221 膜蒸馏组件设计示例-气隙式

221 膜蒸馏组件设计示例-气隙式

背景

●语音讲解-设计说明

本篇和第219篇中料液与膜管内表面换热系数公式均取自“冷热平台”215篇

第219冷凝液与膜管外表面换热系数公式均取自“冷热平台”215篇（冷凝液与膜管外表面换热近似按套管壳侧换热处理）。

正式技术文件中，符号取名应符合通用习惯，且主符号斜体，上下标正体，所有单位均为正体，表示“千”时，如kg、kJ、kW等，k应小写；表示“10⁶”时，如MJ、MPa等，M应大写；表示“10^-3”时，如mm、mbar等，m应小写；常用单位如m、kg、s、K、Pa、W、J等均应正体且遵循大小写要求。

正式技术文件中，代入数据计算时，应先写出基于变量符号的计算式，再代入数据计算（且按科技写作规范要求标出公式序号和必要的参考文献）。

气隙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

典型结构

 ●研讨

气隙式膜蒸馏的基本特点有哪些？

内部能量回收型气隙式膜蒸馏组件有哪些特点？典型结构有哪些？

气隙宽度如何优化？冷壁表面水蒸气凝结形成的水膜或水球如何影响气隙宽度的确定？

空气与水蒸气混合物中水蒸气在冷板表面（冷板表面也可以是其他型式的表面形式）凝结的换热和传质过程中温度和水蒸气压力如何变化？相关的传热和传质数据如何确定？该过程对冷板设计有哪些影响？

（2）设计流程

（以第一部分中倒数第三图结构为背景）

计算膜组件料液热负荷（不考虑膜组件热损失时，冷却液热负荷与料液热负荷相同）。

初选膜材料、膜元件及膜组件结构。

初选膜管和冷凝管参数。

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）。

计算冷凝管外表面积。

初选壳体内直径。

计算冷却液侧换热系数（对换热系数修正也可最后统一考虑）。

计算冷却液侧冷凝管外表面温度。

计算冷凝管内表面温度（冷凝管为金属材料时，通常可忽略冷凝管壁热阻，即认为冷凝管内外表面温度近似相同）。

计算气隙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。

计算膜组件冷凝液排出速率、料液和冷却液流经膜组件压降、膜组件保温等。

圆整相关元件尺寸、核算壳体内布置冷凝管情况、修正冷却管侧冷却液流动不均匀系数、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？

空气中水蒸气在冷凝管内表面的凝结过程传热和传质系数是否需要计算？冷壁表面附着的冷凝液对气隙式膜蒸馏过程的膜通量和热效率有哪些影响？

平板型内部能量回收型气隙式膜蒸馏组件的结构如何设计？管式、板式的膜和冷凝面可否相互组合？

对一个已设计完成确定结构及参数的气隙式膜蒸馏组件，如果要校核料液及冷却液流量、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-冷凝管-壳体型气隙式膜蒸馏组件进行浓缩（基本结构前面第一部分图中倒数第三个）。料液走膜管内，流量80g/s，进膜组件温度85.45℃，出膜组件温度75.45℃；冷却液走冷凝管外，与料液逆向流动，流量也为80g/s，进膜组件温度68℃，出膜组件温度78℃。

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。

初选冷凝管内直径为4.3mm（即气隙宽度1.5mm），外直径为5.0mm，材料为紫铜。

料液在膜组件中平均温度80.45℃，冷凝液在膜组件中平均温度73℃。

膜组件热负荷：

Q=mc(t_fi-t_fo)=

80*4.2*(85.45-75.45)=3360W

初选膜管根数为100根。

则单根膜管内料液流量为：

m_fs=m/N

=80/100=0.8g/根

膜管内料液流速为：

u_f=mfs/(0.25*3.14d_mi²r_oum)

=0.8/(0.25*3.14*0.1²*0.97)

=102cm/s=1.02m/s

料液流动雷诺数为：

R_ef=u_fd_mi/v_f

=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*P_rf^0.4*(R_ef^0.87-280)

=0.012*2.2^0.4*(2917^0.87-280)

=0.012*1.37*754=12.39

料液与膜管内壁换热系数：

a_faf=N_ufd_aof/d_mi

=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）：

F_mi=Q/(a_faf(t_fm-t_mo))

=3360/(8301*(80.45-80)=0.90m²

膜管长度：

L=F_mi/(3.14d_miN)

=0.90/(100*3.14*0.001)=2.87m

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（冷凝管外侧）换热面积：

F_co=3.14d_coLN

=3.14*0.0053*2.87*100=4.78 m²

初取外壳内直径80mm.

壳侧冷却液流速（以下为简便计算）：

80/(0.25*3.14*(8²-100*0.53²)*0.977)=2.9cm/s=0.029m/s

壳侧当量直径：

(80²-100*5.3²)/(80+100*5.3)=5.9mm

考虑到冷却液在冷凝管外流动速度很小，此处近似按竖壁自然对流处理；冷却液与冷凝管外表面的自然对流换热系数约为（参见“冷热平台”220篇，其中按膜组件分两段串联考虑，近似取冷凝管长1.5m-冷凝管长1.4～1.5m之间时，换热系数基本相同）：

380 W/(m².K)

冷凝管外表面温度为：

73+3360/(380*4.78)=74.9℃～75.0℃

膜管内壁80℃，冷凝管外壁75℃（近似取冷凝管内外壁温度相同）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”。

可得通过单位膜面积热负荷为：

3570+83=3653W/ m²

实际跨膜热负荷为：

3653*0.90=3288W

与料液热负荷相比：

(3360-3288)/3360=2.1%

两者基本相近，不再重试计算。

后续元件尺寸圆整和相关修正可根据用户要求和条件具体处理。

膜组件中料液水分的排出速率：

1.54*0.90=1.39g/s=5.0kg/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？