王超膜蒸馏

化工原理实验

膜蒸馏实验

姓名 王超 班级 化工11101 学号 201102670 序号 12

一．实验目的

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 ditilltion ）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、实验原理

本装置采用疏水膜，在平面膜组件中进行DCMD和VMD实验。在DCMD实验中，

于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)直接接触式膜蒸馏的实验原理

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

1 / 9

的热测和冷侧。热测表面的水蒸气分压高于其在冷侧膜表面之值，在此压差的作用下，水蒸气分

子发生跨膜传质现象，到达冷侧膜表面，并在此 冷凝。这样，可通过测定一定时间内热测料液质 量的变化量得到DCMD的跨膜传质速率N(跨膜通 量)。

膜通量是指膜蒸馏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，热水槽中的贮水量随时间减少（实验装置中是将热水槽位于电子天平上的），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。

膜通量的计算方法如下：

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)。

化工原理实验

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，它随着温度的升高略有升高。Pfm和Ppm分别为热侧和冷侧膜表面处

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，如果两者的温度不同，会在流体主体与固体表面之间形成温度边界层。DCMD过程中同样存在这种现象，即热侧膜表面处流体温度低于热侧主体温度、冷侧膜表面处流体温度高于冷侧主体温度，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低于按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。温度极化现象的严重程度用温度极化系数（TPC）的大小衡量，其定义式如下：

其中tfm和tpm分别为流体在热侧和冷侧膜表面的温度，而tf和tp分别为两种流体主体的温度。因此TPC的物料意义可以理解为：量流体的温差中被直接用于作为膜蒸馏传质推动力的那一部分。

由TPC的定义式可以看出，欲计算TPC需要先求出tfm和tpm。可以导出定态时DCMD的膜表面温度计算式如下：

式中 ——热侧流体的相变焓； ——膜的厚度；

——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

2 / 9

1100W/m2 ℃;

、 ——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（以热侧计算为例）。

热侧流速计算：

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：

冷侧流速的计算（方法与热侧相同） （2）真空膜蒸馏的实验原理

真空膜的工作原理如图所示。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；在冷侧，不像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，透过膜的蒸汽被真空泵抽到冷凝器中冷凝。由于膜冷侧压力很低，VMD可以获得较大的跨膜通量。

真空膜蒸馏跨膜传质通量可以用如下的方程描述：

化工原理实验

式中 r——膜平均孔半径，m; Θ——膜孔的曲折因子： ——膜的孔隙率； δ——膜的厚度；

pi——挥发性组分在膜两侧的蒸汽压差，Pa； M——水的摩尔质量，kg/kmol； R——通用气体常数，8.314kJ/kml K 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； P——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,。其中膜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tsat指真空侧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，跨膜导热速率可认为近似为零。

在此假定下，通过料液侧温度边界层传递的热量全部用于膜表面处水分的汽化。 3 / 9

据此，可以写出如下的传热速率方程： 式中 αf——料液侧对流传热系数，W/m K tf——料液温度，℃；

tfm——料液侧膜表面处的温度，℃； H——水的相变焓，kJ/kg。

事实上，式（6-17）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。由式（6-17）可直接计算膜组件对流传热系数。具体试差过程如下： 1.计算平均温度（tf）;

2.给定TPC初始值TPC1=0.5，并据此生成TPC2=1, TPC1； 3.由式（6-16）求出两个tfm：tfm1和tfm2； 4.代入式（6-11）求两个N：N1和N2；

5.检验N2与N实验是否足够接近？如果“是”，则计算结束，当前的tfm2为所求，否则，进行下一步； 6. ；

7.由 求 ，进而又式（6-11）求 ；

8.令N１=N２，ＴＰＣ１＝ＴＰＣ２；Ｎ２＝Ｎ新，ＴＰＣ２＝ＴＰＣ新，返回５。

将由上述迭代过程求得的热侧膜表面温度ｔｆｍ代入式（6-17），可求得热侧对流传热系数；代入式（6-16）可求得温度极化系数。装置及控制点参数见表。

化工原理实验

三、实验装置与流程 （1） 实验装置 （2） 实验流程

热水槽V01中的纯净水由热侧循环泵P01抽出，经转子流量计F03，送往电加热器E01，被加热后进入膜组件M02的热侧，在膜组件中发生膜蒸馏过程，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流回热水槽V01。

在DCMD实验中，制冷机M01水箱中的低温纯净水被制冷机自带循环泵抽出，经转子流量计FI04和三通切换阀进入膜组件M02的冷侧，在此低温水将来自热侧的跨膜蒸汽冷凝，然后流出膜组件M02，返回制冷机水箱M01。

在VMD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。 （3）装置参数及控制参数 四、实验步骤与注意事项 （1）准备工作

1．向热水槽V01中加入纯净水，要求其液位达到90%以上。

2．向制冷机M01的事项中加入纯净水，要求其液位达到水箱上沿以下1~2cm处。 3．向真空泵P02的水箱中加入自来水，要求其液位达到溢流口以上。 4．将实验用膜安放于膜组件中，并将装配好的膜组件置于小平台上，接好进、

4 / 9

出口管线。

5．确认放空阀V02关闭。

6．确认热侧转子流量计FI03入口阀完全开启。 （2）直接接触式膜蒸馏实验

切换——将三通切换阀转向至“DCMD”一侧；

打开与切断——打开M02切断阀；将M01至P02的切断阀转向DCMD一侧。 供电——打开仪表柜上的总电源开关、热侧循环泵开关。

建立热侧循环——顺时针方向缓慢地旋转热侧循环泵的旋钮以增大流量，水槽中的水将被抽出，经加热器和膜组件后又返回，这样就建立了热侧循环。 启动制冷机——启动制冷机，设定水温为20℃，确认制冷功能启动，并启动本

机循环泵。 建立冷侧循环——-将冷侧转子流量计FI04的入口阀完全打开，启动制冷机自带循环泵，制冷机水箱槽中的水将被抽出，经膜组件后又返回水箱，这就建立了冷侧循环。

排气——在热、冷侧流量都为1.0L/min的条件下，利用膜组件顶部的排气阀将膜组件冷侧的气泡排净。膜组件热侧的气泡可通过晃动膜组件、脉冲水流等方式排出。观察电子天平读数，当其值基本不变或很缓慢地变化时，可进行下一步。

升温——确认热侧循环建立，打开电加热开关，顺时针方向旋转调压旋钮以增加加热电压，热侧开始升温。升温过程中注意观察热侧温度的变化趋势。也可以利用自动控制壁温的功能进行加热升温。

化工原理实验

调整与数据记录——将冷、热侧流量均调整到所需值；手动调整加热电压值或采用设定加热器壁温自动控制温度，以使热侧进、出口平均温度值维持在所需值；观察膜组件热侧，如有气泡，要及时排气。在计算机屏幕观察热侧、冷侧温度和跨膜通量的变化趋势。这些数据稳定后，通过按数据采集软件的保存按钮，将当前数据保存至计算机文件中，也可手工记录热水槽中的贮水量随时间

的减少量（实验装置室是将热水槽位于电子天平上的），即电子天平的示数减小。实验在膜两侧流量均为1.0L/min的条件下进行；改变热侧温度（例如，可在热侧进、出口平均温度分别为43℃、47℃、51℃、55℃、59℃的条件下）进行跨膜通量的测定。

停车——将加热电压值调至最小，按下电加热停止按钮；5分钟后依次停热侧泵P02、冷侧泵、制冷机、电子天平； （3）真空膜蒸馏实验

切换与关闭——将三通切换阀转至VMD一侧，关闭M02出口切断阀，将M01至P02的切断阀转向VMD一侧，关闭冷侧转子流量计FI04入口阀门。 供电——同DCMD实验。 排气——同DCMD实验。

五、实验数据记录与处理

ＤＣＭＤ实验和ＶＭＤ实验数据记录如下

在44.2℃时，水的基本参数ρ＝990ｋｇ／ｍ３

，μ＝0.600ｍＰａ Ｓ

5 / 9

制冷——启动制冷机，并确认制冷功能启动。启动制冷机自带循环泵，制冷机水箱槽中的水将被抽出。经真空泵水箱内的盘管后又返回膜组件。

建立真空——在仪表柜上给定压力的设定值（如7.1ka）；启动真空泵P02，当真空度达到

设定值时，电磁阀开始工作，说明真空系统工作正常；观察膜组件热侧，如有

气泡要及时排走；再次观察电子天平读数，当其值基本不变或很缓慢地变化时，可进行下一步

升温——同DCMD实验。

调整与数据记录——同DCMD实验。实验在热侧平均温度为50℃的条件下，测定热侧流量分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5L/min时的跨膜通量。

停车——将加热电压调至最小，按下电加热停止按钮；5分钟后依次停热侧泵P01、电子天平，打开V02放空阀，系统升压后停真空泵P02。 （4）日常维护注意事项

1.制冷机水箱M01和热侧水槽V01要装入纯净水，以延长膜的使用寿命。 2.以上水箱和水槽要经常清洗，水要经常更换。 3.除非进行实验，否则电子天平不应承重。

化工原理实验

Ｃｐ＝4.174ＫＪ／ｋｇ／Ｋ，λ=0.640/W m K跨膜通量

N

m1 m21801.4 1799.6

1.2g/(m2 s) A300 0.005 uf

1.0/1000/60

0.139m/s

0.002 0.06 3600

-1-1

对ＴＰＣ：

de

2ab2 0.002 0.06

0.00387ma b0.002 0.06

Ref

deu

0.00387 0.139 990cp 4.174 0.600

887Pr 3.91f0.6780.330.6780.33

0.600 10 3 0.640 Nu 0.19RePr 0.19 887 3.91 29.71

f

km

Nu 29.71 0.640 4913de0.00387 同理可解出： p=3942

(tp tf f/ p) ftf N

km

1100 (20.5 44.2 4913/3942) 44.2 4913 1.2 2396.8

40.3

1100 3942 (1 1100/4913)

tfm

p(1

km

p

)

TPC

tfm tpmtf tp

40.3 25.4

0.629

44.2 20.5

tpm 25.4

℃ 则

pfm exp(9.3876

3826.36

) 9222.50kPa

273.15 44.2 45.47 ppm 2405.30kPa

以第一组数据为例进行计算：

在44.2℃时，水的基本参数ρ＝990ｋｇ／ｍ，μ＝0.600ｍＰａ Ｓ Ｃｐ＝4.174ＫＪ／ｋｇ／Ｋ，λ=0.64

以第一组为例进行计算：tfm=46.5℃， tpm=25.3℃

Tm 273.15

tfm tpm

2

273.15

46.5 25.3

309.052

３

pfm exp(23.231

3843384338433843) exp(23.231 ) 10287.1pfm exp(23.231 ) exp(23.231 ) 3191.5

tfm 273.15 4546.5 273.15 45tpm 273.15 4525.3 273.15 45

pi pfm ppm 10287.1 3193.5 7095.6

6 / 9

化工原理实验

tfmpTPC

tf m 0.5 (10287.1 3191.5) 6739.3

t

51.1 46.5

f tsat

46.5 39.3

0.3898

N 1.064 1.1 10 3 (

188.314 309.05)0.5 7095.6 0.125 1.28 10 10 (18 6739.6

0.5404 10 3 8.314 309.05

) 7100 0.705

Nf

(t 0.705 2379.5 364.69

f tfm)(51.1 46.5)

实验数据:

7 / 9

化工原理实验

8 / 9

化工原理实验

膜蒸馏实验流程图

9 / 9

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/89rj.html