以太阳能为热源的真空膜蒸馏组件与系统研究

【摘要】： 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。 【关键词】：真空膜蒸馏 膜组件 装填系数 操作条件 数学模型 太阳能
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TQ028.8
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 第一章 绪论9-27
• 1.1 背景9-11
• 1.1.1 传统的海水淡化技术9-11
• 1.2 膜蒸馏11-24
• 1.2.1 膜蒸馏的基本概念与分类11-13
• 1.2.2 膜蒸馏用膜13-15
• 1.2.3 操作条件研究15-16
• 1.2.4 膜蒸馏组件和操作方式的研究16-18
• 1.2.5 传质机理的研究18-23
• 1.2.6 膜蒸馏与其他膜过程的集成23-24
• 1.3 太阳能膜蒸馏的研究24-25
• 1.4 课题的提出25-27
• 第二章 真空膜蒸馏组件及操作条件的研究27-40
• 2.1 实验部分27-30
• 2.1.1 实验材料27-28
• 2.1.2 实验装置与方法28-30
• 2.2 结果和讨论30-38
• 2.2.1 组件装填密度的影响30-31
• 2.2.2 组件长径比的影响31-32
• 2.2.3 料液温度的影响32-33
• 2.2.4 料液流速的影响33-35
• 2.2.5 下游侧压力的影响35-36
• 2.2.6 不同膜的影响36-38
• 2.3 本章小结38-40
• 第三章 真空膜蒸馏过程的数学建模40-55
• 3.1 数学模型的建立40-42
• 3.2 数学模型的求解42-44
• 3.3 模型的校验44-54
• 3.3.1 温度分布模型的校验44-47
• 3.3.2 通量模拟结果的校验47-52
• 3.3.3 真空膜蒸馏过程的模拟结果52-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第四章 太阳能真空膜蒸馏集成工艺的研究55-69
• 4.1 太阳能真空膜蒸馏的可行性分析55-59
• 4.2 实验部分59-61
• 4.2.1 实验材料59
• 4.2.2 实验装置和方法59-61
• 4.3 结果与讨论61-67
• 4.3.1 太阳辐射强度对工艺的影响61-63
• 4.3.2 组件排布方式的影响63-65
• 4.3.3 组件数目的影响65-67
• 4.4 本章小结67-69
• 第五章 结论69-70
• 参考文献70-75
• 附录75-77
• 一、饱和水蒸汽表(按温度排列)75-77
• 硕士期间发表的论文77-78
• 致谢78

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