摘要
反渗透(Reverse Osmosis,RO)又称逆渗透，是以半透膜两侧压力差作为推动力，从溶液中分离出溶剂的一种膜分离过程，已广泛应用于纯水与超纯水制备、饮用水净化、海水淡化等领域。膜组件是实现膜分离过程基本单元。目前主要有板框式膜组件、中空纤维式膜组件以及卷式膜组件三种结构类型。进水导流网作为卷式膜组件的重要组成部分，不仅提供流体流道,而且可增强组件流道内局部湍流、提高膜表面传质、减少膜壁面溶质浓度从而减缓膜表面浓差极化。计算流体力学(Computation Fluid Dynamics,CFD)方法可精确模拟膜组件内部流动，可为卷式膜组件结构设计与优化提供理论依据。本论文采用基于计算流体力学的有限体积法，对卷式膜组件内流场与浓度场分布进行多场模拟研究。 首先，为了寻求卷式膜组件进料流量与能量损失间的平衡，采用“哑铃型”非均一型网丝结构，在非渗透壁面边界条件下，模拟分析网丝夹角对卷式膜组件流道内速度、压力以及膜面剪切应力的影响。结果表明:随着导流网网丝夹角增大，流道内流体流速增加，膜面附近浓差极化减弱。当夹角从60°增加到90°时，膜面壁面剪切应力增加12％,流道内压力损失增加10％;从90°增加到120°时，膜面壁面剪切应力增加14％,流道内压力损失增加15％;当入口雷诺数从50增加到200时，不同网丝夹角的上下膜面平均壁面剪切应力均增大4倍左右，组件流道内压力损失增加4倍以上。 之后，基于溶解—扩散传质机理建立反渗透过程的三维CFD数值模型，采用用户自定义函数(User Define Function,UDF)对跨膜渗透与膜面浓度进行耦合计算，模拟膜面浓差极化形成过程，研究基于渗透壁面条件下不同网丝夹角、直径比以及进料雷诺数下卷式膜组件流道内传质与能量损失特性。结果表明:流道内压降速率随网丝夹角增大而增加，网丝夹角在60° 到120°之间时，组件流道内压力损失在可承受范围内;网丝直径比从1.0减小到0.45时，压降速率显著减小约58.1％,膜面平均壁面剪切应力减少38.8％,膜面平均浓差极化因子增加27％;进料雷诺数由50增加到200时，膜面平均剪应力增加5.6倍以上，平均溶剂渗透通量增加18.2％。 最后，采用微米CT扫描方法对四种不同型号的导流网样品进行图像重构与三维逆向建模，分析比较渗透壁面条件下四种不同导流网实体结构下卷式膜组件流道内传质与能量损失特性。结果表明:反渗透膜渗透通量理论预测值与基于错流式平板膜过滤装置测得的实验结果相比，偏差在5％以内，基于图像重构与三维逆向建模模拟卷式膜组件流道内传质过程可行;膜组件流道内能量损失主要集中在网丝前端处，A03网丝的膜面壁面剪切应力与溶剂渗透通量明显高于其他三种网丝结构;反渗透膜溶剂渗透系数改变会对膜面溶质质量分数与溶剂渗透通量比率产生影响，当溶剂渗透系数从0.5e-11 m·Pa-1·s-1增加到2.0e-11 m·Pa-1·s-1时，膜面渗透通量比率降低10％。
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