膜蒸馏海水淡化特性分析及其与吸收式制冷机复合系统的研究

发布时间：2020-11-08 08:25

　　 全球性的人口增长和能源环境问题使得水资源短缺日益成为制约人类经济社会发展的重大议题之一,废水回收利用和海水淡化等技术是突破这一制约的有效手段。作为众多水处理技术之一,膜蒸馏(membrane distillation,MD)因具有操作条件温和、分离效果优良和对能源品质要求低等特点而被应用于脱盐、水处理、提纯浓缩和食品医药等领域,正受到世界范围内越来越多的关注。但是,该技术也存在着能效较低,使用常规能源驱动经济性较差等不足,为此,有必要针对膜蒸馏特性及其相关系统展开研究,以为其实际应用提供理论支撑与参考。首先,本文以膜蒸馏海水淡化为背景,建立了其传热传质过程的数学模型;以膜通量和热效率为MD特性的评价指标,采用单因素为主、双因素为辅的分析方法,模拟分析了进料温度和流量、渗透侧冷却水进水温度和流量对膜蒸馏特性的影响及作用机理。结果表明:在所模拟的参数范围内,进料参数升高对膜通量和热效率提升具有显著影响。当进料温度由55℃C升高至75℃C时,膜蒸馏通量和热效率分别增长121.03%和20.07%;当进料流量由9.0L/min升高至1l.OL/min时,膜蒸馏通量和热效率分别增长11.03%和3.85%。其次,考虑到余热、地热和太阳能等廉价热源在驱动膜蒸馏方面的优势性,本文将MD与吸收式制冷机复合成系统,以对低品位热有效利用,同时又实现对外提供膜蒸馏产水和供应冷量的目的。在复合系统数学建模的基础上,模拟了驱动热源温度、制冷机蒸发温度和分流比对其性能指标的影响。结果显示:在所模拟的参数范围内,驱动热源温度和分流比对系统输出和总效率指标有着较为显著的影响,而制冷机蒸发温度的影响则基本可以忽略。当驱动热源温度由95℃C升高至115℃C时,系统的产水和对外供冷量分别表现出119.56%和81.97%的增幅,与此同时,复合系统的总效率的增幅则为7.36%。当分流比由0增加到1时,复合系统的膜蒸馏产水也由0增长至最大值,而对外供冷量和系统总效率的增减则与之相反,在分流比的变化范围(0→1)内,系统总效率由65%降低至18.50%,降幅高达71.54%。分流比的作用特点说明:系统的负荷分配应以制冷为主,附带制水;为使复合系统总效率不致过低(≤30%),分流比不宜高于0.625。最后,基于对膜蒸馏特性和复合系统的模拟分析,本文在一定的简化条件下初步选取了使系统性能指标最佳的参数组合,同时又在膜蒸馏端产水量一致的情况下,比较并分析了不同分流比对复合系统最佳参数组合的影响。结果表明:在所研究的任一分流比(0和1除外)下,复合系统四个指标(产水量、供冷量、膜蒸馏热效率和系统总效率)的最大值或最小值均对应MD模块进料参数和吸收式制冷机驱动热源温度的最大值或最小值。也就是说,分流比的改变并没有影响到使系统性能指标最佳的参数组合,这是因为改变分流比仅影响系统的负荷分配比例,而没有实质性的影响到膜蒸馏端或吸收式制冷机端取得最佳热效率或COP时的参数组合。本文的研究可为MD特性分析及膜蒸馏与吸收式制冷机复合系统的设计、运行与参数选优提供一定的理论参考。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P747
【部分图文】：

热敏性物料浓缩等特点而被广泛应用于有机废水ｍ、含重金属或核辐射Ｗ的废水??处理、海水或苦咸水淡化、果汁浓缩以及食品医药等领域［９１。??图１．１是以盐溶液的直接接触式膜蒸馏过程为例绘制的膜蒸馏基本原理示意??图。其实质是，在疏水微孔膜两侧蒸气分压力差的推动下，膜料液侧的挥发性组分??（Ｈ２〇）吸热蒸发并穿过膜孔，而非挥发性组分的阴阳离子（－和＋?）则被膜阻隔??无法通过，最终实现溶液的分离或提纯１１？１１。??〇?…邏？？？??膜孔??？?？？??ｏ?＂?？?ｖ?？??ｏ?？？?”??料液侧?疏水膜?渗透侧??图ｕ膜蒸馏基本原理示意图??－１?－??

热敏性物料浓缩等特点而被广泛应用于有机废水ｍ、含重金属或核辐射Ｗ的废水??处理、海水或苦咸水淡化、果汁浓缩以及食品医药等领域［９１。??图１．１是以盐溶液的直接接触式膜蒸馏过程为例绘制的膜蒸馏基本原理示意??图。其实质是，在疏水微孔膜两侧蒸气分压力差的推动下，膜料液侧的挥发性组分??（Ｈ２〇）吸热蒸发并穿过膜孔，而非挥发性组分的阴阳离子（－和＋?）则被膜阻隔??无法通过，最终实现溶液的分离或提纯１１？１１。??〇?…邏？？？??膜孔??？?？？??ｏ?＂?？?ｖ?？??ｏ?？？?”??料液侧?疏水膜?渗透侧??图ｕ膜蒸馏基本原理示意图??－１?－??

图１．９中空纤维式膜组件截面示意图?图１．１０管式膜组件截面示意图??（２）管式??与中空纤维式膜组件类似，管式膜组件的腔内则布置着一定数量的膜管；不同??之处在于，其内部的膜并不具备自支撑功能。管式膜组件整体结构上由带支撑体??的膜管、隔板以及膜壳构成，其横截面上的外观如图１．１０所示。其中，支撑体是??指疏水膜内侧或外侧的高强度支撑材料（如多孔金属、陶瓷等），其作用是保证膜??材料在较高的压力下工作时仍然具备良好的透水性和强度［３２１。??由于膜管的直径大多在厘米级，相较于中空纤维式组件的膜丝直径大得多，因??而管式膜组件具有压损小，可以实现湍流流动，污染几率小、不易堵塞和易清洗等??优点，有着较好的商业应用优势［３３１；其缺点是，装填密度低，比表面积较小（约??３００ｍ２／ｍ３?）。??（３）卷式??卷式膜组件也被为螺旋卷缠绕式膜组件，如图１．１１所示［３４１，其加工原理是：??
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本文编号：2874527