膜蒸馏实验

膜蒸馏试验

班级：应化1301 姓名：刘一芃 学号：201306786 班号：07

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。

（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。

通量的计算方法如下：?? =

m1 ? m2τA

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：

?? = ??(????????????? )

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。

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。温度极化现象严重程度用温度极化系数（TPC）的大小衡量，其定义式如下：

pm

TPC = fm t?t

f

p

t?t

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。

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ΔH—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 1100 W/m2·℃

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：

膜组件流道当量直径的计算：

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：热侧普朗特数：热侧努赛尔数：

热侧对流传热系数： （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 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；

Δpi—挥发性组分在膜两侧的蒸汽压差，Pa； M—水的摩尔通量，kg/mol；

R—通用气体常数，8.314 ； KkJ/mol ? 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； Δp—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：

另外，上式中：

VMD 温度极化系数：，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：

式中∝??—料液侧对流传热系数，；

tf—料液温度，℃；

tfm—料液侧膜表面处的温度，℃； ΔH—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。

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 规格 隔膜泵 DTY-8A 参数 1500W，±1℃ 180W，极限真空度；98kPa 1000W 流道：170mm×60mm×2mm Φ0.15×03.15 最大称量：4100g，分度值0.1g 备注 恒温循环 器 热侧循环 器 制冷机 真空泵 装置参 数 电加热器 膜组件 热水槽 SHB-B95 自制 聚四氟乙烯疏水微 孔膜 塑料桶 电子天平 ARD110 自制 名称 缓冲罐 Φ0.11m×0.19m 传感元件及仪表参数 不锈钢 显示仪表 仪表序号

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