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高通量空气隙膜蒸馏系统的机理及应用研究

田瑞  
【摘要】: 空气隙膜蒸馏是一种新型的膜蒸馏技术,它除了具有一般膜蒸馏具有的可用低品位能源、常温常压操作、蒸馏液纯度极高、蒸馏液不发生化学反应等优点外,空气隙膜蒸馏还由于热液蒸汽与冷却液不直接接触,而具有蒸馏液可单独收集及热效率高的特有优点,应用领域更为广泛,特别适用于有腐蚀性溶质或溶剂的提取以及对放射性废液处理,海水淡化、地下水处理和饮用水制备等,这是其它蒸馏或分离技术无法替代的。膜蒸馏的主要缺点是蒸馏通量小,如能发展一种高通量的空气隙膜蒸馏组件,其蒸馏通量能接近或超过直接接触式膜蒸馏通量,对空气隙膜蒸馏系统的应用推广很有意义。 提高膜蒸馏通量可从开发新膜和设计新的膜组件以提高传热传质效率两方面共同解决。本文发展了一种新型高通量空气隙膜蒸馏组件,其特点是采用可调切向旋流供液改善膜面温度和浓度极化,采用很小的空气间隙使膜面可与冷壁部分接触以减小空气隙的传热传质阻力、提高传热传质效率;本文揭示了这种新型膜组件的传热传质机理,建立了相应的传热传质模型及数值分析软件和优化设计方法,并有实验考核。 1、改进并完善了高通量空气隙膜蒸馏实验系统。该实验系统是在原第二代膜蒸馏实验系统的基础上,增大了热溶液循环系统流量调节范围和多支路调节供给功能;研制了制冷循环及其控制系统,解决了冷端工质温度不稳定问题;增设了可调节的多点温度量测装置,并改用多通道智能数据测试仪及计算机数据采集和处理系统以提高温度量测及整体的实验量测精度。 2、发展了一种新型高通量空气隙膜蒸馏组件。设计并制作了旋转切向入流膜组件,大大改善了温度和浓度极化现象,提高了传热传质效率,有利于提高膜蒸馏通量,并在冷工质容腔的冷壁设计了三角形的沟槽,在加快水蒸汽冷凝的同时,使冷凝液沿三角形沟槽迅速流出。并采用小间隙及膜与冷壁部分接触以减小空气隙的传热传质阻力,从而显著提高了蒸馏通量。 3、实验研究表明,在一定的切向入流条件下,膜面接触率为70~80%左右时,得到较为理想的实验效果。采用这种新的膜组件的空气隙膜蒸馏系统,如用自来水作为热溶液、间隙为1mm,冷热水温差为65℃时蒸馏通量可高达120kg/m2h,而传统的空气隙膜蒸馏系统(间隙为4mm)的最大蒸馏通量仅为28kg/m2h;本文还做了热溶液为15%的浓盐水和苦咸水的膜蒸馏通量实验,得到类似结果。同时还进一步考核了采用超声激励的方法,以达到膜蒸馏的过程强化,实现提高膜蒸馏通量的目的,实验结果表明,具有超声激励的膜蒸馏方法仍有一定的研究应用价值;运用Fluent软件对空气隙膜蒸馏热容腔内的流场情况进行了模拟计算,分析比较了无切向入流管与有切向入流管及切向入流管位置的不同对膜面冲刷的不同影响。结果表明,切向入流增大了流体对膜面的冲刷,从而有利于膜面热侧温度边界层和浓度边界层的破坏,有利于提高膜通量。 4、本文建立了高通量的空气隙膜蒸馏系统一种新的传热传质模型。所建立的传热传质模型,其特点是考虑空气隙内蒸汽冷凝及膜面与冷壁部分接触对传热传质的影响。用此模型对六个膜面与冷壁有不同间隙厚度和不同接触程度的膜组件系统预测得到的膜蒸馏通量与实验值误差除个别点外均小于10%;预测得到的空气隙内蒸汽冷凝程度也和实验观察符合,说明其传热传质模型是正确的。 5、本文开展了太阳能膜蒸馏用于淡化水的预研工作。为使膜蒸馏逐步从实验室走向实际应用,并主要针对解决我国西部无电地区淡水缺乏问题,提出综合利用低品位能源作为膜蒸馏的驱动力,设计了太阳能膜蒸馏集成系统,将太阳能光伏发电系统、太阳能热利用系统和太阳能制冷系统应用到膜蒸馏过程中,使其与膜蒸馏构成一集成系统,并建立该集成系统各个部分的数学模型和相应的仿真模型。 运用LabVIEW开发平台,编制了太阳能膜蒸馏集成仿真系统。模拟仿真膜通量分析比较,结果表明,模拟仿真结果与实验结果的相对误差小于10%,说明该仿真系统具有较好的预测性和通用性。通过搭建“太阳能膜蒸馏仿真系统”,基本完善了该系统的实际运行装置的设计思路及设计方法,为下一步工作进行了探索性研究。


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