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《化学工业与工程》2014年第三期
1实验部分
1.1实验仪器
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。中空纤维换热管的换热性能:当热流体温度为80℃、流量为105L/h，冷流体为常温下自来水、流量为105L/h时，测得其总传热系数为650.18W/(m2•K)。膜蒸馏过程中，所用中空纤维膜为疏水性微孔膜，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，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。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，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。
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。本实验所用原水为自来水，电导率为450～900μS/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0.04MPa，进料液流速为0.046m/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。如图4所示，在进料液流速为0.046m/s，蒸汽透过侧真空度为0.04MPa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。
2.2进料液流速对热量回收的影响图5所示，真空度为0.07MPa，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0.07MPa，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0.07MPa，进料液温度为85℃时流速从0.018m/s到0.088m/s的范围内各个换热组件均有热量回收。如图6所示，当进料液温度为85℃，真空度为0.07MPa时，组件内热量回收利用率随进料液流的增加而降低，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。
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0.035m/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。如图8所示为进料液温度为90℃，进料液线速度为0.035m/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0.03MPa到0.06MPa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0.03～0.06MPa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。
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。
作者：刘学晶李保安单位：天津大学化工学院化学工程联合国家重点实验室 天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室