热泵膜蒸馏专用的穿流型膜组件研制及性能测试

闫赞扬 陈东 彭跃莲 尹龙升 雷学俭 金程 谢继红

（1. 天津科技大学 机械工程学院，天津 300222；2. 北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124）

热泵膜蒸馏专用的穿流型膜组件研制及性能测试

闫赞扬1陈东1彭跃莲2尹龙升1雷学俭1金程1谢继红1

（1. 天津科技大学 机械工程学院，天津 300222；2. 北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124）

基于改进膜组件热效率及与热泵单元有良好匹配等考虑，提出了穿流型热泵膜蒸馏专用中空纤维膜组件，给出了该膜组件的性能方程，并对其热效率随关键要素的变化规律进行了计算分析，结果表明穿流型膜组件热效率随料液进口温度的升高和膜孔直径的增大而增加，随膜丝根数和膜丝内直径的增加而减小。以上述分析为指导，研制了全透明穿流型中空纤维膜蒸馏组件，并对其性能进行了实验测试，结果表明，当料液流量为1.80 g/s，冷凝水流量为1.80 g/s，料液进口温度在45 ～ 56 ℃、冷凝水出口温度在36 ～ 46 ℃变化时，热效率可达43 % ～ 53 %，比传统管壳式中空纤维膜蒸馏组件有显著提高。

热泵；膜蒸馏；膜组件；穿流型；热效率

膜蒸馏是指料液中水分在疏水膜表面汽化并穿过膜孔，而料液中不挥发溶质被截留，从而实现料液浓缩分离的过程，其特点是在常压下对热敏料液进行低温浓缩、便于处理中高浓度料液等[1-2]。根据对跨膜蒸汽处理方式的不同，膜蒸馏可分为直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏、真空式膜蒸馏[3]，其中，采用中空纤维的直接接触式膜蒸馏具有结构简单、易于产业化应用等特点，具有较好的综合优势[4]。

膜蒸馏组件工作时，料液侧需要不断输入热能使其中的水分汽化，跨膜蒸汽侧需要不断输入冷能使蒸汽凝结；热泵与膜蒸馏集成可实现膜蒸馏过程的低能耗[5-6]。为实现热泵-膜蒸馏系统的高效运行，要求膜组件不但具备较高的热效率，而且应与热泵实现良好匹配[7]，包括料液与蒸汽冷凝侧温差宜在5 ～ 10℃、料液与冷凝水逆向流动、料液与冷凝水流量比接近。传统的中空纤维型壳管式膜组件由于壳侧存在沟流效应等问题，很难满足上述要求。为此，本文设计了热泵-膜蒸馏集成工艺专用的穿流型膜组件，可较好地解决上述问题。

1 穿流型膜组件的结构和工作原理

图1 穿流型膜组件结构示意Fig.1 Schematic diagram of cross- fl ow membrane module

在图1中，料液进入中空纤维膜丝内，在流过膜丝过程中，料液中的水分汽化并以蒸汽形式穿过膜孔进入壳侧（冷凝水侧）；冷凝水在中空纤维膜丝外的壳侧流动，通过多次穿流过膜丝阵列，吸收料液中跨膜传质的蒸汽，并与料液之间整体逆向流动。

2 穿流型热泵膜蒸馏专用膜组件基本方程

2.1 膜丝内换热系数计算方程[8]

按式（1）—式（5）进行计算。

式中αf——膜丝内换热系数，W/（m2·℃）；

Nuf——料液侧努赛尔数，无因次；

Dmi——料液侧当量直径，m；

λf——料液的导热系数，W/（m·℃）；

Ref——料液侧雷诺数，无因次；

Prf——料液普朗特准数，无因次；

ρf——料液密度，kg / m3；

uf——料液流速，m / s；

μf——料液动力黏度，Pa·s；

Cf——料液比热容，J/（g·℃）；

dmi——膜丝内径，m。

2.2 膜丝外换热系数计算方程[8]

按式（6）—式（11）进行计算。

式中αp——膜丝外换热系数，W/（m2·℃）；

Nup——冷凝侧努赛尔数，无因次；

Dmo——冷凝水侧当量直径，m；

λp——冷凝水的导热系数，W/（m·℃）；

Rep——冷凝水雷诺数，无因次；

Prp——冷凝水普朗特准数，无因次；

ρp——冷凝水密度，kg / m3；

up——冷凝水流速，m/s；

μp——冷凝水动力黏度，Pa·s；

Cp——冷凝水比热容，J/（g·℃）；

A——冷凝水过流面积，m2；

U——湿周，m；

dmi——膜丝内径，m；

N——膜丝根数，根；

dfo——膜丝外径，m。

2.3 膜组件热效率计算方程

按式（12）—式（14）进行计算。

式中η——膜组件热效率，无因次；

Qm1—— 膜热侧表面料液中水汽化消耗的热量（有效热负荷），W；

Qm2——跨膜壁导热量（无效热负荷），W；

Jm——膜通量，g /（m2·s），参见文献[4]；

rm——水的汽化潜热，J / g；

Afm——膜内侧表面积，m2；

km—— 膜壁当量热导率，W /（m·℃），参见文献[4]；

Tfm——膜热侧表面温度，℃；

Tpm——膜冷侧表面温度，℃；

δm——膜壁厚度，m。

3 穿流型热泵膜蒸馏专用膜组件热效率变化规律分析

利用式（12）和其它辅助方程，可得到关键因素对膜组件热效率的影响规律如下。

3.1 热效率随料液进口温度的变化规律

取膜组件壳体截面长度L=0.06 m，壳体截面宽度W=0.03 m，壳体高度为0.30 m；膜丝内直径为0.000 65 m，膜丝外直径为0.000 95 m，有效长度为0.36 m，膜孔半径为0.11 μm，孔隙率为68 %，根数为42，膜材料热导率为0.175 W/（m·℃）；料液和冷凝水质量流量为1.80 g / s，料液进口与冷凝水出口温差为5 ℃，料液进口温度在40 ～ 95 ℃之间变化时，热效率变化如图2所示。

图2中，料液进口温度升高，穿流型膜组件热效率随之增大。这是因为随着料液进口温度的升高，膜通量增加则水气化耗热量变大，而跨膜导热减小，即有效热负荷增加，而无效热负荷减小，从而使得热效率在料液进口温度升高时呈现升高的趋势。

3.2 热效率随膜孔直径的变化规律

取料液进口温度为60 ℃和90 ℃，其他参数同上，膜孔直径在0.2 ～ 1.2 μm变化时，热效率变化如图3所示。

图2 热效率随料液进口温度的变化规律Fig.2 Chang of membrane thermal ef fi ciency with feed inlet temperature

图3 热效率随膜孔直径的变化规律Fig.3 Chang of membrane thermal ef fi ciency with diameter of membrane pore

图3中，热效率随着膜孔直径的升高呈现上升的趋势，并且在膜孔直径相同的情况下，90 ℃时的热效率比60 ℃时的热效率要大。这是因为随着膜孔直径的升高，膜通量增加则水气化耗热量变大，而跨膜导热减小，即有效热负荷增加，而无效热负荷减小，从而使得热效率在膜孔直径升高时呈现升高的趋势，并且温度越高，热效率越大。

3.3 热效率随膜丝内直径的变化规律

取膜孔直径为0.22 μm，其他参数同上，膜丝内直径在0.5 ～ 1.1 mm变化时，热效率变化如图4所示。

图4中，热效率随着膜丝内直径的增加呈现降低的趋势，并且在膜丝内直径相同的情况下，90 ℃时的热效率比60 ℃时的热效率要大。这是因为随着膜丝内直径的增加，膜通量减小，则水气化耗热量变小，而跨膜导热增加，即有效热负荷减小，而无效热负荷增大，从而使得热效率在膜丝内直径增加时呈现降低的趋势，但温度越高热效率越大。

3.4 热效率随膜丝根数的变化规律

取膜丝内直径为0.65 mm，其他参数同上，膜丝根数在40 ～ 140根变化时，热效率变化如图5所示。

图4 热效率随膜丝内直径的变化规律Fig.4 Chang of membrane thermal ef fi ciency with inner diameter of membrane tube

图5 热效率随膜丝根数的变化规律Fig.2 Chang of membrane thermal ef fi ciency with the number of membrane wires

图5中，热效率随膜丝根数的增加而减小，并且在膜丝根数相同的情况下，90 ℃时的热效率比60℃时的热效率要大。这是因为，膜丝根数从40增加到140时，水气化耗热量（有效热负荷）从51.4 W增长至108.0 W，增长幅度为52.4 %而跨膜导热（无效热负荷）从38.0W增长至130.5 W，增长幅度为70.9 %。由此可见膜丝根数增加时，有效热负荷和无效热负荷均增加，但因为无效热负荷增长较有效热负荷增长幅度大，从而使得热效率在膜丝根数增加时呈现下降的趋势，并且温度越高，热效率越大。

4 穿流型热泵膜蒸馏专用膜组件的制作和性能测试

穿流型膜组件如图6所示。

4.1 膜组件参数

图6 穿流型热泵膜蒸馏专用膜组件实物Fig.6 Cross- fl ow and special membrane module for heat pump membrane distillation

壳体参数：膜壳截面长度L=0.06 m，壳体截面宽度W=0.03 m，壳体高度为0.3 m，膜壳材料为有机玻璃；膜丝参数：膜丝内直径为0.000 65 m，膜丝外直径为0.000 95 m，膜孔直径为0.22 μm，孔隙率为68 %，膜丝有效长度为0.36 m，根数为42，膜丝材料为聚丙烯。

4.2 实验测试装置

实验测试装置流程如图7所示。

由图7可知，实验测试系统包含两个循环单元：料液循环单元和冷凝水循环单元。料液循环单元包括加热功率调节器、料液罐（加热器）、料液泵、调节阀和膜组件，其中循环介质为盐水；冷侧冷凝水循环单元包括冷凝水储罐、冷却器、调节阀、冷凝水泵和膜组件，其中的循环介质为冷凝水。

图7 穿流型膜组件测试流程Fig.7 The fl ow chart of cross- fl ow membrane module for heat pump membrane distillation performance test

实际测试过程中，对于料液循环单元，利用功率调节器调节加热器的加热功率，把料液加热到一定温度，并利用料液泵使加热后的料液在膜组件的料液侧按照一定的流量进行循环；对于冷凝水循环单元，利用冷却器将冷凝水冷却至一定的温度，并利用冷凝水泵使冷却后的冷凝水按照与料液近似相同的流量在膜组件冷凝水侧进行循环流动；系统产生的冷凝水可通过冷凝水储罐排水口进行收集；实验过程中利用电导率仪定时对料液和冷凝水的电导率进行监测，确保膜丝无断裂和亲水化。

4.3 测试结果及分析

专用膜组件在典型工况下运行的性能如表1所示。

如表1可见，当该组件在料液流量为1.80 g / s，冷凝水流量为1.80 g / s，料液进口温度在45 ～ 56℃之间，冷凝出口温度在36 ～ 46℃变化时，热效率可达43 % ～ 53 %，可比传统的中空纤维型壳管式膜蒸馏组件提高30 %以上[9]。

5 结论和建议

基于热泵膜蒸馏系统的要求，设计了穿流型膜组件，对其热效率随关键要素的变化规律进行了分析，表明穿流型热泵膜蒸馏专用膜组件热效率随料液进口温度的升高和膜孔直径的增大而增加，随膜丝根数和膜丝内直径的增加而减小；以某热敏性料液的热泵膜蒸馏浓缩为背景，制作了穿流型膜蒸馏专用膜组件样品，并对其性能进行了实验测试，结果表明当料液流量为1.80 g / s，冷凝水流量为1.80 g / s，料液进口温度在45 ～ 56℃之间，冷凝出口温度在36 ～ 46℃变化时，热效率可达43 % ～ 53 %，较传统的中空纤维型壳管式膜蒸馏组件有显著提高。下一步可考虑对专用膜蒸馏组件的膜丝填充率、壳侧流场进行深入研究，为膜组件的放大和产业化应用提供参考。

表1 典型工况下的专用膜组件性能Tab.1 Performance of special module for membrane distillation under typical working conditions

[1]郝维维，陈东，谢继红，等. 直接接触式膜蒸馏的技术方案分析[J]. 化工装备技术，2015，36（3）：5-8.

[2]Alkhudhiri A，Darwish N，Hilar N. Membrane distillation：A comprehensive review[J]. Desalination，2012，287：2-18

[3]Khayet M，Matsuura T.Membrane Distillation：Principles and Applications[M] . Elsevier， 2011， The Netherlands.

[4]贾晓敏. 热泵多效膜蒸馏系统的研究[D]. 天津：天津科技大学，2016.

[5] 张旸，任建勋，陈泽敬. 压缩式热泵膜蒸馏系统的分析与实验研究[J]. 工程热物理学报，2005，26（1）：107-109.

[6]韩怀远，高启君，吕晓龙. 减压膜蒸馏过程与热泵耦合技术研究[J]. 天津工业大学，2011，30（1）：1-4.

[7] 于褔荣，陈东，彭长章，等. 热泵膜蒸馏系统及其特性分析[J].化工装备技术，2013，34（6）：1-5.

[8]陈东，谢继红. 热泵技术手册[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[9]闫赞扬，陈东，谢继红，等. 热泵-两效直接接触式膜蒸馏装置的研制及性能测试[J]，化工与医药工程，2017，38（2）：37-40.

Development and Performance Test of Cross- fl ow Membrane Module Specially Used for Membrane Distillation in Using Heat Pump

Yan Zanyang1, Chen Dong1, Peng Yuelian2, Yin Longsheng1, Lei Xuejian1, Jin Cheng1, Xie Jihong1
（1. College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin300222;2. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University and Technology, Beijing100124）

On account of improving the thermal ef fi ciency of the device and matching with heat pump, a cross- fl ow hollow fi ber membrane module for heat pump membrane distillation was proposed. In addition, its performance equation was presented, and the in fl uence of the key factors to the thermal ef fi ciency was analyzed. The results showed that the thermal ef fi ciency increases with the increase in feed inlet temperature and diameter of membrane pore, and declines with increase in the number of membrane wires and inner diameter of membrane tube. Regarding the above research as guidance, a cross- fl ow hollow fi ber membrane module for membrane distillation was designed and its properties were also tested. The experimental results showed that when rate of feed fl ow was 1.8 g/s and rate of condensate fl ow was 1.8 g/s, feed inlet temperature changed from 45 ℃ to 56 ℃, condensate outlet temperature changed from 36℃ to 46℃, the thermal efficiency was within the scope of 43% to 53%, and its performance was improved obviously compared with shell and tube hollow fi ber membrane module.

heat pump; membrane distillation; membrane module; cross- fl ow; thermal ef fi ciency

TQ 028.8

A

2095-817X（2017）06-0031-005

2017-07-21

国家自然科学基金项目（21576004）。

闫赞扬（1992—），男，硕士研究生，从事热泵膜蒸馏研究。