219 膜蒸馏组件设计示例-直接接触式
219 膜蒸馏组件设计示例-直接接触式
背景
●语音讲解-设计说明
设计
优化
校核
软件化
（1）原理与结构
直接接触式膜蒸馏原理
膜管-壳体式结构
●研讨
直接接触式膜蒸馏的基本特点有哪些？与热泵结合时较适于哪个温区？
直接接触式膜蒸馏的冷凝液侧流速大小对膜通量和热效率有哪些影响？流速为0是否可以？有哪些优缺点？
直接接触式膜蒸馏的料液流速如何优化？
直接接触式膜蒸馏的组件型式有哪些？各有哪些优势和不足？
直接接触式膜蒸馏的料液侧和冷凝液侧温度如何优化？
直接接触式膜蒸馏的膜孔直径多大为宜？针对某料液的最佳膜材料及膜孔结构、膜孔参数如何优化？
（2）设计流程
计算膜组件料液热负荷（不考虑膜组件热损失时，冷凝液热负荷与料液热负荷相同）。
初选膜材料及结构参数。
初选膜管参数。
初选膜根数。
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。
计算膜管外表面积。
初选壳体内直径。
计算冷凝液侧换热系数。
计算冷凝液侧膜管表面温度。
计算直接接触式膜蒸馏过程的膜通量和跨膜热负荷。
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，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。
●研讨
有没有可能出现试选膜壁温度与计算值无法一致的情况，如果有这种情况，应该如何处理？
（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；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。
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)
试选膜管内壁温度80℃。
所需换热面积（膜管内表面积）：
3024/(8301*(82-80)=0.182m2
膜管长度：
0.182/(100*3.14*0.001)=0.58m
考虑到膜组件制作及冷凝液进出口位置对有效膜面积的影响，取膜管长度为0.65m，相应内表面为：
0.65*0.182/0.58=0.204m2
壳侧（冷凝液侧，膜管外侧）换热面积：
0.204*1.3/1.0=0.265m2
初取外壳内直径30mm
壳侧冷凝液流速：
80/(0.25*3.14*(32-100*0.132)*0.983)=14.2cm/s=0.142m/s
壳侧当量直径：
(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*2.98/0.58=31.9>10
冷凝液侧努谢尔特数为：
1.86*31.90.333=5.89
冷凝液与膜管外表面换热系数：
5.89*0.659/0.00457=849W/(m2.K)
考虑壳侧冷凝液流动不均匀性对换热的影响，通常乘以一个修正系数，此处取0.89，故实际换热系数为：
849*0.89=756 W/(m2.K)
膜管外表面（冷凝液侧）温度为：
60+3024/(756*0.265)=75.1℃
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”中下图所示的文章：
可得通过单位膜面积热负荷为：
11891+2708=14600W/ m2
实际跨膜热负荷为：
14600*0.204=2978W
与料液热负荷相比：
(3024-2978)/3024=1.5%
两者基本相近，不再重试计算。
膜组件中料液水分的排出速率：
5.13*0.204=1.05g/s=3.78kg/h
●研讨
计算过程中暂不考虑膜组件制作、结构及壳侧流动不均匀等因素，直接计算完成后再适当调整是否可以？
在计算值基础上适当增加膜管长度的增加量应根据哪些因素确定？
壳侧换热系数的修正系数确定时需考虑哪些因素？