基于PTFE平板膜的膜蒸馏脱盐过程性能模拟和响应面优化研究
本文关键词: 直接接触式膜蒸馏(DCMD) 真空膜蒸馏(VMD) 响应面法(RSM) 数值模拟 PTFE平板膜 出处:《江苏大学》2017年硕士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:膜蒸馏是将热法和膜法结合起来的分离技术,最早用以海水淡化,同其他海水淡化技术相比(比如RO)膜蒸馏具有可在低压下操作,可利用其他过程废热的特点,使得膜蒸馏成为一种节约能源、经济并对环境友好的膜分离技术。但是由于膜蒸馏热效率低、膜通量小、膜蒸馏用膜研究进展缓慢、膜蒸馏传热传质机理不完善等导致膜蒸馏一直未实现产业化应用,因此有必要针对膜蒸馏展开优化设计,包括过程优化及膜蒸馏机理优化,进而提高膜蒸馏效率和膜通量,加快其产业化进程。膜蒸馏用膜的材料主要有三种:聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP),其中PTFE由于其优越的物理和化学性能是市面上应用最广的膜材料。PTFE膜可被制成平板膜和中空纤维膜,为了方便拆卸和清洗在实验阶段多选择平板膜进行研究。目前膜蒸馏的四种形式中直接接触式膜蒸馏(DCMD)和真空膜蒸馏(VMD)是研究最多、应用最广泛的技术。因此本文针对基于PTFE平板膜的DCMD和VMD过程处理Nacl溶液展开实验和模拟研究。本文首先基于实验设计DoE中的响应面法(RSM)对利用PTFE平板膜处理Nacl溶液的DCMD和VMD过程展开模拟优化设计。为了确保RSM有效,针对DCMD和VMD处理去离子水的过程开展了单因素实验,确定对DCMD和VMD过程影响显著的因子及其最佳取值范围。其次,利用软件Design-Expert8.6对DCMD及VMD设计实验,每个因素设计五个水平,结合实验数据拟合出膜通量关于各因子的二阶多项式模型。通过方差分析验证模型的准确性。然后通过响应面分析确定各因子之间影响的水平,再对DCMD和VMD过程进行优化设计。结果表明使用拟合出的模型对DCMD和VMD进行优化是合理可行的,特别是VMD过程。同时也进一步说明,利用响应面法优化工艺参数可以使得膜蒸馏过程获得最大的膜通量,为后续大规模技术集成提供理论依据。最后,通过分析已建立的膜蒸馏传热传质机理,结合实验数据对VMD模型进行修正,利用EXCEL对DCMD和VMD进行迭代模拟计算。DCMD模拟计算过程中蒸发焓不随温度变化,传质模型选择努森扩散模型;VMD过程中分别考虑了蒸发焓随温度变化和不随温度变化时膜蒸馏的性能,传质模型选择努森-分子结合模型。模拟计算考察了热侧料液温度、热侧料液流量、冷侧液体流量、冷侧液体温度、Nacl溶液浓度和真空度对膜蒸馏性能的影响。把单因素实验和RSM设计的实验测得的实验结果与模拟数据对比验证模型的准确性。研究发现对于DCMD和VMD过程,模拟所得的膜通量大部分都要大于实验测得的膜通量,在流体流速很低和Nacl溶液浓度很高的条件下部分实验点的实验值会超过模拟值,但是两者总体变化趋势一致,本文建立的膜蒸馏传热传质模型可以较准确的预测膜蒸馏过程。
[Abstract]:Membrane distillation is a separation technology which combines thermal and membrane processes. It is first used for desalination of seawater. Compared with other desalination technologies (such as ROM) membrane distillation can be operated at low pressure. Because of the waste heat of other processes, membrane distillation has become a kind of energy saving, economical and environmentally friendly membrane separation technology, but because of the low heat efficiency of membrane distillation, the membrane flux is small. The research progress of membrane for membrane distillation is slow, and the heat and mass transfer mechanism of membrane distillation is not perfect. Therefore, it is necessary to optimize the design of membrane distillation. It includes process optimization and membrane distillation mechanism optimization, which can improve the efficiency and flux of membrane distillation and accelerate the industrialization process. There are three kinds of membrane materials for membrane distillation: PTFEs. Polyvinylidene fluoride (PVDF) and polypropylene (PP). PTFE membrane can be made into flat membrane and hollow fiber membrane because of its excellent physical and chemical properties. In order to facilitate the disassembly and cleaning of the plate membrane in the experimental stage, the direct contact membrane distillation (DCMD) and the vacuum membrane distillation (VMD) are the most studied in the four forms of membrane distillation. The most widely used technology. Therefore, this paper focuses on the treatment of Nacl solution by DCMD and VMD process based on PTFE flat membrane. Firstly, the response of DoE is designed based on the experiment. Surface method (. In order to ensure the effectiveness of RSM, the DCMD and VMD processes of Nacl solution treated with PTFE plate membrane were simulated and optimized by RSM. Single factor experiments were carried out on the treatment of deionized water with DCMD and VMD to determine the factors and the optimum value range of the process of DCMD and VMD. The software Design-Expert8.6 is used to design DCMD and VMD. Each factor is designed at five levels. The second order polynomial model of membrane flux on each factor was fitted with the experimental data. The accuracy of the model was verified by ANOVA. Then the level of influence between the factors was determined by response surface analysis. The results show that it is reasonable and feasible to optimize DCMD and VMD by using the fitting model, especially the VMD process. Using response surface method to optimize the process parameters can make the membrane distillation process obtain the maximum membrane flux, and provide the theoretical basis for the follow-up large-scale technology integration. Finally, the established heat and mass transfer mechanism of membrane distillation is analyzed. Based on the experimental data, the VMD model is modified, and the enthalpy of evaporation does not change with the temperature during the simulation of DCMD and VMD by EXCEL. Kucson diffusion model is selected for mass transfer model. In the VMD process, the performance of membrane distillation with and without the change of enthalpy of evaporation was considered, and the mass transfer model was selected as the Knuden-molecular binding model. The temperature of the hot side feed was investigated by simulation and calculation. Hot side liquid flow, cold side liquid flow, cold side liquid temperature. The effects of concentration and vacuum of Nacl solution on the performance of membrane distillation. The accuracy of the model was verified by comparing the experimental results obtained from the single factor experiment and the experiment designed by RSM with the simulated data. And the VMD process. Most of the simulated membrane fluxes are larger than the measured membrane fluxes. Under the condition of low fluid flow rate and high concentration of Nacl solution, the experimental values of some experimental points will exceed the simulated values. The heat and mass transfer model established in this paper can accurately predict the membrane distillation process.
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P747
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 吕建国;;国内膜蒸馏技术应用现状[J];甘肃科技;2012年19期
2 吴庸烈,卫永弟,刘静芝,徐纪平;膜蒸馏技术处理人参露和洗参水的实验研究[J];科学通报;1988年10期
3 靳军宝;秦英杰;王奔;王彬;崔东胜;刘立强;;高温多效膜蒸馏用于处理高盐溶液的实验研究[J];化学工业与工程;2014年02期
4 刘光良,朱之墀,黄东涛;空气隙膜蒸馏系统中超声应用研究[J];声学学报;2000年02期
5 黄海;陈旭东;王宇;丁忠伟;杨祖荣;;将膜蒸馏技术引入化工基础实验教学[J];实验室研究与探索;2007年05期
6 周先桃;贾磊;孔莹煌;吴锦毅;蔡俊;;干湿壁温差推动膜蒸馏海水淡化过程的实验研究[J];膜科学与技术;2012年05期
7 高虹;殷文其;杨晓宏;田瑞;;太阳能膜蒸馏淡化系统试验及热性能分析[J];可再生能源;2013年03期
8 王赞社;顾兆林;冯诗愚;李云;;膜蒸馏技术在能量转换过程中的应用:基础与展望[J];科学通报;2009年14期
9 林晓,孔瑛,陈捷,吴庸烈,徐纪平;等离子体聚合改性亲水微孔膜用于膜蒸馏——硝酸纤维素膜的表面疏水化[J];科学通报;1992年08期
10 田瑞;;太阳能膜蒸馏淡化水系统研究进展[J];膜科学与技术;2011年03期
相关会议论文 前10条
1 吕晓龙;;膜蒸馏过程探讨[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年
2 余献国;;膜蒸馏应用领域与材料及设备集成化研究[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年
3 吴莉莉;李昕;赵之平;;超声波强化膜蒸馏研究进展[A];中国化工学会2009年年会暨第三届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛会议论文集(上)[C];2009年
4 杨座国;刘典;;真空膜蒸馏过程的模拟研究[A];上海市化学化工学会2011年度学术年会论文集[C];2011年
5 吴庸烈;;膜蒸馏技术及其应用进展[A];中国膜科学与技术报告会论文集[C];2003年
6 纪仲光;王军;侯得印;尹子飞;;微波辅助真空膜蒸馏试验研究[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年
7 韩怀远;高启君;吕晓龙;武春瑞;贾悦;王暄;陈华艳;;封闭式热泵循环的真空膜蒸馏过程研究[A];第四届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2010年
8 吕晓龙;武春瑞;高启君;陈华艳;贾悦;王暄;;膜蒸馏技术进展[A];第五届全国医药行业膜分离技术应用研讨会论文集[C];2012年
9 潘林梅;郭立玮;;膜蒸馏技术在中药提取液浓缩工序中的应用问题探讨[A];第五届全国医药行业膜分离技术应用研讨会论文集[C];2012年
10 吕晓龙;;膜蒸馏技术应用研究[A];第四届全国膜分离技术在冶金工业中应用研讨会论文集[C];2014年
相关博士学位论文 前10条
1 关云山;膜蒸馏—结晶耦合从盐湖卤水制备KCl的研究[D];山西大学;2015年
2 刘建军;以秸秆为原料生产生物丁醇过程中关键问题的研究[D];天津大学;2015年
3 王子铱;应用于膜蒸馏过程的PVDF中空纤维膜的制备及超疏水改性[D];天津大学;2015年
4 王俊伟;氮化硅基陶瓷膜的制备及膜蒸馏应用研究[D];中国科学技术大学;2016年
5 刘乾亮;膜蒸馏工艺处理高浓度氨氮废水的研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
6 田瑞;高通量空气隙膜蒸馏系统的机理及应用研究[D];内蒙古工业大学;2008年
7 杜军;减压膜蒸馏及其分离含铬溶液的研究[D];重庆大学;2002年
8 王宏涛;错流式减压膜蒸馏过程分析及组件放大特性研究[D];天津大学;2012年
9 王丽;减压膜蒸馏节能过程应用基础研究[D];天津大学;2013年
10 唐建军;减压膜蒸馏应用于稀土冶金资源综合回收的研究[D];中南大学;2002年
相关硕士学位论文 前10条
1 田苗苗;高通量、耐污染、超疏水的膜蒸馏用膜的制备及应用研究[D];郑州大学;2015年
2 魏文龙;热电制冷膜蒸馏系统数值模拟及实验研究[D];内蒙古工业大学;2015年
3 姜钦亮;PVDF静电纺丝纳米纤维疏水膜的制备及其膜蒸馏特性研究[D];南昌大学;2015年
4 金畅;膜蒸馏技术处理放射性废水研究[D];南华大学;2015年
5 刘芮;新型热回收式组合膜蒸馏组件的研究[D];天津大学;2014年
6 王平;多效膜蒸馏用于浓缩多种无机盐水溶液和反渗透浓水[D];天津大学;2014年
7 刘晶;多效膜蒸馏技术用于氢氧化钠稀溶液和地下盐卤的浓缩[D];天津大学;2014年
8 苏华;基于PVDF纳米纤维膜的膜蒸馏技术处理印染废水的研究[D];浙江理工大学;2016年
9 王世选;可旋转式太阳能集热器减压膜蒸馏海水淡化装置的实验研究[D];武汉纺织大学;2016年
10 马骏;天然气脱硫液真空膜蒸馏法再生理论与实验研究[D];常州大学;2016年
,本文编号:1459195
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/haiyang/1459195.html