膜蒸馏-李伟

膜蒸馏实验班级：应化产11301 序号：07 姓名：李伟一 实验目的ⅰ.认识和理解膜蒸馏的工作原理。

ⅱ.测定直接接触式膜蒸馏（DCMD ，direct contact membrane distillation ）的跨膜通量和膜蒸馏系数，并认识其随温度的变化规律。

ⅲ.测定真空膜蒸馏（VMD ，vacuum membrane distillation ）的跨膜通量和传热系数，并认识其随流量的变化规律。

ⅳ.学会物性数据的查阅、计算方法，了解制冷系统工作原理。

二 实验原理本装置采用疏水膜，在平面膜组件中进行DCMD 和VMD 实验。

在DCMD 实验中，于不同温度下测定跨膜通量，并根据测量结果计算膜蒸馏系数；在VMD 实验中，于不同流量下测定跨膜通量，并根据测量结果计算膜组件的传热系数。

本实验引入了计算机在线采集技术和数据处理技术，加快了数据记录与处理速度。

（1）直接接触式膜蒸馏的实验原理膜蒸馏技术是膜技术与常规蒸馏技术结合的产物，它是利用挥发性组分在膜两侧的蒸差实现该组分的跨膜传质。

直接接触式膜蒸馏原理如图6-1所示。

温度不同的两股水流分别与膜两侧直接接触，形成膜表面的热侧与冷侧。

热侧表面的水蒸气分压高于其在冷侧表面之值，在此压差的作用下，水蒸气分子发生跨膜传质现象，到达冷侧表面，并在此冷凝。

这样，可通过测定一定时间热侧料液质量的变化量得到DCMD 的跨膜传质速率N （跨膜通量）。

膜通量是指膜蒸馏过程中单位时间内通过单位膜面积蒸发掉的水的质量。

膜蒸馏实验过程中，由于水透过膜的蒸发作用，热水槽中的贮水量随时间减少（实验装置中是将热水槽位于电子天平上的），即电子天平的示数减少。

实验中，当料液（热流体）渗透液（冷流体）温度稳定一段时间后，启动秒表，同时读取并记录此时天平示数1m （单位：g ）；经过3~min 5，停秒表，同时读取并记录此时天平示数2m 和秒表走过的时间τ。

膜通量的计算方法如下： Am m N τ21-=（6-1） 其中A 为实验所用膜的有效面积，此置A =0.005m 2；膜通量N 的单位为g/(m 2· s)。

一般认为跨膜通量与膜两表面处的蒸汽压差成正比： )(pm fm p p C N -= （6-2）其中C 称为膜蒸馏系数，它随着温度的升高略有升高。

p fm 和p pm 分别为热测和冷侧膜表面处的蒸汽压，其值可根据该处的温度用安托万因方程计算。

流体流过国体表面时，如果两者的温度不同，会在流体主体与固体表面之间形成温度边界层。

DCMD 过程中同样存在这种现象，即热侧膜表面处流体温度低于热侧主体温度、冷侧膜表面处流体温度高于冷侧主体温度，这种现象称为“温度极化”。

显然，温度极化现象的存在使膜两侧的实际蒸汽压差低于按主体温度计算的蒸汽压差，这种现象越严重，则跨膜传质的推动力越小，传质速率越低。

温度极化现象的严重程度用温度极化系数（TPC ）的大小衡量，其定义式如下： pf pm fm t t t t TPC --=（6-3）其中t fm 和t pm 分别为流体在热侧和冷侧膜表面的温度，而t f 和t p 分别为两种流体主体的温度。

因此TPC 的物理意义可以了解为：两流体的温差中被直接用于作为膜蒸馏传质推动力的一部分。

由TPC 得定义可以看出，欲计算TPC 需要先求出fm t 和pm t 。

可以导出定态时DCMD 的膜表面温度计算式如下：)1()/(δααδαααδp mf mf f p f p f mfm k k HN t t t k t ++∆-++=（6-4a))1()/(δααδαααδf mp mp p f p p f mpm k k HN t t t k t ++∆+++= （6-4b ）式中 ∆H ─ 热侧流体的相变焓；δ─ 膜的厚度；m k ─ 膜的混合热导率，即膜材料与空气的平均热导率，本装置δ/m k之值取℃/11002∙m W ； f α、p α─ 分别为膜两侧对流传热系数，本实验中其值采用如下经验关联式（以热侧计算为例）。

热侧流速的计算： ）组件流道高度（）组件流道宽度（热侧流量b a u f ⨯=s m / （6-5）膜组件流道当量直径的计算： ba abd e +=2 m （6-6） 本装置膜组件流道高度为m a 002.0=，膜组件流道宽度为m b 06.0=。

热侧雷诺数： μρu d e f =Re （6-7）热侧普朗特数： λμp f c =Pr （6-8）热侧努塞尔数： 33.0678.0Pr Re 19.0=Nu （6-9） 热侧对流传热系数： ef d Nu λα∙=W/m 2·K （6-10） 冷侧流速的计算（方法与热侧相同）：略。

（2）真空膜蒸馏的实验原理真空膜蒸馏的工作原理如图6-2所示。

VMD中，在料液（热侧）一侧发生的物理过程与DCMD 过程类似，水在热侧膜表面处也能表现较高的蒸汽压；在冷侧，不像DCMD 那样采用低温液体的循环将跨膜蒸汽\冷凝，而是利用真空设备在该侧建立一定的真空度，透过膜的蒸汽被真空泵抽到冷凝器中冷凝。

由于膜冷侧压力很低，VMD可以获得较大的跨膜通量。

真空膜蒸馏跨膜传质通量可以用如下的方程描述：p RT Mp r p RT M r N mm i m ∆+∆=)(125.0)(064.125.0μθδεθδε（6-11）式中 r ─ 膜平均孔半径， ； θ─ 膜孔的曲折因子； ε─ 膜的孔隙率； δ─ 膜的厚度，m ；i p ∆─ 挥发性组分在膜两侧的蒸汽压差，Pa ； M ─ 水的摩尔质量，kg/kmol ； R ─ 通用气体常数，8.314kJ/kmol·K ； m T ─ 膜内平均温度，℃； m p ─ 膜内平均压力，Pa ；μ─ 挥发性组分在膜孔内的黏度，Pa·s ； p ∆─ 膜两侧的总压差，Pa 。

该方程是膜蒸馏的跨膜传质速率方程，实验中采用平均孔径为m μ1.0的聚四氟乙烯（PTFE ）疏水微孔膜，有效面积A 为2005.0m 。

其中膜结构参数已通过气体渗透实验测定，结构为：3101.1-⨯=θδεr m r 1021028.1-⨯=θδε 另外，上式中 215.273pmfm m t t T ++= （6-12）pm fm i p p p -=∆ （6-13） )4515.2733843231.23exp(-+-=fm fm t p)4515.2733843231.23exp(-+-=pm pm t p （6-14）)(5.0pm fm m p p p += （6-15） VMD 温度极化系数： s a tf fmf t t t t TPC --= （6-16）其中sat t 指真空侧压力对应的饱和温度。

由于Antoine 方程的非线性，造成传质速率方程（11）的非线性，求解时需迭代。

对真空膜蒸馏而言，在真空度较高的情况下，跨膜导热速率可认为近似为零。

在此假定下，通过料液侧温度边界层传递的热量全部用于膜表面处水分的汽化。

据此，可以写出如下的传热速率方程：αf (t f - t fm )=ΔH·N （6-17） 式中 f α─ 料液侧对流传热系数， K m W ∙2/； f t ─ 料液温度， ℃；fm t ─ 料液侧膜表面处的温度， ℃； ΔH ─ 水的相变焓，kJ/kg 。

事实上，式（17）是关于膜表面温度fm t 的非线性方程，采用割线法迭代求解此方程，可得膜表面温度。

由式（17）可直接计算膜组件对流传热系数。

具体试差过程如下：ⅰ.计算平均温度（f t ）；ⅱ.给定TPC 初始值5.01=TPC ，并据此生成121.1TPC TPC =； ⅲ.由式（16）求出两个fm t ：1fm t 和2fm t ； ⅳ.代入式（11）求两个N ：1N 和2N ；ⅴ.检验2N 与实验N 是否够接近？，如果“是”，则计算结束，当前的2fm t 为所求，否则，进行下一步：ⅵ.)()(212122实验新N N N N TPC TPC TPC TPC ----=；ⅶ.由新TPC 求新fm t ，进而由式（11）求新N ；ⅷ.令21N N =，21TPC TPC =；新N N =2，新TPC TPC =2，返回Ⅴ。

将由上述迭代过程求得的热侧膜表面温度fm t 代入式（17），可求得热侧对流传热系数；代入式（16）可求得温度极化系数。

三 实验流程（1）实验装置膜蒸馏实验装置流程见图6-3。

（2）实验流程热水槽V01中的纯净水由热侧循环泵P01抽出，经转子流量计FI03，送往电加热器E01，被加热后进入膜组件M02的热侧，在膜组件中发生膜蒸馏过程，少部分水以蒸气的形式进行跨膜传质，到达冷侧，其余的热水经膜组件的热侧出口流回水槽V01。

在DCMD实验中，制冷机M01水箱中的低温纯净水被制冷机自带循环泵抽出，经转子流量计FI04和三通切换阀进入膜组件M02的冷侧，在此低温水将来自热侧的跨膜蒸汽冷凝，然后流出膜组件M02，返回制冷机水箱M01。

在VMD 实验中，来自膜组件M02热侧的跨膜蒸汽到达冷侧后被真空泵P02抽出，进入真空泵水箱并冷凝。

制冷机水箱中的水由本循环泵抽出，送往真空泵水箱中的盘管，以冷却真空泵水箱中的水，然后又返回制冷机水箱。

（3）装置参数及控制参数四实验步骤（1）准备工作ⅰ.向热水槽V01中加入纯净水，要求其液位达到90%以上。

ⅱ.向制冷机M01的水箱中加入纯净水，要求其液位达到水箱上沿以下1~2cm 处。

ⅲ.向真空泵P02的水箱中加入自来水，要求其液位达到溢流口以上。

（DCMD 实验无需此步）ⅳ.将实验用膜安放于膜组件中，并将装配好的膜组件置于小平台上，接好进、出口管线。

ⅴ.确认放空阀V02关闭。

ⅵ.确认热侧转子流量计FI03入口阀完全开启。

（2）直接接触式膜蒸馏实验切换— 将三通切换阀转向至“DCMD”一侧。

打开与切断─ 打开M02切断阀；将M01至P02的切断阀转向DCMD 一侧。

供电─ 打开仪表柜上的总电源开关、热侧循环泵开关。

建立热侧循环─ 顺时针方向缓慢地旋转循环泵的旋钮以增大流量，水槽中的水将被抽出，经加热器和膜组件后又返回。

这样就建立了热侧循环。

启动制冷机─ 启动制冷机（使用方法见“制冷机说明书”），设定水温20℃，确认制冷机功能启动，并启动本机循环泵。

建立冷侧循环─ 将冷侧转子流量计FI04的入口阀完全打开，启动制冷机自带循环泵，制冷机水箱槽中的水将被抽出，经膜组件又返回水箱，这样就建立了冷侧循环。

排气─ 在热、冷流量都为min /0.1L 的条件下，利用膜组件顶部的排气阀将膜组件冷侧的气泡排出。

膜组件热侧的气泡可通过晃动膜组件、脉冲水流等方式排出。

观察电子天平读数，当其值基本不变或很缓慢地变化时，可进行下一步。