膜蒸馏海水淡化过程中的两相流强化实验研究

以膜蒸馏海水淡化为研究背景,引入气液两相流技术,分别将氮气和低压水蒸气通入炭膜管内对膜蒸馏过程进行强化,并通过实验考察不同操作条件下的两相流强化效果。结果表明:通入两种气体后均可有效提高渗透通量,水蒸气的强化效果更好;渗透通量随氮气流量的增大先增大后缓慢减少,随水蒸气流量的增大持续增大;料液入口温度较低和浓度较高时,膜蒸馏两相流强化传质效率较高;料液入口温度越高,氮气与水蒸气的强化传质效率差别越小。研究结果将为进一步探究膜蒸馏强化过程奠定基础。     

吸收膜蒸馏的传热传质过程

由于吸收膜蒸馏系统的进料液和吸收液的温度非常接近甚至相同,其传热过程无相变热损失,有可能实现能耗较低的膜蒸馏过程,本文尝试开展吸收膜蒸馏法海水淡化研究。首先分别以葡萄糖水溶液和氯化钙水溶液为吸收液进行吸收膜蒸馏海水淡化实验,结果表明氯化钙吸收液时的膜通量明显高于葡萄糖吸收液时的膜通量。其次建立了吸收膜蒸馏过程的质量和热量传递模型,并对模型进行了计算,模型计算值与实验值非常接近。最后对葡萄糖水溶液和氯化钙水溶液分别作吸收液时对传质系数和极化现象的影响进行了计算分析,结果显示,氯化钙水溶液作吸收液时传质系数约为葡萄糖水溶液的1.7倍;且极化现象造成的蒸气压力差减小的值为后者的1/4左右。     

吸收膜蒸馏的传热传质过程

由于吸收膜蒸馏系统的进料液和吸收液的温度非常接近甚至相同,其传热过程无相变热损失,有可能实现能耗较低的膜蒸馏过程,本文尝试开展吸收膜蒸馏法海水淡化研究。首先分别以葡萄糖水溶液和氯化钙水溶液为吸收液进行吸收膜蒸馏海水淡化实验,结果表明氯化钙吸收液时的膜通量明显高于葡萄糖吸收液时的膜通量。其次建立了吸收膜蒸馏过程的质量和热量传递模型,并对模型进行了计算,模型计算值与实验值非常接近。最后对葡萄糖水溶液和氯化钙水溶液分别作吸收液时对传质系数和极化现象的影响进行了计算分析,结果显示,氯化钙水溶液作吸收液时传质系数约为葡萄糖水溶液的1.7倍;且极化现象造成的蒸气压力差减小的值为后者的1/4左右。     

通气强化气隙式膜蒸馏质量传递数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)方法对通气强化气隙式膜蒸馏(AGMD)过程进行了数值模拟,并探讨了强化过程的传质机理。利用FLUENT软件结合流体体积函数(VOF)模型,以通气强化过程膜管内的气液两相流体为研究对象,设定氯化钠溶液为分离介质,氮气为强化介质进行模型建立与模拟分析。结果表明:渗透通量模拟数据与实验数据基本吻合;通气可增大渗透通量(J)与传质系数(k),降低浓度极化率(CPC),有利于膜蒸馏过程;浓度分布模拟结果可用于预测局部浓度极化程度;由拟合出的通气强化过程传质系数关联式的形式,可知过渡扩散-泊肃叶流传质机理比过渡扩散传质机理更接近于通气强化膜蒸馏真实传质过程。基于气体在多孔介质中的传质理论,通过合理建模并设定模拟参数,可研究通气强化传质过程的影响因素(文中为气含率)对强化效果的影响,该方法也可推广应用于研究多影响因素的膜蒸馏强化传质过程。     

氯化钠水溶液膜蒸馏过程的传质传热数值模拟

利用自制管式煤基炭膜开展膜蒸馏氯化钠溶液(模拟海水)的研究。在实验的基础上,采用计算流体力学方法进行模拟,用C语言编写UDF后代入FLUENT软件,结合实验数据计算得到相关传质过程参数。二维传质模拟结果表明,沿流体流动方向,管内浓差极化因子逐渐增大、传质系数降低;在料液入口温度为60℃、浓度10 g/L时,随着流量的增加,传质系数增大。三维传热模拟结果表明,在料液流量40 L/h、温度60℃、质量浓度20 g/L情况下,沿流动方向,膜管内压力降低,管中心速度增加,温度降低;边界层充分发展后,管内速度分布基本保持不变。     

阻垢剂对海水淡化膜蒸馏试验的影响

采用直接接触式膜蒸馏技术进行海水淡化试验研究。在海水温度为55℃,循环水温度为20℃的条件下,考察了不同阻垢剂用量对膜蒸馏海水淡化的影响、工艺连续运行过程中膜通量和产水电导率随时间的变化情况,确定了膜蒸馏过程稳定运行的最优浓缩倍率。结果表明,阻垢剂的加入可明显提高淡水的产水率,产水率可达到85%以上,减少了高盐度海水浓缩液的排放,膜通量稳定,产水水质好,其电导率不超过10μS/cm,膜蒸馏海水淡化具有一定的技术可行性和可操作性。     

真空膜蒸馏海水淡化技术研究进展分析

真空膜蒸馏海水淡化运行压力低、截留率高、设备简单,可充分利用舰船动力系统冷却海水余热,有望用于新型舰船海水淡化装置研制.文中总结了真空膜蒸馏海水淡化主要特征、过程机理,分析真空膜蒸馏海水淡化过程的影响因素:膜疏水性与结构参数、海水温度与流速、操作真空度及膜污染,并在此基础上展望膜蒸馏海水淡化技术的未来研究方向.     

气隙式膜蒸馏NaCl溶液的两相流强化

以膜蒸馏海水淡化为研究背景,采用气液两相流技术,对疏水改性管状陶瓷膜进行气隙式膜蒸馏模拟海水(NaCl溶液)强化实验研究。研究结果表明,在膜管内通入气体形成两相流后,去离子水和NaCl溶液的强化传质效率分别达到30.36%和28.57%。两相流过程强化影响因素的实验分别考察了料液温度、料液浓度和气体流量对渗透通量的影响,结果表明:在实验范围内,渗透通量随料液温度的升高而显著增大,且相比未通气体时增加了12%~44%;料液浓度增大导致渗透通量减小;气体的通入使得渗透通量增大,但当气体流量超过40L/h后,渗透通量却呈现缓慢下降的趋势;在体积气含率为0.5时的两相流强化效果最好,高速摄像仪拍摄到的现象很好地解释了该实验结果。研究结果将为进一步探究膜蒸馏强化过程的研究奠定基础。     

聚丙烯平板微孔膜膜蒸馏海水淡化研究

采用热致相分离法制备了聚丙烯平板微孔膜,并对自制平板膜组件的膜蒸馏海水淡化性能进行了研究。探讨了膜制备条件及海水流量、温度、膜后真空度等真空膜蒸馏过程操作条件对聚丙烯平板膜组件海水淡化性能的影响,自制组件连续运行的小试结果表明:当真空侧压力为3kPa,进料温度为323.15K,流量为50L/h时,天津市渤海湾海水膜蒸馏过程的平均水通量达10.56kg/m·2h,产品水的脱盐率均在99.8%以上。     

T形强化传热管在海水淡化器中的应用

本文用蒸馏法对海水进行淡化,将T形强化传热管用于海水淡化器中,并对T形管和光滑管的海水沸腾换热进行了对比实验测定。实验结果表明,采用T形强化传热管后,过热度由光滑管的8℃左右降低为5℃左右;管外传热膜系数增加80％;长期运行,T形管热阻只增加15％,而光滑管增加100％。采用T形管强化海水沸腾,将大大降低能耗,有很好的工业应用前景。     

新型气隙式膜蒸馏组件脱盐过程

利用基于聚丙烯中空纤维膜和聚丙烯中空纤维换热管的新型能量回收式膜组件(AGMD-HF),以70 g·L^-1的氯化钠溶液为研究对象,考察了膜组件长度和膜孔径大小对膜组件脱盐性能的影响。为直接衡量操作条件、组件参数以及温差、浓差极化现象对传质系数的影响,引入总传质系数,并研究进料温度和膜孔径对总传质系数的影响。实验结果表明,总传质系数随着温度的升高、膜孔径的增大而增大,提高膜孔径可有效提高总传质系数,同时可有效提高通量和造水比。通量随组件长度的增大而减小,而造水比增大,因此在应用过程中可综合考虑通量和造水比以便选择合适的组件长度。     

膜蒸馏跨膜传质过程的新模型--TPKPT

以纯水为介质,用直接接触式膜蒸馏测定了材料或性能参数不同的三种孔疏水膜在不同温度下的渗透通量。根据测量结果计算出了各种膜在不同温度下的渗透系数,发现渗透系数均随着温度的升高而升高;这一结果说明Poiseuille流动在跨膜传质中起着非常重要的作用。据此提出了Knudsen扩散－Poiseuille流动两参数跨膜传质模型,即TPKPT模型。用此模型拟合实验数据,得到了三种实验用膜的模型参数。用这些模型参数计算膜在不同温度下的渗透系数,其值与实验测量值吻合较好,说明TPKPT模型能较好地描述膜蒸馏的跨膜传质过程。     

新型中空纤维空气隙式膜蒸馏用于海水淡化

利用自制的添加隔热管状隔网并呈螺旋缠绕结构编排的中空纤维膜组件进行了空气隙式膜蒸馏(AGMD)海水淡化过程性能研究, 实验以模拟标准海水(质量分数3.5%, 总溶解性固体含量35000 mg·L^-1)为热料液进水, 考察了热料液进水温度、热料液流量、冷凝液进水温度和冷凝液流量对膜通量、造水比和热效率的影响。结果表明, 随着热料液进水温度增加, 膜通量、造水比和热效率均增加;冷凝液进水温度增加, 膜通量下降而造水比和热效率增加;热料液流量增加, 膜通量上升而造水比和热效率明显下降;冷凝液进水流量对膜蒸馏过程性能影响较小。实验过程中产水TDS始终保持在3.0 mg·L^-1以下, 相应的离子去除率高于99.99%, 膜通量、造水比和热效率最高可分别达5.87 L·m^-2·h^-1、5.37和0.943。研究表明, 引入清洁能源取代传统电加热驱动热源将进一步突出膜蒸馏技术的实际应用潜力。     

膜蒸馏技术研究及应用进展

膜蒸馏作为一种新型分离技术,具有操作温度低、设备简单、脱盐率高等特点,在海水淡化、苦咸水脱盐、果汁浓缩等过程具有良好的应用前景。本文简述了膜蒸馏的工作原理、特点和膜材料的制备方法,指出当前膜材料的研究方向。综述了直接接触式、气隙式、真空式和气扫式4种基本膜蒸馏形式和几种改进的膜蒸馏形式的传热传质原理、研究现状和发展方向。重点介绍了可再生能源以及工业低温余热驱动膜蒸馏的技术特点、研究现状和应用,包括太阳能光伏/光热驱动膜蒸馏技术、太阳能热泵耦合驱动膜蒸馏技术、太阳池膜蒸馏技术、地热能梯级利用驱动膜蒸馏技术和低温余热驱动膜蒸馏技术等,并指出其发展方向。最后,探讨了膜蒸馏技术亟待研究和解决的问题,为该技术的进一步发展提供参考。     

A new model for mass transfer in direct contact membrane distillation

The mass transfer process in direct contact membrane distillation (DCMD) for three kinds of membranes was measured. Water fluxes at different temperatures and the membrane distillation coefficients (MDC) for each membrane were obtained directly from experimental data. The fact that the MDC values of membranes with larger pore size increase with temperature indicates that Poiseuille flow plays an important role in the process of mass transfer through the membrane. Based on this conclusion, a three-parameter model, named the Knudsen diffusion-molecular diffusion-Poiseuille flow transition (KMPT) model, was developed to predict MDC and water flux for membrane distillation. The parameters of the KMPT model for each membrane employed in this study, by which MDC at various temperatures can be determined, were evaluated by a nonlinear regression. The values of MDC and water fluxes for each membrane predicted by KMPT model agree well with that obtained directly from the experiment results. A large contribution of Poiseuille flow to mass transfer was observed and can be attributed to the distribution of large pores in the membranes. The KMPT model also provides a method for estimation of the effect pore size using the ratio of the MDCs; the ratio of the Poiseuille flow to molecular diffusion MDC provides the best estimation.     

电渗析脱盐过程离子传递现象的数值模拟

建立了电渗析脱盐过程离子传递稳态模型,研究了离子电荷数、离子扩散系数和离子交换膜电导率对脱盐过程传质的影响,描述了离子浓度分布、电势分布和离子传递通量分布的变化情况。研究表明:相较于一价离子,二价离子在电渗析过程中膜两侧浓度差较小,跨膜电压降较高,各项传递通量较小;当离子扩散系数增大时,膜两侧浓度差减小,跨膜电压降升高,总传递通量和电迁移通量增大;当离子交换膜电导率增大时,膜两侧浓度差增大,跨膜电压降降低,各项传递通量均增大。     

减压膜蒸馏过程纤维膜表面热质传递特征模拟分析

采用CFD数值模拟的方法,建立了错流式单根中空纤维减压膜蒸馏过程的三维计算模型,对纤维膜表面不同位置的局部热量和质量传递特征进行了研究。研究结果表明,纤维膜表面的速度分布、温度分布、对流传热系数分布以及蒸发速率均随着位置的改变而改变,且具有相似的规律,在相位角60°到90°之间有最大值,而在相位角0°和180°附近其值较小;料液流速显著影响纤维膜表面的热质传递参数的分布,蒸发速率和传热系数均随着流速的提高而增大;传热系数随着真空度的提高而迅速降低。本研究结果加深了对中空纤维减压膜蒸馏过程的认识,对膜过程强化具有指导意义。     

Modeling of water transport through nanopores of membranes in direct‐contact membrane distillation process

In this research, computational fluid dynamic simulation of direct‐contact membrane distillation process is carried out. The process consists of a nanoporous flat‐sheet membrane as contactor, a saline liquid feed, and permeate phase. The flow pattern is considered to be counter‐current. The aim of the process is to produce pure water from saline water. Heat and mass transfer equations are derived and solved for water by finite element analysis. The simulations are then validated by comparing simulation predictions with the experimental data reported in literature. Good agreement was obtained which confirmed the validity of simulation procedure in simulation of water desalination using membrane distillation. Diffusion of water vapor through pores of membrane is simulated by combination of the Knudsen and Poiseuille flow. POLYM. ENG. SCI., 54:660–666, 2014. © 2013 Society of Plastics Engineers     

快速变压吸附制氧动态传质系数模拟分析

研究快速变压吸附制氧过程中的传质过程,结合实验数据对全局动态传质系数与常数传质系数进行对比模拟分析,并考察各传质阻力对传质效果的影响。结果表明：基于轴向、膜扩散和孔扩散估算的动态传质系数是有效的。膜阻力是主要阻力,其次是轴向扩散阻力,大孔扩散阻力较小,微孔扩散阻力可忽略。在快速变压吸附中,由于气速和温度变化较快,传质系数也会有较大变化,总体趋势是传质系数随着温度和气速的升高而升高。采用恒定传质系数无法准确描述吸附塔内各个时间点、空间点上的传质行为,根据各节点状态计算出的动态估算传质系数能够与吸附塔内的行为有较好的吻合度,模型具有较高的可信性。