减压膜蒸馏热量回收过程研究

刘学晶，李保安，2*

(1.天津大学化工学院, 化学工程联合国家重点实验室(天津大学)，天津 300072； 2.天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津 300072)

世界上淡水资源不足，分配不均，淡水资源匮乏已成为人们日益关切的问题。向海洋要淡水，已经成为长远解决水资源匮乏的一项战略。海水淡化的推广面临5大问题：距离、技术、水价、环保和经验。就技术而言，主流的海水淡化分为热法和膜法[1-2]。膜蒸馏(MD)是一种结合膜技术和蒸馏技术的一种新型脱盐技术[3]，在海水和苦咸水淡化、工业废水处理、电子行业超纯水制备、易挥发有机组分及热敏物质的回收、结晶等诸多方面具有广泛应用价值。但是膜蒸馏技术迄今还没有得到大规模工业应用。究其主要原因，1)目前对膜过程的机理认识还不够完善[4]；2)膜蒸馏用膜的性能还不够完善且价格昂贵[5-6]；3)膜蒸馏工艺以及组件还有待优化，膜蒸馏组件制作比较复杂，目前没有形成模具化生产；4)热效率还有待提高，大量蒸汽潜热没有被回收利用造成能源浪费；5)没有长期的运行经验[7]，缺少长期运行的数据。

本论文在选择合适的膜蒸馏用膜的基础上，主要针对减压膜蒸馏系统研究开发了热量回收式组件，探讨组件内部热量回收的可行性以及其热量的回收利用率，对于降低膜蒸馏操作成本具有重要意义。

1　实验部分

1.1　实验仪器

表1　实验设备与仪表Table 1　List of laboratory instruments

1.2　膜与膜组件

膜组件所用疏水微孔膜选择聚丙烯(PP)中空纤维膜以及换热组件所用中空纤维换热管均由天津海之凰科技有限公司提供，膜参数见表2和表3。

表2　聚丙烯(PP)中空纤维膜参数Table 2　Parameters of polypropylene hollow fiber membrane

表3　中空纤维换热管参数Table 3　Parameters of hollow fiber used in heat exchanger

中空纤维换热管的换热性能：当热流体温度为80 ℃、流量为105 L/h，冷流体为常温下自来水、流量为105 L/h时，测得其总传热系数为650.18 W/(m2·K)。

膜蒸馏过程中，所用中空纤维膜为疏水性微孔膜[8]，由于中空纤维膜两侧的水蒸气分压差不同，水蒸气在蒸汽压差的推动力作用下通过膜孔从中空纤维膜的热侧传入膜的冷侧[9-10]，在冷侧冷凝为水。在此过程中，水在中空纤维膜热侧吸热汽化，在中空纤维膜冷侧冷凝放热。如果能将水蒸气的潜热回收利用，将很大程度提其高热量利用效率。本研究结合减压膜蒸馏(VMD)的特点，设计出了新型的梯级热量回收式VMD工艺，如图1所示。

图1　三级热量回收式组件示意图Fig.1　Schematic diagram of VMD module with three-step heat recovery system

由于错流式组件较平行式组件在减少温度极化方面有突出优势[11-12]，本实验研究采用矩形错流式膜组件。图1中，M表示膜组件，H表示换热组件，膜组件与换热组件交替排列；疏水性中空纤维膜与导热中空纤维管竖直排列。本实验研究中的三级热量回收式VMD装置组件采用M1+M2+H1+ M3+H2+M4+H3的组件排布方式。M1中的水蒸气和料液进入换热组件H1的中空纤维管内腔和外侧进行换热，实现利用膜蒸馏自身水蒸气潜热加热降温后的料液的效果，以此类推，实现蒸汽潜热的回收利用。

膜组件、换热组件参数分别见表4和表5。

表4　膜组件参数Table 4　Parameters of membrane module

表5　换热组件参数Table 5　Parameters of heat exchange module

1.3　实验流程

本实验工艺流程如图2所示。料液在料液灌中被加热到一定温度后由离心泵输入到组件中，蒸发后经组件回流到料液灌中。蒸汽在真空泵的作用下通过各个换热组件冷凝，未冷凝的部分最终进入外部换热器与冷凝水及补充料液充分换热进行冷凝，蒸馏水由收集罐收集。其中换热组件内的冷凝蒸馏水由组件内凝水收集罐收集。

图2　减压膜蒸馏装置流程示意图Fig.2　Schematic diagram of vacuum membrane distillation process

本实验所用原水为自来水，电导率为450～900 μS/cm。实验通过固定料液流速和真空度，改变进料液温度，来考察进料液温度对热量回收利用率的影响；通过固定料液温度和真空度，改变进料液流速，考察进料液流速对热量回收利用率的影响；通过固定料液流速、进料液温度，改变真空度，考察真空度对热量回收利用率的影响；其中膜组件的热量回收利用率为在组件内冷凝的蒸馏水与总过程的冷凝蒸馏水的质量之比。

2　结果与讨论

实验研究了操作参数对热量回收的影响，结果讨论如下。

2.1　进料液温度对热量回收的影响

如图3所示，真空度为0.04 MPa，进料液流速为0.046 m/s时，H1、H2、H3进出口温度随料液进口温度的变化趋势。随着温度的升高，H1、H2和H3进出口温度升高。H1、H2和H3进出口温度均在80 ℃附近出现交叉，在进料液低于80 ℃时，换热组件出口温度均低于进口温度，进料液高于80 ℃时，换热组件出口温度均高于进口温度，由实验数据可知，在温度高于80 ℃时，在本实验的操作条件下才有显著的热量回收。

在实验过程中，在与组件装置相连接的冷凝水收集器内在实验的不同阶段都有冷凝水收集到。

图3　H1、H2和H3进出口温度随进料液温度的变化趋势Fig.3　Variation of inlet and outlet temperatures of H1,H2 and H3 with the feed inlet temperature

如图4所示，在进料液流速为0.046 m/s，蒸汽透过侧真空度为0.04 MPa时，随着料液进口温度的升高，减压膜蒸馏系统组件内热量回收利用率降低。料液温度升高时，蒸汽透过膜通量增加，大量蒸汽通过膜孔进入中空纤维膜另一侧负压区，在真空度没有变化的情况下，更多的蒸汽没有得到及时冷凝就被真空泵抽离，在组件外的换热器中冷凝。经组件外换热器冷凝的蒸汽，潜热被冷凝水吸收排到环境中，造成热量流失。可见，进料液温度的升高会降低此热量回收组件内热量回收的效果。图3显示当进料液温度低于80 ℃时，换热组件出口料液温度低于进口温度，而在图4中温度低于80 ℃时有良好的热量回收效果，是因为在本研究中热量回收利用率的数值为组件内冷凝产水量与总冷凝产水量的比值。当温度低时，膜透过通量较小，且蒸汽温度低于料液温度，在换热组件中不能实现热量从蒸汽到料液的转移，因而换热组件出口料液温度没有显著提高。而在低温低通量的情况下，蒸汽与环境的换热效应相对显著，会产生一定量的冷凝水。

图4　热量回收利用率随进料液温度的变化趋势Fig.4　Variation of heat recovery rate with the feed inlet temperature

2.2　进料液流速对热量回收的影响

图5所示，真空度为0.07 MPa，进料液温度为85 ℃时，换热组件H1、H2、H3进出口温度随进料液线速度的变化趋势。随着进料液流速的升高，换热组件H1、H2、H3进出口温度升高。在真空度为0.07 MPa，进料液温度为85 ℃时，在本实验的进料液线速度调节范围内，换热组件的出口温度均高于进口温度，说明此换热组件在真空度为0.07 MPa，进料液温度为85 ℃时流速从0.018 m/s到0.088 m/s的范围内各个换热组件均有热量回收。

图5　H1、H2和H3进出口温度随进料液线流速的变化趋势Fig.5　Variation of inlet and outlet temperatures of H1,H2 and H3 with the feed linear velocity

如图6所示，当进料液温度为85 ℃，真空度为0.07 MPa时，组件内热量回收利用率随进料液流速的增加而降低，这是因为当料液流速增加时，膜透过通量增加，即透过膜孔的蒸汽量增加，当真空度一定时，更多的蒸汽被抽离组件，没有在组件内得到冷凝，降低了组件内热量回收利用率。

图6　热量回收利用率随进料液线流速的变化趋势Fig.6　Variation of heat recovery rate with feed linear velocity

2.3　真空度对热量回收效果的影响

如图7所示，进料液温度为90 ℃，进料液线速度为0.035 m/s时换热组件H1、H2、H3进出口温度随真空度的变化趋势。随着真空度的增加换热组件H1、H2、H3进出口温度均降低。各换热组件出口温度均高于进口温度，在各换热组件中均有热量回收。

图7　H1、H2、H3进出口温度随真空度的变化趋势Fig.7　Variation of inlet and outlet temperatures of H1,H2 and H3 with the vacuum degrees

如图8所示为进料液温度为90 ℃，进料液线速度为0.035 m/s时热量回收利用率随真空度的变化趋势。随着蒸汽透过侧真空度的增加，组件内热量回收率降低。从图7中可以看出，换热组件进出口温差随真空度的变化呈现两头小中间大的趋势，真空度在0.03 MPa到0.06 MPa区间，进出口温差较大，换热量大于其它真空度区间。但是图8反映出热量回收利用率随着真空度的增加而持续降低的趋势。这是因为即使在0.03～0.06 MPa的真空度区间内膜组件的热量回收效果较好，但是相比于由于真空度增加而导致的膜通量迅速增大而产生大量蒸汽的影响，不足以显著影响热量回收利用率曲线随真空度增加而下降的趋势。

图8　热量回收利用率随真空度的变化趋势Fig.8　Variation of heat recovery rate with vacuum degrees

3　结论

本梯级热量回收式减压膜蒸馏组件装置的实验结果表明，在一定的条件下料液经过换热组件后温度显著上升，并且在组件内凝水收集器里有冷凝水生成，说明本研究所设计的热量回收式组件能够回收利用减压膜蒸馏过程中的蒸汽潜热，具有热量回收效果。当进料液温度升高、进料液流速增加和蒸汽透过侧真空度增加时，装置的热量回收利用率呈下降趋势。

本研究的探索性工作为进一步减压膜蒸馏热量回收的研究奠定了基础。

参考文献：

[1]苏润西．太阳能海水淡化技术[J]．海洋技术, 2002，21(4)：27-32

Su Runxi. Desalination with solar energy[J]．Ocean Technology, 2002, 21(4): 27-32(in Chinese)

[2]唐娜，陈明玉，袁建军. 海水淡化浓盐水真空膜蒸馏研究[J]. 膜科学与技术, 2007, 27(6): 93-96

Tang Na, Chen Mingyu, Yuan Jianjun. Vacuum membrane distillation for brine from SWRO desalination process[J]. Membrane Science and Technology, 2007, 27(6): 93-96(in Chinese)

[3]闫建民. 膜蒸馏的传递机理及膜组件优化研究[D]. 北京：北京化工大学, 2000

[4]于德贤, 于德良, 韩彬, 等. 膜蒸馏海水淡化研究[J].膜科学与技术, 2002, 22(1): 17-20

Yu Dexian, Yu Deliang, Han Bin,etal. Study on a membrane distillation system for seawater desalination[J]. Membrane Science and Technology, 2002, 22(1): 17-20 (in Chinese)

[5]Mulder M. 膜技术基本原理[M]. 第2版. 北京：清华大学出版社，1999

[6]高以洹, 叶凌碧. 膜分离技术基础[M]. 北京：科学出版社, 1989

[7]公言飞, 杜启云, 王薇, 等. 真空膜蒸馏淡化盐水的现状及发展[J]. 水处理技术, 2010, 36(6): 14-16

Gong Yanfei, Du Qiyun, Wang Wei,etal. Progress of heavy metals liquid waste processing technique[J]. Technology of Water Treatment, 2010, 36(6): 14-16(in Chinese)

[8]王学松. 现代膜技术及其应用指南[M]. 北京：化学工业出版社，2005

[9]Smolders K , Franken A C M. Terminology for membrane distillation[J]. Desalination, 1989, 72: 249-262

[10]Lawson K W, Lloyd D R. Membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science, 1997,124-l25

[11]Li B, Sirkar K K. Novel membrane and device for direct contact membrane distillation-based desalination process[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2004,43:5 300-5 309

[12]Li B, Sirkar K K. Novel membrane and device for vacuum membrane distillation-based desalination process[J]. Journal of Membrane Science, 2005, 257: 60-75