237 管长试算法设计膜蒸馏组件示例
237 管长试算法设计膜蒸馏组件示例
背景
●语音讲解-设计说明
此处以直接接触式膜蒸馏为例，但也适用于减压式、气隙式、气扫式、吸收式、液隙式等型式的膜蒸馏组件或渗透汽化膜组件的设计。
此处以壳-多膜管型直接接触式膜组件为例。
膜组件结构
设计流程
计算膜组件料液热负荷。
初选膜材料及结构参数。
初选膜管参数。
初选膜管根数。
初选壳体内直径。
计算料液侧换热系数。
计算冷凝液侧换热系数。
***试选膜管长度。
计算膜管内表面积。
计算膜管内表面温度。
计算膜管外表面积。
计算冷凝液侧膜表面温度。
计算单位面积膜蒸馏过程的膜通量和跨膜热负荷。
计算膜组件总跨膜热负荷。
比较料液热负荷和跨膜热负荷。
如二者相差较大，则返回***行重新试选膜管长度（如计算出的跨膜热负荷小于料液热负荷，则再试选进增加膜管长度，反之则减小膜管长度）。
如计算出的跨膜热负荷与料液热负荷相近，则计算基本完成，进一步计算膜组件冷凝液排出速率、料液和冷凝液流经膜组件压降、膜组件保温等即可。
设计示例
某种以水为溶剂的料液，热物性与水相近，拟用多膜管-壳体型直接接触式膜蒸馏组件进行浓缩。料液走膜管内，流量80g/s，进膜组件温度86.5℃，出膜组件温度77.5℃；冷凝液走膜管外，与料液逆向流动，流量也为80g/s，进膜组件温度55.5℃，出膜组件温度64.5℃。
基本计算过程
初选膜材料为聚丙烯；膜孔直径0.2um，弯曲因子1.33，孔隙率75%。
初选膜管内直径1.0mm，外直径1.3mm；膜孔直径0.2um，弯曲因子1.33，孔隙率75%。
料液在膜组件中平均温度82.0℃，冷凝液在膜组件中平均温度60℃。
膜组件热负荷：
Q=80*4.2*(86.5-77.5)=3024W
初选膜管根数为100根。
初取外壳内直径30mm。
则单根膜管内料液流量为：
80/100=0.8g/根
膜管内料液流速为：
0.8/(0.25*3.14*0.12*0.97)=102cm/s=1.02m/s
料液流动雷诺数为：
1.02*0.001/(0.36*10-6)=2917
料液换热努谢尔特数：
0.012*2.20.4*(29170.87-280)
=0.012*1.37*754=12.39
料液与膜管内壁换热系数：
12.39*0.67/0.001=8301W/(m2.K)
膜管外冷凝液流速：
80/(0.25*3.14*(32-100*0.132)*0.983)=14.2cm/s=0.142m/s
膜管外冷凝液流道当量直径：
(302-100*1.32)/(30+100*1.3)=4.57mm
冷凝液流动雷诺数：
0.142*0.00457/(0.478*10-6)=1358
0.00457*1358*2.98/0.65=28.4>10
冷凝液侧努谢尔特数为：
1.86*28.40.333=5.67
冷凝液与膜管外表面换热系数：
5.67*0.659/0.00457=818W/(m2.K)
试选膜管长度为0.60m
则膜管内表面积为：
100*3.14*0.001*0.60=0.188 m2
膜管外表面积：
100*3.14*0.0013*0.60=0.245 m2
膜管内壁温度为：
82-3024/(8301*0.188)=80.0℃
膜管外壁温度为：
60+3024/(818*0.245)=75.0℃
膜管内壁80℃，外壁75℃时，直接接触式膜蒸馏过程的具体计算过程请参见“冷热平台”中“四种膜蒸馏通量和热效率计算示例”一篇（该篇中所用公式也可参见《热泵技术手册》2018年第2版第400～402页；也可通过中国知网或百度搜索“典型膜蒸馏技术的性能及发展分析”一文，文中也有相应公式）。
由该篇中计算结果可得单位膜面积跨膜热负荷为：
11891+2708=14600W/ m2
总跨膜热负荷为：
14600*0.188=2745W
与料液热负荷相比：
(3024-2745)/3024=9.2%
两者基本相近，不再重试计算（要求更精细计算时，可适当延长试选膜管长度再计算一遍）。
膜组件中料液水分的排出速率：
5.13*0.188=0.96g/s=3.5kg/h
●研讨
除本篇和219篇设计流程外，还可有很多设计流程，可否再列出几种？