比较与优化中空纤维与平板真空膜蒸馏工艺

《Desalination》：Comparing and optimizing hollow fibre and flat sheet vacuum membrane distillation

膜蒸馏系统在解决全球水资源短缺方面潜力巨大，其中真空膜蒸馏（VMD）的空心纤维式（HF-VMD）和平板式（FS-VMD）因结构差异导致性能不同。本研究通过建立数学模型，系统比较了HF-VMD与FS-VMD在相同膜特性（孔隙率0.7、厚度0.4mm）和操作条件（温度40-80℃、流量100-250L/h、真空压强5-13kPa）下的通量、热极化系数（TPC）、产水率（GOR）和单位能耗（STEC）。优化结果表明：HF-VMD的GOR（0.83）显著高于FS-VMD（0.53），且其TPC受操作参数影响更小，通量达33L·m?2·h?1（80℃），比FS-VMD高40%。研究还指出，HF-VMD因内部湍流和较小的流道直径（0.0018m）提升了传热效率，降低了热极化损失。优化后的最佳参数为HF-VMD温度79℃、流量100L/h、真空压强5.07kPa、孔隙率0.66；FS-VMD为温度78℃、流量100L/h、真空压强5.01kPa、孔隙率0.62。研究证实HF-VMD在通量、热利用率和经济性上更具优势，为工业设计提供了理论依据。

　　随着全球对淡水需求的不断增长，膜蒸馏（Membrane Distillation, MD）系统因其高效、节能以及适用于多种水源的特点，成为解决这一问题的重要技术之一。真空膜蒸馏（Vacuum Membrane Distillation, VMD）作为MD的一个重要分支，特别适用于高能耗的海水淡化场景。在VMD系统中，空心纤维真空膜蒸馏（Hollow Fibre VMD, HF-VMD）和平板膜蒸馏（Flat Sheet VMD, FS-VMD）是两种主要的配置形式。尽管这两种系统在设计原理上具有相似之处，但它们在结构和性能表现上存在显著差异。然而，目前对于它们在相同操作条件下的比较和优化研究仍显不足，因此，本研究通过数学建模、仿真分析和优化算法，对HF-VMD和FS-VMD系统进行了深入探讨，旨在揭示其在不同操作条件和膜特性下的表现差异，并为实际应用提供优化方案。

本研究首先对HF-VMD和FS-VMD系统进行了数学建模，分别计算了膜通量、产水率（Gain Output Ratio, GOR）、温度极化系数（Temperature Polarisation Coefficient, TPC）和单位热能消耗（Specific Thermal Energy Consumption, STEC）等关键参数。在相同的操作条件下，如膜面积、膜类型、孔隙率和孔径等，研究发现HF-VMD系统在通量、GOR和TPC方面均优于FS-VMD系统，同时其STEC也较低。这表明HF-VMD系统在热力学性能上更具优势，特别是在高温度和高流速的条件下，其表现更为出色。

为了进一步提升系统性能，本研究采用了粒子群优化（Particle Swarm Optimisation, PSO）算法对HF-VMD和FS-VMD系统的操作参数和膜特性进行了优化。优化过程中，研究关注了包括进料温度、进料流量、真空通道压力、Reynolds数以及膜孔隙率和膜厚度等变量。通过PSO算法，研究识别出了HF-VMD和FS-VMD系统中各个参数的最优值，从而实现了更高的产水率和更低的能耗。研究结果显示，HF-VMD系统的最佳GOR值为0.83，对应的真空通道压力为5.07 kPa；而FS-VMD系统的最佳GOR值为0.53，对应的真空通道压力为5.01 kPa。这表明，HF-VMD系统在优化后仍保持其较高的性能优势，同时FS-VMD系统也有其特定的最佳运行条件。

在分析HF-VMD和FS-VMD系统的性能时，研究发现，膜的孔隙率和厚度对系统的性能有显著影响。提高孔隙率有助于增强膜通量，因为更多的膜表面可供水蒸气通过，从而减少传质阻力。然而，更高的孔隙率也意味着更多的热传导损失，导致STEC上升。因此，在设计膜系统时，需要在孔隙率和能耗之间找到平衡。研究建议孔隙率不低于0.6，以确保较高的产水率和较低的能耗。同时，减少膜厚度有助于提升膜通量和GOR，因为较薄的膜可以降低热传导阻力，提高传质效率。研究指出，膜厚度低于0.2–0.3 mm的系统在性能上表现更优。

此外，研究还探讨了进料温度和流速对系统性能的影响。随着进料温度的升高，膜通量和GOR显著提升，而TPC则下降。这是因为高温可以提高水蒸气的压差，从而增强传质驱动力。然而，当温度超过一定阈值后，进一步提高温度对性能的提升效果减弱。同样，提高进料流速可以增强膜通量和GOR，但同时也会增加STEC。因此，研究建议在进料流速为100–150 l·h?1的范围内进行优化，以实现最佳的产水效率。

在真空通道压力方面，研究发现，压力的增加会显著降低膜通量和GOR，同时提高STEC。这表明，在选择真空通道压力时，需要在通量和能耗之间进行权衡。研究指出，5–7 kPa的压力范围是HF-VMD和FS-VMD系统性能最佳的区间。在此范围内，系统能够维持较高的通量和GOR，同时STEC保持较低水平。

通过本研究的仿真和优化分析，可以得出以下结论：HF-VMD系统在通量、GOR和TPC方面优于FS-VMD系统，这主要归因于其独特的几何结构和流体动力学特性。HF-VMD系统的小直径和高流速使得其Reynolds数和Nusselt数更高，从而提高了传质效率和热传导能力。相比之下，FS-VMD系统由于较大的流道高度和较低的表面流速，导致其传质效率和热传导能力相对较弱，从而表现出较高的温度极化现象。

本研究的成果对于实际应用具有重要意义。HF-VMD系统的优化配置可以显著提高产水效率，降低单位热能消耗，从而在实际操作中实现更高的经济性和环境友好性。此外，FS-VMD系统的优化也有助于提升其性能，尤其是在选择合适的操作条件和膜特性时。这些研究结果不仅为VMD系统的优化设计提供了理论依据，也为工程实践中的系统选型和运行参数调整提供了参考。

综上所述，HF-VMD和FS-VMD系统在性能表现上存在显著差异，其中HF-VMD系统在多个关键参数上均表现出更高的效率。这主要是由于其独特的结构和流体动力学特性所导致。在实际应用中，应优先考虑HF-VMD系统，尤其是在高温和高流速的条件下。同时，对于FS-VMD系统，通过优化操作条件和膜特性，仍然可以在一定程度上提升其性能。本研究的结果为VMD技术的发展提供了重要的理论支持和实践指导，有助于推动其在水资源短缺地区的广泛应用。