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系統識別號 U0002-1406201314262200
中文論文名稱 模擬雙側流之掃流微過濾系統
英文論文名稱 Simulation of a two side-stream cross-flow microfiltration system
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 李宏彥
研究生英文姓名 Hung-Yen Li
學號 699400130
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-06-03
論文頁數 97頁
口試委員 指導教授-吳容銘
委員-陳錫仁
委員-郭修伯
中文關鍵字 掃流微過濾  模擬  側流 
英文關鍵字 Cross-flow microfiltration  simulation  side-stream 
學科別分類
中文摘要 已知在掃流微過濾的系統,於膜面上施加流體力學之受力,會影響濾餅的型態與過濾的效果的。本研究所模擬的進料物分別為純水與生質酒精,利用計算流力(computational fluid dynamics, CFD),對於掃流微過濾的裝置建立出模擬的構造型態、模擬的空間網格,以及邊界條件之設定。於雙側流模擬掃流微過濾系統,在平板的兩側各加裝一個進料口,藉由改變濾室中的流力情形,使膜面上的剪應力有所變化,並探討不同進料入射的角度對於膜面上剪應力的變化情形。對於模擬出的速度流場及膜面上的剪應力分佈均可藉由CFD計算出,並可助於如何設計過濾系統,進而增加濾速、減少膜面上的阻塞及延長過濾的水洗週期。
英文摘要 It’s known that under cross-flow microfiltration, the major factors influencing cake formation as well as the overall filtration resistance were found to be the hydrodynamic forces exerted on the membrane. In this study, we simulated pure water and bio-ethanol, and the simulating geometry of the cross-flow microfiltration was established, the meshes were constructed, and the boundary conditions were set, then the velocity field, the total filtration resistance, and the shear force distribution on the membrane surface could be calculated by computational fluid dynamics, CFD. In the system,we install a two side-stream on flat sides and change the different inlet angle to improve fouling condition on the membrane and to observe alterations in the shear force on the membrane. This design could help to effectively increase the permeate flux, reduce the fouling on the membrane and extend the washing cycle during filtration.
論文目次 中文摘要………………………………………………………………… Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………… Ⅱ
目錄……………………………………………………………………… Ⅲ
圖表目錄………………………………………………………………… Ⅵ

第一章 序論……………………………………………………………… 1
1-1 前言……………………………………………………………… 1
1-2 研究動機與目的………………………………………………… 4
第二章 文獻回顧………………………………………………………… 5
2-1 掃流過濾及其特性……………………………………………… 5
2-2 過濾阻塞模式…………………………………………………… 11
2-3 生質酒精•………………………………………………………… 16
2-3-1 生質酒精發展歷程………………………………………… 16
2-3-2 製作生質酒精的原料……………………………………… 18
2-3-3 生質酒精發酵製成………………………………………… 21
2-4 平板式掃流過濾流體力學•……………………………………… 26

第三章 理論分析•………………………………………………………… 28
3-1 模擬軟體與計算模式•…………………………………………… 28
3-2 掃流過濾流體力學分析•………………………………………… 33
3-3 阻力串聯模式•…………………………………………………… 37
3-4 濾餅的孔隙度•…………………………………………………… 39
3-5 統御方程式•……………………………………………………… 40
3-5-1 連續方程式………………………………………………… 40
3-5-2 動量方程式………………………………………………… 41
3-5-3 相之間交互作用…………………………………………… 42
第四章 模擬設定與數值分析•…………………………………………… 44
4-1 掃流微過濾系統之幾何結構•…………………………………… 44
4-2 掃流微過濾系統之網格結構•…………………………………… 46
4-3 數值分析方法•…………………………………………………… 48
第五章 結果與討論•……………………………………………………… 49
5-1純水掃流過濾模擬數據分析……………………………………… 49
5-1-1 不同的側流比例下,掃流速度為V= 0.1 m/s …………… 49
5-1-2 不同的側流比例下,掃流速度為V= 0.2 m/s …………… 56
5-1-3 不同的側流比例下,掃流速度為V= 0.3 m/s …………… 62

5-2 側流角度θ =45°與θ =90°之掃流過濾模擬數據分析 ………… 68
5-2-1 掃流速度V= 0.1 m/s,在不同的入射角度 …………… 68
5-2-2 掃流速度V= 0.2 m/s,在不同的入射角度 ……………… 74
5-2-3 掃流速度V= 0.3 m/s,在不同的入射角度 ……………… 76
5-3 生質酒精掃流過濾模擬數據分析 ……………………………… 78
5-3-1不同側流比,生質酒精掃流速度為V= 0.1 m/s∼V= 0.3 m/s ………………………………………………………… 79
5-3-2 生質酒精掃流速度V= 0.1 m/s∼V= 0.3 m/s,在不同的入射
角………………………………………………………… 83
第六章 結論……………………………………………………………… 88
符號說明…………………………………………………………………… 90
參考文獻…………………………………………………………………… 95
圖表目錄
頁次
圖目錄
第一章
圖 1-1比較垂直過濾和掃流過濾………………………………………… 3
第二章
圖 2-1掃流過濾示意圖…………………………………………………… 6
圖 2-2四種阻塞模式示意………………………………………………… 12
圖 2-3製作生質酒精工業流程…………………………………………… 22
圖 2-4酵素法水解糖化製程……………………………………………… 23
圖 2-5發酵單元與酵素水解單元之整合設計…………………………… 24
第三章
圖 3-1 CFD模擬流程圖 ………………………………………………… 30
圖 3-2數值模擬之疊代計算流程圖……………………………………… 32
圖 3-3粒子在掃流過濾中之受力情形…………………………………… 34
圖 3-4在x方向上,膜面上所組成的受力變化情形………………………35
圖 3-5粒子於膜面上的阻力示意圖……………………………………… 38


第四章
圖 4-1 雙側流之掃流比例圖………………………………………………45
圖 4-2 側流之掃流過濾裝置中流場空間的網格…………………………47
第五章
圖 5-1 掃流進料與出料位置圖……………………………………………50
圖 5-2 V= 0.1 m/s;側流比為4:3:3之掃流剪應力…………………… 51
圖 5-3 V= 0.1 m/s;側流比為4:3:3之掃流速度向量圖……………… 52
圖 5-4 V= 0.1 m/s;側流比為6:2:2之掃流剪應力圖………………… 53
圖 5-5 V= 0.1 m/s;側流比為8:1:1之掃流剪應力圖………………… 53
圖 5-6 V= 0.1 m/s;側流比為6:2:2之掃流速度向量圖……………… 54
圖 5-7 V= 0.1 m/s;側流比為8:1:1之掃流速度向量圖………………54
圖 5-8 V= 0.1 m/s;各不同側流比之剪應力比較…………………………55
圖 5-9 V= 0.2 m/s;側流比為4:3:3之掃流剪應力圖………………… 57
圖 5-10 V= 0.2 m/s;側流比為6:2:2之掃流剪應力圖………………… 58
圖 5-11 V= 0.2 m/s;側流比為8:1:1之掃流剪應力圖…………………58
圖 5-12 V= 0.2 m/s;側流比為4:3:3之掃流速度向量圖……………… 59
圖 5-13 V= 0.2 m/s;側流比為6:2:2之掃流速度向量圖……………… 59
圖 5-14 V= 0.2 m/s;側流比為8:1:1之掃流速度向量圖……………… 60
圖 5-15 V= 0.2 m/s;各不同側流比之剪應力比較 ………………………61
圖 5-16 V= 0.3 m/s;側流比為4:3:3之掃流剪應力圖………………… 63
圖 5-17 V= 0.3 m/s;側流比為6:2:2之掃流剪應力圖………………… 64
圖 5-18 V= 0.3 m/s;側流比為8:1:1之掃流剪應力圖………………… 64
圖 5-19 V= 0.3 m/s;側流比為4:3:3之掃流速度向量圖………………65
圖 5-20 V= 0.3 m/s;側流比為6:2:2之掃流速度向量圖………………65
圖 5-21 V= 0.3 m/s;側流比為8:1:1之掃流速度向量圖………………66
圖 5-22 V= 0.3 m/s;各不同側流比之剪應力比較 ………………………67
圖 5-23 進料角度θ =90°之掃流過濾 ……………………………………69
圖 5-24 進料角度θ =45°之掃流過濾 ……………………………………69
圖 5-25 V= 0.1 m/s,側流比為4:3:3之θ =90°與θ =45°比較
…………………………………………………………………… 70
圖 5-26 V= 0.1 m/s,側流比為4:3:3之θ =90°掃流速度向量圖
…………………………………………………………………… 71
圖 5-27 V= 0.1 m/s,側流比為4:3:3之θ =45°掃流速度向量圖
…………………………………………………………………… 71
圖 5-28 V= 0.1 m/s,側流比為6:2:2之θ =90°與θ =45°的比較
…………………………………………………………………… 72
圖 5-29 V= 0.1 m/s,側流比為8:1:1之θ =90°與θ =45°的比較
…………………………………………………………………… 73
圖 5-30 V= 0.2 m/s,側流比為4:3:3之θ =90°與θ =45°的比較
…………………………………………………………………… 74圖 5-31 V= 0.2 m/s,側流比為6:2:2之θ =90°與θ =45°的比較
…………………………………………………………………… 75圖 5-32 V= 0.2 m/s,側流比為8:1:1之θ =90°與θ =45°的比較
…………………………………………………………………… 75圖 5-33 V= 0.3 m/s,側流比為4:3:3之θ =90°與θ =45°的比較
…………………………………………………………………… 76
圖 5-34 V= 0.3 m/s,側流比為6:2:2之θ =90°與θ =45°的比較
…………………………………………………………………… 77
圖 5-35 V= 0.3 m/s,側流比為8:1:1之θ =90°與θ =45°的比較
…………………………………………………………………… 77
圖 5-36 生質酒精V= 0.1 m/s;側流比為4:3:3之掃流剪應力
…………………………………………………………………… 79
圖 5-37 生質酒精V= 0.1 m/s;側流比為6:2:2之掃流剪應力
…………………………………………………………………… 80
圖 5-38 生質酒精V= 0.1 m/s;側流比為8:1:1之掃流剪應力
…………………………………………………………………… 80

圖 5-39 生質酒精V= 0.1 m/s;各不同側流比之剪應力比較…………… 81
圖 5-40 生質酒精V= 0.2 m/s;各不同側流比之剪應力比較…………… 81
圖 5-41 生質酒精V= 0.3 m/s;各不同側流比之剪應力比較…………… 82
圖 5-42 生質酒精V= 0.1 m/s,側流比為4:3:3之θ =90°與θ =45°比較 ………………………………………………………………… 83
圖 5-43 生質酒精V= 0.1 m/s,側流比為6:2:2之θ =90°與θ =45°比較 ………………………………………………………………… 84
圖 5-44 生質酒精V= 0.1 m/s,側流比為8:1:1之θ =90°與θ =45°比較 ………………………………………………………………… 84
圖 5-45 生質酒精V= 0.2 m/s,側流比為4:3:3之θ =90°與θ =45°比較 ………………………………………………………………… 85
圖 5-46 生質酒精V= 0.2 m/s,側流比為6:2:2之θ =90°與θ =45°比較 ………………………………………………………………… 85
圖 5-47 生質酒精V= 0.2 m/s,側流比為8:2:2之θ =90°與θ =45°比較 ………………………………………………………………… 86
圖 5-48 生質酒精V= 0.3 m/s,側流比為4:3:3之θ =90°與θ =45°比較 ………………………………………………………………… 86
圖 5-49 生質酒精V= 0.3 m/s,側流比為6:2:2之θ =90°與θ =45°比較 ………………………………………………………………… 87
圖 5-50 生質酒精V= 0.3 m/s,側流比為8:2:2之θ =90°與θ =45°比較 ………………………………………………………………… 87
表目錄
第二章
表 2-1 各阻塞模式的特性與過濾式………………………………………15
表2-2 各農作物之木質纖維素含量比例…………………………………21
表2-3酸水解法與酵素水解法的比較…………………………………… 23
第五章
表5-1 V=0.1主流與側流比較;V1為主流;V2與V3為側流…………… 50
表5-2 V=0.2主流與側流比較;V1為主流;V2與V3為側流…………… 56
表5-3 V=0.3主流與側流比較;V1為主流;V2與V3為側流…………… 62
表5-4模擬生質酒精濃度表……………………………………………… 78
參考文獻 參考文獻
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論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2013-07-03公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2013-07-03起公開。


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