典型膜蒸餾技術的性能及發展分析

賈曉敏　陳　東　謝繼紅　楊榮欣

（天津科技大學機械工程學院）

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典型膜蒸餾技術的性能及發展分析

賈曉敏*陳東謝繼紅楊榮欣

（天津科技大學機械工程學院）

摘要膜蒸餾具有常壓下低溫汽化、便于分離中高濃度料液等特性。在對四種典型膜蒸餾技術工作過程分析的基礎上，建立了各自的性能方程，對不同工作溫度和膜參數下的造水比和膜通量進行了計算分析。結果表明，真空式膜蒸餾的造水比和膜通量均較高，氣隙式膜蒸餾和氣掃式膜蒸餾的造水比較高而膜通量偏小，直接接觸式膜蒸餾的性能受工作溫度和膜參數的影響很大，適宜條件下也可取得較高的造水比和膜通量。

關鍵詞膜蒸餾膜通量造水比性能方程蒸汽熱源

*賈曉敏，女，1989年生，碩士研究生。天津市，300222。

1　背景

膜蒸餾是料液中水分在膜壁汽化后穿過膜孔而溶質被截留的濃縮分離技術，具有常壓下低溫汽化、易分離中高濃度料液等特性，可用于反滲透尾水處理、熱敏料液濃縮以及超純水制備等[1-2]。

膜蒸餾的基本性能指標為造水比和膜通量。前者是能量效率指標，定義為系統產水汽化耗熱量與系統耗能量之比；后者是產水速率指標，定義為單位膜面積單位時間內的產水量。膜蒸餾技術按透膜蒸汽的處理方式不同，可分為直接接觸式膜蒸餾（DCMD）、真空式膜蒸餾（VMD）、氣隙式膜蒸餾（AGMD）和氣掃式膜蒸餾（SGMD）四種基本形式。掌握這四種膜蒸餾技術的造水比和膜通量隨工作溫度和膜參數的變化規律，對工程應用中優選膜蒸餾形式、優化膜蒸餾過程、開發新型膜材料及膜組件均具有重要價值。

2直接接觸式膜蒸餾的性能方程

直接接觸式膜蒸餾的工作原理如圖1所示。直接接觸式膜蒸餾工作時，熱側料液中的水分在膜表面汽化，穿過膜孔到達膜冷側表面，被冷凝液吸收并帶走。

圖1　直接接觸式膜蒸餾

對直接接觸式膜蒸餾的工作過程作如下簡化：

（1）膜熱側表面溫度tfm、料液溫度tf、熱源溫度tH近似相等。

（2）膜冷側表面溫度tpm、冷凝液溫度tp、冷源溫度tL近似相等。

（3）膜熱側表面處蒸汽壓力pfm近似等于溫度tfm時純水的飽和蒸汽壓。

（4）膜冷側表面處蒸汽壓力ppm近似等于溫度tpm時純水的飽和蒸汽壓。

（5）蒸汽穿過膜孔的機理主要是努森擴散和分子擴散。

此時，直接接觸式膜蒸餾的性能方程[3]為：

式中GORDCMD——膜蒸餾過程的造水比，無因次；

qDCMD1——料液中水汽化消耗的熱量（有效熱負荷），W/m2；

qDCMD2——跨膜壁導熱量（無效熱負荷），W/m2；

JDCMD——膜通量，g/（m2·s）；

hVL——水的汽化潛熱，J/g；

RK——跨膜努森擴散質阻，（m2·s·Pa）/g；

RM——跨膜分子擴散質阻，（m2·s·Pa）/g；

pfm——膜熱側表面蒸汽壓力，Pa；

ppm——膜冷側表面蒸汽壓力，Pa；

Cwq——膜材料的彎曲因子，無因次；

Hmb——膜壁厚度，m；

Mw——膜孔內水蒸氣的摩爾質量，kg/mol；

R——氣體常數，8.314 J/（mol·K）；

Tm——膜孔內蒸汽溫度，K；

Ckx——膜壁的孔隙率，無因次；

Rmb——膜孔半徑，m；

po——總壓，Pa；

pm——膜孔內蒸汽壓力，Pa；

Dwa——膜孔內水蒸氣在空氣中擴散系數，m2/s；

kmb——膜壁當量熱導率，W/（m·K）；

tH——熱源溫度，℃；

tL——冷源溫度，℃；

kv——膜孔內氣體熱導率，W/（m·K）；

km——膜壁材料熱導率，W/（m·K）。

3真空式膜蒸餾的性能方程

真空式膜蒸餾的工作原理如圖2所示。真空式膜蒸餾工作時，冷側處于真空狀態，熱側料液中水分汽化穿膜后被真空吸走并在冷壁處被冷卻為冷凝液排出。

圖2　真空式膜蒸餾

對真空式膜蒸餾的工作過程作如下簡化：

（1）膜熱側表面溫度tfm、料液溫度tf、熱源溫度tH近似相等，膜熱側表面蒸汽壓力pfm近似為溫度tfm時純水的飽和蒸汽壓，冷壁表面蒸汽壓力ppb近似等于冷源溫度tL時純水的飽和蒸汽壓。

（2）膜蒸餾過程的熱阻主要為膜與冷壁表面之間蒸汽的導熱熱阻。

（3）蒸汽穿過膜孔的機理主要是努森擴散、分子擴散和黏性流動。

此時，真空式膜蒸餾的性能方程[4－5]為：

式中GORVMD——真空式膜蒸餾的造水比，無因次；

qVMD1——料液中水汽化消耗的熱量，W/m2；

qVMD2——膜與冷壁表面之間的導熱量，W/m2；

JVMD——真空式膜蒸餾的膜通量，g/（m2·s）；

RP——跨膜黏性流動質阻，（m2·s·Pa）/g；

ppb——冷壁表面蒸汽壓力，Pa；

μwv——膜孔內氣體動力黏度，Pa·s；

νwv——膜孔內氣體比容，m3/kg；

Hvc——膜與冷壁表面的間隙，m。

4氣隙式膜蒸餾的性能方程

氣隙式膜蒸餾的工作原理如圖3所示。氣隙式膜蒸餾工作時，熱側料液中水分汽化穿膜后，經過一個空氣間隙到達冷壁被冷卻為冷凝液排出。

圖3　氣隙式膜蒸餾

對氣隙式膜蒸餾的工作過程作如下簡化：

（1）膜熱側表面溫度tfm、料液溫度tf、熱源溫度tH近似相等，膜熱側表面蒸汽壓力pfm近似為溫度tfm時純水的飽和蒸汽壓，冷壁表面蒸汽壓力ppb近似等于冷源溫度tL時純水的飽和蒸汽壓。

（2）膜蒸餾過程的熱阻主要為膜與冷壁表面之間空氣氣隙的導熱熱阻。

（3）蒸汽穿過膜孔的機理主要是努森擴散和分子擴散。

（4）蒸汽在氣隙中的傳質速率正比于氣隙兩側的壓差。

此時，氣隙式膜蒸餾的性能方程為：

式中GORAGMD——氣隙式膜蒸餾的造水比，無因次；

qAGMD1——料液中水汽化消耗的熱量，W/m2；

qAGMD2——氣隙導熱量，W/m2；

JAGMD——氣隙式膜蒸餾的膜通量，g/（m2·s）；

RAG——氣隙質阻，（m2·s·Pa）/g；

Hag——氣隙寬度，m；

Tag——氣隙溫度，K；

pago——氣隙總壓，Pa；

pag——氣隙內蒸汽壓力，Pa；

Dwaag——氣隙中水蒸氣在空氣中的擴散系數，m2/s。

5氣掃式膜蒸餾的性能方程

氣掃式膜蒸餾的工作原理如圖4所示。氣掃式膜蒸餾工作時，熱側料液中水分汽化穿膜后，被吹掃氣帶走，流經冷壁時蒸汽冷卻為冷凝液排出。

對氣掃式膜蒸餾的工作過程作如下簡化：

（1）膜熱側表面溫度tfm、料液溫度tf、熱源溫度tH近似相等，膜熱側表面蒸汽壓力pfm近似為溫度tfm時純水的飽和蒸汽壓，冷壁表面蒸汽壓力ppb近似等于冷源溫度tL時純水的飽和蒸汽壓。（2）吹掃氣在通道內狀態近似為冷源溫度tL時的飽和濕空氣。（3）蒸汽穿過膜孔的機理主要是努森擴散和分子擴散。（4）膜表面與吹掃氣之間的傳熱與傳質符合相似準則。

圖4　氣掃式膜蒸餾

此時，氣掃式膜蒸餾[6]的性能方程為：

式中GORSGMD——氣掃式膜蒸餾的造水比，無因次；

qSGMD1——料液中水汽化消耗的熱量，W/m2；

qSGMD2——吹掃氣換熱量，W/m2；

JSGMD——氣掃式膜蒸餾的膜通量，g/（m2·s）；

RSG——氣掃質阻，（m2·s·Pa）/g；

Tsg——吹掃氣溫度，K；

hmsg——氣掃傳質系數，m/s；

α——吹掃氣對流換熱系數，W/（m2·K）。

6四種膜蒸餾技術的性能對比分析

（1）膜通量和造水比隨熱源溫度的變化

取膜孔半徑Rmb=0.1×10-6m，膜壁厚度Hmb= 0.15×10-3m，膜壁孔隙率Ckx=0.75，彎曲因子Cwk= 1/Ckx，真空式膜蒸餾中膜與冷壁間隙Hvc=0.5×10-3m，氣隙膜蒸餾中氣隙寬度Hag=0.5×10-3m，氣掃式膜蒸餾中，α/hmsg≈900，取α≈30 W/（m2·K），hmsg≈0.033 m/s（60～90℃范圍內）。

取熱源與冷源溫差tH-tL=5℃。熱源溫度tH在70～95℃之間變化時，膜通量和造水比的變化如圖5和圖6所示。由圖6可見，熱源溫度升高時，料液中水分汽化壓力升高，蒸汽擴散的推動力增加，使膜通量增加，有效熱負荷增加，造水比隨之增加。四種膜蒸餾技術中，真空式膜蒸餾比其他膜蒸餾的蒸汽流動要多一條途徑（黏性流動），故其膜通量最大，造水比最高。氣隙式膜蒸餾和氣掃式膜蒸餾由于氣隙和吹掃氣的傳質阻力較大，故其膜通量偏小，但由于氣隙和吹掃氣的熱阻也很大，無效熱負荷小，故其造水比也較大。直接接觸式膜蒸餾由于冷凝液對穿膜蒸汽的吸收很快，故其膜通量僅次于真空式膜蒸餾。直接接觸式膜蒸餾由于跨膜導熱引起的無效熱負荷較大，故其造水比也較低，但當料液溫度增高時，其造水比增加很快，與其他膜蒸餾相比相差值可小于10％。

圖5　熱源溫度對膜通量的影響

圖6　熱源溫度對造水比的影響

（2）膜通量和造水比隨熱源冷源溫差的變化

其他參數同上，取熱源溫度tH=90℃，冷源溫度tL在60～85℃之間變化時，膜通量和造水比變化如圖7和圖8所示。由圖8可見，熱源溫度一定，冷源溫度升高使二者溫差減小時，蒸汽跨膜流動的推動力減小，膜通量降低；而熱源與冷源溫差減小時，膜蒸餾過程的無效熱負荷減小，故造水比增加。

圖7　冷源溫度對膜通量的影響

圖8　冷源溫度對造水比的影響

（3）膜通量和造水比隨膜孔半徑的變化

其他參數同上，取熱源溫度tH=85℃，冷源溫度tL=80℃，膜孔半徑Rmb在（0.05～0.3）×10-6m之間變化時，膜通量和造水比變化如圖9和圖10所示。由圖10可見，膜孔半徑增大時，蒸汽跨膜流動的阻力減小，故膜通量增加；尤其是真空式膜蒸餾，其黏性流動項對膜孔半徑較敏感，故其增加幅度最顯著；膜通量增加使膜蒸餾過程的有效熱負荷增加，而無效熱負荷基本不變，故膜孔半徑增加時造水比也隨之提高。

圖9　膜孔半徑對膜通量的影響

圖10　膜孔半徑對造水比的影響

7結論與建議

當熱源溫度升高、膜孔半經增大時，膜蒸餾的膜通量和造水比均可有效提高，可作為工藝優化和膜材料發展的基本方向。四種膜蒸餾技術中，真空式膜蒸餾的造水比和膜通量均較高，但需要配置真空單元，系統較復雜；氣隙式膜蒸餾和氣掃式膜蒸餾的造水比也較高，但膜通量偏小，不利于產業化應用；直接接觸式膜蒸餾在合理的工作溫度和膜參數下，具有較高的膜通量，造水比也可接近真空式膜蒸餾，且裝置簡單，易于產業化，具有較好的綜合優勢。

參考文獻

[1]Chi Yang,Miaomiao Tian,Yingming Xie,et al.Effective evaporation of CF4plasma modified PVDF membranes in direct contact membrane distillation [ J].Journal of Membrane Science，2015，482：25-32.

[2]Olof Andrjesdottir，Chin Lee Ong，Majid Nabavi，et al.An experimentally optimized model for heat and mass transfer in direct contact membrane distillation [ J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，66：855-867.

[3]丁忠偉.膜蒸餾的膜組件性能及動態過程研究[D].北京：北京化工大學，2001.

[4]李暢.減壓膜蒸餾過程模擬及通量強化研究[D].天津：天津大學，2012.

[5]V Soni,J Abildskov,G Jonsson.Modeling and analysis of vacuum membrane distillation for the recovery of volatile aroma compounds from black currant juice [J].Journal of Membrane Science，2008，320：442-455.

[6]Khayet M,Godino M P,Mengual J I.Theoretical and experimental studies on desalination using the sweeping gas membrane distillation method [ J].Desalination,2003,157:297-305.

Performance and Development Analysis of Typical Membrane Distillation Technology

Jia Xiaomin Chen Dong Xie Jihong Yang Rongxin

Abstract：Membrane distillation has many properties such as evaporating at normal pressure and low temperature,and separating high concentration liquids easily.Based on the analysis of the working process of four kinds of typical membrane distillation technologies,the performance equations of each are established and the gained output ratio and membrane flux at different working temperatures and membrane parameters are calculated and analyzed.The results show that the vacuum membrane distillation has higher gained output ratio and membrane flux,while the air gap membrane distillation and the sweeping gas membrane distillation have higher gained output ratio but lower membrane flux.Meanwhile,the performance of the direct contact membrane distillation is highly sensitive to the working temperatures and membrane parameters that the higher gained output ratio and membrane flux can only be obtained under suitable conditions.

Key words：Membrane distillation; Membrane flux; Gained output ratio; Performance equation; Vapor; Heat source

收稿日期：（2015-12-23）

中圖分類號TQ 028.8

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.005