新型分离技术第三章新型蒸馏技术.ppt
膜蒸馏传质示意图第37页,共57页,星期六,2024年,5月当膜两侧温差不太大时,膜通量和膜两侧的蒸汽压差为线性关系:p1和p2为膜两侧温度下水的饱和蒸汽压,C为膜的传质系数。多数情况下,膜的孔径与膜蒸馏水蒸汽分子的平均自由程在同一个数量级,近似努森扩散。第38页,共57页,星期六,2024年,5月由于膜内蒸汽压不能直接测量,转换为温度的表示形式:可由Antoin方程计算:第39页,共57页,星期六,2024年,5月膜蒸馏传热过程:膜蒸馏中的传热有两种机理:一为伴随着蒸汽通量产生的潜热传递,另一为通过膜的热传导。稀溶液的潜热通量为:热传导通量为:第40页,共57页,星期六,2024年,5月膜蒸馏传热示意图第41页,共57页,星期六,2024年,5月通过膜的总热传导为:H为膜的有效传热系数。膜蒸馏过程的热量衡算式为:h1、h2为膜附近热、冷液膜的传热系数。第42页,共57页,星期六,2024年,5月温度极化?定义为温度极化系数,表示总热推动力用于传质推动力的分数。理想状况下温度极化系数为1。第43页,共57页,星期六,2024年,5月膜的浸润及浸润压力Laplace方程:R为孔径,?i为液体的表面张力。第44页,共57页,星期六,2024年,5月第45页,共57页,星期六,2024年,5月第46页,共57页,星期六,2024年,5月第47页,共57页,星期六,2024年,5月第48页,共57页,星期六,2024年,5月当接触角小于90°时,?p0,液体可以自发进入膜孔。当接触角大于90°时,?p0,液体不能可以自发进入膜孔。必须施加一个大于?p的压力,才能将液体压入孔中。膜蒸馏时,膜两边的压力差不应超过浸润压力。第49页,共57页,星期六,2024年,5月浸润压力反比于膜孔的大小。膜孔较大的膜容易浸润。影响膜浸润的另一个重要参数为液体的表面张力。分子间的作用力强,表面张力高。水中含有有机溶剂,表面张力迅速降低,浸润压也降低。第50页,共57页,星期六,2024年,5月聚合物的表面能是决定浸润的另一个重要因素。表面能高的聚合物容易浸润,表面能低的聚合物不容易浸润。第51页,共57页,星期六,2024年,5月膜蒸馏使用的疏水性微滤膜聚合物膜表面能(?103N/m)聚四氟乙烯(PTEF)19.1聚三氟乙烯23.9聚偏氟乙烯(PVDF)30.3聚乙烯(PE)33.2聚丙烯(PP)30.0第52页,共57页,星期六,2024年,5月膜蒸馏系统用于膜蒸馏的膜组件可为中空纤维、卷式和板框式等。膜蒸馏系统由预处理装置、加热装置、冷却装置、热能回收装置等组成。第53页,共57页,星期六,2024年,5月预处理装置:除去泥沙、悬浮物、有机物等,一般采用澄清、过滤、吸附等方法。加热装置:最好使用废热、余热、地热、太阳能等。冷却装置:用原水或自来水冷却。热能回收装置:采用热交换器回收热能。第54页,共57页,星期六,2024年,5月膜蒸馏装置第55页,共57页,星期六,2024年,5月膜蒸馏的应用膜蒸馏的优点:可在非沸腾状态下的较低温度下操作,可利用工业余热和太阳能。膜蒸馏设备紧凑。膜蒸馏的缺点:膜遭受润湿而损害,膜费用较高。小规模海水淡化、超纯水生产、以及高沸点、高浓度含水制品的脱水、浓缩。第56页,共57页,星期六,2024年,5月工业案例使用孔径为0.45um、孔隙率为75%的PDVF膜进行海水的膜蒸馏,在热侧温度为60°C,冷侧温度为20°C,水通量可以达到3kg/(m2·h),制得总固含量低于5ug/g的高纯水。第57页,共57页,星期六,2024年,5月真空蒸馏的操作压力为104-102Pa,高真空蒸馏的压力范围为100-1Pa,分子蒸馏的压力范围为1-0.01Pa。分子蒸馏在极高真空下操作,蒸发面和冷凝面的间距小于蒸气分子的平均自由程,由蒸发面逸出的分子,既不与残余空气碰撞,自身也不碰撞,毫无阻碍地喷射到冷凝面上发生冷凝。第5页,共57页,星期六,2024年,5月第6页,共57页,星期六,2024年,5月第7页,共57页,星期六,2024年,5月分子蒸馏过程(1)热量通过加热面传递到流动的薄层液膜内,分子从液相主体向蒸发表面扩散,液相内的扩散是控制分子蒸馏速率的主要因素。(2)在高真空下、远低于沸点的温度下,分子从液膜表面自由蒸发。(3)基于真空抽力,蒸发分子向冷凝面飞射。第8页,共57页,星期六,2024年,5月(4)分子自由程大于蒸