中空纤维膜气扫式膜蒸馏过程研究

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1、中空纤维膜气扫式膜蒸馏过程研究12陈华艳李欢吕晓龙（天津工业大学生物化工研究所，天津300160）摘要：对气扫式膜蒸馏法的热量和质量传递机理进行了研究，建立了该过程的热量和质量传递模型，并对模型进行了计算，得出了吹扫气流速、组件长度和进料流速对膜通量的影响，并与实验得到的结果进行了比较。对比表明模型计算值与实验值吻合。并且随吹扫气流速的升高，通量增加。组件长度越短通量越高。进料流速对通量的影响很小，随膜丝内料液流速的增加，通量稍有增加。关键词：气扫式膜蒸馏；膜通量；传热；传质中图分类号：TQ028.8文献标识码：A膜蒸馏(MembraneDistil

2、lation,MD)过程是在微孔疏水膜两侧的蒸汽压差的驱动下，水蒸汽从被加热的原水一侧穿过疏水膜后再被冷凝为液态的分离过程。与常规蒸馏（Distillation）过程相比，MD的操作温度低，无需将溶液加热至沸腾，而且蒸发面积大、[1]-1[2]蒸汽空间小；MD的产水电导率可达4μS.cm以下，出水水质远高于反渗透(RO)。目前已经发展出四种不同的膜蒸馏操作方式。关于直接接触膜蒸馏（DCMD）、减压膜蒸馏（VMD）过程和空隙式膜蒸馏（AGMD）的试验研究和机理研究已经很多，而且理论[3]基础已比较成熟。但是对于气流吹扫式膜蒸馏（SGMD）过程的实验研究

3、却比较少，关于[4,5]其传递机理的研究更少。我们以中空纤维膜蒸馏为研究对象，对SGMD过程进行了模拟，建立了该过程的传热和传质方程，考察了传质机理，最后得到了渗透通量的表达式，并与试验结果进行了比较。1模型方程的建立气扫式膜蒸馏的中空纤维膜热质传递过程如图1所示。其中热量经料液侧的热边界层传递到膜界面，在膜面处料液蒸发，蒸汽通过中空纤维壁上的孔渗透蒸发到纤维外侧，热量以潜热的形式传递，同时也有部分热量通过膜的实体部分以热传导的方式传递到另一侧。最后由空气带出膜组件。对上述热量传递过程建立方程。资助项目：国家科技支撑计划项目（2006BAB03A06

4、），863计划项目（2008AA06Z303）作者简介：陈华艳（1978-），女，河北藁城人，工学博士，主要从事膜蒸馏法海水淡化的研究。通讯联系人：吕晓龙，教授，博士生导师，Email:Luxiaolong@263.net通过热侧液膜的传热速率方程为：；通过膜的热量传递方程为：；透过侧的热量传递方程为：。由得：。式中hf、λe、H均为未知，需计算求解。由于中空纤维内的料液流速很低，因此其流动通常为滞流状态。hf可由圆形直管内强制滞流的对流传热公式计算。H与料液的浓度和温度均有关系，而浓度的影响较小，这里只考虑温度对H的影响。λe由膜孔中气体的有效导热

5、系数和固体膜的导热系数加合而得。由于气扫式膜蒸馏过程膜外侧有大量空气存在，膜孔内也有大量空气存在，因此气扫式膜蒸馏传质过程是介于努森扩散与分子扩散之间的过渡状态。膜通量的表达式为：；其中，努森扩散系数Dk与分子扩散系数Dm可分别由相应的经验公式求得。曲率因子τ由经验式计算。当盐水溶液作为进料时，需同时考虑浓差极化的影响。在膜丝内侧，随着水蒸汽的质量传递，进料膜表面上的溶液浓度Cfm要高于进料主体的浓度Cf。根据Nernst关于膜表面边界层的模型，得到如下表达式：，其中K为传质系数，可由圆形直管内强制滞流的对流传热公式计算类比得到。Pfm根据Anton

6、ine方程计算得到，同时需考虑盐浓度对水蒸汽分压的影响。由下式计算Pfm，。渗透侧[6,7]的水蒸气分压Ppm为渗透侧的总压力P和湿度w的函数：；组件内的总湿度w与空气的体积流量va和进口处的空气湿度win有关。空气经过组件的时间为：；空气吹扫稳定运行时，膜渗透侧气体的状态方程为：；式中LZ为组件的长度，SZ为组件内空气部分的截面积。组件内总的气体量为：。SS为组件内中空纤维膜的总内表面积。最终求得渗透侧水蒸汽分压：。Ps为室温下水的饱和蒸汽压。2实验部分表1中空纤维膜组件结构参数Table1Structuralparametersofhollowf

7、ibermembranemodule内径壁厚孔隙率孔径导热系数膜丝数目组件内径-1-11.0mm0.10mm85%0.159μm0.14W.mK6030mm气扫式膜蒸馏实验流程如图2所示。实验装置的核心部件是膜组件。膜组件为自行浇铸制成。所用疏水膜为PVDF中空纤维膜，由天津工业大学生物化工研究所制备。中空纤维膜及组件的结构参数如表1所示。FeedMembranePermeateTfTfmTpmCfCfmTpBoundarylayer图2.实验装置流程图图1气扫式膜蒸馏的热量和质量传递过程Fig.2ExperimentalsetupFig.1Heat

8、andmasstransferinthesweeping1数显温控仪2加热器3热电偶4热料液5真空泵6液体g