以太阳能为热源的真空膜蒸馏组件与系统研究

膜蒸馏是一种新型的膜分离技术,可用于海水和苦咸水淡化等领域。目前膜蒸馏海水淡化存在水通量低、产水成本高等问题,制约了其大规模应用。因此,深入研究膜蒸馏系统,提高膜蒸馏海水淡化的产率、降低产水成本,具有重要的现实意义。本文将真空膜蒸馏与太阳能集热系统结合,从真空膜蒸馏过程设计出发,同时对中空纤维膜组件、操作条件等因素对膜蒸馏过程通量的影响进行了模拟优化,并在此基础上进一步研究太阳能真空膜蒸馏集成工艺。 论文首先考察了中空纤维膜组件装填系数、组件长径比、操作条件、膜结构等对真空膜蒸馏过程的影响。结果表明:膜通量随组件装填系数增加而增加,在装填系数约为11%时达到最大值,随着装填系数继续增加,膜通量减少;膜通量随组件长径比增加而减少,产水量随组件长径比增加而增加,综合以上两方面的因素,组件长径比在4.3-5左右时比较合适;进料温度增加,膜通量显著增加;料液在层流状态下,膜通量随料液流速增加而显著增加,在湍流状态下,膜通量随料液流速增加不明显;增加真空度可以显著提高膜通量;平均孔径适中、空隙率大、厚径比小的膜具有较好的真空膜蒸馏性能。 其次,基于能量衡算建立了膜管内热量传递方程,利用数值逼近法对中空纤维膜内温度分布进行了模拟计算;基于气相传质关联式,将装填系数等膜组件参数以壳程传质系数形式进行关联;在此基础上利用总传质系数计算真空膜蒸馏的膜通量。通过实验结果与模拟计算结果的比较表明,该模型具有较高的准确性。模型模拟了膜组件参数及膜蒸馏操作条件对真空膜蒸馏过程中温度和通量的影响规律,并为预测系统通量、优化系统操作条件提供了理论依据和指导。 最后,以杭州地区太阳辐射的理论数据为基础,计算了太阳能真空膜蒸馏集成工艺的生产能力,并研究太阳辐射强度、组件连接方式、组件数目等因素对该工艺的影响。结果表明:我国沿海地区太阳能资源丰富,年产水量约为954kg·m-2（太阳能集热板）。较合适的太阳能集热板面积与膜面积的比例约为11:1。太阳能真空膜蒸馏集成工艺的日产水量随太阳辐射强度增加而显著增加,阴雨天气时工艺无法正常运行。集成工艺的最大膜通量达14L·m-2·h-1。工艺中组件连接方式对通量和产水量影响不大。集成工艺的通量随组件数目的增加而降低,产水量随组件数目的增加而增加。