223 膜蒸馏组件设计示例-气扫式
223 膜蒸馏组件设计示例-气扫式
背景
●语音讲解-设计说明
气扫式膜蒸馏组件设计与优化相关软件。
（1）原理与结构
基本原理与结构
典型膜组件
●研讨
气扫式膜蒸馏的基本特点有哪些？
气扫式膜蒸馏组件中吹扫气速度、温度、湿度等如何优化？
吹扫气种类可有哪些？优选吹扫气的原则有哪些？
（2）设计流程
计算膜组件料液热负荷。
初选膜材料、膜元件及膜组件结构。
初选膜管参数。
初选膜管根数。
计算料液侧换热系数。
***试选膜管内壁表面温度。
计算膜管内表面积。
计算膜管长度。
修正膜管长度（也可计算完成后统一调整）。
计算膜管外表面积。
初选壳体内直径。
计算吹扫气侧换热系数和传质系数（换热系数修正也可最后统一考虑）。
计算吹扫气出膜组件温度和湿度。
计算气扫式膜蒸馏过程的膜通量和跨膜热负荷（通常为单位面积）。
计算膜组件实际跨膜热负荷。
比较料液热负荷和跨膜热负荷。
如二者相差较大，则返回***行重新试选膜管内壁温度。
如二者相近，则计算基本完成。
计算膜组件料液中水分分离速率、料液和吹扫气流经膜组件压降、膜组件保温等。
圆整相关元件尺寸、核算壳体内布置膜管情况、修正膜管侧吹扫气流动不均匀系数、补偿制作或壳侧开孔位置对有效膜管长度的影响等。
●研讨
有没有可能出现试选不同的膜管内壁温度但跨膜热负荷与料液热负荷无法一致的情况，如果有这种情况，应该如何处理？
调节哪些因素可控制吹扫气出膜组件的状态（温度、湿度等）？
设计完成已确定结构及参数的气扫式膜蒸馏组件，如果要校核料液及吹扫气流量、进口温度及膜管根数等变化时膜蒸馏组件性能的变化，校核计算的流程如何处理？
（3）设计示例
某种以水为溶剂的料液，热物性与水相近，拟用膜管-壳体型气扫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84.9℃，出膜组件温度75.9℃；吹扫气走膜管外，与料液逆向流动，流量为7.56g/s，进膜组件温度73℃，出膜组件温度83℃，进膜组件含湿量约0.302g(水蒸气)/g(干空气)，出膜组件含湿量约0.460g(水蒸气)/g(干空气)。
基本计算过程如下。
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。
料液在膜组件中平均温度80.4℃，吹扫气在膜组件中平均温度78℃。
膜组件热负荷：
Q=mc(tfi-tfo)=
80*4.2*(84.9-75.9)=3024W
初选膜管根数为100根。
则单根膜管内料液流量为：
mfs=m/N
=80/100=0.8g/根
膜管内料液流速为：
uf=mfs/(0.25*3.14dmi2roum)
=0.8/(0.25*3.14*0.12*0.97)
=102cm/s=1.02m/s
料液流动雷诺数为：
Ref=ufdmi/vf
=1.02*0.001/(0.36*10-6)=2917
料液换热努谢尔特数（参见“冷热平台”215篇）：
Nuf=0.012*Prf0.4*(Ref0.87-280)
=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：
afaf=Nufdaof/dmi
=12.39*0.67/0.001=8301W/(m2.K)
试选膜管内壁温度80℃。
所需换热面积（膜管内表面积）：
Fmi=Q/(afaf(tfm-tmo))
=3024/(8301*(80.4-80)=0.91m2
膜管长度：
L=Fmi/(3.14dmiN)
=0.91/(100*3.14*0.001)=2.90m
如可选取的膜管长度达不到时，制作时可分为两个独立膜组件，两个膜组件串联运行。
壳侧（膜管外侧）换热面积：
Fco=3.14dmoLN
=3.14*0.0013*2.90*100=1.17m2
初取外壳内直径40mm.
壳侧吹扫气流速（以下为简便计算）：
壳侧冷凝液流速：
7.56/(0.25*3.14*(42-100*0.132)*0.00102)=660cm/s=6.6m/s
壳侧当量直径：
(402-100*1.32)/(40+100*1.3)=8.42mm
空气侧（吹扫气）换热计算请参见“冷热平台”第222篇（膜组件分两段串联运行，每段长约1.5m）。
换热系数为：
30 W/(m2.K)
空气（吹扫气）侧对流传质系数计算方法请参见“冷热平台”中“湿空气对流传质计算示例”一篇。
运动黏度v=20.5*10-6m2/s
普朗特数Pr=0.69
热导率dao=0.03W/(m.K)
比热c=1009J/(kg.K)
密度rou=1.02kg/m3
水蒸气在空气中质扩散系数计算公式请参见“冷热平台”中“湿空气扩散系数及气隙传质计算示例”一篇。
D=(9.218*10-4/p)*(T2.5/(T+245))=(9.218*10-4/101325)*(3512.5/(351+245))=3.5*10-5m2/s
施密特数：
Sc=v/Dm=20.5*10-6/3.5*10-5=0.586
afm=afa/(roucp(Sc/Pr)0.67)
=30/(1.02*1009*(0.586/0.69)0.67)=30/922=0.033m/s
膜管内壁80℃、膜管外吹扫气78℃、空气中水蒸气平均含湿量下对应的水蒸气压力约为38.5kPa（约等于75℃饱和水的蒸气压）时，气隙式膜蒸馏过程的具体计算过程请参见“冷热平台”中“四种膜蒸馏通量与热效率计算示例”。
通过单位膜面积热负荷为：
3083+30*(80-78)=3143W/ m2
实际跨膜热负荷为：
3143*0.91=2860W
与料液热负荷相比：
(3024-2860)/3024=5.4%
两者误差在合理范围内，不再重试计算。
膜组件中料液水分的排出速率：
1.33*0.91=1.21g/s=4.4kg/h
后续元件尺寸圆整和相关修正可根据用户要求和条件等具体确定。
●研讨
设计过程中如只给定吹扫气进膜组件速度、温度和湿度，未规定出膜组件温度和湿度，则设计流程是否需要调整？吹扫气侧的换热系数和传质系数如何计算？
上述计算过程中吹扫气侧换热和传质计算时仅基于干空气物性等进行计算，如考虑与干空气混合的水蒸气的作用，相关物性及过程如何处理？计算结果与示例计算结果相差约多少？
如何设计膜组件结构使吹扫气侧流动均匀且阻力小？