專利名稱：一種旋流式湍流發(fā)生裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種物理分離裝置的輔助設施，屬于膜分離領域，尤其是指一種旋流式湍流發(fā)生裝置，該裝置能對膜組件進口段產(chǎn)生較強的湍流強化傳質和增大膜表面剪切力作用，從而減輕膜過程的濃差極化和膜污染，延長膜的使用壽命。該裝置所適用的膜過程包括微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)和納濾(NF)。
背景技術：
膜分離技術是清潔生產(chǎn)的理想載體，膜技術的技術進步正快速提高我們在許多工程技術方面的創(chuàng)新能力如革新生產(chǎn)工藝、保護生態(tài)環(huán)境與大眾健康、為經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新新技術等，膜技術作為單元操作在資源回收、環(huán)境保護、能源生產(chǎn)以及環(huán)境監(jiān)測和質量控制方面起著日益重要的作用，同時也是燃料電池和生物分離應用的關鍵技術。膜過程的經(jīng)濟性由膜的滲透通量、單位滲透通量能耗和膜使用壽命來評價，效率由選擇性和滲透阻力衡量。濃差極化和膜污染會顯著地降低膜滲透通量，使膜的使用壽命縮短，經(jīng)濟效益和效率降低，是制約膜過程的應用和發(fā)展的主要因素。
大多數(shù)壓力驅動膜過程的設計，如反滲透、納濾、超濾和微濾，是基于單位體積的膜面積最大化和膜組件操作方便。目前減少濃差極化和膜污染的許多方法(見表1)包括膜表面的化學改性和物理方法如沖洗。眾所周知的水力學方法依靠紊流中產(chǎn)生的渦流或誘導流體不穩(wěn)定性。這種流體不穩(wěn)定性可在流道中嵌入障礙物來形成，通過膜表面的不穩(wěn)定流也可用于減少溶質-膜界面溶質的堆積。目前，已采用的不同類型的流體不穩(wěn)定性包括渦流和粗糙膜表面、流體脈沖和振動膜表面引起的流體不穩(wěn)定。除粗糙表面外，也可以采用旋轉過濾盤系統(tǒng)產(chǎn)生流體不穩(wěn)定。已采用的去濃差極化方法中最成功的方法是旋轉環(huán)形式過濾組件中產(chǎn)生的泰勒渦，這個設計的主要限制是難于放大膜面積以及高能耗。在直線膜流道中設置波狀障礙物，通過周期性的反向紊流(8Hz)也可以產(chǎn)生渦流(參見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))。壓力驅動流體流過平板膜上設置半圓柱形螺旋通道也能產(chǎn)生渦流(參見PCT patent application WO 90/09229 of Aug.23，1990 to Winzeler)。所有這些方法都顯示存在渦流時能增加膜的性能，但每種都存在著無法克服的困難如處理量放大和密封問題。在螺旋纏繞式膜組件采用間隔裝置被廣泛推薦和采用，但對大多數(shù)螺旋纏繞式膜組件來說，在低軸向雷諾數(shù)時采用的是典型的Poiseuille流(參見Toray Industries Inc.disclosed in their spiral flow filters brochure entitled Romembra Toray ReverseOsmosis Elements)。
流體不穩(wěn)定性的有效利用如渦流，在減少壓力驅動膜系統(tǒng)中濃差極化和自清潔合成膜應用已為眾多的文獻廣泛證實(參見See Winzeler，H.B.andBelfort，G.(1993)，Enhanced performance for pressure-driven membraneprocessesThe argument for fluid instabilities，J.Membrane Sci.，in 80，35-47)。
傳統(tǒng)的膜分離機理是過濾開始時，多半由于膜的篩濾作用，即有固體顆粒沉積在膜的表面，當這層初始濾餅出現(xiàn)在膜上，過濾過程逐即轉到初始濾餅本身，此后膜本身只起支撐作用。在傳統(tǒng)的膜過濾裝置中，濾餅不受攪動，固體顆粒連同懸浮液都以垂直方向趨于膜，這樣的過濾所需時間長，而且隨著濾餅增厚，膜阻塞增大，過濾速率逐漸下降，故生產(chǎn)能力較低。為減少膜過程中的濃差極化及膜阻塞與膜污染，膜過濾普遍采用動態(tài)過濾技術。所謂動態(tài)過濾，是為了提高過濾速率，以機械的或水力學的以及電學、聲學的人為干擾限制濾餅增長，從而達到較大的生產(chǎn)能力。具體說來，就是在流體進入膜組件前通過錯流、電場、超聲波場、湍流促進流場等促進方式，使得流體發(fā)生湍流。其中錯流過濾(Crossflow filtration)，其應用較為普遍，因膜組件受流道流速與流體阻力的限制，膜過濾需采用錯流過濾附加場操作方式?，F(xiàn)有的湍流促進器多采用雙螺旋葉片結構，但這種結構產(chǎn)生的湍流強度不夠，且阻力損失大。因此很有必要對此加以改進。

發(fā)明內容
本實用新型的目的是根據(jù)現(xiàn)有湍流促進器的不足，提供一種湍流強度更高，阻力損失小，能促進膜分離的膜組件湍流發(fā)生裝置，該裝置可以克服傳統(tǒng)湍流促進器湍流強度低和阻力損失大等問題。
根據(jù)本實用新型的目的所提出的技術實施方案是迪恩流現(xiàn)象是W.R.Dean在研究彎曲管道中的流體運動產(chǎn)生的二次流時首先發(fā)現(xiàn)的。通過對彎曲流道迪恩渦流的分析，在正常條件下，流體以超過臨界流速流(層流和紊流轉換點)過直線管道時，壓力損失會經(jīng)歷突然的增加過程。Dr.Dean的研究顯示，彎曲管道中的流動出現(xiàn)不穩(wěn)定和二次流。但即使彎曲管道中流速遠高于臨界流速，壓力損失也不會突然增加。這種現(xiàn)象說明，在同一速度狀況下，彎曲管道中的壓力損失比直線管道中低得多。并且彎曲管道中的迪恩數(shù)是與管徑的。工業(yè)上廣泛應用的水力旋流器是一種高效低能耗分離設備，實踐證明旋流式湍流強較高，采用優(yōu)化入口及旋流流道設計，可有效克服傳統(tǒng)湍流促進器湍流強度低和阻力損失大等問題。
本實用新型的技術原理就是在膜組件前安裝一旋流誘導式的湍流發(fā)生裝置，它包括入料進口、錐體導向裝置和出口。當流體從液流入口進入旋流誘導裝置后，流體產(chǎn)生旋流，旋流進入錐體產(chǎn)生二次流湍流并經(jīng)錐體縮口作用以高速旋流湍流進入膜管進口段，由于旋流式湍流強化的作用，大大減輕了錯流膜過濾時的濃差極化和膜污染，降低了膜滲透能耗，延長了膜的使用壽命。
試驗結果本實用新型的旋流湍流發(fā)生裝置可以產(chǎn)生強烈的湍流入料，能顯著強化線性中空纖維膜傳質，滲透流量增加30％，滲透回收率增加3～5％，低滲透操作壓力時單位滲透流量能耗降低達35％；湍流入料顯著減緩了滲透流量的衰減速率，降低了能耗，增大了滲透回收率。而且，料粘土懸浮液濃度越高，湍流入料強化傳質效果越明顯。本實用新型裝置的試驗結果(如圖6所示)證明，湍流入料能顯著強化線性中空纖維膜傳質，滲透流量增加30％，滲透回收率增加3～5％，低滲透操作壓力時單位滲透流量能耗降低達35％；湍流入料顯著減緩了滲透流量的衰減速率，降低了能耗，增大了滲透回收率。而且，料粘土懸浮液濃度越高，湍流入料強化傳質效果越明顯。
附圖及說明


圖1為螺旋式湍流發(fā)生裝置示意圖；圖2為螺旋式湍流發(fā)生裝置K向側視圖；圖3為帶螺旋流道的錐體湍流發(fā)生裝置示意圖；圖4為收縮的矩形或圓形斷面切線進料管示意圖；圖5為不收縮的圓形橫截面切線進料管示意圖；圖6為三維螺旋進料結構。
圖中1、液流入口；2、湍流誘導裝置；3、湍流發(fā)生裝置；4、出口。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型作進一步的描述，附
圖1-6為本實用新型一個實施例的結構原理示意圖，從附圖中可以看出，本實用新型是一種湍流發(fā)生裝置，包括液流入口1、湍流誘導裝置2、湍流發(fā)生裝置3、出口4幾部分。湍流誘導裝置2安裝在湍流發(fā)生裝置3前面，流體是經(jīng)液流入口1進入湍流誘導裝置2再經(jīng)湍流發(fā)生裝置3產(chǎn)生湍流后，由出口4輸出的，其特點是湍流誘導裝置2為旋流誘導裝置，湍流發(fā)生裝置3為錐體狀螺旋式湍流發(fā)生器，湍流誘導裝置2的入口進料管(二維)結構是收縮的矩形或圓形斷面切線進料管(如圖4所示)；也可以是不收縮的圓形橫截面切線進料管(如圖5所示)或螺旋線進料管或漸開線進料管或帶調整楔的進料管或兩管對稱的進料管或同心圓圓環(huán)形進料管或弧形進料管；還可以是三維螺旋進料結構(如圖6所示)。而且湍流發(fā)生裝置3的錐體高度是出口管徑d的1～3倍。湍流發(fā)生裝置3的錐體的內表面可以是光滑表面，也可以是螺紋階梯流道(如圖3所示)。
權利要求1.一種旋流式湍流發(fā)生裝置，包括液流入口(1)、湍流誘導裝置(2)、湍流發(fā)生裝置(3)、出口(4)幾部分，湍流誘導裝置(2)安裝在湍流發(fā)生裝置(3)前面，流體是經(jīng)液流入口(1)進入湍流誘導裝置(2)再經(jīng)湍流發(fā)生裝置(3)產(chǎn)生湍流后，由出口(4)輸出的，其特征在于湍流誘導裝置(2)為旋流誘導裝置，湍流發(fā)生裝置(3)為錐體狀螺旋式湍流發(fā)生器，湍流誘導裝置(2)的入口進料管結構是收縮的矩形或圓形斷面切線進料管；湍流發(fā)生裝置(3)的錐體高度是出口管徑d的1～3倍。
2.如權利要求1所述的一種旋流式湍流發(fā)生裝置，其特征在于所述的湍流誘導裝置(2)的入口進料管結構是不收縮的圓形橫截面切線進料管或螺旋線進料管或漸開線進料管或帶調整楔的進料管或兩管對稱的進料管或同心圓圓環(huán)形進料管或弧形進料管。
3.如權利要求1所述的一種旋流式湍流發(fā)生裝置，其特征在于所述的湍流誘導裝置(2)的入口進料管結構是三維螺旋進料結構。
4.如權利要求1所述的一種旋流式湍流發(fā)生裝置，其特征在于所述的湍流發(fā)生裝置(3)的錐體的內表面可以是光滑表面，也可以是螺紋階梯流道。
專利摘要一種旋流式湍流發(fā)生裝置，在膜組件前安裝一旋流誘導式的湍流發(fā)生裝置，它包括入料進口、錐體導向裝置和出口。當流體從液流入口進入旋流誘導裝置后，流體產(chǎn)生旋流，旋流進入錐體產(chǎn)生二次流湍流并經(jīng)錐體縮口作用以高速旋流湍流進入膜管進口段，由于旋流式湍流強化的作用，大大減輕了錯流膜過濾時的濃差極化和膜污染，降低了膜滲透能耗，延長了膜的使用壽命。
文檔編號B01D65/00GK2761254SQ200420113719
公開日2006年3月1日 申請日期2004年12月23日 優(yōu)先權日2004年12月23日
發(fā)明者劉建文, 張晶晶, 湛含輝 申請人:株洲工學院科技開發(fā)部