減壓分級(jí)式多效膜蒸餾過程的研究

呂雙江 ，高啟君 ，武春瑞 ，陳華艷 ，王 暄 ，賈 悅 ，呂曉龍

（1.天津工業(yè)大學(xué)中空纖維膜材料與膜過程省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)生物化工研究所，天津 300387）

膜蒸餾（MD）是將傳統(tǒng)蒸餾工藝和膜技術(shù)相結(jié)合，以疏水性微孔膜兩側(cè)蒸汽壓差作為傳質(zhì)推動(dòng)力的新型膜過程[1].減壓膜蒸餾（VMD）過程[2-3]作為MD過程的一種，具有產(chǎn)水水質(zhì)好、通量較大、便于對(duì)其潛熱進(jìn)行回收等優(yōu)點(diǎn)[4]，因此更具有大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用前景.目前，VMD過程的研究更多是以獲得產(chǎn)水為目的，過程所產(chǎn)蒸汽采用冷卻水冷凝，有關(guān)過程蒸汽相變熱回收的報(bào)道極少[5-10].本文針對(duì)VMD過程能耗高、蒸汽冷凝耗水量大的問題，將多效蒸發(fā)原理引入VMD過程，設(shè)計(jì)了減壓分級(jí)式多效膜蒸餾過程（MEMD）.其特征是將傳統(tǒng)膜蒸餾過程中的水蒸汽冷凝與原水加熱過程耦合，在MEMD過程設(shè)立分級(jí)式多效蒸發(fā)區(qū)，級(jí)內(nèi)的冷凝換熱器與膜組件串聯(lián)連接.當(dāng)補(bǔ)充料液進(jìn)入疏水膜組件的溫度達(dá)到其真空度下的蒸發(fā)溫度時(shí)，料液在組件內(nèi)發(fā)生膜蒸餾，增加產(chǎn)水收率，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)來自前一級(jí)的蒸汽潛熱的回收利用，降低過程能耗.本文研究系統(tǒng)真空度對(duì)VMD過程的影響，討論主蒸發(fā)區(qū)膜面積、多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)液流量及真空泵抽氣量對(duì)MEMD過程的影響，從而探索提高蒸汽潛熱回收率、降低冷卻水用量的可行性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料包括:PVDF中空纖維疏水膜膜絲及膜組件，均為自制，其參數(shù)如表1所示；銅盤管冷凝換熱器，自制，由2根長(zhǎng)度均為3.7 m的銅管并排螺旋纏繞而成，換熱面積為0.20 m2；原料液為自來水，電導(dǎo)率值約為 280 μS/cm.

表1 PVDF中空纖維疏水膜膜絲及膜組件結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of PVDF hollow fiber hydrophobic membrane and modules

實(shí)驗(yàn)儀器包括:MP-55RZ型磁力驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵，浙江西山泵業(yè)有限公司生產(chǎn)；2XZ-2型、2XZ-4型真空泵，浙江黃巖求精真空泵廠生產(chǎn)；DDS-11A型電導(dǎo)率儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；TD10001型電子天平，天津天馬儀器廠生產(chǎn)；JJ-1型電動(dòng)攪拌器，江蘇金壇市中大儀器廠生產(chǎn)；LZM-ZT型流量計(jì)，余姚市金泰儀表有限公司生產(chǎn)；加熱功率為3.0 kW的恒溫水浴箱，自制.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行

MEMD過程的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由主蒸發(fā)區(qū)、多效蒸發(fā)區(qū)及補(bǔ)充冷卻區(qū)組成.其中，HX代表換熱器，MD代表膜蒸餾組件；多效蒸發(fā)區(qū)內(nèi)，HX與MD采用間隔排列；根據(jù)HX數(shù)量的多少，對(duì)多效蒸發(fā)區(qū)又分為多級(jí)；每個(gè)HX的位置定義為各級(jí)的起點(diǎn)；對(duì)級(jí)內(nèi)原料液進(jìn)行回流設(shè)計(jì)，使其在每個(gè)膜組件管程內(nèi)均循環(huán)流動(dòng).

主蒸發(fā)區(qū)即為傳統(tǒng)的VMD部分，恒溫水槽內(nèi)設(shè)有加熱裝置，為VMD過程提供熱量.原料液在中空纖維膜組件的管程內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，在殼程真空負(fù)壓作用下發(fā)生膜蒸餾.待原料液濃度達(dá)到設(shè)定濃度時(shí)，定量排入濃縮液收集槽.產(chǎn)生的蒸汽在真空泵的抽吸作用下進(jìn)入多效蒸發(fā)區(qū)的一級(jí)換熱器.

多效蒸發(fā)區(qū)的設(shè)計(jì)是MEMD過程研究的關(guān)鍵，其主要目的是實(shí)現(xiàn)主蒸發(fā)區(qū)所產(chǎn)膜蒸餾蒸汽的高效冷凝和熱量回收利用.其傳質(zhì)傳熱過程為:

（1）在真空泵的抽吸作用下，主蒸發(fā)區(qū)所產(chǎn)生的蒸汽被引入一級(jí)換熱器管程，冷凝產(chǎn)水進(jìn)入集液瓶1a，未被冷凝的蒸汽依次進(jìn)入二、三級(jí)換熱器管程.

（2）管程內(nèi)的蒸汽與殼程內(nèi)的原料液在換熱器內(nèi)逆向流動(dòng).膜組件的殼程連接到與其相鄰兩換熱器管程的連通管線上.這樣，真空泵的抽吸作用也給膜組件的殼程提供了真空負(fù)壓.換熱器殼程內(nèi)被蒸汽加熱后的原料液進(jìn)入膜組件的管程.當(dāng)膜組件內(nèi)的原料液被加熱到其真空度下的蒸發(fā)溫度時(shí)，原料液在膜組件內(nèi)發(fā)生二次膜蒸餾，產(chǎn)出的蒸汽在真空負(fù)壓的作用下進(jìn)入溫度較低的后級(jí)換熱器內(nèi)，在該換熱器內(nèi)與殼程的原料液繼續(xù)進(jìn)行換熱.

（3）從膜組件管程出來的因二次膜蒸餾發(fā)生而溫度降低并被濃縮的料液，進(jìn)入前級(jí)換熱器的殼程，與溫度較高的管程內(nèi)蒸汽換熱后被加熱，重新進(jìn)入膜組件的管程，繼續(xù)發(fā)生二次膜蒸餾，從而實(shí)現(xiàn)多效蒸發(fā)區(qū)逐級(jí)膜蒸餾的發(fā)生.

根據(jù)以上步驟，從主蒸發(fā)區(qū)出來的蒸汽，其潛熱就這樣在換熱器-膜組件-換熱器-膜組件-換熱器之間多次被回收并加以利用.該傳質(zhì)傳熱過程與傳統(tǒng)的膜蒸餾過程存在顯著的不同，即利用原料液在升溫過程中的相變來回收主蒸發(fā)區(qū)所產(chǎn)蒸汽的熱能.MEMD系統(tǒng)膜組件內(nèi)二次膜蒸餾的發(fā)生，增加了產(chǎn)水收率，降低了過程能耗，也解決了冷凝水耗量大的問題.

在補(bǔ)充冷卻區(qū)真空泵的抽吸作用下，被多效蒸發(fā)區(qū)換熱器冷凝而獲得的產(chǎn)水分別進(jìn)入集液瓶1a、1b、1c中，未被冷凝的蒸汽則進(jìn)入補(bǔ)充冷卻區(qū)的換熱器，經(jīng)充分冷凝后進(jìn)入集液瓶2中.集液瓶1、集液瓶2的產(chǎn)水之和即為多效膜蒸餾系統(tǒng)的總產(chǎn)水.實(shí)驗(yàn)中使用2XZ-2、2XZ-4兩種規(guī)格的真空泵，其抽氣量分別為2.0、4.0 L/s.

1.3 數(shù)據(jù)處理

（1）膜通量及當(dāng)量膜通量.為計(jì)算MEMD過程的多效蒸發(fā)區(qū)對(duì)總產(chǎn)水的貢獻(xiàn)，需測(cè)量主蒸發(fā)區(qū)膜組件的產(chǎn)水.本文用主蒸發(fā)區(qū)膜組件不經(jīng)過多效蒸發(fā)區(qū)而直接連接冷凝換熱器進(jìn)行膜蒸餾實(shí)驗(yàn)，以測(cè)量該過程的產(chǎn)水.當(dāng)系統(tǒng)真空度、流量、溫度等恒定后開始記時(shí)，收集產(chǎn)水，并通過電子天平稱量產(chǎn)水質(zhì)量增量，利用公式（1）計(jì)算膜通量J:

式中:ΔW為產(chǎn)水質(zhì)量增量（kg）；S為主蒸發(fā)區(qū)有效膜面積（m2）；t為測(cè)試時(shí)間（h）.在 MEMD 實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)系統(tǒng)真空度、流量、溫度等恒定，穩(wěn)定運(yùn)行一定時(shí)間后開始記時(shí)，收集產(chǎn)水1、產(chǎn)水2，通過電子天平稱量總產(chǎn)水質(zhì)量增量.當(dāng)量膜通量J（kg/（m2·h））仍用公式（1）計(jì)算，但S僅為主蒸發(fā)區(qū)有效膜面積（m2）.

（2）蒸汽相變熱回收率.MEMD過程的蒸汽相變熱回收率η（%）由公式（2）計(jì)算:

式中:ΔW為總產(chǎn)水質(zhì)量增量（kg）；ΔW2為集液瓶2中產(chǎn)水2的質(zhì)量增量（kg）.

2 結(jié)果與討論

2.1 真空度對(duì)VMD過程性能的影響

在膜組件面積為0.10 m2、循環(huán)流量為2.5 L/min、組件進(jìn)水溫度分別為68℃和70℃、真空泵抽氣量為2.0 L/s的條件下，考察了VMD膜組件殼程處的真空度對(duì)VMD過程膜通量的影響，結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知，VMD過程膜通量隨著殼程真空度的升高而增大；在同樣的真空度條件下，組件進(jìn)水溫度越高，膜通量也相應(yīng)的越大.根據(jù)能量守恒原理，膜蒸餾過程所帶走的熱量Qm等于循環(huán)液所損失的熱量Qc，即:

式中:qc為VMD組件管程的循環(huán)流量（L/min）；ΔT為組件管程的進(jìn)出口溫差（℃）；Cp為水的熱容（kJ/kg·℃）.因此，在 qc一定的情況下，ΔT 的變化趨勢(shì)（如圖3）也能反映膜通量的變化趨勢(shì).

由圖3可知，VMD組件管程進(jìn)出口溫差隨著殼程真空度的升高而增大；在同樣的真空度下，組件進(jìn)水溫度越高，管程進(jìn)出口溫差越大.顯然，這與膜通量的變化趨勢(shì)相一致.

2.2 主蒸發(fā)區(qū)膜面積對(duì)MEMD過程性能的影響

主蒸發(fā)區(qū)膜組件進(jìn)水溫度為70℃，膜組件面積為0.10 m2，循環(huán)流量為 2.5 L/min，MD1、MD2 循環(huán)流量均為 2.0 L/min，一、二級(jí)內(nèi)回流分別為 0.66、2.0 L/min，真空泵抽氣量為2.0 L/s，考察主蒸發(fā)區(qū)膜組件面積分別為0.05、0.10 m2時(shí)MEMD過程的性能，結(jié)果如表2所示.實(shí)驗(yàn)中，因主蒸發(fā)區(qū)膜面積的改變，多效蒸發(fā)區(qū)HX3殼程的進(jìn)液流量也做同比例的調(diào)整.

由表2可知，隨著主蒸發(fā)區(qū)膜面積的增加，當(dāng)量膜通量降低，蒸汽相變熱回收率增加，而產(chǎn)水電導(dǎo)率變化不大.

在同樣的真空泵條件下，主蒸發(fā)區(qū)膜面積增加，使得主蒸發(fā)區(qū)產(chǎn)生的蒸汽量增加.盡管多效蒸發(fā)區(qū)HX3殼程的進(jìn)液流量已做同比例的增加，但增加的進(jìn)液流量并不足以完全冷凝因膜面積增加而增多的蒸汽量，因此系統(tǒng)抽真空的阻力增加，使得主蒸發(fā)區(qū)組件殼程的真空度降低，從而導(dǎo)致主蒸發(fā)區(qū)的膜通量降低.由此可見，主蒸發(fā)區(qū)所產(chǎn)蒸汽量增加的比例小于膜面積增加的比例.

在同樣的主蒸發(fā)區(qū)HX3殼程的進(jìn)液溫度和循環(huán)流量下，主蒸發(fā)區(qū)真空度的差異使得其所產(chǎn)生蒸汽的溫度也不同.膜面積越大，主蒸發(fā)區(qū)所產(chǎn)生的蒸汽溫度越高.

當(dāng)主蒸發(fā)區(qū)膜面積為0.05 m2時(shí)，主蒸發(fā)區(qū)產(chǎn)生的蒸汽溫度較低，盡管系統(tǒng)做了必要的保溫，但其向環(huán)境散失熱量的比例仍然高于膜面積為0.10 m2的MEMD過程，這均使得多效蒸發(fā)區(qū)內(nèi)進(jìn)液經(jīng)冷凝換熱進(jìn)入膜組件時(shí)的溫度低于膜面積為0.10 m2的MEMD過程，從而導(dǎo)致多效蒸發(fā)區(qū)內(nèi)膜組件進(jìn)水溫度與其對(duì)應(yīng)真空度下的沸點(diǎn)相差較大（約5℃）.因此對(duì)于膜面積為0.05 m2的MEMD過程，當(dāng)量膜通量接近于相同主蒸發(fā)區(qū)真空度下VMD的膜通量.對(duì)于主蒸發(fā)區(qū)膜面積為0.05 m2的MEMD過程，多效蒸發(fā)區(qū)更多的是起到了冷凝換熱器的作用，因此蒸汽相變熱回收率較低.

對(duì)于膜面積為0.10 m2的MEMD過程，盡管多效蒸發(fā)區(qū)內(nèi)的膜組件進(jìn)水溫度沒有達(dá)到其對(duì)應(yīng)真空度下的沸點(diǎn)，但距離沸點(diǎn)的溫差小于主蒸發(fā)區(qū)膜面積為0.05 m2的MEMD過程，這樣多效蒸發(fā)區(qū)內(nèi)因原液自然蒸發(fā)所引起的膜蒸餾發(fā)生而貢獻(xiàn)的膜通量比例增加，因此在一定程度上提高了MEMD過程的當(dāng)量膜通量，當(dāng)量膜通量較相同主蒸發(fā)區(qū)真空度下VMD的膜通量高22.3%.對(duì)于主蒸發(fā)區(qū)膜面積為0.10 m2的MEMD過程，多效蒸發(fā)區(qū)內(nèi)因料液自然蒸發(fā)而引發(fā)膜蒸餾，使得多效蒸發(fā)區(qū)對(duì)當(dāng)量膜通量貢獻(xiàn)的比例增加，因此蒸汽相變熱回收率稍高些.因?yàn)橹髡舭l(fā)區(qū)所產(chǎn)蒸汽量增加的比例小于膜面積增加的比例，盡管在多效蒸發(fā)區(qū)有自然蒸發(fā)而貢獻(xiàn)的產(chǎn)水量，但這部分的比例相對(duì)較低，因此主蒸發(fā)區(qū)膜面積為0.10 m2的MEMD過程的當(dāng)量膜通量要低.

兩種主蒸發(fā)區(qū)膜面積下，產(chǎn)水電導(dǎo)率均較低（σ≤13 μS/cm）.

表2 主蒸發(fā)區(qū)膜面積對(duì)MEMD過程性能的影響Tab.2 Effect of membrane area in main evaporation zone on MEMD process

2.3 多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)液流量的影響

主蒸發(fā)區(qū)膜組件進(jìn)水溫度為70℃，膜組件面積為0.10 m2，循環(huán)流量為 2.5 L/min，MD1、MD2 循環(huán)流量均為 2.0 L/min，一、二級(jí)內(nèi)回流分別為 0.66、2.0 L/min，真空泵抽氣量為2.0 L/s，考察多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)液流量對(duì)MEMD過程的系統(tǒng)真空性能、產(chǎn)水當(dāng)量膜通量及蒸汽相變熱回收率的影響，結(jié)果如圖4所示.

由圖4（a）可知，隨著多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)液流量的增加，主蒸發(fā)區(qū)膜組件殼程上側(cè)口、多效蒸發(fā)區(qū)三級(jí)換熱器管程下側(cè)口的真空度均增加.這主要是因?yàn)檫M(jìn)液流量的增加導(dǎo)致多效蒸發(fā)區(qū)各級(jí)換熱器銅管兩側(cè)的蒸汽和進(jìn)液流體主體的溫差增大，從而加快了換熱效率，并使主蒸發(fā)區(qū)膜組件產(chǎn)生的蒸汽在多效蒸發(fā)區(qū)充分冷凝的比例增加，減少了蒸汽在多效蒸發(fā)區(qū)的停留時(shí)間，因此使得多效蒸發(fā)區(qū)換熱器管程的真空度隨進(jìn)液流量的增加而增大，同時(shí)也提高了主蒸發(fā)區(qū)組件殼程的真空度.

由圖4（b）可知，隨多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)液流量的增加，系統(tǒng)當(dāng)量膜通量先增大后逐漸降低.在主蒸發(fā)區(qū)膜組件管程進(jìn)液溫度、多效蒸發(fā)區(qū)膜組件面積、多效蒸發(fā)區(qū)膜組件處的循環(huán)流量、級(jí)內(nèi)回流量均一定時(shí)，系統(tǒng)的當(dāng)量膜通量主要是由系統(tǒng)真空度和多效蒸發(fā)區(qū)膜組件的進(jìn)液溫度決定的.由圖4（a）可知，隨著多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)液流量的增加；系統(tǒng)的真空度逐漸增加，有利于系統(tǒng)產(chǎn)水的增加，但又減小了蒸汽在多效蒸發(fā)區(qū)的停留時(shí)間，降低多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程料液的溫度，從而降低了多效蒸發(fā)區(qū)膜組件的進(jìn)液溫度.當(dāng)多效蒸發(fā)區(qū)換熱器管程料液流量較低時(shí)，多效蒸發(fā)區(qū)膜組件的進(jìn)液溫度接近其真空度下的沸點(diǎn)，從而有少量膜蒸餾發(fā)生，增加產(chǎn)水；隨著進(jìn)液流量的增加，蒸汽量增加，產(chǎn)水逐漸增加，料液的溫度也逐漸降低；但達(dá)到某一進(jìn)液流量時(shí)，料液的進(jìn)口溫度較低，在對(duì)應(yīng)的真空度下不足以發(fā)生膜蒸餾，料液只起到對(duì)主蒸發(fā)區(qū)蒸汽的冷凝換熱作用，因此產(chǎn)水減少，當(dāng)量膜通量降低.隨著主蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)液流量的增加，系統(tǒng)產(chǎn)水1和產(chǎn)水2的電導(dǎo)變化不大，均維持在 2.0～8.5 μS/cm.

由圖4（c）可知，隨著多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)液流量的增加，蒸汽相變熱回收率逐漸增大.進(jìn)液流量的增加，一方面使得主蒸發(fā)區(qū)產(chǎn)生的蒸汽在多效蒸發(fā)區(qū)換熱器管程內(nèi)得到充分冷凝，即產(chǎn)水1的比例增加，只有部分蒸汽在補(bǔ)充冷卻區(qū)冷凝，即產(chǎn)水2；另一方面，進(jìn)液流量的增加不利于多效蒸發(fā)區(qū)膜組件發(fā)生膜蒸餾，使得該區(qū)域膜蒸餾蒸汽量減少.可見，隨著多效蒸發(fā)區(qū)進(jìn)液流量的增加，更多的蒸汽在多效蒸發(fā)區(qū)內(nèi)被充分冷凝，其熱量被膜組件管程內(nèi)的料液吸收利用，因此蒸汽相變熱回收率逐漸增大.

2.4 真空泵抽氣量對(duì)MEMD過程性能的影響

主蒸發(fā)區(qū)膜組件進(jìn)水溫度為70℃，膜組件面積為0.1 m2，循環(huán)流量為2.5 L/min，MD1、MD2循環(huán)流量均為2.0 L/min，一、二級(jí)內(nèi)回流分別為0.66、2.0 L/min，采用型號(hào)分別為 2XZ－2（2.0 L/s）、2XZ－4（4.0 L/s）兩種規(guī)格的真空泵分別給系統(tǒng)抽真空，考察了真空泵抽氣量對(duì)MEMD過程的系統(tǒng)真空度、當(dāng)量膜通量、產(chǎn)水電導(dǎo)率、相變熱回收率的影響，結(jié)果如表3所示.

由表3可知，隨著真空泵抽氣量的提高，蒸汽相變熱回收率及當(dāng)量膜通量均逐漸增加，而產(chǎn)水電導(dǎo)率均較低（5.0～12 μS/cm）.其中，蒸汽相變熱回收率增加了8.2%，當(dāng)量膜通量增加了7.3%.

表3 真空泵抽氣量對(duì)MEMD過程性能的影響Tab.3 Effect of extraction of vacuum pump on MEMD process

在多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)料流量一定的情況下，當(dāng)真空泵由2XZ－2變?yōu)?XZ－4時(shí)，真空泵抽氣量增加，多效蒸發(fā)區(qū)內(nèi)的膜組件 MD1－1、MD1－2、MD2 殼程的真空度提高，但主蒸發(fā)區(qū)膜組件殼程的真空度沒有明顯變化，因此主蒸發(fā)區(qū)所產(chǎn)蒸汽量沒有增加，系統(tǒng)當(dāng)量膜通量的增加因多效蒸發(fā)區(qū)組件殼程真空度的提高所致.當(dāng)量膜通量體現(xiàn)了多效蒸發(fā)區(qū)熱量的回收利用效果，因此采用抽氣量為4.0 L/s的2XZ－4真空泵時(shí)，系統(tǒng)的蒸汽相變熱回收率也稍高些.

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了帶有分級(jí)式多效蒸發(fā)區(qū)的MEMD過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

（1）VMD過程通量隨著膜組件殼程真空度、組件進(jìn)水溫度的升高而增大；

（2）MEMD過程當(dāng)量膜通量隨著主蒸發(fā)區(qū)膜面積的增加逐漸降低，隨著多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)液流量的增加先增大后逐漸降低，隨著真空泵抽氣量的增加逐漸增大；

（3）MEMD過程的蒸汽相變熱回收率隨著主蒸發(fā)區(qū)膜面積、多效蒸發(fā)區(qū)換熱器殼程進(jìn)液流量、真空泵抽氣量的增加均逐漸增大；

（4）MEMD過程的產(chǎn)水電導(dǎo)率均較低（2.0～13 μS/cm）；

（5）主蒸發(fā)區(qū)膜面積為0.1 m2、真空泵抽速為2.0 L/s（泵型號(hào)2XZ－2）時(shí)，當(dāng)量膜通量較相同主蒸發(fā)區(qū)真空度下VMD的膜通量高22.3%，說明這種新型的MEMD過程具有較好的工業(yè)化應(yīng)用前景.

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