真空膜蒸馏的实验与数值研究：雷诺数和进料温度对传质、极化和能耗的影响

本研究通过实验与三维CFD模拟，探究了真空膜蒸馏（VMD）在雷诺数200-2400和进料温度40/50℃下的传质性能。结果表明：质量通量分别达14.68-21.48 kg/m2·h（40℃）和17.9-32.7 kg/m2·h（50℃），温度极化系数0.4-0.9，浓度极化系数1.1-1.6，努塞尔数10-18，谢尔伍德数30-113，能量消耗663-917 kWh/m3。温度升高22-52%提升通量但加剧极化，高雷诺数（2400）通过增强对流混合使极化系数降低50-58%。SEM显示入口区盐沉积最严重，证实局部高流速导致瞬时蒸发和盐晶沉积。CFD预测与实验偏差<10%验证模型可靠性。

　　
真空膜蒸馏（VMD）作为海水淡化领域的一种新兴技术，因其能耗较低和环保特性备受关注。本研究通过实验与计算流体动力学（CFD）模拟相结合的方式，系统考察了不同操作条件对VMD性能的影响，揭示了传热传质机理的内在规律。研究团队在沙特阿拉伯国王凯立德大学机械工程学院完成，具体分析如下：

### 一、研究背景与意义
全球水资源短缺问题日益严峻，传统海水淡化技术如反渗透（RO）和多效闪蒸（MSF）存在能耗高、高盐废液排放等问题。膜蒸馏技术利用疏水膜分离盐水与淡水，具有能耗低、无化学药剂添加等优势。其中，真空膜蒸馏（VMD）通过降低渗透侧压力驱动蒸发，在常温下即可实现高效分离。然而，实际应用中传热传质效率受多种因素影响，需通过系统性研究优化操作参数。

### 二、实验设计与方法
1. **实验装置**
采用PTFE/PP复合膜（型号RS40213），有效膜面积140 cm2，厚度177±2 μm，孔隙率80%，采用带流式泵控制不同雷诺数（Re=200-2400），并保持真空侧压力恒定于4 kPa。温度控制为40℃和50℃，通过循环泵调节流量。

2. **关键参数测量**
- **质量流量**：通过渗透侧冷凝水量计算，范围14.68-32.7 kg/m2h。
- **温度极化**：膜表面温度与入口温度差值，归一化表示（θ=0.4-0.9）。
- **浓度极化**：膜表面盐浓度与入口浓度比（φ=1.1-1.6）。
- **能效指标**：单位产水量能耗（SEC）范围663-917 kWh/m3。

3. **验证方法**
采用扫描电镜（SEM）观察膜表面盐沉积，发现入口区域沉积最严重，验证了局部高流速与高蒸发速率的关联。实验数据与CFD预测的吻合度达95%，典型偏差5%-10%。

### 三、核心研究发现
1. **流速与传质效率的关系**
- **低雷诺数（Re=200-400）**：层流状态占主导，温度极化系数θ=0.6-0.7，浓度极化系数φ=1.4-1.6。膜表面形成较厚热边界层和盐浓度梯度层，导致传质效率较低。
- **中高雷诺数（Re=1400-2400）**：二次流显著增强，θ降低至0.8-0.9，φ降至1.1-1.15。湍流特征（如涡旋结构）有效破坏边界层，提升传热传质效率。

2. **温度对性能的影响**
- **温度极化**：50℃时θ值比40℃低5%-10%，表明高温加剧热边界层形成，但更高渗透压驱动补偿了部分损失。
- **浓度极化**：50℃时φ值更高（1.2-1.45 vs 1.1-1.5），盐沉积速率随渗透通量增加而加剧，需通过优化流速缓解。
- **传质系数**：努塞尔数（Nu）在40℃时比50℃高10%-15%，谢尔伍德数（Sh）差异类似，显示高温下Stefan流效应增强，导致局部热阻增大但传质通量提升。

3. **能量效率特征**
- **能耗范围**：40℃时663-805 kWh/m3，50℃时675-917 kWh/m3。
- **能耗优化区间**：Re>1000时，能耗趋于稳定（680-700 kWh/m3），此时二次流充分发展，边界层效应减弱。
- **温度与流速的协同效应**：50℃时虽然能耗略高，但渗透通量提升22%-52%，综合能效比（SEC）仍优于低温工况。

### 四、机理分析
1. **传热传质耦合机制**
VMD过程受蒸发冷却和流动混合共同影响。低温（40℃）下分子扩散占主导，高温（50℃）下蒸发速率更快，导致膜表面温度梯度增大，形成更厚的热边界层（θ=0.9 vs 0.7）。但高流速（Re=2400）通过增强二次流，将边界层厚度降低40%以上。

2. **盐沉积动力学**
SEM观测显示，入口段因流速最高（达1.5倍平均流速）和蒸发速率快（瞬间相变），盐沉积量达20%-25%。中段沉积率降低至10%-15%，而出口段因流速减缓，沉积量最少（5%-7%）。这与浓度极化分布（入口φ=1.5，出口φ=1.25）一致，表明盐沉积主要发生在入口段。

3. **Stefan流效应**
高温（50℃）下渗透压驱动更强，导致膜表面蒸发速率提高3倍，形成更显著的Stefan流。该效应使局部Nu值降低10%-15%，但整体传质通量因渗透压提升而增加52%，体现传质与传热过程的竞争关系。

### 五、工程应用启示
1. **操作参数优化**
- **流速**：建议Re>1400以充分发展二次流，减少边界层厚度。
- **温度**：40℃时能效（SEC）较50℃低8%-12%，但需平衡设备耐温性与膜材料性能。
- **压力**：真空侧压力需低于饱和蒸汽压（40℃时7.4 kPa，50℃时12.3 kPa），建议控制在4-6 kPa以平衡通量与膜寿命。

2. **模块设计改进**
- **入口段结构**：采用渐缩流道设计，降低入口流速梯度，减少盐沉积。
- **模块长度**：当前14.6 cm长度下，出口段仍存在显著极化（φ=1.25-1.45），建议采用多级串联（如3-5级）实现整体通量提升。
- **膜材料选择**：PTFE膜在40℃下寿命周期内通量衰减率（约2%/年）显著低于PVDF膜（5%/年），更适合长期运行。

3. **系统集成策略**
- **余热回收**：结合热泵技术，将膜表面潜热（约3177 kJ/kg）回收用于预热，可降低系统能耗15%-20%。
- **抗沉积涂层**：在膜表面沉积纳米SiO?涂层（厚度<5 μm），实验显示可减少入口段盐沉积量40%以上。

### 六、研究局限性
1. **模型假设**：CFD模拟未考虑膜材料老化导致的孔隙率下降（实验中膜厚度误差±2 μm），建议后续研究加入材料退化模型。
2. **工况范围**：研究仅覆盖Re=200-2400（层流-早期湍流），未验证高Re（>3000）下的非线性效应。
3. **盐浓度依赖**：实验盐浓度固定为35,000 ppm，需扩展至更高浓度（如50,000 ppm）验证极限通量。

### 七、未来研究方向
1. **多物理场耦合模拟**：整合电磁-热-流场数据，预测膜表面微裂纹扩展。
2. **机器学习优化**：基于本研究的2000+数据点训练AI模型，实现参数快速优化（预测精度>90%）。
3. **实验扩展**：增加60-80℃高温实验，验证Stefan流效应极限；开展300 h连续运行实验评估膜污染速率。

### 八、结论
本研究证实：在层流-弱湍流区（Re=200-2400），真空膜蒸馏的渗透通量与雷诺数呈线性正相关（R2=0.983），温度每升高10℃可提升通量22%-52%。但温度极化（θ）和浓度极化（φ）同时增加，需通过流速优化（Re>1400）平衡传质效率与能耗。该成果为设计高效VMD系统提供了理论依据，建议工程中采用入口渐缩设计（长度比1:1.5）结合多级串联（级数3-5），可实现通量提升30%-40%同时保持能耗稳定。