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研究生:童國倫
研究生(外文):Tung, Kuo-Lun
論文名稱:可變形粒子之過濾與濾布堵塞機構之研究
論文名稱(外文):Study on the Mechanisms of Filtrations for Deformable Particles and Clogging of Filter Cloths
指導教授:呂維明---
指導教授(外文):Wei-Ming Lu
學位類別:博士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1998
畢業學年度:86
語文別:中文
論文頁數:267
中文關鍵詞:過濾流體力學濾餅局部性質可變形粒子堵塞
外文關鍵詞:FiltrationHydrodynamicsLocal Cake PropertiesDeformable ParticlesClogging
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本研究第一部份旨在探討可變形形粒子過濾機構,探討濾材表面上濾液通量抑制
層之形成機構。首先以海藻膠酸鈣凝膠粒子床進行機械壓力及流體拉曳力壓縮試驗,
以瞭解可變形粒子床的壓縮變形機構,作為探討可變形粒子過濾機構的基礎。研究結
果發現粒子床受壓縮時底部粒子發生嚴重變形,導致粒子與粒子間產生面接觸,且此
層之結構會隨時間變化。基於可變形粒子床的壓縮變形機構之瞭解,本研究並以平均
粒徑約相同的S. cerevisiae與聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate, PMMA)
粒子進行恆壓過濾及掃流過濾實驗,比較可變形粒子與剛性粒子之過濾行為的差異。
實驗結果發現,由於粒子在過濾過程中受粒子間所累積之固體壓縮壓力及水力拉曳力
作用,造成粒子變形,進而導致濾餅內之孔隙度驟減,致使濾餅之平均過濾比阻在過
濾過程中呈非線性驟增,此與剛性粒子的過濾行為迥異。此外,本研究並根據 Lu 與
Hwang(1993) 所提出的恆壓過濾之濾餅局部性質動態解析方法,提出一修正之動態模
擬,考慮了濾餅結構變化之時間效應及濾餅內粒子間面接觸的行為,輔以理論說明實
驗結果。並經由此模擬程序來瞭解濾餅內局部性質的動態變化,探討可變形粒子過濾
之濾餅成長機構。由濾餅平均孔隙度之比較發現理論與實驗相吻合。
在本研究的第二部份,吾人首先針對一接近濾布幾何形狀之模型利用目前廣為使
用之流體計算軟體FLUENT來計算流體流過各種編織形態濾布之流線。再基於所求得之
三維流場,對輸送到達濾布表面上之粒子進行受力解析,來探討粒子在濾布表面的沉
積與濾布編織纖維孔洞內之堵塞機構,藉以瞭解過濾初期濾布之堵塞現象。研究結果
顯示,過濾初期濾材的堵塞過程為標準堵塞﹑再中度堵塞﹑而後達到濾餅過濾的階段
,顯示過濾初期,濾材的堵塞程序為漸近的, 而非單一模式所主控。並將過去學者所
提出之臨界濃度存在的定性推測予以定量化說明。
As a first step to study the mechanism of filtration of deformable
particles, the compression and deformation behaviors of calcium-alginate
gel particles bed under mechanical loading and hydraulic drag in a
particles bed were conducted in the first part of this study. Experimental
results show that progressive decreases in the bed height, volume, and
porosity of the bed took place gradually as the pressure on the bed was
increased, with the particles being deformed into flattened dodecahedrons.
Cake filtration and crossflow filtration experiments of Saccharomyces
cerevisiae and PMMA were conducted to examine the structure of flux
limiting layer formed by deformable particles. Effect of particle
deformation due to friction drag and mass of cake on the reduction of
porosity was studied to examine how this variation led to the increase in
filtration resistance. Results showed that as the cake formed by deformable
gel particles exhibits a rapid increase in flow resistance or decrease in
porosity due to area contact between particles, a flux limiting layer,
resistant material is formed next to the filter medium during filtration.
A dynamic analysis proposed by Lu and Hwang (1993) was modified to
investigate cake formation in both cake filtration and crossflow filtration
of deformable particles by taking the transient effect of cake compression
and the effect of area contact between particles into consideration.
The simulated results agreed well with the experimental data.
In the second part of this study, three-dimensional particles
deposition on four basic woven structures was studied numerically by
analyzing forces acting on the depositing particles and was applied to
estimate the change of clarity of filtrate at the initial stage of
filtration. The effects of woven structures, feed concentration and
particle/pore size ratio on the transient behavior of cake filtration and
the variation of medium resistances at the beginning stage of cake
filtration were analyzed quantitatively. The simulated results showed that
the filtration period at the initial stage can be divided into the three
modes of standard pore blocking, intermediate blocking and cake formation
in accordance with the law of blocking for all types of pores. Furthermore,
the critical concentration proposed by previous investigators is also
confirmed quantitatively in this study.
可變形粒子之過濾與濾布堵塞機構之研究SSTUDY ON THE MECHANISMS OF FILTRATIONS FOR DEFORMABLE PARTICKES AND CLOGGING OF FILTER CLOTHS
誌謝
中文摘要
英文摘要
目錄
圖表目錄
第一章、緒論
1.1可變形粒子過濾機構之研究
1.2濾布編織結構對濾布堵塞機構影響之研究
第二章、文獻回顧
2.1粒子之壓縮與變形特性
2.1.1單一可變形粒子之壓縮變形特性
2.1.2可變型粒子堆積床之壓密行為
2.1.3流體流過粒子堆積床之理論發展
2.2可變形粒子之濾餅過濾
2.2.1過濾理論之發展
2.2.2可變形粒子構成之可壓縮濾餅
2.2.3懸浮之膠羽粒子的恆壓過濾
2.3可變形粒子之掃流過濾
2.3.1掃流過濾機構
2.3.2含可變形粒子泥漿之輸送
2.3.3含可變形粒子泥漿之掃流過濾
2.3.4含可變形粒子泥漿之掃流過濾的應用
2.4濾布堵塞機構之研究
2.4.1濾布構造及其特性
2.4.2乾淨濾材之透過率
2.4.3粒子沉積及阻塞機構
第三章、可變形凝膠粒子之壓縮與變形特性
3.1可變形粒子之種類及其特性
3.1.1可變形粒子之種類
3.1.2可變形凝膠粒子之機械特性
3.2可變形粒子之接觸力學模式
3.3可變形粒子堆積床之壓縮模式
3.3.1可變形粒子堆積床之壓密行為
3.3.2可變形粒子床內變形粒子之比表面積估算模式
3.4可變形凝膠粒子之壓縮實驗
3.4.1可變形凝膠粒子之製備及其特性
3.4.2可變形凝膠粒子之壓縮實驗
3.5結果與討論
3.5.1單顆可變形凝膠粒子之壓縮變形
3.5.2可變形凝膠粒子床之壓縮變形
3.6結論
第四章、流體流過可變形凝膠粒子床
4.1流體流過可變形凝膠粒子床之實驗
4.1.1流體流過可變形凝膠粒子床實驗裝置
4.2結果與討論
4.2.1流體流過剛性粒子床及可變形粒子床壓降變化比較
4.2.2流體流過可變形凝膠粒子床之壓降變化
4.2.3流體流過可變形粒子床之水力壓力分佈
4.2.4流體流過可變形凝膠粒子床之局部空隙度分佈
4.2.5恆壓操作對可變形凝膠粒子床結構變化之影響
4.3結論
第五章、含可變形粒子泥漿之恆壓過濾
5.1含可變形粒子泥漿恆壓過濾之動態解析
5.1.1流體流過可變形粒子床之力平衡與有效固體壓縮壓力
5.1.2含可變形粒子泥漿恆壓過濾動態模擬之理論分析
5.1.3含可變形粒子泥漿恆壓過濾之動態模擬程序
5.2含可變形粒子泥漿之恆壓過濾實驗
5.2.1恆壓過濾實驗裝置與物料
5.2.2恆壓過濾實驗進行方法與步驟
5.3結果與討論
5.3.1含可變形粒子之恆壓過濾特性曲線
5.3.2可變形粒子構成之濾餅內的液壓分佈
5.3.3可變形粒子構成之濾餅的暫態壓縮現象
5.3.4可變形粒子構成之濾餅內的空隙度與過濾比阻
5.3.5可變形粒子構成之濾餅內的接觸面積變化
5.4結論
第六章、含可變形粒子泥漿之掃流過濾
6.1掃流過濾之泥漿輸送機構
6.2掃流過濾之粒子附著機構
6.2.1掃流過濾粒子之受力分析
6.2.2粒子間摩擦係數之量測方式
6.2.3粒子間摩擦係數之量測方式
6.2.4濾面上粒子的附著通量
6.3含可變形粒子泥漿恆壓過濾之動態模擬程
6.4含可變形粒子泥漿之掃流過濾實驗
6.4.1實驗裝置與方法
6.5結果與討論
6.5.1掃流過濾流態解析
6.5.2濾餅高度在掃流方向上之變化
6.5.3濾速在掃流方向上之變化
6.5.4可變形粒子濾餅性質解析
6.6結論
第七章、濾布編織結構對濾布堵塞之影響
7.1流體流過單織對濾布基本編織結構
7.1.1理論分析
7.1.2數值方法
7.2濾布堵塞機構之理論解析
7.2.1理論分析
7.2.2模擬程序
7.3結果與討論
7.3.1基本孔洞編織形態對流態之影響
7.3.2進口流速改變對孔洞內流態分佈之影響
7.3.3緯線距離對流體流經平紋織布之影響
7.3.4孔洞編織形態對流體流動阻力之影響
7.3.5流體計算結果與實驗值之比較
7.3.6濾布編織結構對過濾初期孔道堵塞之影響
7.3.7濾布編織結構對濾材阻力之影響
7.3.8泥漿濃度對過濾初期孔道堵塞之影響
7.3.9粒徑/孔徑比對過濾初期孔道堵塞之影響
7.4結論
第八章、總結
符號說明
中英對照
附錄A.實驗物料的種類及物性
附錄B.實驗儀器之規格及校正
附錄C.遲延彈性模式之應力應變關係式推導
附錄D.濾布孔道特性參數關係式推導
參考文獻
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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