利用卡门涡街原理的膜分离装置，其特征在于包括分离膜室，所述分离膜室的流体进口设有卡门涡街发生装置，并满足其中：V为流体流速，d为膜分离室沿流体运动方向长度，θ为流体运动学黏性系数，并满足47＜Re＜107。该方法运用流体力学技术，首次将卡门涡街引入膜组件的设计。同常规的膜分离过程相比，可以大幅度降低分离时间，提高分离效率，降低了能量的消耗。和常规的膜分离组件相比，可以显著降低膜过程的膜污染，提高膜的使用寿命。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于膜分离设备
，涉及一种利用“卡门涡街”改善膜分离过程中流体的运动状态，提高分离过程的通量，降低膜污染，进而快速实现高效分离的装置和方法。
技术介绍
膜分离技术是20世纪中期发展起来的新型分离技术，由于其设备简单、操作方便、分离效率高、温度低(室温左右)、能耗低、环保等特点，逐渐成为不可替代的单元操作之一。不同于现有的平衡级分离过程，膜分离技术以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧推动力(如压力差、浓度差或电位差)的作用下，原料侧的组分可选择性地透过膜，实现分离和提纯的目的。膜分离技术目前已被广泛应用于医药、食品、化学、环保等各个领域，已被国际公认为20世纪末到21世纪中期最有发展前途的一项重大高新生产技术。然而其分离过程的膜污染造成通量下降是至今令膜科学工作者难以解决的问题。卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街。卡门涡街所形成的涡旋拥有巨大的能量，可以为我所用。图1为卡门涡街现象的示意图。
技术实现思路
解决的技术问题本专利技术针对膜分离过程中容易污染、分离效率低的问题，提出了一种利用卡门涡街所产生的涡旋不断冲刷膜表面，从而减少膜污染，提高膜通量，进而实现快速有效分离的装置和方法。这种方法根据待分离的物料性质不同，可以灵活选择分离膜的材料，数量，分布方式等。技术方案利用卡门涡街原理的膜分离装置，包括分离膜室，所述分离膜室的流体进口设有卡门涡街发生装置，并满足I = ^其中V为流体流速，d为膜分离室沿流体运π1动方向长度，θ为流体运动学黏性系数，并满足47 < Re < 107。满足此条件的流体通过圆柱形或多棱柱型的物体时，即产生卡门涡街现象，圆柱形或多棱柱型的物体即为卡门涡街发生装置。所述卡门涡街发生装置为圆柱形或多棱柱型。所述分离膜室为平板结构，分离膜室下壁铺设有分离膜，卡门涡街发生装置设于膜与膜分离室上壁中间的错流入口处。所述分离膜室为管式结构，分离膜室内铺设有分离膜，卡门涡街发生装置径向设于膜分离室入口处。所述分离膜为有机聚合物膜或无机膜。上述分离膜为微滤膜、超滤膜、纳滤膜、透析膜、离子交换膜或凝胶。上述有机聚合物膜为纤维素类、聚醚砜类、聚砜类、聚烯烃类、聚烯类、聚酰胺类、 聚哌嗪类或含氟聚合物类膜；所述的无机膜选用陶瓷膜或金属膜。利用卡门涡街原理的膜分离方法，将卡门涡街发生装置加入膜分离装置的流体入口，并满足^ 二 =其中ν为流体流速，d为膜分离室沿流体运动方向长度，Θ为流体运.丨·|Ι动学黏性系数，并满足47 < Re <107，使得膜分离时错流的流体出现卡门涡街现象，膜分离装置工作时产生的错流流体形成涡旋，冲刷膜表面，带走膜表面造成膜污染的物质，再结合分离膜的孔径筛分效应(微滤和超滤)和膜扩散效应(反渗透以及纳滤等)，从而实现快速和高效的分离过程。有益效果本专利技术采用平行放置或管式的分离膜，在其中的流体入口端放置形成卡门涡街的卡门涡街发生装置，分离膜室的流体形成卡门涡街，待分离的流体错流流过流道，随着膜分离过程的不断进行，在膜表面不断有污染物沉积的同时，沉积的污染物会不断被卡门涡街所形成的具有巨大能量的涡旋带走，从而减少膜污染，并利用膜分离技术实现不同分子量或微粒大小的分离。卡门涡街的产生条件和雷诺数(Re)有关。雷诺数(Re)做如下定义。]· "Re —；..其中V为流体流速，d为长度特征尺度，θ为运动学黏性系数。当满足47 < Re < IO7的条件时，配合卡门涡街发生装置，形成卡门涡街，在管路中形成涡旋。涡旋的频率的公式表达式如下, 1 Q ；“,二 = C Λ 98 Y [ 1 — I Γ■ / ,‘其中f为涡旋振动频率，d为容器直径，V为流体运动速度。这个公式在250 <Re < 2 X IO5时，准确度比较高。平板式错流膜分离装置(如图2)由一根圆柱形卡门涡街发生装置安装在膜样本 1与膜分离室上壁中间的错流入口处，待分离或者浓缩的物料由入口处进入错流膜分离装置，在卡门涡街发生装置的作用下形成卡门涡街流体，卡门涡街流体所产生的涡旋使得不断形成的膜污染物脱落并随错流流体带走，从而抑制其在膜面的浓差极化和膜污染，进而提高膜过程通量。可以根据膜分离室具体形状的不同和大小，选择卡门涡街发生装置的形状和大小，选择流体流速。所述的卡门涡街发生装置材料可以为木质，塑料，金属等。其形状可以为圆柱形，立方体型，三角棱柱型、多面棱柱等。有机聚合物膜选用纤维素类、聚醚砜类、聚砜类、聚烯烃类、聚烯类、聚酰胺类或聚哌嗪类、含氟聚合物类等膜。管式错流膜分离装置(如图3)，由一根圆柱形元件纵向安装在膜管的中间，待分离或者浓缩的物料由入口处进入错流膜分离装置，在卡门涡街发生装置的作用下形成卡门涡街流体，卡门涡街流体所产生的涡旋使得不断形成的膜污染物脱落并随错流流体带走， 从而抑制其在膜面的浓差极化和膜污染，进而提高膜过程通量。可以根据管式膜的具体形状的不同和大小，选择卡门涡街发生装置的形状和大小，管式膜元件为微滤膜，超滤膜或者纳滤膜。根据被分离物质的性质，本专利技术中的分离有机膜常选用纤维素类、聚醚砜类聚砜类、聚烯烃类、聚烯类、聚酰胺类或聚哌嗪类、含氟聚合物类等膜，无机膜选用陶瓷膜或不锈钢膜。本专利技术提供的一种具有卡门涡街流体力学性质的膜分离方法和装置，利用卡门涡街发生装置，使得分离过程发生变化。与常规膜分离过程相比，具有如下突出的特点和优势1.该方法运用流体力学技术，首次将卡门涡街引入膜组件的设计。同常规的膜浓缩过程相比，可以大幅度降低浓缩时间，提高浓缩效率，降低了能量的消耗。2.和常规的膜浓缩组件相比，可以显著降低膜过程的膜污染，提高膜的使用寿命。附图说明图1.卡门涡街原理示意图；图2拥有卡门涡街的平板式错流膜分离装置示意图；1.有机平板膜2.卡门涡街发生装置图3拥有卡门涡街的管式错流膜分离装置示意图；3.陶瓷膜4.卡门涡街发生装置具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术做进一步说明。本专利技术所涉及的主题保护范围并非仅限于这些实施例。实施例1 使用图2所示的拥有卡门涡街的平板式错流膜分离装置，在平板式膜组件的中间安装有平板分离膜1 (有效膜面积40cm2)，分离膜选用截留分子量(MWCO)为50kDa的PES 聚醚砜超滤膜(上海斯纳普膜分离科技有限公司)，在膜分离组件的入口端设置有不锈钢材质的卡门涡街发生装置。将固定体积QL)的黄连解毒汤中药水提液通过进料泵输送到膜分离组件中，膜分离的跨膜压差是0. Impa,膜面流速为V = O. 5m/s,膜分离室沿流体运动方向长度d = 0. lm，经测定，黄连解毒汤中药水提液的粘度θ =20. 14X10_6m2/s。经前文公式验证，此条件下将生成卡门涡街现象。原料液错流通过膜组件后返回到进料系统中，循环使用；透过膜的渗透液被收集。记录膜分离通量，并在实验结束后比较截留率。将常规膜过程，即在没有卡门涡街发生装置，其他条件完全相同的平板式错流膜分离过程和本专利技术提出的方法的结果相比较，发现卡门涡街条件下的本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．利用卡门涡街原理的膜分离装置，其特征在于包括分离膜室，所述分离膜室的流体进口设有卡门涡街发生装置，并满足其中：Ｖ为流体流速，ｄ为膜分离室沿流体运动方向长度，θ为流体运动学黏性系数，并满足４７＜Ｒｅ＜１０７。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李博，郭立玮，付廷明，
申请(专利权)人：南京中医药大学，
类型：发明
国别省市：84
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