直接接触式膜蒸馏特性与性能优化研究
发布时间：2021-03-07 12:34
全球性的水资源危机已成为影响社会稳定的重大风险因素之一,为了减少淡水资源对社会稳定、人口增长和社会经济活动等造成的不利影响,作为海水淡化重要处理技术之一的膜蒸馏受到了广泛的关注。膜蒸馏作为最具有广阔应用前景的水处理技术之一,具有操作温度低、高截留率、耐腐蚀等突出优点,但是与现有成熟技术相比存在通量较低、能源效率低等问题,至今尚未实现大规模的实际应用。因此,对膜蒸馏技术开展系统性的研究,为实际工程应用提供理论指导和应用基础支持具有重要的意义。本文以直接接触式中空纤维膜组件为研究对象,建立其数学模型和计算模型,并对模型的正确性进行验证。模拟计算膜蒸馏操作条件和物理结构参数对膜蒸馏性能参数的影响和分析其原因。计算结果表明:逆流模式下膜通量明显高于顺溜模式;在所研究的工况范围内,随着给料侧入口温度7f,in从50℃升高到90℃,膜通量增幅高达446%,GOR增幅达91%,热效率增幅达48.7%,Tf,in升高对膜蒸馏三个性能指标均有较大提升;随着膜面积Am从0.597m2增大到2.388 m2,GOR增幅高达175.6%,表明膜面积的增大可显著提高GOR;当膜表面平均孔隙率ε从0.3增加到0....
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１膜蒸馏原理示意图??图１．１是膜蒸馏过程的基本原理示意图
接触式??膜蒸馈（ＤｉｒｅｃｔＣｏｎｔａｃｔＭｅｍｂｒａｎｅＤｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?（ＤＣＭＤ）），气隙式膜蒸饱（ＡｉｒＧａｐ??Ｍｅｍｂｒａｎｅ?Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?（ＡＧＭＤ）），气扫式膜蒸溜（Ｓｗｅｅｐｉｎｇ?Ｇａｓ?Ｍｅｍｂｒａｎｅ??Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?（ＳＧＭＤ）），真空式膜蒸懷（Ｖａｃｕｕｍ?Ｍｅｍｂｒａｎｅ?Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?（ＶＭＤ））。??■?ｍｍ?／ｉ??■?■隱?Ｌ?■??暴?ｔ?Ｉ?會??（ａ）?ＤＣＭＤ?（ｂ）?ＡＧＭＤ??图１．２膜蒸馏四种基本构型??直接接触式膜蒸馏（ＤＣＭＤ）结构示意图如图１．２?（ａ）所示，给料液直接与??膜热侧表面接触，渗透侧直接与膜冷侧表面接触［１３］。给料在膜热侧表面蒸发，在??压差驱动下，蒸汽通过疏水微孔膜到达膜冷侧表面并在膜组件内部冷凝。由于膜??的疏水特性，给料溶液不能穿过膜，在膜孔内只有气相存在。ＤＣＭＤ是最简单的??膜蒸馏构型，并广泛应用于制酸、海水淡化、水溶液浓缩和食品工业中［１４￣｜７］。??ＤＣＭＤ的结构较为简单，且传质阻力较小，因此，具有较大的高通量潜力。与其??他几膜蒸馏构型相比，ＤＣＭＤ的主要问题是由于与冷却侧直接接触，热传导导??致的热量损失较大。??气隙式膜蒸馏（ＡＧＭＤ）结构示意图如图１．２?（ｂ）所示。给料侧溶液直接与??膜热侧表面接触，膜冷侧表面到冷凝表面之间存在一个空气间隙，冷凝表面的??另外一侧是冷凝水，跨膜传递的渗透物在冷凝表面上冷凝为液体，并在其面上形??成一层液膜［１８］。在重力的作用下，渗透物会流动到空气间隙的底部，渗透物会在??３??
大约两个数量级［１２］，因??此气隙成为了主要的传质阻力，因此ＡＧＭＤ受到膜和膜材料性能的影响较低。??这种结构带来显而易见的好处，气隙的存在增加了传热阻力，间隙的存在提高了??给料侧和渗透侧之间的隔热性，减少了热传导导致的热损失［１９］。但是，同时气隙??增大了传质阻力，使得通量减少。ＡＧＭＤ主要应用在脱盐工业从水溶液中??脱去挥发性化合物［２１］。??＼?Ｍ??５Ｓ、财多細如气体?ＳＳ?Ｉ疏水＿?真空??■■■■ｆ?Ｉ?ｂＩｈＪ??⑶?ＳＧＭＤ?（ｂ）?ＶＭＤ??图１．３膜蒸馏四种基本构型??气扫式膜蒸馏（ＳＧＭＤ）结构示意图如图１．３?（ａ）所示。膜热侧结构同上述??两种构型相同，在膜冷侧，类似ＡＧＭＤ结构，惰性气体通过压缩机产生强制对??流进入到渗透侧，将跨膜传递过来的蒸气带到膜组件外部进行冷凝［２２］。ＳＧＭＤ主??要应用于从水溶液中脱除挥发性化合物［２３］。由于空气层的存在，可以降低传导热??损失，但同时提高了传质阻力，并且少量渗透组分会扩散到大量的吹扫气体中，??外部需要大型的冷凝器。此外，可以通过将ＡＧＭＤ和ＳＧＭＤ结合成一个新构??型，叫做恒温吹扫气膜蒸馏［２４］?（ＴＳＧＭＤ），在组合膜组件中，惰性气体通过膜冷??侧表面和冷凝表面之间的气隙，一部分渗透物在冷凝表面处冷凝，另外一部分通??过在膜组件外部的冷凝器中冷凝。??真空式膜蒸馏（ＶＭＤ）结构示意图如图１．３?（ｂ）所示。ＶＭＤ同ＳＧＭＤ的??结构非常相似，给料侧的流道平行于膜，并在膜热侧形成了液－气交界面，膜的渗??透侧通道为单向通道，只有一个提供真空泵施加真空的入口。通过将膜的渗透侧??通道不断抽空，在膜的渗透侧产生一个负压的
【参考文献】：
期刊论文
[1]膜蒸馏技术处理低放射性废水研究现状与应用展望[J]. 邓晨辉,朱盈喜,吴伟,梁苏岑,陈勇. 环境与可持续发展. 2016(04)
[2]膜蒸馏过程的膜污染防控研究[J]. 张新妙,杨永强,王玉杰. 现代化工. 2015(09)
[3]膜蒸馏技术最新研究应用进展[J]. 申龙,高瑞昶. 化工进展. 2014(02)
[4]工业循环水膜蒸馏过程中的膜污染控制方法研究[J]. 刘杨,高薇,武春瑞,吕晓龙. 水处理技术. 2012(12)
[5]典型污染物对膜蒸馏过程膜污染的影响[J]. 代婷,武春瑞,吕晓龙,王暄,林芳卉. 水处理技术. 2012(08)
[6]温度极化对膜蒸馏过程的影响研究[J]. 杨兰,丁忠伟,马润宇. 膜科学与技术. 2004(03)
博士论文
[1]高通量空气隙膜蒸馏系统的机理及应用研究[D]. 田瑞.内蒙古工业大学 2008
硕士论文
[1]新型热回收板框气隙式膜蒸馏过程模拟研究[D]. 许凯.天津大学 2017
[2]PVDF中空膜的制备及热泵—直接接触式膜蒸馏的数学模拟[D]. 晋彩兰.北京工业大学 2017
[3]新型热回收螺旋卷式膜蒸馏组件的研究[D]. 高云霄.天津大学 2016
[4]减压膜蒸馏过程微观特征的模拟研究[D]. 刘军.天津大学 2015
[5]新型热回收式组合膜蒸馏组件的研究[D]. 刘芮.天津大学 2014
[6]CFD在气隙式炭膜膜蒸馏过程中的应用研究[D]. 邵会生.大连理工大学 2012
本文编号：3069103
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１膜蒸馏原理示意图??图１．１是膜蒸馏过程的基本原理示意图
接触式??膜蒸馈（ＤｉｒｅｃｔＣｏｎｔａｃｔＭｅｍｂｒａｎｅＤｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?（ＤＣＭＤ）），气隙式膜蒸饱（ＡｉｒＧａｐ??Ｍｅｍｂｒａｎｅ?Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?（ＡＧＭＤ）），气扫式膜蒸溜（Ｓｗｅｅｐｉｎｇ?Ｇａｓ?Ｍｅｍｂｒａｎｅ??Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?（ＳＧＭＤ）），真空式膜蒸懷（Ｖａｃｕｕｍ?Ｍｅｍｂｒａｎｅ?Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?（ＶＭＤ））。??■?ｍｍ?／ｉ??■?■隱?Ｌ?■??暴?ｔ?Ｉ?會??（ａ）?ＤＣＭＤ?（ｂ）?ＡＧＭＤ??图１．２膜蒸馏四种基本构型??直接接触式膜蒸馏（ＤＣＭＤ）结构示意图如图１．２?（ａ）所示，给料液直接与??膜热侧表面接触，渗透侧直接与膜冷侧表面接触［１３］。给料在膜热侧表面蒸发，在??压差驱动下，蒸汽通过疏水微孔膜到达膜冷侧表面并在膜组件内部冷凝。由于膜??的疏水特性，给料溶液不能穿过膜，在膜孔内只有气相存在。ＤＣＭＤ是最简单的??膜蒸馏构型，并广泛应用于制酸、海水淡化、水溶液浓缩和食品工业中［１４￣｜７］。??ＤＣＭＤ的结构较为简单，且传质阻力较小，因此，具有较大的高通量潜力。与其??他几膜蒸馏构型相比，ＤＣＭＤ的主要问题是由于与冷却侧直接接触，热传导导??致的热量损失较大。??气隙式膜蒸馏（ＡＧＭＤ）结构示意图如图１．２?（ｂ）所示。给料侧溶液直接与??膜热侧表面接触，膜冷侧表面到冷凝表面之间存在一个空气间隙，冷凝表面的??另外一侧是冷凝水，跨膜传递的渗透物在冷凝表面上冷凝为液体，并在其面上形??成一层液膜［１８］。在重力的作用下，渗透物会流动到空气间隙的底部，渗透物会在??３??
大约两个数量级［１２］，因??此气隙成为了主要的传质阻力，因此ＡＧＭＤ受到膜和膜材料性能的影响较低。??这种结构带来显而易见的好处，气隙的存在增加了传热阻力，间隙的存在提高了??给料侧和渗透侧之间的隔热性，减少了热传导导致的热损失［１９］。但是，同时气隙??增大了传质阻力，使得通量减少。ＡＧＭＤ主要应用在脱盐工业从水溶液中??脱去挥发性化合物［２１］。??＼?Ｍ??５Ｓ、财多細如气体?ＳＳ?Ｉ疏水＿?真空??■■■■ｆ?Ｉ?ｂＩｈＪ??⑶?ＳＧＭＤ?（ｂ）?ＶＭＤ??图１．３膜蒸馏四种基本构型??气扫式膜蒸馏（ＳＧＭＤ）结构示意图如图１．３?（ａ）所示。膜热侧结构同上述??两种构型相同，在膜冷侧，类似ＡＧＭＤ结构，惰性气体通过压缩机产生强制对??流进入到渗透侧，将跨膜传递过来的蒸气带到膜组件外部进行冷凝［２２］。ＳＧＭＤ主??要应用于从水溶液中脱除挥发性化合物［２３］。由于空气层的存在，可以降低传导热??损失，但同时提高了传质阻力，并且少量渗透组分会扩散到大量的吹扫气体中，??外部需要大型的冷凝器。此外，可以通过将ＡＧＭＤ和ＳＧＭＤ结合成一个新构??型，叫做恒温吹扫气膜蒸馏［２４］?（ＴＳＧＭＤ），在组合膜组件中，惰性气体通过膜冷??侧表面和冷凝表面之间的气隙，一部分渗透物在冷凝表面处冷凝，另外一部分通??过在膜组件外部的冷凝器中冷凝。??真空式膜蒸馏（ＶＭＤ）结构示意图如图１．３?（ｂ）所示。ＶＭＤ同ＳＧＭＤ的??结构非常相似，给料侧的流道平行于膜，并在膜热侧形成了液－气交界面，膜的渗??透侧通道为单向通道，只有一个提供真空泵施加真空的入口。通过将膜的渗透侧??通道不断抽空，在膜的渗透侧产生一个负压的
【参考文献】：
期刊论文
[1]膜蒸馏技术处理低放射性废水研究现状与应用展望[J]. 邓晨辉,朱盈喜,吴伟,梁苏岑,陈勇. 环境与可持续发展. 2016(04)
[2]膜蒸馏过程的膜污染防控研究[J]. 张新妙,杨永强,王玉杰. 现代化工. 2015(09)
[3]膜蒸馏技术最新研究应用进展[J]. 申龙,高瑞昶. 化工进展. 2014(02)
[4]工业循环水膜蒸馏过程中的膜污染控制方法研究[J]. 刘杨,高薇,武春瑞,吕晓龙. 水处理技术. 2012(12)
[5]典型污染物对膜蒸馏过程膜污染的影响[J]. 代婷,武春瑞,吕晓龙,王暄,林芳卉. 水处理技术. 2012(08)
[6]温度极化对膜蒸馏过程的影响研究[J]. 杨兰,丁忠伟,马润宇. 膜科学与技术. 2004(03)
博士论文
[1]高通量空气隙膜蒸馏系统的机理及应用研究[D]. 田瑞.内蒙古工业大学 2008
硕士论文
[1]新型热回收板框气隙式膜蒸馏过程模拟研究[D]. 许凯.天津大学 2017
[2]PVDF中空膜的制备及热泵—直接接触式膜蒸馏的数学模拟[D]. 晋彩兰.北京工业大学 2017
[3]新型热回收螺旋卷式膜蒸馏组件的研究[D]. 高云霄.天津大学 2016
[4]减压膜蒸馏过程微观特征的模拟研究[D]. 刘军.天津大学 2015
[5]新型热回收式组合膜蒸馏组件的研究[D]. 刘芮.天津大学 2014
[6]CFD在气隙式炭膜膜蒸馏过程中的应用研究[D]. 邵会生.大连理工大学 2012
本文编号：3069103
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/3069103.html
