中空纤维膜组件广泛用于传质膜分离过程中,其中壳程内的传质,由于其情况复杂,影响因素较多,一直是人们关注的热点。本文以水中氧解吸过程为实验体系,对中空纤维膜组件壳程的传质性能及其强化进行了较全面的研究。 对平直式中空纤维膜组件壳程传质性能进行了实验研究及理论计算。通过测定各种装填分率中空纤维膜组件壳程的流体力学性能及传质性能,比较了相同流动状况下,装填分率对传质系数的影响,并获得了与装填分率有关的传质准数关联式。此外,采用Voronoi网格法,并结合正态分布函数,对纤维不均匀分布以及纤维外径的多分散性对中空纤维膜组件壳程传质性能的影响进行了理论计算。结果表明,二者对壳程流体的流量分布有重要影响,因而进一步影响其传质性能。将不均匀分布情况下传质系数的计算值与实测值进行比较,二者基本吻合,表明该方法可以较好地预测中空纤维膜组件壳程的传质性能。 对强化传质过程进行了较全面研究。采用改变操作方式,即用错流操作方式代替逆流,提高了传质系数;用超声波增强流体的湍动,对传质效果有所增强。重点研究了用缠绕式中空纤维膜组件对传质过程的强化,与平直式膜组件进行了比较,并考察了缠绕式膜组件的结构参数,如缠绕角、缠绕直径等对传质性能的影响。结果表明,相同Re数时,缠绕式膜组件管、壳程的传质系数分别为平直式膜组件管、壳程传质系数的2—3.5、2.1—2.3倍;缠绕角对缠绕式中空纤维膜组件的传质性能有重要影响,缠绕角小于45°的膜组件,其传质效果明显优于缠绕角大于45°的膜组件;随着缠绕直径的减小,传质系数逐渐增大。 本项研究对中空纤维膜组件在传质膜分离过程中的应用具有一定的指导意义。