386 膜蒸馏研究课题-膜通量

386 膜蒸馏研究课题-膜通量

背景

产水速率取决于膜通量和膜面积，当装置要求的产水速率一定时，提高膜通量可以减少所需的膜面积，对降低装置初投资和运行费用（运行费用主要包括能耗费用和更换膜费用）均有重要影响。

膜通量影响要素

以气扫式膜蒸馏为例，膜能量基本方程为（式1）：

J=(p_WM-p_WA)/(R_M+R_SG)

式中，J为膜通量，p_WM为料液侧膜表面水蒸气压力，p_WA为吹扫气中水蒸气压力，R_M为水蒸气穿膜质阻，R_SG为水蒸气由吹扫气侧膜表面进入吹扫气中的对流传质质阻。

上式中，(p_WM-p_WA)主要由料液耐温和吹扫气冷却方式决定，提高空间有一定限制；R_M主要由膜材料及其微结构决定，发展空间不大；R_SG由吹扫气特性及其运行参数决定，有很大的发展空间。

如料液温度50℃，料液侧膜表面水蒸气压力约12000Pa；吹扫气为空气且冷却温度为30℃时，吹扫气内水蒸气压力约6000Pa；膜孔直径约0.2微米，孔隙率约0.85，膜厚约0.2mm时，水蒸气穿膜质阻约1500Pa.m².s/g；吹扫气在膜表面流速约3m/s时，水蒸气进入吹扫气的对流传质质阻约5000 Pa.m².s/g，此时的膜通量约：

(12000-6000)/(1500+5000)

=0.923g/(m².s) =3.3kg/(m².h)

如果吹扫气侧质阻R_SG能降至1500 Pa.m².s/g，则膜通量约为：

(12000-6000)/(1500+1500)

=2.000g/(m².s)=7.2kg/(m².h)

可以提高一倍以上。

降低吹扫气质阻方法

吹扫气侧的对流传质质阻是对流传质系数的倒数，即（式2）：

R_SG=0.0556RT_SG/α_MSG

式中，R为气体常数，J/(mol.K)；T_SG为吹扫气温度，K；α_MSG为吹扫气侧水蒸气进入吹扫气的对流传质系数，m/s。

对流传质系数可用下如公式估算（吹扫气在通道内流动，2000<uD_E/v<35000，0.6<v/D_M<2.5时）（式3）：

α_MSG =0.023(D_M/D_E)(uD_E/v)^0.83(v/D_M)^0.44

=0.023 D_M^0.56 u^0.83/(v^0.39D_E^0.17)

式中，D_M为水蒸气中吹扫气中的质扩散系数，m²/s；D_E为通道当量内直径，m；u为吹扫气流速，m/s；v为运动黏度，m²/s。

由式3可见，提高对流传质系数的主要路径如提高吹扫气流速、优化吹扫气流道、优化吹扫气类型等。

提高吹扫气流速强化传质

设基准参数为：

吹扫气为空气，温度约20℃，该温度下其物性为：

运动黏度

v=14.8*10^-6m²/s

质扩散系数

D_M=0.242*10^-4m²/s

v/ D_M =0.61

设空气流速
u=3.5m/s

空气通道当量直径约：

D_E=9.5mm

则u D_E/v

=3.5*0.0095/(14.8*10^-6)

=2246

基准参数下的对流传质系数为：

α_MSG =0.023 D_M^0.56u^0.83/(v^0.39D_E^0.17 )

=0.023* (0.242*10^-4)^0.56*3.5^0.83/((14.8*10^-6)^0.39*(0.0095)^0.17)

=0.023*0.002600*2.8286/(0.01307*0.4531)

=0.02856m/s

把吹扫气流速由3.5m/s提高到7.5m/s、其他参数同基准参数时的对流传质系数约为：

α_MSG=0.023* (0.242*10^-4)^0.56*7.5^0.83/((14.8*10^-6)^0.39*(0.0095)^0.17)

=0.023*0.0026*5.3248/(0.01307*0.4531)

=0.05377m/s

空气流速7.5m/s时对流传质系数约为3.5m/s时对流传质系数的倍数约：

0.05377/0.02856=1.88倍

优化吹扫气流道强化传质

设吹扫气流道当量直径降至5.0mm，其他参数同基准参数，此时对流传质系数为：

α_MSG=0.023* (0.242*10^-4)^0.56*3.5^0.83/((14.8*10^-6)^0.39*(0.005)^0.17)

=0.023*0.002600*2.8286/(0.01307*0.4063)

=0.03185 m/s

此时对流传质系数相对基准参数时的倍数：

0.03185/0.02856=1.12倍

优化吹扫气类型强化传质

通常可选的吹扫气如空气、氮气、二氧化碳、氩气、氢气、氦气、过热水蒸气等，以及适宜纯气体的混合气体等。

此处以吹扫气改用二氧化碳为例。20℃时二氧化碳的物性如下。

运动黏度约为：

v=8.26*10^-6m²/s

质扩散系数约为：

D_M=0.21*10^-4m²/s

设流速约
u=3.5m/s

吹扫气通道当量直径约：

D_E=9.5mm

此时对流传质系数约为：

α_MSG=0.023* (0.21*10^-4)^0.56*3.5^0.83/((8.26*10^-6)^0.39*(0.0095)^0.17)

=0.023*0.002401*2.8286/(0.01041*0.4531)

=0.03310m/s

相对空气在基准参数时对流传质系数的倍数约：

0.03310/0.02856=1.16倍