膜蒸馏实验

热侧流量 u f 组件流道宽度(a)组件流道高度(b) m / s
膜组件流道当量直径的计算：
2 ab de a b m 本装置膜组件流道高度为 a=0.002m，膜组件流道宽度为 b=0.06m。
热侧雷诺数：
Re deu
热侧普朗特数：
Pr
f

cp
热侧努赛尔数：
Nu 0.19Re0.678Pr0.33
膜蒸馏试验
一、 实验目的及任务 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、 基本原理
本装置采用疏水膜，在平面磨组件中进行 DCMD 和 VMD 实验。在 DCMD 实验中， 与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 算机在线数据采集技术和数据处理技术，加快了数据记录与处理的速度。
M—水的摩尔通量，kg/mol； R—通用气体常数，8.314 kJ/mol K ； Tm—膜内平均温度，℃； pm—膜内平均压力，Pa； μ—挥发性组分在膜孔内的黏度，Pa·s；
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膜蒸馏实验
∆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 0.1μm 的聚四 氟乙烯（PTFE）疏水微孔膜，有效膜面积 A 为 0.005m2。其中结构参数已通过 气体渗透实验测定，结果为：
出口管线；
v. 确认放空阀 V02 关闭。
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热侧循环泵的旋钮以增大流量，水槽
方程，可得膜表面的温度。有上式可直接计算膜组件对流传热系数。 三、 实验装置与流程
1) 实验装置与流程 测定装置流程如图所示，。
p fm

exp ( 23.231
t fm

3843 273.15
) 45
p
pm

exp
(23.231
t
pm

3843 273.15

) 45
pm 0.5( p fm ppm)
过 3~5min，停秒表，同时读取并记录此时天平示数 m2 和秒表走过的时间 τ。
膜通量的计算方法如下：
������
=
������1 − ������������
������2
其中 A 为实验所用膜的有效面积，此装置 A=0.005m2；膜通量 N 的单位为 g/(m2·s)。
一般认为跨膜通量与膜两表面处的蒸汽压差成正比：
膜组件热侧，如有气泡要及时排走；再次观察电子天平度数，当其值基本不变
膜冷测压力很低，VMD 可以获得较大的跨膜通量。 真空膜蒸馏的、跨膜传质通量可以用下式的方程描述：
式中 Pa；
N
10.64 r
(
M RTm
)0.5
pi
0.125 r 2
( Mom RTm
)p
r—膜平均孔半径，m；
θ—膜孔的曲折因子；
ε—膜的孔隙率；
δ—膜的厚度，m；
∆pi—挥发性组分在膜两侧的蒸汽压差，
热侧对流传热系数：
f

Nu de
W / m2 K
（2）真空膜蒸馏实验原理 真空膜蒸馏的工作原理如图 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出较高的蒸汽压；在 冷测，不想 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，透过膜的蒸汽呗真空泵抽到冷凝器中冷凝。由于
率 N（跨膜通量）。 膜通量是指膜蒸馏实验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，热水槽中贮水量随时间减少（本实
验装置中 是将热水槽置于电子天平上），即电子天平的示数减小。实验中，当温
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 m1（单位: g）;经
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℃，
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膜蒸馏实验
确认制冷机功能启动，并启动本机循环机。 建立冷测循环———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，经膜组件后又返回水箱，这样就建立了 冷测循环。 排气———在热、冷侧流量都为 1.0L/min 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尽。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。观察电子天平度数，当其值基本不变或缓慢地变化时，可进行下一步。 升温———确认热侧循环建立，打开电加热开关，顺时针旋转调压旋钮以增加加 热电压，热侧开始升温。升温过程中注意观察热侧温度的变化趋势。也可以利用 自动控制调壁温的功能进行加热升温。
严重程度用温度极化系数（TPC）的大小衡量，其定义式如下：
TPC t fm t pm tf tp
其中 tfm 和 tpm 分别为流体热侧和冷测膜表面的温度，而 tf 和 tp 分卑微两种流体 主体的温度。因此 TPC 的物理意义可以理解为：梁流体的温差直接用于作为膜蒸 馏传质的推动力的那一部分。
t p p / f ) pt p
km
p (1
km f
)
NH
∆H—热侧流体的相变焓
δ—膜的厚度 km—膜的混合热导率，即膜材料与空气的平均热导率，本装置 km/δ 之值
取 1100W / m2 C
αf、αp—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： 热侧流速的计算：
（1）直接接触式膜蒸馏实验原理 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汽压差实现该组分的 跨膜传质。
直接接触式膜蒸馏原理如图 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 测。热侧表面的水蒸气的分压高于其在冷测膜表面的值， 在此压差的作用下，水蒸气分子发生跨膜传质现象，到 达冷测膜表面，并在此冷凝。这样，可通过测定一定时 间内热侧料液质量的变化率量得到 DCMD 的跨膜传质速
排气———同 DCMD 实验。
制冷———启动制冷机，并确认制冷功能启动。启动制冷机自带循环泵，制冷
机水箱槽中的水被抽出，经真空水箱内的盘管后又返回膜组件。
建立真空———在仪表柜上给定压力的设定值（如 7.1kPa）；启动真空泵 P02，
当真空度达到设定值时，电磁阀开始工作，说明真空控制系统工作正常；观察
控制参 数
缓冲罐
仪表序号
UI01 UI02 FI03
自制
名称 热侧循环泵电压
电加热电压 热侧流量
Φ0.11m×0.19m 传感元件及仪表参数
24V 220V 0-100L/h
不锈钢 显示仪表 AI-708ES AI-708ES
FI04 TI05 TI06
TI07
TI08 TI09 PI10 WI11
调整与数据记录———将冷。热侧流量均调整到所需值；手动调整加热电压值 或采用设定加热器壁温自动调节温度，以使热侧、冷侧温度和跨膜通量的变化 趋势，这些数据稳定后，记录热水槽中的贮水量随时间的减少量，即电子天平 的示数减小。 实验在膜两侧流量均为 1.0L/min 的条件下进行；改变热侧温度进行跨膜通量的 测定。 停车———将加热器电压调至最小，按下电加热停止按钮；5min 后依次停热侧 泵 P02、冷侧泵、制冷机、电子天平。 真空膜蒸馏实验 切换与关闭———将三通切换阀转至 VMD 一侧，关闭 M02 出口切断阀，将 M01 至 P02 的切断阀转向 VMD 一侧，并关闭冷侧转子流量计 FI04 入口阀们。 供电———同 DCMD 实验。 建立热侧循环———同 DCMD 实验。
r 1.1103 另外，上式中：
r2 1.281010
Tm

273.15
t fm
tpm 2
pi p fm ppm
式中 ∝������ —料液侧对流传热系数， W / m2 K ； tf— 料液温度，℃； tfm—料液侧膜表面处的温度，℃； ∆H—水的相变焓，kJ/kg； 事实上，上式是关于膜表面温度 tfm 的非线性方程，采用割线法迭代求解此
规格 隔膜泵 DTY-8 A
参数 1500W，±1℃
备注
真空泵
SHB- B95
180W，极限真空度；98kPa
装置参 数
电加热器 膜组件 热水槽
自制 聚四氟乙烯疏水微
孔膜 塑料桶
பைடு நூலகம்
1000W 流道：170mm×60mm×2mm
Φ0.15×03.15
电子天平
ARD110
最大称量：4100g，分度值 0.1g
VMD 温度极化系数：
TPC t f tf
t fm ， ts a t
其中������������������������ 指真空测压力对应的饱和
温度。
由于 Antoine 方程的非线性，造成传质速率方程的非线性，求解时需要迭代。
对真空膜蒸馏而言，在真空度较高的情况下，跨膜导热速率可近似为零。在此假
������ = ������(������������������ − ������������������ )
其中 C 称为膜蒸馏系数，它随温度的升告略有升告。������������������ 和������������������ 分别为热侧和冷测
膜表面处的蒸汽压，其值可根据该处的温度用安托万方程计算。
1) 实验步骤
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 中加入纯净水，要求到达水箱上沿以下 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。
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膜蒸馏实验
由 TPC 的定义式可以看出，与计算 TPC 需要先求出 tfm 和 tpm。可以导出 定态时 DCMD 的膜表面温度计算如下：
式中
t fm

km
(t p
t f f / p ) f t f NH
km

f
(1
km p
)
t fm

km
(t f
回流回水槽 V01。
在 DCMD 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机循环泵抽出，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。
2) 装置参数
装置参数如表所示。
名称
恒温循环 器
热侧循环 器
制冷机
冷侧流量 电加热温度 冷侧出口温度
冷侧进口温度
热侧出口温度 热侧进口温度 缓冲罐压力
电子天平
表 1 装置参数
0-100L/h Pt100 Pt100
Pt100
Pt100 Pt100 压力缓冲罐
AI-708ES AI-708ES
AI-708ES
AI-708ES AI-708ES
四、 实验步骤与注意事项
流体流过固体表面时，如果两者温度不同，会在流体主体与固体表面间形成
温度边界层。DCMD 过程中同样存在这种现象，即热侧膜表面处温度低于热侧主 体温度、冷侧膜表面处流体温度高于冷测主体温度，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
设下，通过料液测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：
f (t f t fm ) H N
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膜蒸馏实验
热水槽 V01 中的纯净水有热侧循环泵 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，在膜组件发生膜蒸馏过程，少部 分水以水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