淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-1708201108351900
中文論文名稱 直接接觸式薄膜蒸餾於中空纖維模組之模擬與實驗分析
英文論文名稱 Modeling and experimental analysis of direct contact membrane distillation in hollow-fiber modules
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 楊子瑾
研究生英文姓名 Tzu-Jing Yang
學號 698400370
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-07-21
論文頁數 177頁
口試委員 指導教授-何啟東
委員-萬文彬
委員-張煖
中文關鍵字 直接接觸式薄膜蒸餾  中空纖維模組  解析解 
英文關鍵字 Direct contact membrane distillation  Hollow fiber membrane module  Analytical solution 
學科別分類
中文摘要 薄膜蒸餾(membrane distillation, MD)為近來廣受重視的一種技術,其特色為具有裝置簡潔、低成本、可模組化、高介面面積等多方面之優勢,直接接觸式薄膜蒸餾原理乃是利用薄膜兩側的飽和蒸汽壓差為驅動力促使水蒸氣通過薄膜,進而達到分離的效果。
本研究主要是針對屬於共軛格拉茲問題的薄膜蒸餾系統進行理論分析,利用分離變數法將系統之偏微分方程式化簡為常微分方程式以求解其特徵函數,再使用正交展開法求得出入口之展開係數,配合邊界條件,即可求得系統中之二維溫度分佈式,並針對平板型、套管型與中空纖維型三種不同類型之薄膜蒸餾系統作解析,求出在不同操作之條件下,冷熱兩相之溫度分佈,探討不同操作參數對於純水產率的影響,此外,研究中也推導出系統冷熱兩相之平均溫度分佈、平均納塞數等數學表示式。
以本論文所推導之理論為基礎,對直接接觸式薄膜蒸餾作討論,發現不論是何種類型之薄膜蒸餾,增加冷熱水流速及提高熱側進口溫度皆可使純水透膜通量增加,在各種溫度下之透膜通量變化也都符合理論預測。此外,由平板式及中空纖維型薄膜蒸餾實驗所得之結果更可以確定本論文所提出的數學模型之正確性。本研究中無須經過費時的實驗即可求出整個薄膜蒸餾系統的平均納塞數,且可得到系統之二維溫度分佈式。
英文摘要 Membrane distillation is a feasible technology for desalination by utilizing the vapor pressure difference across a hydrophobic membrane via temperature driving force. Potential advantages of membrane distillation over traditional evaporation processes including (1) it is easy to scale-up, (2) possibility of using modules in series, (3) modularity, (4) high level of interface area and low investment, etc.
The analytical solutions for such conjugated Graetz problems in direct contact membrane distillation systems (DCMD) were obtained by using the separated variable method with an orthogonal expansion technique extended in power series. The effects of operation parameters in three membrane distillation systems, include flat-plate module, circular-tube module and hollow fiber module
are investigated theoretically, this theoretical predictions were represented graphically with the Graetz number (volumetric flow rate), flow pattern and hot feed inlet temperature as parameters, besides, the temperature profiles and average Nusselt numbers has been examined and reported.
The analytical results reveal that the initial saline temperature effect in the hot feed stream on the pure water productivity is more significant than hot and cold feed stream flow rate variations. However, a higher flow rate of hot or cold feed stream still has positive effects on producing better pure water productivity in the case when the inlet saline temperature is specified. The experiments in hollow fiber module were carried out in this study to confirm the accuracy of the theoretical results, and the mathematical model derived in the present study can also be applied to other membrane distillation process to estimate the pure water productivity.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 III
誌謝 V
目錄 VI
圖目錄 X
表目錄 XV
符號說明 XVI
第一章 緒論 1
1-1 簡介 1
1-1-1 引言 1
1-1-2 薄膜蒸餾 1
1-1-3 格拉茲問題 4
1-2 文獻回顧 4
1-3 研究動機、目的與方向 7
第二章 平板型順流式薄膜蒸餾 9
2-1 基本理論 9
2-2 平均溫度與平均納塞數 16
2-3 範例計算、結果與討論 17
第三章 平板型逆流式薄膜蒸餾 33
3-1 基本理論 33
3-2 平均溫度與平均納塞數 39
3-3 範例計算、結果與討論 40
第四章 套管型順流式薄膜蒸餾 52
4-1 基本理論 52
4-2 平均溫度與平均納塞數 59
4-3 範例計算、結果與討論 60
第五章 套管型逆流式薄膜蒸餾 72
5-1 基本理論 72
5-2 平均溫度與平均納塞數 79
5-3 範例計算、結果與討論 80
第六章 中空纖維型順流式薄膜蒸餾 93
6-1基本理論 93
6-2 平均溫度與平均納塞數 101
6-3 範例計算、結果與討論 102
第七章 薄膜蒸餾實驗 109
7-1實驗裝置說明 109
7-2 實驗步驟 112
7-3 結果與討論 113
第八章 結論 117
參考文獻 122
附錄A 正交性質證明 126
A-1平板系統正交性質 127
A-2套管系統正交性質 129
A-3中空纖維系統正交性質 132
附錄B 積分公式證明 133
B-1平板系統積分公式 136
B-2套管系統積分公式 139
B-3中空纖維系統積分公式 143
附錄C 展開係數求解過程 145
C-1平板系統展開係數 148
C-2套管系統展開係數 158
C-3中空纖維系統展開係數 168
附錄D 平均濃度 169
D-1平板系統平均濃度 170
D-2套管系統平均濃度 172
D-3中空纖維系統平均濃度 174
附錄E 矩陣範例說明 175

圖 目 錄

圖1.1 薄膜蒸餾模組之型式 3
圖1.2 薄膜蒸餾之薄膜形狀分類 3
圖2.1 平板型順流式薄膜蒸餾示意圖 21
圖2.2 直接接觸式薄膜蒸餾解析解與數值解比較圖 22
圖2.3 熱側流體為純水時,不同操作參數對純水透膜通量之影響 23
圖2.4 熱側流體為鹽水時,不同操作參數對純水透膜通量之影響 24
圖2.5 在薄膜蒸餾器內不同位置,冷熱物流之溫度分佈圖,
(Ta,in=40℃,va=vb=v) 25
圖2.6 通道壁及薄膜表面之流體溫度在不同操作參數下之影響,
(Ta,in=40℃) 26
圖2.7 順流式薄膜蒸餾器中,冷熱物流之無因次平均溫度變化情形(Ta,in=40℃,v=0.0259) 27
圖2.8 在不同的熱物流流速下,局部納塞數於平板型順流式薄膜蒸餾器中之變化,(Gzb=0.6320) 28
圖2.9 於平板型順流式薄膜蒸餾器中,不同的熱物流流速下,平均納塞數與冷物流流速之關係 29
圖2.10 於平板型順流式薄膜蒸餾器中不同的冷物流流速下,平均納塞數與熱物流流速之關係 30
圖3.1 平板型逆流式薄膜蒸餾示意圖 43
圖3.2 在薄膜蒸餾器內不同位置,冷熱物流之溫度分佈圖,(Ta,in=40℃,va=vb=v) 44
圖3.3 通道壁及薄膜表面之流體溫度在不同操作參數下之影響 45
圖3.4 逆流式薄膜蒸餾模組中,冷熱物流之無因次平均溫度變化情形(Ta,in=40℃,v=0.0259) 46
圖3.5 在不同的熱側物流流速下,局部納塞數於平板型逆流式薄膜蒸餾模組中之變化 47
圖3.6 在相同的條件下,平板順流系統與平板逆流系統之平均納塞數比較,(Gz=0.6236) 48
圖3.7 逆流操作下,熱側流體為鹽水時,不同操作參數對純水透膜通量之影響 49
圖4.1 套管型順流式薄膜蒸餾示意圖 63
圖4.2 不同特徵值數目下,管側(熱物流)之無因次進口溫度(ηi=0.5,Qa=4.883cm3/s,Qb=13.29cm3/s) 64
圖4.3 不同特徵值數目下,殼側(冷物流)之無因次進口溫度(ηi=0.5,Qa=4.883cm3/s,Qb=13.29cm3/s) 65
圖4.4 在薄膜蒸餾器內不同位置,熱物流與冷物流之溫度分(ηi=0.3,Qa=3.167cm3/s,Qb=13.29cm3/s) 66
圖4.5 套管型順流式薄膜蒸餾器於不同之ηi下,熱物流及冷物流之平均溫度變化情形(Qa=3.167cm3/s,Qb=13.29cm3/s)67
圖4.6 局部納塞數於套管型順流式薄膜蒸餾器中之變化情形(Qb=13.29cm3/s) 68
圖4.7 於不同ηi值下,平均納塞數與熱物流流率之關係(Qb=13.29cm3/s) 69
圖4.8 於不同ηi值下,不同操作參數對純水透膜通量之影響 70
圖5.1 套管型逆流式薄膜蒸餾示意圖 83
圖5.2 不同特徵值數目下,管側(熱物流)之無因次進口溫度(ηi=0.5,Qa=4.883cm3/s,Qb=13.29cm3/s) 84
圖5.3 不同特徵值數目下,殼側(冷物流)之無因次進口溫度(ηi=0.5,Qa=4.833cm3/s,Qb=13.29cm3/s) 85
圖5.4 在薄膜蒸餾器內不同位置,熱物流與冷物流之溫度分(ηi=0.3,Qa=4.000cm3/s,Qb=13.29cm3/s) 86
圖5.5 套管型逆流式薄膜蒸餾器於不同之ηi下,熱物流及冷物流之平均溫度變化情形(Qa=4.833cm3/s,Qb=13.29cm3/s)87
圖5.6 局部納塞數於套管型逆流式薄膜蒸餾器中之變化情形(Qb=13.29cm3/s) 88
圖5.7 於不同ηi值下,平均納塞數與熱物流流率之關係(Qb=13.29cm3/s) 89
圖5.8 於不同溫度下,套管順流與逆流之純水透膜通量比較(ηi=0.3,Qb=13.29cm3/s) 90
圖6.1 在中空纖維薄膜蒸餾模組內不同位置,熱物流與冷物流之溫度分佈(Qa=4.000cm3/sQb=13.29cm3/s,Ta,in=40℃) 104
圖6.2 中空纖維型順流式薄膜蒸餾模組於不同之 下,系統之平均溫度變化情形(Qb=13.29cm3/s,Ta,in=40℃) 105
圖6.3 局部納塞數於中空纖維型順流式薄膜蒸餾模組中之變化情形(Gzb=27.08) 106
圖6.4 於中空纖維型順流式薄膜蒸餾膜組中不同的冷物流流速下,平均納塞數與熱物流流速之關係 107
圖7.1 直接接觸式中空纖維薄膜蒸餾實驗裝置簡圖 109
圖7.2 直接接觸式中空纖維薄膜蒸餾設備實際圖 110
圖7.3 中空纖維系統中於不同操作參數下對純水透膜通量之影響 115
圖8.1 平板型薄膜蒸餾模組內,冷、熱物流中的無因次溫度分佈求解流程圖 118
圖8.2 套管型薄膜蒸餾模組內,冷、熱物流中的無因次溫度分佈求解流程圖 120

表2.1 平板型薄膜蒸餾特徵值數目與展開係數Sa,m熱物流無因次平均出口溫度之比較值於Ta,in=40℃,v=0.0256 m/s 31
表2.2 直接接觸式薄膜蒸餾實驗值與理論值之平均誤差 32
表3.1 不同溫度下,平板順流系統與逆流系統純水透膜通量(N"*10^3)比較表 50
表4.1 套管型薄膜蒸餾特徵值數目與展開係數Sa,m對熱物流無因次平均出口溫度之比較值於Ta,in=50℃,Qa=4.000cm3/s與Qb=13.29cm3/s 71
表5.1 不同Gza、Gzb下,對純水透膜通量N"*10^3(kg/m2s)之影響(ηi=0.3,Ta,in=40℃) 91
表5.2 不同熱物流流率及不同ηi下,套管順流系統與逆流系統純水透膜通量(N"*10^3)之比較(Ta,in=40℃) 92
表6.1 中空纖維型薄膜蒸餾特徵值數目與展開係數Sa,m熱物流無因次平均出口溫度之比較值於Gza=11.14,Gzb=20.31 108
表7.1 直接接觸式中空纖維薄膜蒸餾實驗值與理論值之平均誤差 116


參考文獻 1. G. M. Brown, Heat or mass transfer in a fluid in laminar flow in a circular or flat conduit, AIChE J., 1960, 6, 179-183.
2. T. L. Perelman, On conjugated problems of heat transfer, Int. J. Heat Mass Transfer, 1961, 3, 293-303.
3. A. P. Hatton and A. Quarmby, Heat transfer in the thermal entry length with laminar flow in an annulus, Int. J. Heat Mass Transfer, 1962, 5, 973-980.
4. R. J. Nunge and W. N. Gill, Analysis of heat or mass transfer in some countercurrent flows, Int. J. Heat Mass Transfer, 1965, 8, 873-886.
5. R. J. Nunge and W. N. Gill, An analytical study of laminar counterflow double-pipe heat exchangers. AIChE J., 1966, 12, 279-289.
6. C. J. Hsu, Heat transfer in a round tube with sinusoidal wall heat flux distribution, AIChE J., 1965, 11, 690-695.
7. E. J. Davis, Exact solutions for a class of heat and mass transfer problems, Can. J. Chem. Eng., 1973, 51, 562-572.
8. H. M. Yeh, T.W. Chang and S. W. Tsai, A study of the graetz problems in concentric-tube continuous-contact countercurrent separation process with recycles at both ends, Separation Science and Technology, 1986, 21, 403-419.
9. M. A. Ebadian and H. Y. Zhang, An exact solution of extend graetz problem with axial heat conduction, Int. J. Heat Mass Transfer, 1989, 32, 1709-1717.
10. X. Yin and H. H. Bau, The conjugated graetz problem with axial conduction, Journal of Heat Transfer, 1996, 118, 482-485.
11. C. D. Ho, H. M. Yeh and W. S. Sheu, An analytical study of heat and mass transfer through a parallel-plate channel with recycle, Int. J. Heat Mass Transfer, 1998, 44, 2589-2599.
12. C. D. Ho and W. Y. Yang, Heat transfer of conjugated graetz problems with laminar counterflow in double-pass concentric circular heat exchangers, Int. J. Heat Mass Transfer, 2005, 48, 4474-4480.
13. R. O. C. Guedes and M. N. Ozisik, Conjugated turbulent heat transfer with axial condition in wall and convection boundary conditions in a parallel-plate channel, Int. J. Heat and Fluid Flow, 1992, 13, 322-328.
14. W. P. Wang, H. T. Lin and C. D. Ho, An analytical study of laminar co-current flow gas absorption through a parallel-plate gas-liquid membrane contactor, J. Membr. Sci., 2006, 278, 181-189.
15. J. J. Guo and C.D. Ho, Theoretical study on membrane extraction in laminar flow circular-tube modules, Tamkang J. Sci. Eng., 2008, 11, 339-346.
16. T. Y. Cath, D. Adams, A. E. Childress, Membrane contactor processes for wastewater reclamation in space: II. combined direct osmosis, osmotic distillation, and membrane distillation for treatment of metabolic wastewater, J. Membr. Sci., 2005, 257, 111-119.
17. K. W. Lawson, and D. R. Lloyd, Membrane distillation. II. direct MD, J. Membr. Sci., 1996, 120, 123-133.
18. M. Khayet, J.I. Mengual, T. Matsuura, Porous hydrophobic /hydrophilic composite membranes: Application in desalination using direct contact membrane distillation, J. Membr. Sci., 2005, 252, 101-113.
19. M. E. Findley, Vaporization through porous membranes, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 1967, 6, 226-230.
20. R. W. Schofield, A. G. Fane, C. J. D. Fell, Heat and mass transfer in membrane distillation, J. Membr. Sci., 1987, 33, 299-313.
21. B. Li, K. K. Sirkar, Novel membrane and device for direct contact membrane distillation-based desalination process, Ind. Eng. Chem. Res., 2004, 43, 5300-5309.
22. F. He, J. Gilron, H. Lee, L. Song, K. K. Sirkar. Potential for scaling by sparingly soluble salts in crossflow DCMD, J. Membr. Sci., 2008, 311, 68–80.
23. J. S. Chiou, K. T. Cheng and S. T. Hsu, Seawater desalination by direct contact membrane distillation, Desalination, 2002, 143, 279-287.
24. H. Ozbek, S. L. Phillips, Thermal conductivity of aqueous sodium chloride solutions from 20 to 330 °C, J. Chem. Eng. Data., 1980, 25, 263-267.
25. T. C. Chen, C. D. Ho and H. M. Yeh, Theoretical modeling and experimental analysis of direct contact membrane distillation, J. Membr. Sci., 2009, 330, 279-287.
26. C. D. Ho, H. M. Yeh and R. C. Wang, Heat-transfer enhancement in double-pass flat-plate solar air heaters with recycle, Energy, 2005, 30, 2796-2817.
27. A. Burgoyne, M. M. Vahdati, Direct contact membrane distillation, Sep. sci. tech., 2000, 35, 1257-1284.
28. M. S. El-Bourawi, Z. Ding, R. Ma and M. Khayet, A framework for better understanding membrane distillation separation process, J. Membr. Sci., 2006, 285, 4-29.
29. Martínez L., Rodríguez-Maroto, J.M., Characterization of membrane distillation modules and analysis of mass flux enhancement by channel spacers, J. Membr. Sci., 2006, 274, 123-137.
30. J.Zhang, J. D. Li, M. Duke, Z. Xie and S. Gray, Performance of asymmetric hollow fibre membranes in membrane distillation under various configurations and vacuum enhancement, J. Membr. Sci., 2010, 362, 517-528.
31. S. Al-Obaidani, E. Curcio, F. Macedonio, G. Di Profio, H. Al-Hinai, and E. Drioli, Potential of membrane distillation in seawater desalination: Thermal efficiency, sensitivity study and cost estimation, J. Membr. Sci., 2008, 323, 85-98.
32. J. Happle, Viscous flow relative to arrays of Cylinder, AIChE J., 1959, 5, 174-177.
33. R. J. Moffat, Describing the uncertainties in experimental results, Exp. Thermal Fluid Sci., 1988, 1, 3-17.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2011-08-18公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2011-08-18起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信