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 U0002-2907200910104300
中文論文名稱 太陽能驅動薄膜蒸餾海水淡化系統之動態與控制研究
英文論文名稱 Study on the dynamics and control for the solar powered membrane distillation desalination system
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 李建璋
研究生英文姓名 Chien-Chang Li
學號 696400570
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-27
論文頁數 142頁
口試委員 指導教授-張煖
委員-陳錫仁
委員-何啟東
委員-王國彬
委員-程學恆
委員-張煖
中文關鍵字 太陽能  薄膜蒸餾  程序動態  程序控制  海水淡化 
英文關鍵字 membrane distillation  solar  process dynamics  process control  desalination 
學科別分類
中文摘要 薄膜蒸餾(Membrane Distillation, MD)是利用一多孔性疏水薄膜,在薄膜兩側提供溫度之差異,藉以因水之蒸汽壓差產生水之傳輸,達到將水純化之目的。太陽輻射所提供之低溫熱源與薄膜蒸餾海水淡化之結合提供了可同時解決能源與水資源不足問題的解決方案。本論文針對太陽能驅動薄膜蒸餾海水淡化系統之動態與控制研究。本研究使用之模式建立於Aspen Custom Modeler(ACM)平台,包括太陽能集熱器、儲熱槽、熱交換器與薄膜蒸餾模組,而後探討系統在不同日照特性下之最適化操作與控制系統設計。
最適化的結果顯示,簡單儲熱槽的配置較複雜之設計理想;薄膜蒸餾模組操作於較低流量有助於產量之提高,但系統之日照吸收量會降低。控制系統之研究顯示,適當的控制器設定點與PI控制器諧調,有助於系統之整體性能。
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. The integration of the low-temperature solar thermal energy with the membrane distillation provides a way to simultaneously solving the energy and water resource problems. The thesis investigates the dynamics and control of the solar powered membrane distillation desalination systems. A system simulation model is built on Aspen Custom Modeler platform, including models for solar collector, thermal storage tank, heat exchanger and membrane distillation module. The model is then used for the dynamic optimization and control system design under different solar radiation conditions.
The optimization study reveals that simple thermal storage tank configuration is better than other complex configurations. Besides, the operation using lower flow rate in the membrane distillation module helps the freshwater production but sacrifices the thermal energy absorption. Appropriate controller set points and PI controller tunings can benefit the system performance.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 X
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 6
第三章 單元模式建立 11
3.1 太陽能集熱器 11
3.1.1 數學模式 11
3.1.2 集熱器尺寸與參數設定 12
3.2 儲熱槽 13
3.2.1 配置一 14
3.2.1.1 數學模式 14
3.2.1.2 儲熱槽尺寸與參數設定 15
3.2.2 配置二 15
3.2.2.1 數學模式 16
3.2.2.2 儲熱槽尺寸與參數設定 16
3.2.3 配置三 17
3.2.3.1 數學模式 17
3.2.3.2 儲熱槽尺寸與參數設定 18
3.2.4 配置四 18
3.2.4.1 數學模式 19
3.2.4.2 儲熱槽尺寸與參數設定 19
3.3 熱交換器 20
3.3.1 數學模式 20
3.3.2 熱交換器尺寸與參數設定 21
3.4 薄膜蒸餾模組 21
3.4.1 數學模式 22
3.4.1.1 統制方程式 23
3.4.1.2 物理/輸送性質 27
3.4.1.3 熱質傳係數 28
3.4.1.4 模式之求解 29
3.4.2 模組內部特性分析 30
3.4.2.1 基本個案設定條件 30
3.4.2.2 特性分析 32
3.4.3 阻力分析 34
3.4.4 模式驗證 37
第四章 性能最適化分析 41
4.1 最適化方法 41
4.2 不同系統配置之分析 42
4.2.1 最適化之設定 43
4.2.2 配置一 44
4.2.2.1 最大化日產量(個案1-1) 48
4.2.2.2 最大化日照熱能吸收量(0.2)與日產量(0.8) (個案1-2) 52
4.2.2.3 最大化日照熱能吸收量(0.5)與日產量(0.5) (個案1-3) 55
4.2.2.4 不同目標函數最適化結果分析 58
4.2.3 其他配置 58
4.2.4 不同配置結果分析 68
4.3 日照型態的影響 69
4.4 固定操作參數的影響 72
4.4.1 薄膜蒸餾操作流量 72
4.4.2 儲熱槽循環流量 74
4.5 最適化結果總結 76
第五章 控制系統性能分析 77
5.1 控制系統配置與操作 77
5.2 控制器的參數設定與求解 82
5.3 系統性能 87
5.3.1 晴天 87
5.3.2 陰天 90
5.3.3 多雲 92
5.3.4 陰天−晴天 94
第六章 結論 96
符號說明 98
參考文獻 104
附錄A. 螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組之ACM程式 108
附錄B. 最適化結果圖 119
附錄C. 控制系統結果圖 134

圖目錄
圖1.1 薄膜蒸餾操作原理 2
圖1.2 薄膜蒸餾模組配置 3
圖1.3太陽能驅動薄膜蒸餾海水淡化系統流程(CADDET, 1996) 4
圖2.1歐盟具熱交換功能之螺捲式薄膜蒸餾模組(Koschikowski等人, 2003) 7
圖2.2荷蘭TNO之Memstill系統(van Medevoort等人, 2008) 7
圖3.1 太陽能集熱器 12
圖3.2 儲熱槽配置一 14
圖3.3 儲熱槽配置二 16
圖3.4 儲熱槽配置三 17
圖3.5 儲熱槽配置四 19
圖3.6 螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組(a) 22
圖3.7 氣隔式薄膜蒸餾熱質傳示意圖 23
圖3.8 模擬分段數之影響 32
圖3.9 質傳通量分佈圖 33
圖3.10 溫度與蒸氣壓的關係 33
圖3.11 溫度分佈圖 34
圖3.12 熱傳係數改變對產量之影響 35
圖3.13 質傳係數改變對產量之影響 36
圖3.14 熱質傳係數改變對產量之影響 36
圖3.15 螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組驗證個案一之實驗結果 38
圖3.16 螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組驗證個案一之模擬結果 38
圖3.17螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組驗證個案二 40
圖4.1 晴天之日照輻射強度 43
圖4.2 配置一系統 45
圖4.3 配置一有日照輻射下的操作 47
圖4.4 配置一無日照輻射下的操作 48
圖4.5 個案1-1最適化結果 50
圖4.6 個案1-1最適化物流流量 51
圖4.7 個案1-2最適化結果 53
圖4.8 個案1-2最適化物流流量 54
圖4.9 個案1-3最適化結果 56
圖4.10 個案1-3最適化物流流量 57
圖4.11 配置二系統 59
圖4.12 配置二有日照輻射下的操作 59
圖4.13 配置二無日照輻射下的操作 60
圖4.14 配置三系統 61
圖4.15 配置三有日照輻射下的操作 61
圖4.16 配置三無日照輻射下的操作 62
圖4.17 配置四系統 63
圖4.18 配置四有日照輻射下的操作 63
圖4.19 配置四無日照輻射下的操作 64
圖4.20 最大化日產量結果 65
圖4.21 最大化日照熱能吸收量(0.2)與日產量(0.8)結果 66
圖4.22 最大化日照熱能吸收量(0.5)與日產量(0.5)結果 67
圖4.23 陰天之日照輻射強度 69
圖4.24 多雲之日照輻射強度 70
圖4.25 不同日照型態最適化結果 71
圖4.26 不同薄膜蒸餾操作流量最適化結果 73
圖4.27 不同儲熱槽循環流量最適化結果 75
圖5.1 控制系統配置 78
圖5.2 使用PID控制於有日照輻射下的操作 81
圖5.3 使用PID控制於無日照輻射下的操作 82
圖5.4 方法一TC1參數諧調 85
圖5.5 方法一TC2參數諧調 85
圖5.6 方法二TC1參數諧調 86
圖5.7 方法二TC2參數諧調 87
圖5.8 晴天之控制系統與最適化操作結果 89
圖5.9 陰天之控制系統與最適化操作結果 91
圖5.10 多雲之控制系統與最適化操作結果 93
圖5.11 陰天−晴天之日照輻射強度 94
圖5.12 陰天−晴天之控制系統與最適化操作結果 95

表目錄
表3.1 集熱器尺寸與參數設定 13
表3.2 儲熱槽配置一尺寸與參數設定 15
表3.3 儲熱槽配置二尺寸與參數設定 17
表3.4 儲熱槽配置三尺寸與參數設定 18
表3.5 儲熱槽配置三尺寸與參數設定 20
表3.6 熱交換器尺寸與參數設定 21
表3.7 螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組之尺寸 31
表3.8 螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組之基本個案操作參數 32
表3.9 螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組驗證個案一之尺寸 37
表3.10 螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組驗證個案一之操作參數 37
表3.11 螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組驗證個案二之尺寸 39
表3.12 螺捲狀氣隔式薄膜蒸餾模組驗證個案二之操作參數 39
表4.1 最適化參數設定 44
表4.2 配置一最適化系統的控制設定 46
表4.3 不同配置與目標函數最適化結果彙整 68
表4.4 不同日照型態最適化結果彙整 71
表4.5 不同薄膜蒸餾操作流量最適化結果彙整 73
表4.6 不同儲熱槽循環流量最適化結果彙整 75
表5.1控制系統 79
表5.2 晴天之控制系統與最適化操作結果 88
表5.3 陰天之控制系統與最適化操作結果 90
表5.4 多雲之控制系統與最適化操作結果 92
表5.5 陰天−晴天之控制系統與最適化操作結果 94



參考文獻 Alklaibi, A. M., N. Lior, “Heat and mass transfer resistance analysis of membrane distillation,” Journal of Membrane Science, 282, 362-369, 2006.
Badescu, V., “Optimal control of flow in solar collector systemswith fully mixed water storage tanks,” Energy Conversion and Management, 49, 169-184, 2008.
Banat, F., N. Jwaied, M. Rommel, J. Koschikowski, M. Wieghaus, “Performance evaluation of the large SMADES autonomous desalination solar-driven membrane distillation plant in Aqaba, Jordan,” Desalination, 217, 17-28, 2007a.
Banat, F., N. Jwaied, M. Rommel, J. Koschikowski, M. Wieghaus, “Desalination by a compact SMADES autonomous solar- powered membrane distillation unit,” Desalination, 217, 29-37, 2007b.
Banat, F. A., Simandl, J., “Membrane distillation for propanone removal from aqueous streams,” Journal of Membrane Science, 75(2), 168-178, 2000.
Banat, F. A., Simandl, J., “Membrane distillation for dilute ethanol: Separation from aqueous streams,” Journal of Membrane Science, 163(2), 333-348, 1999.
Ben Bacha, H., M. Bouzguenda, M. S. Abid, A. Y. Maalej, “Modelling and simulation of a water desalination station with solar multiple condensation evaporation cycle technique,” Renewable Energy, 18, 349-365, 1999.
Ben Bacha, H., M. Bouzguenda, T. Damak, M. S. Abid, A. Y. Maalej, “A study of a water desalination station using the SMCEC technique: production optimization,” Renewable Energy, 21, 523-536, 2000.
Ben Bacha, H., T. Damak, M. Bouzguenda, A. Y. Maalej, H. Ben Dhia, “Study of a water desalination station using the SMCEC technique: dynamic modeling and simulation,” Desalination, 137, 53-61, 2001.
Ben Bacha, H., T. Damak, M. Bouzguenda, A.Y. Maalej, H. Ben Dhia, “A methodology to design and predict operation of a solar collector for a solar-powered desalination unit using the SMCEC principle,” Desalination, 156, 305-313, 2003.
Ben Bacha, H., T. Damak, A. A. Ben Abdalah, A. Y. Maalej, H. Ben Dhia, “Desalination unit coupled with solar collectors and a storage tank: modelling and simulation,” Desalination, 206, 341-352, 2007.
Ben Boudinar, W. T. Hanbury, S. Avlonitis, “Numerical simulation and optimization of spiral-wound modules,” Desalination, 86, 273-290, 1992.
Bird, R. B., Stewart, W. E., Lighfoot, E. N., Transport Phenomena, New York: John Wiley and Sons, Inc., 1960.
CADDET Centre for Renewable Energy, A Solar Desalination System Using the Membrane Distillation Process, United Kingdom, 1996.
Chernyshov, M. N., G. W. Meindersma, A. B. de Haan, “Comparison of spacers for temperature polarization reduction in air gap membrane distillation,” Desalination, 183, 363-374, 2005.
El-Bourawi, M. S., Z. Ding, R. Ma, M. Khayet, “A framework for better understanding membrane distillation separation process,” Journal of Membrane Science, 285, 4-29, 2006.
Ding, Z., Liying Liu, Mohamed S. El-Bourawi, R. Ma, “Analysis of a solar-powered membrane distillation system," Desalination, 172, 27-40, 2005.
Geraldes, V., N. E. Pereira, M. N. de Pinho, “Simulation and Optimization of Medium-Sized Seawater Reverse Osmosis Processes with Spiral-Wound Modules,” Industrial and Engineering Chemistry Research, 44(6), 1897-1905, 2005.
Guijt, C. M., G. W. Meindersma, T. Reith, A. B. de Haan, “Air gap membrane distillation 1. Modelling and mass transport properties for hollow fibre membranes,” Separation and Purification Technology, 43, 233-244, 2005a.
Guijt, C. M., G. W. Meindersma, T. Reith, A. B. de Haan, “Air gap membrane distillation 2. Model validation and hollow fibre module performance analysis,” Separation and Purification Technology, 43, 245-255, 2005b.
Holman, J. P., Heat Transfer, McGraw-Hill, Inc., 1989.
Hsu, S. T., K. T. Cheng, J. S. Chiou, “Seawater desalination by direct contact membrane distillation," Desalination, 143, 279-287, 2002.
Izquierdo-Gil, M. A., M. C. Garcia-Payo, C. Fernandez-Pineda, “Air gap membrane distillation of sucrose aqueous solutions,” Journal of Membrane Science, 155, 291-307, 1999.
Khayet, M., Godino, M. P. and Mengual, J. I., “Study of Asymmetric Polarization in Direct Contact Membrane Distillation,” Separation Science and Technology, 39(1), 125-147, 2004.

Khayet, M., J. I. Mengual, T. Matsuura, “Porous hydrophobic/hydrophilic composite membranes: application in desalination using direct contact membrane distillation,” Journal of Membrane Science, 252, 101-113, 2005.
Koshchikowski, J., M. Wieghaus, M.Rommel, “Solar thermal-driven desalination plants based on membrane distillation,” Desalination, 156, 295, 2003.
Lawson, K. W., D. R. Lloyd, “Membrane distillation. II. Direct contact membrane distillation,” Journal of Membrane Science, 120, 123-133, 1996.
Lawson, K. W., D. R. Lloyd, “Membrane distillation,” Journal of Membrane Science, 124, 1-25, 1997.
Li, B., Sirkar, K. K. , “Novel membrane and device for direct contact membrane distillation-based desalination process,” Industrial and Engineering Chemistry Research, 43(17), 5300-5309, 2004.
Li, J. M., Xu, Z. K., Liu, Z. M., Yuan, W. F., Xiang, H., Wang, S. Y., Xu ,Y. Y., “Microporous polypropylene and polyethylene hollow fiber membranes. Part 3. Experimental studies on membrane distillation for desalination,” Desalination, 155(2), 153-156, 2003.
Lior, N., A. M. Alklaibi, “Membrane-distillation desalination: status and potential,” Desalination, 171, 111-131, 2005.
Luyben, W.L., Plantwide dynamic simulators in chemical processing and control, New York: Baker and Taylor Books, 2002.
Luyben, W. L., Luyben, M. L., Essentials of process control, New York: McGraw-Hill, 1997.
Martinez, L., Rodriguez-Maroto, J. M., “Characterization of membrane distillation modules and analysis of mass flux enhancement by channel spacers,” Journal of Membrane Science, 274(1-2), 123-137, 2006.
Martinez, L., Rodriguez-Maroto, J. M., “On transport resistances in direct contact membrane distillation,” Journal of Membrane Science, 295(1-2), 28-39, 2007.
Martinez, L., F. J. Florido-Diaz, “Theoretical and experimental studies on desalination using membrane distillation,” Desalination, 139, 373-379, 2001.
Martinez-Diez, L. and Vazquez-Gonzalez, M. I., “Temperature and concentration polarization in membrane distillation of aqueous salt solutions,” Journal of Membrane Science, 156(2), 265-273, 1999.
Martinez-Diez, L. and Vazquez-Gonzalez, M. I., “Effects of polarization on mass transport through hydrophobic porous membranes,” Industrial and Engineering Chemistry Research, 37(10), 4128-4135, 1998.
MEDESOL Project, Seawater desalination by Innovative Solar-Powered Membrane Distillation System, funded by European Commission within the 6th Framework Programer, 2007.
Reid, R. C., Prausnitz, J. M., Poling, B. E., The properties of gases and liquids, New York: McGraw-Hill, 1988.
Rommel, M., J. Koschikowski, M. Wieghaus, “Solar driven desalination systems based on membrane distillation,” NATO Advanced Research Workshop “Solar Desalination for the 21st Century,” Hammamet Tunesia, 23-25 Feb., 2006.
Schock, G., A. Miquel, “Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules,” Desalination, 64, 339-352, 1987.
Senthilmurugan, S., Aruj Ahluwalia, Sharad K. Gupta, “Modeling of a spiral-wound module and estimation of model parameters using numerical techniques,” Desalination, 173, 269-286, 2005.
Song, L., Li, B., Sirkar, K. K. and Gilron, J. L., “Direct contact membrane distillation-based desalination: Novel membranes, devices, larger-scale studies, and a model,” Industrial and Engineering Chemistry Research, 46(8), 2307-2323, 2007.
Srisurichan, S., Jiraratananon, R., Fane, A.G.., “Mass transfer mechanisms and transport resistances in direct contact membrane distillation process,” Journal of Membrane Science, 277(1-2), 186-194, 2006.
van Medevoort, J., A. Jansen, J.H. Hanemaaijer, C. Dotremont, B. Nelemnas, E. van Sonsbeek, R. Biemans, H. Hylkema, Memstill: Seawater desalination a solution to water scarcity, BMG-NMG Membrane Symposium, Antwerp, Belgium, Nov. 16, 2008.
Walton, J., H. Lu, C. Tumer, S. Solis, H. Hein, Solar and waste heat desalination by membrane distillation, Desalination and Water Purification Research and Development Program Report No. 81, 2004.
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2011-07-30公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2011-07-30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