劉學晶，李保安，2*

(1.天津大學化工學院, 化學工程聯(lián)合國家重點實驗室(天津大學)，天津 300072； 2.天津市膜科學與海水淡化技術重點實驗室，天津 300072)

世界上淡水資源不足，分配不均，淡水資源匱乏已成為人們?nèi)找骊P切的問題。向海洋要淡水，已經(jīng)成為長遠解決水資源匱乏的一項戰(zhàn)略。海水淡化的推廣面臨5大問題：距離、技術、水價、環(huán)保和經(jīng)驗。就技術而言，主流的海水淡化分為熱法和膜法[1-2]。膜蒸餾(MD)是一種結合膜技術和蒸餾技術的一種新型脫鹽技術[3]，在海水和苦咸水淡化、工業(yè)廢水處理、電子行業(yè)超純水制備、易揮發(fā)有機組分及熱敏物質的回收、結晶等諸多方面具有廣泛應用價值。但是膜蒸餾技術迄今還沒有得到大規(guī)模工業(yè)應用。究其主要原因，1)目前對膜過程的機理認識還不夠完善[4]；2)膜蒸餾用膜的性能還不夠完善且價格昂貴[5-6]；3)膜蒸餾工藝以及組件還有待優(yōu)化，膜蒸餾組件制作比較復雜，目前沒有形成模具化生產(chǎn)；4)熱效率還有待提高，大量蒸汽潛熱沒有被回收利用造成能源浪費；5)沒有長期的運行經(jīng)驗[7]，缺少長期運行的數(shù)據(jù)。

本論文在選擇合適的膜蒸餾用膜的基礎上，主要針對減壓膜蒸餾系統(tǒng)研究開發(fā)了熱量回收式組件，探討組件內(nèi)部熱量回收的可行性以及其熱量的回收利用率，對于降低膜蒸餾操作成本具有重要意義。

1　實驗部分

1.1　實驗儀器

表1　實驗設備與儀表Table 1　List of laboratory instruments

1.2　膜與膜組件

膜組件所用疏水微孔膜選擇聚丙烯(PP)中空纖維膜以及換熱組件所用中空纖維換熱管均由天津海之凰科技有限公司提供，膜參數(shù)見表2和表3。

表2　聚丙烯(PP)中空纖維膜參數(shù)Table 2　Parameters of polypropylene hollow fiber membrane

表3　中空纖維換熱管參數(shù)Table 3　Parameters of hollow fiber used in heat exchanger

中空纖維換熱管的換熱性能：當熱流體溫度為80 ℃、流量為105 L/h，冷流體為常溫下自來水、流量為105 L/h時，測得其總傳熱系數(shù)為650.18 W/(m2·K)。

膜蒸餾過程中，所用中空纖維膜為疏水性微孔膜[8]，由于中空纖維膜兩側的水蒸氣分壓差不同，水蒸氣在蒸汽壓差的推動力作用下通過膜孔從中空纖維膜的熱側傳入膜的冷側[9-10]，在冷側冷凝為水。在此過程中，水在中空纖維膜熱側吸熱汽化，在中空纖維膜冷側冷凝放熱。如果能將水蒸氣的潛熱回收利用，將很大程度提其高熱量利用效率。本研究結合減壓膜蒸餾(VMD)的特點，設計出了新型的梯級熱量回收式VMD工藝，如圖1所示。

圖1　三級熱量回收式組件示意圖Fig.1　Schematic diagram of VMD module with three-step heat recovery system

由于錯流式組件較平行式組件在減少溫度極化方面有突出優(yōu)勢[11-12]，本實驗研究采用矩形錯流式膜組件。圖1中，M表示膜組件，H表示換熱組件，膜組件與換熱組件交替排列；疏水性中空纖維膜與導熱中空纖維管豎直排列。本實驗研究中的三級熱量回收式VMD裝置組件采用M1+M2+H1+ M3+H2+M4+H3的組件排布方式。M1中的水蒸氣和料液進入換熱組件H1的中空纖維管內(nèi)腔和外側進行換熱，實現(xiàn)利用膜蒸餾自身水蒸氣潛熱加熱降溫后的料液的效果，以此類推，實現(xiàn)蒸汽潛熱的回收利用。

膜組件、換熱組件參數(shù)分別見表4和表5。

表4　膜組件參數(shù)Table 4　Parameters of membrane module

表5　換熱組件參數(shù)Table 5　Parameters of heat exchange module

1.3　實驗流程

本實驗工藝流程如圖2所示。料液在料液灌中被加熱到一定溫度后由離心泵輸入到組件中，蒸發(fā)后經(jīng)組件回流到料液灌中。蒸汽在真空泵的作用下通過各個換熱組件冷凝，未冷凝的部分最終進入外部換熱器與冷凝水及補充料液充分換熱進行冷凝，蒸餾水由收集罐收集。其中換熱組件內(nèi)的冷凝蒸餾水由組件內(nèi)凝水收集罐收集。

圖2　減壓膜蒸餾裝置流程示意圖Fig.2　Schematic diagram of vacuum membrane distillation process

本實驗所用原水為自來水，電導率為450～900 μS/cm。實驗通過固定料液流速和真空度，改變進料液溫度，來考察進料液溫度對熱量回收利用率的影響；通過固定料液溫度和真空度，改變進料液流速，考察進料液流速對熱量回收利用率的影響；通過固定料液流速、進料液溫度，改變真空度，考察真空度對熱量回收利用率的影響；其中膜組件的熱量回收利用率為在組件內(nèi)冷凝的蒸餾水與總過程的冷凝蒸餾水的質量之比。

2　結果與討論

實驗研究了操作參數(shù)對熱量回收的影響，結果討論如下。

2.1　進料液溫度對熱量回收的影響

如圖3所示，真空度為0.04 MPa，進料液流速為0.046 m/s時，H1、H2、H3進出口溫度隨料液進口溫度的變化趨勢。隨著溫度的升高，H1、H2和H3進出口溫度升高。H1、H2和H3進出口溫度均在80 ℃附近出現(xiàn)交叉，在進料液低于80 ℃時，換熱組件出口溫度均低于進口溫度，進料液高于80 ℃時，換熱組件出口溫度均高于進口溫度，由實驗數(shù)據(jù)可知，在溫度高于80 ℃時，在本實驗的操作條件下才有顯著的熱量回收。

在實驗過程中，在與組件裝置相連接的冷凝水收集器內(nèi)在實驗的不同階段都有冷凝水收集到。

圖3　H1、H2和H3進出口溫度隨進料液溫度的變化趨勢Fig.3　Variation of inlet and outlet temperatures of H1,H2 and H3 with the feed inlet temperature

如圖4所示，在進料液流速為0.046 m/s，蒸汽透過側真空度為0.04 MPa時，隨著料液進口溫度的升高，減壓膜蒸餾系統(tǒng)組件內(nèi)熱量回收利用率降低。料液溫度升高時，蒸汽透過膜通量增加，大量蒸汽通過膜孔進入中空纖維膜另一側負壓區(qū)，在真空度沒有變化的情況下，更多的蒸汽沒有得到及時冷凝就被真空泵抽離，在組件外的換熱器中冷凝。經(jīng)組件外換熱器冷凝的蒸汽，潛熱被冷凝水吸收排到環(huán)境中，造成熱量流失?？梢?，進料液溫度的升高會降低此熱量回收組件內(nèi)熱量回收的效果。圖3顯示當進料液溫度低于80 ℃時，換熱組件出口料液溫度低于進口溫度，而在圖4中溫度低于80 ℃時有良好的熱量回收效果，是因為在本研究中熱量回收利用率的數(shù)值為組件內(nèi)冷凝產(chǎn)水量與總冷凝產(chǎn)水量的比值。當溫度低時，膜透過通量較小，且蒸汽溫度低于料液溫度，在換熱組件中不能實現(xiàn)熱量從蒸汽到料液的轉移，因而換熱組件出口料液溫度沒有顯著提高。而在低溫低通量的情況下，蒸汽與環(huán)境的換熱效應相對顯著，會產(chǎn)生一定量的冷凝水。

圖4　熱量回收利用率隨進料液溫度的變化趨勢Fig.4　Variation of heat recovery rate with the feed inlet temperature

2.2　進料液流速對熱量回收的影響

圖5所示，真空度為0.07 MPa，進料液溫度為85 ℃時，換熱組件H1、H2、H3進出口溫度隨進料液線速度的變化趨勢。隨著進料液流速的升高，換熱組件H1、H2、H3進出口溫度升高。在真空度為0.07 MPa，進料液溫度為85 ℃時，在本實驗的進料液線速度調節(jié)范圍內(nèi)，換熱組件的出口溫度均高于進口溫度，說明此換熱組件在真空度為0.07 MPa，進料液溫度為85 ℃時流速從0.018 m/s到0.088 m/s的范圍內(nèi)各個換熱組件均有熱量回收。

圖5　H1、H2和H3進出口溫度隨進料液線流速的變化趨勢Fig.5　Variation of inlet and outlet temperatures of H1,H2 and H3 with the feed linear velocity

如圖6所示，當進料液溫度為85 ℃，真空度為0.07 MPa時，組件內(nèi)熱量回收利用率隨進料液流速的增加而降低，這是因為當料液流速增加時，膜透過通量增加，即透過膜孔的蒸汽量增加，當真空度一定時，更多的蒸汽被抽離組件，沒有在組件內(nèi)得到冷凝，降低了組件內(nèi)熱量回收利用率。

圖6　熱量回收利用率隨進料液線流速的變化趨勢Fig.6　Variation of heat recovery rate with feed linear velocity

2.3　真空度對熱量回收效果的影響

如圖7所示，進料液溫度為90 ℃，進料液線速度為0.035 m/s時換熱組件H1、H2、H3進出口溫度隨真空度的變化趨勢。隨著真空度的增加換熱組件H1、H2、H3進出口溫度均降低。各換熱組件出口溫度均高于進口溫度，在各換熱組件中均有熱量回收。

圖7　H1、H2、H3進出口溫度隨真空度的變化趨勢Fig.7　Variation of inlet and outlet temperatures of H1,H2 and H3 with the vacuum degrees

如圖8所示為進料液溫度為90 ℃，進料液線速度為0.035 m/s時熱量回收利用率隨真空度的變化趨勢。隨著蒸汽透過側真空度的增加，組件內(nèi)熱量回收率降低。從圖7中可以看出，換熱組件進出口溫差隨真空度的變化呈現(xiàn)兩頭小中間大的趨勢，真空度在0.03 MPa到0.06 MPa區(qū)間，進出口溫差較大，換熱量大于其它真空度區(qū)間。但是圖8反映出熱量回收利用率隨著真空度的增加而持續(xù)降低的趨勢。這是因為即使在0.03～0.06 MPa的真空度區(qū)間內(nèi)膜組件的熱量回收效果較好，但是相比于由于真空度增加而導致的膜通量迅速增大而產(chǎn)生大量蒸汽的影響，不足以顯著影響熱量回收利用率曲線隨真空度增加而下降的趨勢。

圖8　熱量回收利用率隨真空度的變化趨勢Fig.8　Variation of heat recovery rate with vacuum degrees

3　結論

本梯級熱量回收式減壓膜蒸餾組件裝置的實驗結果表明，在一定的條件下料液經(jīng)過換熱組件后溫度顯著上升，并且在組件內(nèi)凝水收集器里有冷凝水生成，說明本研究所設計的熱量回收式組件能夠回收利用減壓膜蒸餾過程中的蒸汽潛熱，具有熱量回收效果。當進料液溫度升高、進料液流速增加和蒸汽透過側真空度增加時，裝置的熱量回收利用率呈下降趨勢。

本研究的探索性工作為進一步減壓膜蒸餾熱量回收的研究奠定了基礎。

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