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《北京化工大学》 2000年
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膜蒸馏的传递机理及膜组件优化研究

阎建民  
【摘要】:膜蒸馏是一种新型的膜分离技术,可用于海水淡化、纯净水制备、热敏物料浓缩等方面。研究膜蒸馏的过程机理,进而解决膜蒸馏实际应用中的问题具有重要的理论和实际意义。本文对直接接触式和气隙式膜蒸馏的传递机理从理论和实验两个方面进行了研究,并按照机理研究的结果,针对性开展膜蒸馏所用膜组件的优化研究。 从理论上描述了直接接触式和气隙式膜蒸馏的传递过程,考虑了极化现象的作用及传热方向上温度变化对蒸发潜热的影响。对目前气隙膜蒸馏传递过程的数学模型提出改进,充分考虑了气隙内的热量传导和对流传递,采用过渡式分子扩散理论计算通过膜孔的渗透通量。建立了两种类型膜蒸馏的渗透通量预测模型。同时实验测定了两侧流体温度、流量及料液浓度对直接接触式和气隙式膜蒸馏渗透通量的影响。理论预测结果与实验结果基本吻合。 研究了料液中溶质对膜蒸馏的影响。结果表明:可溶性溶质降低了料液侧的蒸汽压并改变料液的粘度等物性,影响传递过程,不同溶质对膜蒸馏过程的影响程度不同;未处理料液用于膜蒸馏,膜表面会出现沉积物,破坏膜的疏水性进而影响渗透液的质量,并降低渗透通量。 通过实验结果和理论分析讨论了各种因素(膜结构参数、料液温度、物料浓度和物性参数、膜孔内的空气分压、气隙厚度、对流传热系数)对膜蒸馏渗透通量的影响。结果表明,提高对流传热系数是提高膜蒸馏热效率和渗透通量的关键。利用膜蒸馏实验结果回归了直接接触式膜组件的对流传热系数,使用减压膜蒸馏测定了气隙式膜组件的对流传热系数。 对中空纤维膜组件,建立了渗透通量预测模型并通过实验做了验证。从理论上揭示了用于膜蒸馏的中空纤维膜的长度、粗细和厚度存在最佳设计尺寸。提出局部封装分率的概念对普通膜组件的沟流现象进行解释。由于沟流效应,膜蒸馏过程中热料液应选择膜管内作为流道,以获得较大的渗透通量。缠绕式膜组件消除了沟流现象,并有利于壳程流体的径向混合。由于Dean旋涡的存在,缠绕式膜组件也可促进膜管内的传递。实验表明,缠绕式膜组件的壳程传质性能明显优于普通膜组件,用于膜蒸馏可以得到较大的渗透通量。 设计了采用螺旋板的气隙式膜蒸馏组件、利用换热器对料液加热的膜蒸馏工艺过程,这时在某一料液流量下渗透通量可达最大。在流体通道中放置网状激湍构件可以改善膜面的传热和传质,在较小流量下得到较大的对流传热系数。实验结果显示,粗厚的网状材料有更好的激湍效果。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2000
【分类号】:TQ028.2

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