膜蒸馏是低温蒸发技术与膜技术相结合的一种新型的膜分离过程,它以微孔疏水膜为介质,在膜两侧蒸气压力差的作用下,料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔,从而实现分离。膜蒸馏具有分离效率高、操作条件温和等优点,可广泛应用于挥发性物质的去除、盐的浓缩等领域。但至今膜蒸馏仍未实现大规模工业化应用,其重要制约因素之一就是过程的耗能太高。本文以真空膜蒸馏(VMD)为研究对象,采用多效流程回收蒸汽潜热,探讨降低过程能耗的影响因素,主要从以下四个方面开展研究。一、将计算流体力学(CFD)运用于真空膜蒸馏的数学模拟研究的是料液在中空纤维膜丝管程流动、壳程抽真空的真空膜蒸馏过程。水蒸汽在膜内的传质服从粘性流-努森扩散机理。运用CFD将质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律应用于VMD过程的模拟,建立了中空纤维膜的三维传热和传质模型,并用FLUENT软件进行计算。通过数学模拟,得到了不同条件下料液温度和流速的3D和2D分布云图,并进一步计算出沿组件长度方向的局部温差、局部传热系数、局部热通量、局部膜通量、局部温度极化系数,深入探讨了进料温度、料液流速、透过侧绝对压强和组件长度对平均膜通量、热效率的影响机理和影响规律。模拟结果发现较高的料液温度可以增大平均膜通量和总热效率,当料液进口温度升高时,温度极化现象更显著,传质主要受热料液边界层内的传热控制。提高料液流速有助于获得更高的膜通量,但会使总热效率降低。传热阻力主要存在于进料侧。透过侧绝对压力减小会提高传质推动力,进而提高膜通量和热效率。平均膜通量和总热效率都随组件长度增大而减小,所以VMD适合于采用短组件。最后用基于PTFE中空纤维膜的VMD实验验证了模型的可靠性。二、多效真空膜蒸馏的数学模拟及经济分析一个膜组件串联一个换热器来回收蒸汽潜热的装置即为一个单效真空膜蒸馏单元,将n个单效真空膜蒸馏单元的膜组件进行串并联,建立了首级加热、级间加热(料液和蒸汽在效间依次逆流流动)和平流式(料液只在本效循环、蒸汽在效间流动)三种多效真空膜蒸馏的数学模型并对三种流程进行了分析和比较。发现虽然级间加热流程具有较高的水回收率,但其造水比较低,并且每级膜组件前都设置加热器,增加了系统的复杂性及运行成本,因此把首级加热和平流时两种流程作为主要的研究对象。针对首级加热多效真空膜蒸馏系统,建立了一套经济评价方法。结合上章单组件的数学模型,深入探讨了影响首级加热多效真空膜蒸馏的操作条件,如进料温度、料液流速和效数,对膜通量、产水量、水回收率和GOR的影响规律。首级加热多效真空膜蒸馏的单位产品成本的主要能耗是热能消耗,如果有可以利用的废热,则热能消耗为零,总成本则可以下降到0.59$/m~3,这一结果是完全可以和反渗透技术相竞争的。研究发现四效系统的单位产品成本最低,最经济。三、平流式多效真空膜蒸馏系统的实验研究借鉴多效蒸发的原理设计了一种平流式多效真空膜蒸馏系统,用换热器回收蒸汽的潜热以加热原料液。本流程中的原料液不在效间传递,仅在膜组件的热侧循环,各效产生的蒸汽都作为下一效换热器的加热蒸汽,各效膜组件的操作参数仍与单效膜组件的相同。四效实验结果表明,效间温差随进料温度的升高而增大,随效数的增大而减小,进料温度越高,最佳效数越多;较高的进料温度、较低的料液流速及低的透过侧绝对压强均有助于膜通量、产水量及造水比的提高;热效率则随进料温度的升高而升高,随透过侧压强及料液流速的升高而降低。四、多效真空膜蒸馏实验装置的研制结合前述多效真空膜蒸馏的模拟及实验结果,研制了一套四效真空膜蒸馏实验装置。该装置控制系统采用现场检测仪表、可编程控制器(PLC)及工业控制计算机(IPC)的监控模式,具有逻辑控制、信号采集、连锁保护及数据管理存储等功能。可测试不同操作条件对膜蒸馏过程的影响,测试膜组件的性能,具备为膜蒸馏大型工程的优化设计、制造和运行提供技术验证和基础数据的能力,为后续开展多效膜蒸馏专项条件测试提供了良好的研究平台。