（制冷及低温工程专业论文）人工肾透析器透析性能的研究.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 摘要 人工肾已被广泛用于血液透析，化工分离。血液透析为肾病患者的积极治疗 取得了不可替代的作用。本文对人工肾透析系统进行了理论模拟和实验研究，主 要包括以下三部分内容。首先建立了用于描述人工肾非稳态传质的循环k r o 幽 模型，在该模型中，将中空纤维管离散为有限个微k x o g h 单元，对每个微单元应 用k e d e m k a t c h a l s k y 方程进行循环传质计算，并将理论模拟结果与相应的实验 结果比较；在非稳态k r o g h 模型的基础上，进一步考察了人工肾透析过程中三种 血液循环模式下人工肾的传质情况通过理论模拟得到了三种血液循环模式下可 渗透溶质的浓度变化、清除时间及清除率，获得了一种最优的血液循环模式。 其次，人工肾透析器的管外传质系数是人工肾研究的重要内容之本文利 用m a t h e m a t i c a 软件，通过数值模拟，假定中宅纤维管空间正三角形和正方 形排布，纤维管半径服从g a u s s 分布，理论推导了人工肾透析器管外传质系数表 达式；并考察了管外流体在定流速、定压力降及定流量时纤维管半径的分散性埘 管外传质系数的影响。 最后，对人工肾透析系统开展了部分实验工作。在丁卫平理论模拟重力场影 响下人：【：肾的传质的基础上，自行设计并搭建了人工l 肾透析系统实验装置，对人 【肾透析系统进行了实验验证。实验过程中将人工肾采用四种不同的放置方式 ( 水平放置透析器进出口朝上、水平放置透析器进出口朝下、竖直放置血流向上、 竖蓖放置血流向f ) ，采用了两种不同型号的透析器f 德国的s a x o n1 2 8 0 h 和r 1 本的n i p r of b l 3 0 a ) ，测量了尿素和肌酐的浓度变化及清除率变化，利用s p s s 软件，对实验数据进行统计分柝，讨论了重力场对人工肾透析性能的影响。 关键词：人工肾，k r o g h 模型，血液循环模式，传质系数，重力场 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 )刘涛 a b s t r a c t a r t i f i c i a lk i d n e yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt o h e m o d i a l y s i sa n dc h e m i c a ld i a l y s i s p r o c e s s a n di th a sm a d eg r e a te f f e c to nt h ep a t i e n t ss u f f e r i n gf r o m a c u t er e n t a lf a i l u r e t h i st h e s i s p r e s e n t s t h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t so ft h e a r t i f i c i a l k i d n e y i tm a i n l y i n c l u d e st h r e e p a r t s f i r s t l y c y c l ek r o g hm o d e l f 0 r u n s t e a d y s t a t em a s st r a n s f e ro f a r t i f i c i a lk i d n e yi se s t a b l i s h e d ，i nt h i sm o d e l ，h o l l o w f i b e ri sc u tt of i n i t et i n yk r o g hp h y s i c sc e l l sa n dm a s st r a n s f e ri ne a c ht i n yc e l li s c a l c u l a t e dw i t hk e d e m k a t c h a l s k ye q u a t i o n sc i r c u l a r l y ，a n dt h er e s u l t sa r ec o n s i s t e n t w i t ht h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ld a t a b a s e du p o nt h ec y c l ek r o g hm o d e l ，m a s s t r a n s f e ro ft h r e eb l o o d c y c l em o d e s i ss t u d i e d ，a n da n o p t i m a lm o d e i sa c q u i r e d s e c o n d l y , t h ea v e r a g es h e l l s i d em a s s t r a n s f e rc o e f f i c i e n to fa l la r t i f i c i a lk i d n e yi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n t so fa r t i f i c i a lk i d n e yr e s e a r c h i n g w i t ht h eh e l po f m a t h e m a t i c as o f t w a r e ，t h e a v e r a g e s h e l l s i d em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t i s d i s c u s s e de m p h a t i c a l l y s u p p o s i n gt h eh o l l o wf i b e rl o c a t i o n sa r eu n d e rt h ec o n d i t i o n o ft r i a n g u l a ro rs q u a r ea r r a y ，a n dt h eh o l l o wf i b e rr a d i ic a nb ee x p r e s s e db yg a u s s i a n f i m c t i o n t h e e x p r e s s i o n o ft h e a v e r a g e s h e l l s i d em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n r a n d o m l yp a c k e d h o l l o wf i b e rm o d u l e si sd e d u c e d t h e o r e t i c a l l y a n d t h e nt h e i n f l u e n c eo ft h e p o l y d i s p e r s e f i b e rd i a m e t e r so nt h es h e l l s i d em a s st r a n s f e r c o e f f i c i e n tw i t ht h ec o n s t a n tv e l o c i t y ，c o n s t a n td i f f e r e n c eo f p r e s s u r e ，o rc o n s t a n tf l t l x i si n v e s t i g a t e d l a s t l y t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h ea r t i f i c i a lk i d n e yi sc a r r i e do u t b a s e do nt h e t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fd o c t o rd i n g ，c o r r e l a t i v ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tt o v a l i d a t et h e c o r r e s p o n d i n g r e s u l t s b y m e a n so f m e a s u r i n g t h ec o n c e n t r a t i o n d i f f e r e n c ea n dc l e a r a n c eo fu r e aa n dc r e a t i n i n ea tf o u rd i f f e r e n tp l a c e m e n t s ( p l a c e m e n t h o r i z o n t a l l y w i t h d i a l y s a t e e n t r a n c e u p ，p l a c e m e n th o r i z o n t a l l y w i t h d i a l y s a t e e n t r a n c e d o w n ，p l a c e m e n tv e r t i c a l l y w i t hb l o o df l o wd i r e c t i o n u p ，p l a c e m e n t v e r t i c a l l yw i t hb l o o df l o wd i r e c t i o nd o w n ) o f a r t i f i c i a lk i d n e yo ft w od i f f e r e n tt y p e s ( s a x o n1 2 8 0 h ，m a d ei ng e r m a n y ；a n dn i p r of b l 3 0 a ，m a d ei nj a p a n ) ，t h e i n f l u e n c eo ft h eg r a y i t yo nm a s st r a n s f e ro fa r t i f i c i a lk i d n e yi ss p e c i a l l yd i s c u s s e d a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ai sa n a l y z e ds t a t i s t i c a l l yu s i n gt h es p s ss o f t w a r e k e y w o r d s ：a r t i f i c i a lk i d n e y , k r o g hm o d e l ，b l o o dc y c l em o d e ，m a s s t r a n s f e r c o e m c i e n t g r a v i t y i l - 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 符号表 平均多边形面积，m 2 纤维管横截面积，m 2 单根纤维管外表面积，m 2 溶质浓度，m o t m 3 ( 含氧水系统中，p p m ) 血液侧溶质浓度，m o l m 3 透析液侧溶质浓度，m o | m 3 透析器进口氧浓度，p p m 透析器出口氧浓度，p p m 膜孔中溶质平均浓度，m o l m 3 清除率，m l m i n 浓度清除率，0 l 小室水力直径，m 中空纤维管内径，m 透析器直径，m h e n r y 系数 跨膜溶质流，m o l s 跨膜体积流，m 3 s 多边形内管外传质系数，m s 总体传质系数，m s 氧气在氮气中的传质系数，m s 氧气在水中的传质系数，m s 氧气在膜孔中的传质系数，m s 含氧水系统中透析器总传质系数，m s 透析器有效长度，m 膜水力渗透系数，i n ( p a s ) 纤维管等分数 纤维管数目 努谢尔特数 流体力学静压，p a - i i i 吼 叶 c o o e r 以 c 以以丸 k k k h “h o 0 吖 舶 ， 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 “。 希腊符号 盯 凹 大气压，p a 小室内流体流量，m l m i n 血液侧流量，m l m i n 透析液侧流量，m l m i n k r o g h 单元折合半径，1 1 1 纤维管外半径变量，m 融o g h 单元半径，m 普适气体常数，j ( t o o l k ) 纤维管平均外半径，m 透析器半径，m 纤维管外半径，l t t 微k r o g h 单元中纤维管外表面积，m 。 纤维管管心距，m 绝对温度，k 流体速度矢量，m s 血液平均流速，m s 透析液平均流速，m s 小室内流体的平均速度，m s 微k r o g h 单元体积，r r i 3 剪切力，n 换热系数，w ( m 2 - k ) 导热系数，w ( m k ) 膜厚度，m 管心距与半径之比 纤维管半径分散度 流体粘度，n - s m 2 流体密度，k g m 3 溶质反射系数 小室面积，m 2 ：血球比积 纤维管填充密度 i v 一 。j 包 9 月 心 r - s s r “ 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 兀 上标和下标 日 d 溶质渗透性，t o o | - s ) 渗透压，p a 血液 透析液 管内 管外 可渗透溶质 不可渗透溶质 - v 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 1 1 什么是人工肾 1 1 1 人工肾的构成 第一章绪论 ， 透析攮出口透折液进口 小巾 7 睁一一闱? 血敏进口 - t l b ! 塞竺竺竺塞一一；u | p 血液出“ 图1 1 中空纤维人工肾结构图 人工肾也称为透析器，是血液透析的核心部件，基本结构如图1 1 所示，有 专部分组成： ( 1 ) 血液从体内引入透析器和经透析后回到体内的管道系统； ( 2 ) 透析膜及附属支架： ( 3 ) 透析液导入和导出的管道系统。 人一i ：肾的常用类型为中空纤维人工肾，中空纤维人工肾为柱状管型，一般酉 径2 - 5 c m ，长度1 5 2 5 c m ，内装中空纤维管约6 0 0 0 1 2 0 0 0 根，纤维管内直径约 2 0 0 p - m ，壁厚1 5 5 0 p m 。其中的中空纤维管由具有纳米到微米量级空隙的中窄纤 维膜构成。中空纤维是一种新型纤维，主要有聚砜类、纤维素类、聚烯烃类等。 膜材料根据需要可以截留纳米级到微米级以上的颗粒，能够除去水中、空气中以 及其他低粘度流体中的细菌和毒素。 人工l 肾的运行模式为：血液在纤维管内流动，在压力驱动下从血液进口进入 人工肾，分散到每根中空纤维管中，从血液出口流出：透析液在纤维管外由相反 的方向流动，在压力驱动下从透析液进口流进人工肾，透析液和血液经过中空纤 维膜上的多孔壁进行质量交换，带走血液中的毒素，并从透析液出口流出。 1 1 2 人工肾透析机 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 i 图1 2 人工肾透析机结构 。 霍 i 主 人工肾透析机结构如图1 2 所示，主要有透析器、透析液供给装置、监视装 置= 个部分组成。透析液供给装置由透析液循环装置和透析液供给系统两个部分 组成，所提供的透析液必须能使半透膜发生透析作用，酸碱度应渊节在p h 6 8 之间，透析液的渗透压必须略高于血渗透压，这样才能使体内过多的水分向膜外 移动。透析液中的主要成分钾、钠、钙、镁、氯、碱性基团和葡萄糖都能通过透 析膜。监视皱置是为了保证透析过程中透析器内血液和透析液的i 卜常循环，增加 透析的安全性。人1 ：l 肾透析机中最重要的部件是透析器，透析液供给装置和监视 装置均为辅助设备，因此研究人工肾透析器有助于人工肾透析机的发展。 1 1 3 人工肾发展的主要历程【1 】 第一次世界大战前不久，在美国进行了第一次血液透析的动物实验，第二次 世界大战前即已在人身上作了血液透析，但是直到接近1 9 5 0 年时才在临床上肯 定了人工肾脏的效果。 1 9 1 3 年，a b e l l ，r o w n t r e e 及t u r n e r 等作了透析的动物实验。他们认为可 以用透析的方法从肾衰竭病人的血液中除去某些可扩散的物质，从而解除病人的 中毒现象。他们发现电解质及化学毒素可以通过膜向外扩散而大分子物质如血 细胞、蛋白质等，则不能通过膜，当时由于透析器制造技术和防凝剂的不理想， 。2 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 使得这工作受到了限制。 1 9 2 0 年到1 9 3 0 年间，醋酸纤维膜的发明及肝素的提纯为血液透析的现代化 奠定了基础。】9 3 8 年美国学者t h a l h e i m e r 为切除双肾造成氮质血症的狗，应用 了醋酸纤维膜制成的人工肾。 第二次世界大战中，k o l f f 用醋酸纤维管绕于圆锥形鼓上，两端各接上管道 的两端，使锥形鼓在透析液水浴中滚动，从而研制了滚动式人工。肾。1 9 4 3 年k o l f f 第次将这种人工肾脏应用于临床，作了第一次血液透析。目前已有各式各样的 透析器取代了早期的滚动式人工肾，但是其原理是相同的。 1 9 6 0 年，q u i n t o n 和s c r i b n e r 用两根聚氯乙烯管分别插入桡动脉和头静脉作 动静脉分流，初步解决了需长期、反复动静脉插管、置管的难题，给慢性肾衰竭 患者带来了生存的希望。后来，外科医生b r e s c i a 将外瘘变成内瘘，去除分流管， 直接把桡动脉和邻近的一条静脉进行吻合，建成皮下动静脉瘘管。动静脉内瘘的 建立是透析史上的一个里程碑，它使病人氏期进行血液透析治疗成为可能，从而 人工肾在临床上得到了广泛应用。 自从k o l f f 的滚动式人丁肾出现咀后，人工肾透析器的设计朝着蟠管型及平 扳型两个方向发展，近年来又发展了中空纤维人工肾( 图1 3 ) 。人工肾大致可分 为：( 1 ) 标准平板型人工肾：( 2 ) 卷管型人工肾；( 3 ) 中空纤维型人工肾。 目前中空纤维型人工肾已经取代了平板型人工肾和卷管型人工肾。近年来科 学家又在研究吸附型人工肾、超滤型人工肾，使人工肾向多功能小型化方向发展。 中空纤维人工肾己得到广泛应用，其体积小，现携带方便。中空纤维膜具有如下 特点： ( 1 ) 单位体积的膜面积很大； ( 2 ) 耐压性较高，不需要任何支撑体，使装置体积明显减少； ( 3 ) 密封结构简单，使装置大为简化，并降低成本； ( 4 ) 被处理的溶液可在中空纤维内快速流动，因剪切速率较大，可减少浓差极化 现象，防止膜的堵塞： ( 5 ) 实现工业化生产有良好的重复性： ( 6 ) 主要缺点是：中空纤维的制作工艺和技术较复杂；溶液通过膜前必须进行高度 预处理，否则中空纤维膜容易被堵塞；膜被部分堵塞后，清洗较困难。 3 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 )刘涛 图1 3 中窄纤维人工肾 1 2 为什么要研究人工肾 目前，肾脏疾病是危害人类生命的第五大疾病。肾衰竭病人由于肾脏过滤功 能f 降，体内毒素得不到有效排除，从而生命受到严重危及。掘估计，约有9 0 的肾脏病人凼为医疗昂贵不得不放弃治疗而失去生命。为了挽救这些病人的生 命，r 叮以采用透析和肾脏移植的手段，肾脏移植虽然是解决肾病患者最有效的方 法，然而肾脏移植由于肾源的限制硬费用昂贵导致它并非是最可行的办法。相 埘f 。肾脏移植，透析显示出其独特的优越性。 利用透析治疗肾脏疾病时，可以根据患者的情况，选择札液透析 ( h c m o d i a l y s i s ，h d ) 和腹膜透析( p e r i t o n e a ld i a l y s i s ，p d ) 。血液透析是用人工肾代替 去除毒素和过量的水；腹膜透斩是用腹部的膜代替肾进行透折。与腹膜透析相 比，血液透析能更快地清除血液中的毒素和多余的水分。腹膜透析相比较于血液 透析，透析刚间长透析效率低近年来逐渐被血液透析所替代。利用人工肾进 行血液透析能代替肾脏的清除、排泄功能，还适用于各种原因所导致的商血钾、 代谢肚酸中毒、液体过量等，虽刁i 能代替肾脏的其他功能，然而血液透析的作用 是药物治疗所不能达到的。 血液透析在人工肾透析机上进行，其核心部件是人工肾透析器。人i ：肾透析 机是将l 肾病患者体内毒素有效排出体外的一种临床医疗设备，也是缓解病人生命 的一种有效手段。该技术将患者血液引出体外，并补充必要的体液，以维持体内 环境的平衡。在美国，血液透析是治疗急性肾功能衰竭患者最常用的方法，血液 透析能治疗各种原因引起的急慢性肾功能不全，对于急性肾功能衰竭和急性药物 中毒血液透析基本上“r 以代替肾脏功能，使病人度过危险期，待肾脏功能恢复 4 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 及毒物被清除后，病人可以恢复健康，血液透析便可终止。而对于慢性肾功能衰 竭，血液透析只是部分代替肾脏功能。由于慢性肾功能衰竭是不能恢复的，所以 这种透析必须长期做，甚至做到终生，病人一般至少需要每周进行一次透析，有 的需要两至三次体外透析，其费用相当昂贵，此项费用在美国每年高达数十亿美 元，国内一个病人一般也需要每年l o 万元医疗费。 因此，对人工肾进行研究是必要而且迫切的工作，然而目前的人工肾在使用 过程中还存在许多问题有待改进： f 1 ) 透析过程中透析时阳j 一般还做不到因人而异，常出现体质弱者过透，而体质 强者透析不够的情况。因此，迫切需要开展人工肾性能优化研究，以提高透析 效率，降低透析成本，使多数病人能够得到恰当的透析治疗； ( 2 ) 人工肾结构有待改进，首先是人工肾的进出1 = 1 结构有待于进一步研究和改善； 其次是纤维管排布结构有待改善，由于人工肾中含有上万根中空纤维管，必然 导致分却不均，因此有必要考察中空纤维分布不均情况下的传质。 ( 3 ) 膜材料有待改进，透析膜是人工肾透析器的重要组成部分，虽然聚砜类、纤 维素类、聚烯烃类膜等有明显的优势，但其生物相容性还有待改进。 ( 4 ) 目前的加工工艺有待改进，首先是要降低成本，为肾脏病患者提供治疗条件； 其次是改进中空纤维膜的加工精度，使得中空纤维管半径尽可能的一致，凼为 中空纤维管半径不一致是不利于传质的。 运用人工肾进行血液透析是在血液和透析液之间，通过渗透，弥散、超滤作 用，将血液中的废物或毒物清除到透析液中而被弃掉，从而达到治疗的目的。人 工肾的透析原理实质是一个复杂的流动传热传质交换过程，而传热传质正是工程 热物理领域中一个重要的研究部分。因此可以利用工程热物理领域的相关知识进 行研究透析器的透析效率，透析时间等各项指标，从而为临床，化工分离提供极 其重要的理论根据。 1 3 人工肾研究现状及本文研究内容 6 0 年代以来，血液透析已成为晚期肾功能患者的常规疗法。虽然人工肾仅 仅能代替肾脏的清除、排泄功能，而不能代替肾脏的其他功能。然而血液透析的 疗效是药物治疗、洗胃等方法所不及的。国内外的研究工作者对人工肾开展了广 - 5 - 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 泛的理论研究和实验研究，并取得了很大的进展。 1 3 1 模型的研究 人工肾的理论研究主要集中在建立模拟和预测人工肾透析性能的模型上展 开工作，如一维传质模型【2 7 】，这些一维模型作了很多简化，比如通常假设溶 质浓度仅仅沿着轴向变化，然而这种假设是有局限性的，为了更加精确地模拟人 工肾透析器的传质过程，在一维模型的基础上，出现了二维传质模型【8 】、多孔 介质模型1 9 一t 0 1 、等环面模型【1 1 】等，中国科技大学低温生物实验室的丁p 平博士在多孔介质模型的基础上建立了双多孔介质模型【1 2 】。在这些模型的基 础上，很多研究工作者针对纤维管的分布【1 3 1 5 】、填充密度【1 6 1 7 1 、进出口 结陶【1 8 】、壁面【1 9 1 等对透析器传质性能的影响展开了讨论。丁卫平等利用 f l u e n t 软件，从三维的角度模拟了人工肾内部的流场，得到了尿素的浓度场及清 除率【1 8 ，2 0 l 。但是这些模型均建立在稳态的基础上。而模拟循环透析系统中 非稳态模型则很少，所谓非稳态模型就是要考察血液与透析液中溶质浓度随时问 的变化，为了更有效地预测透析过程以设讨更加合理的透析系统，需要进一步考 察人工肾非稳态情况下的溶质浓度分布。因此本文以简单的一维k r o g h 模型，从 单根中空纤维管着手，模拟了循环系统在逆流情况下可渗透溶质浓度随时间的变 化情 兄。并在该模型的基础上，考察了不同血液循环模式下人工肾的传质。 1 3 2 传质系数的研究 对管外传质的研究，很多研究者都假设纤维管半径是一致的【1 6 ，2 1 2 3 】。 事实卜由于制造i ：艺的因素纤维管的半径是不可能致的。然而考察纤维管 半径分散性对透析器管外传质的影响在文献中涉及很少，仅仅当研究透析器管内 传质时，才会考虑半径的影响【1 4 ，2 4 。针对实际中的中空纤维管半径不一致 的情况，本文假设纤维管空间分布规则，符合f 三角形分布或正方形分布，重点 考察了纤维管半径分布的分散性对管外传质系数的影响。 1 3 3 实验研究 人工肾的实验研究方面，比较典型的工作是人工肾内部浓度场和速度的测 量。w i i p p e r 等测量了可渗透性和不可渗透性溶质浓度沿透析器轴向的分布 【2 5 2 6 ，f r a t a k 等利用c t 技术( x 射线计算机成像技术) 测量了人工肾内部的浓度 6 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 场【2 7 】，h a r d y dl a u k e m p e r - o s t e n d o r t 等分别利用n m r ( 核磁共振) 研究人工肾 内部稳态速度场分布1 2 8 2 9 1 。但是这些研究都没有考虑重力场的影响，本文在 丁卫平理论模拟的基础上1 2 0 1 ，实验考察了不同放置方式下两种不同型号的人 工肾透析器( 德国的s a x o n1 2 8 0 h 1 f i 本的n i p r of b l 3 0 a ) 对尿素和肌酐的清 除率，分析了重力场对人工肾透析性能的影响。 参考文献 1 谢桐，透析疗法，上海科学技术出版社，1 9 8 0 2 s r o s s ，d u v e l l i ，a b a b b ，ao n e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t r a n s m e m b r a n ed i f f u s i o n a la n dc o n v e c t i v em a s st r a n s f e ri nah e m o d i a l y z e r 、 a s m e p a p e r n o 7 3 - w a b i o 一1 4f 1 9 7 3 ) 3 】m yj a f f r i n ，b b g u p t a ，j m m a l b r a n c q ，ao n e d i m e n s i o n a lm o d e lo f s i m u l t a n e o u sh e m o d i a l y s i sa n du l t r a f i l t r a t i o nw i t hh i g h l yp e r m e a b l em e m b r a n e s ， j b i o m e c h e n g 1 0 3 ( 1 9 8 1 ) 2 6 1 2 6 6 4 k s a k a i ，m m i n e s h i m a p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fam o d u l ei na r t i f i c i a lk i d n e y s y s t e m ，j c h e m e n g j p n 1 7 ( 1 9 8 4 ) 1 9 8 - 2 0 3 5 】r p m a ，c h g o o d i n g ，wka l e x a n d e r ，ad y n a m i cm o d e lf o rl o w p r e s s u r e h o l l o wf b e ru l t r a f i l t r a t i o n ，a i c h ej 3 l ( 1 9 8 5 ) 1 7 2 8 1 7 3 2 6 y l c h a n g ，c j l e e ，s o l u t e t r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c si nh e m o d i a f i l t r a t i o n ，j m e m b r s c i 3 9f 1 9 8 8 ) 9 9 1 11 ， 【7 c l e g a l l a i s ，g c a t a p a n o ，b h a r t e n ，u b a u r m e i s t e r ，at h e o r e t i c a lm o d e lt o p r e d i c tt h e i nv i t r op e r f o r m a n c eo fh e m o d i a l f i l t e r s ，j m e m b r s c i 1 6 8 ( 2 0 0 0 ) 3 1 5 8 】i n o d a ，c c g r y t e ，m a s s t r a n s f e ri n r e g u l a ra r r a y s o fh o l l o wf i b e r si n c o u n t e r c u r r e n td i a l y s i s ，a i c h ej 2 5 ( 1 9 7 9 ) 1 1 3 - 1 2 2 9 】j l e m a n s k i ，g g l i p s c o m b ，e f f e c t o fs h e l l s i d ef l o w so nh o l l o w f i b e r m e m b r a n ed e v i c ep e r f o r m a n c e ，a 1 c h e j 4 1 ( 1 9 9 5 ) 2 3 2 2 2 3 2 6 【i o m l a b e c k i ，j m p i r e t ，b d b o w e n ，t w o d i m e n s i o n a la n a l y s i so ff l u i df l o wi n h o l l o w f i b r em o d u l e s ，c h e m e n g s c i 5 0 ( 1 9 9 5 ) 3 3 6 9 3 3 8 4 【11 】c g o s t o l i ，a g a t t a ，m a s st r a n s f e ri nah o l l o wf i b e rd i a l y z e r ，j m e m b r s c i 6 ( 1 9 8 0 ) 1 3 3 - 1 4 8 【1 2 w pd i n g ，l qh e ，qz h a o an o v e lt h e o r e t i c a lm o d e lf o rm a s st r a n s f e ro f h o l l o wf i b e r h e m o d i a l y z e r s j 】c h i n e s e s c i e n c e b u l l e t i n , 2 0 0 3 ，4 8 ( 2 1 ) ： 7 中国科学技术l 4 i c e l ( 2 0 0 5 ) 刘涛 2 3 8 6 2 3 9 0 【1 3 m j c o s t e l l o ，a g f a n e ，p ah o g a n ，r w s c h o f i e l d ，t h ee f f e c to f s h e l ls i d e h y d r o d y n a m i c so n t h ep e r f o r m a n c eo fa x i a lf l o wh o l l o wf i b r em o d u l e s ，j m e m b r s c i 8 0 ( 1 9 9 3 、l - 1 1 1 4 r o c r o w d e r ，e l c u s s l e r ，m a s s t r a n s f e ri nh o l l o w - f i b e rm o d u l e sw i t h n o n u n i f o r mh o l l o wf i b e r s ，j m e m b r s c i 13 4 ( 19 9 7 ) 2 3 5 2 4 4 15 j mz h e n g ，y y x u ，z kx u ，f l o wd i s t r i b u t i o ni n ar a n d o m l yp a c k e dh o l l o w f i b e rm e m b r a n em o d u l e ，j m e m b r s c i 2 11 ( 2 0 0 3 ) 2 6 3 2 6 9 16 lb a o ，b l i u ，g g l i p s c o m b ，e n t r ym a s st r a n s f e r i na x i a lf l o w s t h r o u g h r a n d o m l yp a c k e df i b e rb u n d l e s ，a i c h ej 4 5 ( 19 9 9 ) 2 3 4 6 2 3 5 6 17 jw u ，vc h e n ，s h e l l s i d em a s s t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo f r a n d o m l yp a c k e dh o l l o w f i b e rm o d u l e s ，j m e m b r s c i 17 2 ( 2 0 0 0 ) 5 9 7 4 18 】w pd i n g ，l q h e ，gz h a o ，x dl u o ，m z h o u ，d y g a o e f f e c t o fd i s t r i b u t i o n t a b so nm a s st r a n s f e ro fa r t i f i c i a lk i d n e y a i c h ej o u r n a l ，4 ( 2 0 0 4 ) 7 8 6 7 9 0 【1 9 j 卫、p ，何立群，骆晓东，赵刚，程曙霞，高大勇壁面对中空纤维透析器 传质系数的影h 内，化学通报，11 ( 2 0 0 4 ) 8 2 5 8 2 9 2 0 1j 卫平何立群，赵刚，罗大为，高夫勇重力场划人工肾透析传质影响的 探讨力学学报，3 ( 2 0 0 4 ) 3 7 9 3 8 4 【2l 】m - jc o s t e l l o ，a g f a n e ，p a ；h o g a n ，r w s c h o f i e l d ，t h ee f f e c to fs h e l ls i d e h y d r o d y n a m i c so nt h ep e r t b r m a n c e o fa x i a lf l o wh o l l o wf i b r em o d u l e s ，j m e m b r s c i8 0n 9 9 3 ) l 一1l 2 2 l b a o ，g g l i p s c o m b ，w e l l d e v e l o p e dm a s st r a n s f e r i na x i a lf l o w st h r o u g h r a n d o m l yp a c k e df i b e rb u n d l e sw i t hc o n s t a n tw a l lf l u x ，c h e m e n g s c i5 7 ( 2 0 0 2 ) 1 2 5 1 3 2 f 2 3 】lb a o ，g g l i p s c o m b ，m a s st r a n s f e ri na x i a lf l o w st h r o a g hr a n d o m l yp a c k e d f i b e rb u n d l e sw i t hc o n s t a n tw a l lc o n c e n t r a t i o n ，j m e m b r s c i 2 0 4 ( 2 0 0 2 ) 2 0 7 2 2 0 2 4 s e l m o r e ，g g , l i p s c o m b ，a n a l y t i c a la p p r o x i m a t i o n s o ft h ee f f e c to faf i b e rs i z e d i s t r i b u t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo fh o l l o wf i b e rm e m b r a n es e p a r a t i o nd e v i c e s ，j m e m b r s c i 9 8 ( 1 9 9 5 ) 4 9 5 6 2 5 a w f i p p e r , dw o e r m a n n ，fd e l l a n n a ，c a b a l d a m u s ，r e t r o f i l r a t i o nr a t e si n h i g h f l u xf i b e rh e m o d i a l y z e r s ：a n a l y s i so f c l i n i c a ld a t a ，j m e m b r s c i 1 2 1 ( 1 9 9 6 ) 1 0 9 一1 1 6 8 - 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刈涛 【2 6 】a w t i p p e r , fd e l l a n n a ，c a b a l d a m u s ，dw o e r m a n n ，l o c a lt r a n s p o r tp r o c e s s e s i nh i g h f l u xh o l l o wf i b e rd i a l y z e r s ，j m e m b r s c i 1 31 ( 1 9 9 7 ) 1 8 1 - 1 9 3 f 2 7 1a f r a n k ，g g l i p s c o m b ，m d e n n i s ，v i s u a l i z a t i o no fc o n c e n t r a t i o nf i e l d s i n h e m o d i a l y z e r sb yc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，j m e m b r s c i 1 7 5 ( 2 0 0 0 ) 2 3 9 - 2 5 1 2 8 s l a u k e m p e r - o s t e n d o r f , h d l e m k e ，eb l t h n l e r , b b l t i m i c h ，n m ri m a g i n g o f f l o w i n h o l l o w f i b e r h e m o d i a l y z e r s ，j m e m b r , s c i 1 3 8 ( 1 9 9 8 ) 2 8 7 - 2 9 5 2 9 】p a h a r d y ，c h u mk p o h ，z j l i a o ，w i l l i a mr c l a r k ，d a y o n gg a o ，t h eu s eo f m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g t om e a s u r et h el o c a lu l t r a f i l t r a t i o nr a t ei n h e m o d i a l y z e r s ，j m e m b r s c i 2 0 4 ( 2 0 0 2 ) 1 9 5 2 0 5 9 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 刘涛 第二章人工肾传质基本理论 2 1 膜传质原理 中空纤维膜具有半透膜的性质，管壁由具有纳米到微米量级空隙的多孔膜构 成，膜上的孔径能让水、劂- f f 4 、分子通过，而阻挡住一些比较大的分子， 如虽白质等。膜分离过程如图2 1 所示