的影响．Kavi—anipour等口]利用CFD建立了3D稳态模型，研究了梯字型、三层型、波浪型、浸没型4种隔网结构流道的传质性能．Shakaib等ll副使用CFD商业软件Hu—ENT模拟了两种隔网形状对反渗透膜进水流道的影响．Abroad等u钊采用CFD技术对矩形、圆形和三角形隔网细丝的流道中均产生不稳定漩涡的情况进行研究，模拟结果发现，在相同的雷诺数下3种不同形状的隔网产生漩涡的情况有所不同．这些研究结果均表明，隔网构型对反渗透膜性能影响显著，但未考虑膜渗透过程对隔网结构的影响．而且在大多数的数值模拟研究中，研究者通过简化的、圆柱形的隔网丝来研究流道的流动与传质，通过电子显微镜可以观察到实际的商品型隔网具有复杂的几何结构，隔网丝的构型具有粗细过渡的圆柱结构，Picioreanu等通过数值模拟方法表明，简化的圆柱形隔网丝流道内的流动与真实的隔网流道有很大的差异．因此，本研究拟建立纯水渗透模型，以实际商品型隔网的几何尺寸划分网格，通过调节隔网丝的几何尺寸，得到5种隔网流道，考察隔网丝结构对流道的传质性能、能耗与膜面的渗透通量的影响，为商品收稿日期：2017—09—25；修改稿收到日期：2017—11—1S基金项目：国家自然科学基金(Ul510202)；国家重点研发计划项目(2016YFC0204000)第一作者简介：方健(1991一)，男，安徽铜陵人，硕士，主要研究方向为膜分离技术．*通讯作者，E-mail，xingwh@njtech．edu．cn第1期方健等：CFI)j}】于反渗透膜组件隔网构型的优化研究型反渗透膜隔网的设计提供有效依据．1模型建立1．1反渗透隔网流道的网格模型反渗透(R())膜隔网流道结构如图l所示．卷式R()组件隔网的SEM见图l(b)，建立了如图1(c)所示的网格模型，进行数值计算．商品卷式膜组件隔网和R()膜是由北京时代沃顿科技有限公司提供．型号为SW11，高度为48rail(1rail=2．54×10era)，隔网丝的夹角为9O。，进料方向与隔网丝夹角为45。．隔网丝结构如图2所示．隔网单元由粗细过渡的丝组成，通过调节粗丝与细丝的长度及直径，设计了5种隔网构型，设计参数如表1所示．(a)卷式膜示意冈(}))隔网SEM(c)隔网模型刚l反渗透膜隔网流道结构示意罔Fig．1Reverseosmosismembranespacerchannelstructurediagram表l隔网丝设计参数Table1Parametersofspacerfilament图2隔网丝单元结构