膜蒸馏实验..docxVIP

膜蒸馏试验班级：应化1301 姓名：刘一芃 学号：201306786 班号：07一、 实验目的及任务 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 distillation）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、 基本原理 本装置采用疏水膜，在平面磨组件中进行DCMD 和VMD 实验。在DCMD 实验中， 与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1 所示。温度不同的两股水流分别与膜两侧直接接触，形成膜表面的热侧与冷测。热侧表面的水蒸气的分压高于其在冷测膜表面的值， 在此压差的作用下，水蒸气分子发生跨膜传质现象，到达冷测膜表面，并在此冷凝。这样，可通过测定一定时间内热侧料液质量的变化率量得到DCMD 的跨膜传质速率N（跨膜通量）。 膜通量是指膜蒸馏实验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，热水槽中贮水量随时间减少（本实验装置中 是将热水槽置于电子天平上），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。 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)。 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，它随温度的升告略有升告。?????? 和?????? 分别为热侧和冷测膜表面处的蒸汽压，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，如果两者温度不同，会在流体主体与固体表面间形成温度边界层。DCMD 过程中同样存在这种现象，即热侧膜表面处温度低于热侧主体温度、冷侧膜表面处流体温度高于冷测主体温度，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差低于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。温度极化现象严重程度用温度极化系数（TPC）的大小衡量，其定义式如下： TPC = 其中tfm 和tpm 分别为流体热侧和冷测膜表面的温度，而tf 和tp 分卑微两种流体主体的温度。因此TPC 的物理意义可以理解为：梁流体的温差直接用于作为膜蒸馏传质的推动力的那一部分。由TPC 的定义式可以看出，与计算TPC 需要先求出tfm 和tpm。可以导出定态时DCMD 的膜表面温度计算如下：式中 ΔH—热侧流体的相变焓 δ—膜的厚度 km—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 1100 W/m2·℃αf、αp—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： 热侧流速的计算： 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：（2）真空膜蒸馏实验原理 真空膜蒸馏的工作原理如图2 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；在冷测，不想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，透过膜的蒸汽呗真空泵抽到冷凝器中冷凝。由于膜冷测压力很低，VMD 可以获得较大的跨膜通量。 真空膜蒸馏的、跨膜传质通量可以用下式的方程描述：式中 r—膜平均孔半径，m； θ—膜孔的曲折因子； ε—膜的孔隙率； δ—膜的厚度，m； Δpi—挥发性组分在膜两侧的蒸汽压差， Pa； M—水的摩尔通量，kg/mol； R—通用气体常数，8.314 ； KkJ/mol ?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；Δp—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