Numerical simulations of membrane distillation systems with actively heated membranes

膜 膜蒸馏 浓差极化 极化(电化学) 渗透 热传导 传质 计算流体力学 材料科学 机械 化学 化学工程 复合材料 色谱法 海水淡化 工程类 物理 生物化学 物理化学
作者
Jincheng Lou,Mark Dudley,Jingbo Wang,Yiming Liu,Tzahi Y. Cath,Craig Turchi,Michael B. Heeley,Eric M. V. Hoek,David Jassby,Nils Tilton
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:668: 121206-121206 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2022.121206
摘要

Membrane distillation (MD) is a thermal desalination process that is gaining attention for treating hypersaline brines. One recent approach uses composite membranes with a thermally conductive layer that delivers heat to the membrane-feed interface, where it drives evaporation. Though this increases single-pass recovery, it comes with the challenge of promoting lateral heat conduction through the thin membrane. Herein, we develop a 3D, computational fluid dynamics (CFD) model that simulates conjugate heat, mass, and momentum transport in the feed channel and composite membrane. We then use the CFD to verify a simpler numerical model that approximates the feed velocity field analytically. We validate the numerical model experimentally, and use it to investigate the impacts of the conductive layer thickness, feed channel geometry, and operating conditions on temperature and concentration polarization, permeate production, and specific energy consumption. Overall, we find that lateral heating increases permeate production at the expense of increased concentration polarization. In extreme cases, the concentration increases more than four-fold along the membrane surface. We show however, that the feed flow rate and conductive layer thickness can be tailored to mitigate concentration polarization, for only a small reduction in permeate production. • Active heating reverses temperature polarization. • This increases distillate production, but also concentration polarization. • Concentration polarization is maximized at side walls. • Increasing the feed velocity and mesh thickness decreases concentration polarization. • Active heating works best for narrow channels.
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