基于PTFE平板膜的膜蒸馏脱盐过程性能模拟和响应面优化研究

摘要

膜蒸馏是将热法和膜法结合起来的分离技术，最早用以海水淡化，同其他海水淡化技术相比（比如 RO）膜蒸馏具有可在低压下操作，可利用其他过程废热的特点，使得膜蒸馏成为一种节约能源、经济并对环境友好的膜分离技术。但是由于膜蒸馏热效率低、膜通量小、膜蒸馏用膜研究进展缓慢、膜蒸馏传热传质机理不完善等导致膜蒸馏一直未实现产业化应用，因此有必要针对膜蒸馏展开优化设计，包括过程优化及膜蒸馏机理优化，进而提高膜蒸馏效率和膜通量，加快其产业化进程。膜蒸馏用膜的材料主要有三种：聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚丙烯（PP），其中 PTFE由于其优越的物理和化学性能是市面上应用最广的膜材料。PTFE膜可被制成平板膜和中空纤维膜，为了方便拆卸和清洗在实验阶段多选择平板膜进行研究。目前膜蒸馏的四种形式中直接接触式膜蒸馏（DCMD）和真空膜蒸馏（VMD）是研究最多、应用最广泛的技术。因此本文针对基于PTFE平板膜的 DCMD和VMD过程处理Nacl溶液展开实验和模拟研究。
　　本研究主要内容包括：⑴基于实验设计DoE中的响应面法（RSM）对利用PTFE平板膜处理Nacl溶液的DCMD和VMD过程展开模拟优化设计。为了确保RSM有效，针对DCMD和VMD处理去离子水的过程开展了单因素实验，确定对DCMD和VMD过程影响显著的因子及其最佳取值范围。⑵利用软件Design-Expert8.6对DCMD及VMD设计实验，每个因素设计五个水平，结合实验数据拟合出膜通量关于各因子的二阶多项式模型。通过方差分析验证模型的准确性。然后通过响应面分析确定各因子之间影响的水平，再对DCMD和VMD过程进行优化设计。结果表明使用拟合出的模型对DCMD和VMD进行优化是合理可行的，特别是VMD过程。同时也进一步说明，利用响应面法优化工艺参数可以使得膜蒸馏过程获得最大的膜通量，为后续大规模技术集成提供理论依据。⑶通过分析已建立的膜蒸馏传热传质机理，结合实验数据对VMD模型进行修正，利用EXCEL对DCMD和VMD进行迭代模拟计算。DCMD模拟计算过程中蒸发焓不随温度变化，传质模型选择努森扩散模型；VMD过程中分别考虑了蒸发焓随温度变化和不随温度变化时膜蒸馏的性能，传质模型选择努森-分子结合模型。模拟计算考察了热侧料液温度、热侧料液流量、冷侧液体流量、冷侧液体温度、Nacl溶液浓度和真空度对膜蒸馏性能的影响。把单因素实验和 RSM设计的实验测得的实验结果与模拟数据对比验证模型的准确性。研究发现对于DCMD和VMD过程，模拟所得的膜通量大部分都要大于实验测得的膜通量，在流体流速很低和 Nacl溶液浓度很高的条件下部分实验点的实验值会超过模拟值，但是两者总体变化趋势一致，本文建立的膜蒸馏传热传质模型可以较准确的预测膜蒸馏过程。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 水资源概括

1.2 海水淡化方法

1.3 膜蒸馏

1.4 膜蒸馏研究进展

1.5 本文研究内容

第二章 膜蒸馏传热传质机理

2.1 膜蒸馏传热过程

2.2 膜蒸馏传质过程

2.3 浓度极化和温度极化

2.4 本章总结

第三章 实验研究

3.1 膜与膜组件

3.2 实验装置及仪器

3.3 实验流程

3.4 实验数据处理

3.5 本章总结

第四章 响应面法优化膜蒸馏过程

4.1 响应面

4.2 单因素实验

4.3 试验设计及研究

4.4 响应面分析

4.5 膜蒸馏过程的优化及验证

4.6 本章总结

第五章 膜蒸馏模拟计算和模型验证

5.1 模拟计算步骤

5.2 操作条件对膜蒸馏影响的模拟

5.3 模型验证

5.4 本章总结

第六章 工作总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

硕士期间科研成果