PDF《过程参数对采用多孔陶瓷超滤膜回收烟气中余热和水性能的影响》

20 nm 的管式陶瓷膜用于模拟体系中的水和热 量回收.管式陶瓷膜均由南京工业大学膜科学技术 研究所提供. 陶瓷膜主要由三层结构组成: 支撑层, 过渡层和膜层.根据膜层的位置,可将管式陶瓷膜 分为陶瓷内膜(IM)和陶瓷外膜(OM) ,见图 1. 在陶瓷膜冷凝器中,水的选择性回收遵循毛细 冷凝机理,热量回收则是通过热对流和热传导的方 式实现,以陶瓷外膜冷凝器为例,其TMC 过程如 图2所示[14].在陶瓷内膜冷凝器中,冷、热流体分 别在壳层与管层流动. 而在陶瓷外膜冷凝器中, 冷、 热流体流通位置恰好相反.利用毛细冷凝机理分离 气体混合物时,可以得到远高于 Knudsen 扩散和表 面扩散的分离因子[22-24] ,因而 TMC 技术可以从烟 气中回收得到高质量冷凝水.此外,在陶瓷膜冷凝 器中,因传质和传热同时进行,故该过程可获得比 传统换热器更高的热回收效率以及传热系数[18, 25] . 1.2 实验装置 在水蒸汽-空气形成的模拟体系中进行陶瓷膜 水和热量回收实验.实验装置主要包括三部分:蒸 汽发生系统、恒温冷却循环系统和膜组件.实验装 置详见课题组前期文章[19, 20] .膜组件内分别装填四 根呈正方形排列的管式内膜和外膜, 管长

110 mm, (a) membrane coated on the inner-side of the tube (b) membrane coated on the outer-side of the tube 图1陶瓷膜结构 Fig.

1 Ceramic ultrafiltration membranes with gradient structures 化工学报第**卷・4・ 图2陶瓷外膜冷凝器的 TMC 过程示意图 Fig.

2 Schematic diagram of TMC process of OM condenser 内/外径 8/12 mm,有效膜面积分别为

9550 mm2 和11300 mm2 . 1.3 分析仪器及计算方法 使用场发射扫描电镜(FESEM, S4800, Hitach, Japan)表征膜的断面结构. 在陶瓷膜冷凝器中,水和热量可以同时进行传 递,本文以水通量和热通量评价膜冷凝器的水和热 量传递性能. 水通量和热通量分别由公式 (1) (2) 进行计算: JW= ?W A?t (1) qW = Cml?T+CToWt A?t (2) 式中,JW 为水通量,kg・ m-2 ・ h-1 ;

?t 为时间, h;

?W 为渗透侧得到的冷凝液在 ?t 时间内的质量 变化,kg;

A 为陶瓷膜有效膜面积,m2 ;

qW 为热通 量,MJ・ m-2 ・ h-1 ;

C 为水的比热容,kJ・ kg-1 ・ ℃-1 ;

ml 为冷却水质量流量,kg・ h-1 ;

?T 为冷却水进出口的 温度变化值,℃;

To 为冷却水出水口温度,℃;

Wt 为冷凝液质量流量,?W/?t,kg・ h-1 . 总传热系数通过公式 (3) 进行计算[26] : Q=KA?tm (3) 式中,Q 为膜冷凝器的热负荷,W;

K 为传热 系数,W・ m-2 ・ ℃-1 ;

A 为有效换热面积,m2 ;

Δtm 为 对数平均温差,℃.

2 实验结果与讨论 2.1 陶瓷膜的微观结构 图3是陶瓷膜断面的 SEM 照片.可以看出, 陶瓷内膜和外膜均具有明显的三层结构,且两者膜 层厚度约为

8 μm. 2.2 进气流量对陶瓷膜过程通量的影响 在进气温度

65 ℃、冷却水流量

15 L・ h-1 、冷却 水温度

25 ℃、跨膜压差 0.02 MPa 的条件下,考察 进气流量对陶瓷膜过程通量的影响,结果如图

4 所示.陶瓷膜的水通量和热通量均随进气流量的增大 而增加. 当进气流量从

12 L・ min-1 增大至

30 L・ min-1 时, 陶瓷内膜的水通量从 9.52 kg・ m-2・ h-1 增加到 17.9 kg・ m-2・ h-1,外膜的水通量也从 14.5 kg・ m-2・ h-1 升高 至21.7 kg・ m-2 ・ h-1 , 热通量也表现出相同的变化趋势. 这是由于进气流量越大, 饱和体系的水蒸汽量越多, 单位时间内冷凝放热的水蒸汽量增加;