中空纖維束-套管型氣隙式膜蒸餾組件研制與測(cè)試

宋金柱* 陳 東 謝繼紅 金 程 樊佳琪

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 背景

濃縮是指將料液濃度提高的單元操作，常用的濃縮方法有蒸發(fā)濃縮、冷凍濃縮、膜蒸餾濃縮等。蒸發(fā)濃縮是通過加熱的方式將料液中的溶劑汽化，從而使料液濃度增大[1]；冷凍濃縮通過低溫冷凍的方式將料液中的溶劑冷凍成固態(tài)并分離，使溶質(zhì)濃度增大[2]；膜蒸餾利用疏水微孔膜只允許蒸汽透過的特性，使料液中的溶劑在膜壁汽化后穿過膜，實(shí)現(xiàn)料液濃縮的目的，該方法具有可在常壓下低溫濃縮，可處理中高濃度料液等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

根據(jù)穿膜蒸汽的冷凝方式不同，膜蒸餾可分為直接接觸式膜蒸餾、氣隙式膜蒸餾、氣掃式膜蒸餾、真空式膜蒸餾和吸收式膜蒸餾等[5]。直接接觸式膜蒸餾通量較大，但熱效率較低；氣掃式膜蒸餾熱損失較小，但裝置體積較大；真空式膜蒸餾通量大，但設(shè)備成本較高；吸收式膜蒸餾的操作溫度較低，但膜破損易污染料液；氣隙式膜蒸餾的通量較低，但熱效率高，操作便捷，具有很好的工程實(shí)用性[6]。

薛喜東等[7]設(shè)計(jì)了基于流道式隔板的板式氣隙膜蒸餾組件，在膜蒸餾組件的料液隔板中引入了鋸齒狀蛇形流道。李卜義等[8]設(shè)計(jì)了中空纖維氣隙式膜蒸餾組件，該膜蒸餾組件加入了隔熱管狀隔網(wǎng)并采用螺旋纏繞方式進(jìn)行編排。薛喜東等[9]設(shè)計(jì)了可改變中空纖維膜材料和中空纖維冷凝管纏繞層數(shù)的氣隙式膜蒸餾組件來滿足產(chǎn)水速率的需求。Aryapratama等[10]設(shè)計(jì)了多冷卻通道中空纖維氣隙式膜蒸餾組件，將中空不銹鋼管作為氣隙式膜蒸餾組件的冷壁。上述氣隙式膜蒸餾組件均具有較好的綜合性能，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作困難，不利于產(chǎn)業(yè)化。基于此研究背景，研制了一種結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、制作較方便的中空纖維束-套管型氣隙式膜蒸餾組件，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 膜蒸餾組件的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 膜蒸餾組件結(jié)構(gòu)

中空纖維束-套管型氣隙式膜蒸餾組件的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖 1 中空纖維束-套管型氣隙式膜蒸餾組件

圖1 中膜蒸餾組件主要由金屬套管、中空纖維疏水膜和殼體3 部分構(gòu)成。殼體內(nèi)部安裝有多根銅管，每根銅管內(nèi)裝有多根聚丙烯中空纖維疏水膜，中空纖維疏水膜與銅管之間的間隙介質(zhì)為空氣，銅管與殼體之間使用定位孔板固定，中空纖維疏水膜與套管上端口之間采用膠密封，各個(gè)部件的主要參數(shù)可見表1。

表 1 中空纖維束-套管型氣隙式膜蒸餾組件參數(shù)表

1.2 膜蒸餾組件工作原理

熱料液進(jìn)入膜蒸餾組件的中空纖維疏水膜內(nèi)，溶劑（通常為水）在膜內(nèi)壁表面汽化，并穿過膜壁進(jìn)入中空纖維疏水膜外的銅管，溶劑蒸汽進(jìn)一步穿過氣隙到達(dá)銅管內(nèi)壁處冷卻凝結(jié)，冷卻液從銅管外逆向流動(dòng)，使銅管內(nèi)的溶劑蒸汽被冷凝液化并流出膜蒸餾組件，達(dá)到熱料液濃縮的目的。

2 膜蒸餾組件性能指標(biāo)及測(cè)試裝置

2.1 膜蒸餾組件的性能指標(biāo)

（1）膜通量

膜通量J 為單位膜面積單位時(shí)間內(nèi)的冷凝液產(chǎn)量，其計(jì)算式為：

式中：J——膜通量，kg/(m2·h)；

m——膜蒸餾組件產(chǎn)生的冷凝液的質(zhì)量，kg；

S——膜的有效面積，m2；

t——裝置運(yùn)行時(shí)間，h。

（2）熱效率

熱效率η 為膜蒸餾組件產(chǎn)生的冷凝液汽化所需的潛熱量與膜蒸餾過程中消耗的總熱量的比值，其計(jì)算式為：

式中：η——膜蒸餾組件熱效率，無因次；

Qm1——膜蒸餾過程中產(chǎn)生的冷凝液汽化的耗熱量，W；

Qm2——跨膜壁導(dǎo)熱量，W。

（3）截留率

截留率R 是膜阻止料液中非溶劑組分通過或截留其中某一組分的能力，非揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液常用的截留率計(jì)算公式為：

式中：R——截留率，無因次；

CP——冷凝液中非揮發(fā)性溶質(zhì)濃度，無因次；

CF——料液中非揮發(fā)性溶質(zhì)濃度，無因次。

2.2 性能測(cè)試裝置

中空纖維束-套管型氣隙式膜組件性能測(cè)試裝置包括料液循環(huán)單元和冷卻液循環(huán)單元。料液循環(huán)單元由帶加熱器的料液罐、料液泵、調(diào)節(jié)閥、中空纖維束-套管型氣隙式膜蒸餾組件依次連接構(gòu)成；冷卻液循環(huán)單元由冷卻液罐、冷卻液泵、冷卻器、中空纖維束-套管型氣隙式膜蒸餾組件依次連接構(gòu)成，該裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

該裝置性能測(cè)試具體過程為：料液在料液罐內(nèi)加熱到設(shè)定溫度后，通過料液泵進(jìn)入膜蒸餾組件的中空纖維疏水膜中進(jìn)行濃縮過程，料液從膜蒸餾組件出來后返回料液罐。冷卻液通過冷卻液泵從冷卻液罐進(jìn)入冷卻器，冷卻至設(shè)定溫度后，冷卻液進(jìn)入膜蒸餾組件的銅管外空間，使銅管內(nèi)蒸汽冷凝并隨冷卻液排出膜蒸餾組件返回到冷卻液罐中。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 料液為自來水

以自來水為料液時(shí)的測(cè)試工況為：料液流量為7.68 g/s，料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度為32.9 ℃；冷卻液流量為15.5 g/s，冷卻液進(jìn)入膜蒸餾組件時(shí)的溫度為23.4 ℃；裝置工況穩(wěn)定后運(yùn)行30 min，產(chǎn)水質(zhì)量為16.6 g。此時(shí)膜蒸餾組件的膜通量為0.559 kg/（m2·h），熱效率為63.56%。

3.2 料液為蘋果汁

以濃度為11Brix 的蘋果汁為料液時(shí)的測(cè)試工況為：料液流量為10 g/s，料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度為42.5 ℃；冷卻液流量為15.5 g/s，冷卻液進(jìn)入膜蒸餾組件時(shí)的溫度為10.7 ℃；裝置工況穩(wěn)定后運(yùn)行為30 min，產(chǎn)水質(zhì)量為49.7 g，產(chǎn)水濃度為0.3Brix，此時(shí)膜蒸餾組件的膜通量為1.673 kg/（m2·h），熱效率為36.95%，截留率為97.27%。

3.3 料液為LiBr水溶液

以50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的LiBr 水溶液為料液時(shí)的測(cè)試工況為：料液流量為9.14 g/s，料液進(jìn)膜蒸餾組件溫度為46.9 ℃，冷卻液流量為15.5 g/s，冷卻液進(jìn)入膜蒸餾組件的溫度為9.6 ℃；裝置工況穩(wěn)定后運(yùn)行20 min，產(chǎn)水質(zhì)量為16.4 g，產(chǎn)水電導(dǎo)率為0.415 mS/cm。此時(shí)膜蒸餾組件的膜通量為0.828 kg/（m2·h），熱效率為33.55%。

4 結(jié)論

研制了一種中空纖維束-套管型氣隙式膜蒸餾組件，該膜組件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、截留率高、料液適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。采用自來水、11Brix 蘋果汁、50%LiBr 水溶液三種料液對(duì)膜蒸餾組件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：料液進(jìn)入膜蒸餾組件溫度為32.9～46.9 ℃，料液流量為7.68～10 g/s，冷卻液流量為15.5 g/s，冷卻液進(jìn)膜蒸餾組件溫度為9.6～23.4 ℃時(shí)，膜蒸餾組件的膜通量為0.559～1.673 kg/(m2·h)，熱效率為33.55%～63.56%。