轴流式中空纤维反渗透膜组件分析

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1、15文献翻译轴流式中空纤维反渗透膜组件分析AtsuoKumano,HidetoMatsuyama过程083（10082343）朱路摘要：在过去的20年里，已经有了一些分析中空纤维反渗透（RO）模块中水从膜外渗透到膜内的流动情况的尝试。在我们以前的工作中，一种FCP(FrictionConcentrationPolarization)模型在大量的实际性能数据中显示出与径流式中空纤维反渗透膜组件具有良好的协调性。在本次工作中，这种分析模型被应用到。考虑了模块中轴向浓度分布的情况下，对这种高的中空纤维装填浓度的轴流式模块的性能进行分析。从实验

2、数据中，证实该种分析模型对轴流式中空纤维模块也显示出良好的协调性。1.引言反渗透（RO）分离工艺已经成为一种在苦咸水、海水无相变淡化中重要的节能工艺。同时由于相较于其它类型的膜更为优越的经济效率，中空纤维已经有选择性的被应用到工业中。中空纤维膜组件按照渗透水流动方向被分为两类，分别是从外到内型和从内到外型。众所周知，与从内到外型相比，从外到内型模块常具有有许多优点，例如更高的有效膜面积，更低的进给侧压力损失。因此，从外到内型模型被应用在较高操作压力RO膜组件中。在过去的20年里，已经有了一些分析中空纤维反渗透（RO）模块中水从膜外渗透到

3、膜内的流动情况的尝试。在假设无浓度差的情况下，Gill和Bansal提出了一种认为压力在纤维内部不断下降的同时不断脱盐的数学模型。并且，Gill等人通过引入扩散模型的方法改善了该种数学模型。在他们的工作中，该种膜的运输模式在基于一种不断排斥模型下被改善而变得更加的实用。Ohya等人则提出了一种更加简单实用的模型，它考虑了浓度极化，而这往往是被其它研究人员所忽略的。然而在这个模型中，纤维内部存在的压力降被忽略了。因而过高估计了跨膜压差，使得纯水渗透系数在计算中降低了。如今，一种同时考虑了浓度极化和纤维内部压降的FCP模型(Friction

4、ConcentrationPolarizationmodel),已经被认作一种新的中空纤维反渗透模块的分析模型，并且它的有效性已经被Sekino等人在大量中空纤维反渗透膜组件的实际性能数据中证实。在上述模型中，都是对径向流型的中空纤维模块进行分析，这主要是因为大多数商业化的中空纤维反渗透膜组件是径向流型，尤其是在高压海水脱盐和中压苦咸水淡化时。而在这之中比较典型的是三醋酯纤维素中空纤维模型。其结构原理图和一种有代表性的径向流型的流动方式（HA3110;Toyobo有限公司）如图1所示。外径为175的三醋酯纤维素中空纤维（总数为到15文献

5、翻译个纤维）围绕着一根多孔管状核心。圆柱型的纤维束两端用环氧树脂固定，然后其一端或者两端被垂直切开，以打开中空纤维。渗透溶液经由纤维孔流向开口。最后，再将管束插入一个压力容器然后再密封。图1典型的径向流型模块的结构示意图和流动模式除了径流型的模块，还有一些轴流式反渗透膜模块被用在低压情况下。最近，一些轴流式反渗透模块已经被用在海水净化及苦咸水淡化上，特别是在低工作压力的情况下。轴流式模块的结构原理图（HK2105，Toyobo有限公司）如图2所示。该种中空纤维反渗透膜模块也是由三醋酸纤维素中空纤维制成的。外径的中空纤维被安排在如下的压力

6、容器中。圆柱形纤维束的一端是用环氧树脂固定，一端垂直切片以打开中空纤维。渗透溶液经由纤维孔流向开口。管束最后再插入一个压力容器然后再密封。图2典型的轴向流型模块的结构示意图和流动模式相比于径流式模块，轴流式模块的优势在于能在壳侧获得更高的流速。因此，轴流式模块运行稳定，并且保持高效的反渗透性能，即是是在非常高的回复下。尽管轴流式中空纤维反渗透膜模块（FCP模型）的分析模型已由Sekino等人发表。但是这种分析模型的堆积密度（约1%）比实际模型（大于50%）低得多，同时忽视了模块中的轴向浓度分布。在本次研究中，我们在考虑了模块中的轴向浓度

7、分布的情况下，分析了高堆积密度的轴流式中空纤维模块的反渗透的性能。获得了轴流式中空纤维模块传质关系，并通过与实验数据比较证实了该模型的有效性。2.分析轴流式FCP模型15文献翻译FCP模型是第一个利用Kimura-Sourirajan膜输运方程，将中空纤维内的压力损失考虑到中空纤维反渗透膜模块的分析模型。一种FCP的径向流型模块模型的示意图如图3所示。该模型是由一系列诸如中空纤维的渗透流动方程，进给流动方程等微分方程组成。在这种模型下，传质系数K由以下的无量纲方程估计得出，该方程是由考虑径向和轴向的浓度分布下的径向流型中空纤维反渗透膜模

8、块导出。(1)图3径向流模块的FCP模型的示意图原先的轴流式中空纤维反渗透膜模块的分析模型（FCP）的中空纤维填充密度（1％）相较实际包装密度（>50％）低得多，同时忽略了模块中的轴向浓度分布。在这些条件下