塑料薄膜用于低壓換熱壓力容器設(shè)想

李 平 李斌東

（江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院)

壓力容器

塑料薄膜用于低壓換熱壓力容器設(shè)想

李 平*李斌東

（江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院)

針對(duì)大型換熱壓力容器設(shè)備造價(jià)高的問題，提出了將PP塑料薄膜應(yīng)用于換熱壓力容器以取代傳統(tǒng)金屬換熱材料的設(shè)想。介紹了PP塑料薄膜的特性，闡述了塑料薄膜應(yīng)用于換熱壓力容器中的原理和可行性，給出了塑料薄膜在換熱壓力容器中的結(jié)構(gòu)形式及布置方式。

塑料薄膜 壓力容器 換熱器 換熱管 PP塑料 多效蒸餾 海水淡化

0 引言

換熱壓力容器作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備在化工、石油等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。換熱壓力容器裝置中換熱設(shè)備元件多為金屬材料所制。以海水淡化裝置為例，目前市場上主要有MSF和MED兩種較成熟的技術(shù)。MSF和MED兩種海水淡化方式都屬于蒸餾法海水淡化，在裝置中都要使用耐海水腐蝕性能優(yōu)良的貴重金屬材料，如銅合金、鈦合金以及5052鋁合金等。盡管所采用的金屬材料有良好的抗腐蝕能力，但除鈦合金外，其它金屬材料在海水中不可避免地將發(fā)生腐蝕，尤其是不同金屬材料之間的電化學(xué)腐蝕。對(duì)于熱法海水淡化裝置，蒸發(fā)器是其主要的構(gòu)成部件，而所用的貴重金屬材料又占整個(gè)蒸發(fā)器材料的很大一部分。以滄東發(fā)電有限公司引進(jìn)的SIDEM公司的10 000 t/d裝置為例，蒸發(fā)器總質(zhì)量540 t，其中0.7×?25.4mm銅合金換熱材料38 800m2，約210 t，占整個(gè)蒸發(fā)器總質(zhì)量的39%。對(duì)于金屬材料越來越貴重的今天，金屬材料的成本已成為制約海水淡化發(fā)展的瓶頸。采用新型材料替代傳統(tǒng)的金屬材料已成為一種必然的趨勢(shì)。

1 PP塑料薄膜用于低壓換熱壓力容器的可行性

1.1 PP塑料薄膜的主要物理性質(zhì)

PP塑料作為一種通用樹脂，具有較好的綜合機(jī)械性能。其密度較小，透明性及表面光澤性好，耐熱性能高。PP塑料是結(jié)晶性塑料，一般為呈不規(guī)則圓形、表面有蠟質(zhì)光澤的白色顆料，密度0.90～0.91 g/cm3，是塑料中最輕的一種。PP塑料有較明顯的熔點(diǎn)， 根據(jù)其結(jié)晶度和分子量的不同，熔點(diǎn)在170℃左右，而其分解溫度在290℃以上，因而有著很寬的成型溫度范圍，成型收縮率1.0%～2.5%。PP塑料的使用溫度可達(dá)100℃，具有良好的電性能和高頻絕緣性能，且不受濕度影響。表1是PP材料的主要性能參數(shù)。

1.2低溫多效蒸餾海水淡化過程簡介

低溫多效蒸餾海水淡化工藝流程如圖1所示。海水首先進(jìn)入裝置中的冷凝器預(yù)熱、脫氣,而后被分成兩股物流。一股作為冷卻水排回大海,另一股作為蒸餾過程的進(jìn)料。進(jìn)料海水加入阻垢劑后被引入到蒸發(fā)器的后幾效中。料液經(jīng)噴嘴被均勻分布到蒸發(fā)器的頂排管上,然后沿頂排管以薄膜形式向下流動(dòng),部分水吸收管內(nèi)蒸汽的冷凝潛熱而蒸發(fā)。二次蒸汽在下一效中冷凝成產(chǎn)品水,剩余料液由泵輸送到蒸發(fā)器的下一個(gè)效組中,該效組的操作溫度比上一效組略高,在新的效組中重復(fù)噴淋、蒸發(fā)、冷凝過程。剩余的料液由泵往高溫效組輸送,最后在溫度最高的效組中以濃縮液的形式離開裝置。

1.3 PP塑料薄膜用于低溫多效蒸餾海水淡化設(shè)想1.3.1塑料換熱組件設(shè)想模型

本文提出用塑料薄膜代替金屬換熱管，利用現(xiàn)代熱焊工藝把塑料薄膜焊接成如圖2所示的管狀。在低溫多效蒸餾裝置中利用塑料薄膜管束代替金屬管束，同時(shí)采用如圖3所示的管束布置及淋水方式。

塑料薄膜管束與結(jié)構(gòu)相同于管板的端部薄膜焊接構(gòu)成如圖4所示的膜束換熱組件。端部薄膜與殼體間采用焊接連接，以隔絕海水蒸發(fā)側(cè)與蒸汽冷凝側(cè)，其作用與管板相同。為避免薄膜管束在冷凝水重力作用下發(fā)生較大變形，采用網(wǎng)狀金屬套環(huán)與殼體結(jié)構(gòu)連接，塑料薄膜管束通過熱焊的方式焊接在金屬環(huán)上，以保證薄膜換熱管束在殼體內(nèi)定位以及管束的水平位置。

管束采用圖3所示的布置方式，這樣可以解決相鄰薄膜換熱管之間沒有氣流通道的問題。采用淋水盤則主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以更有效地為薄膜換熱管束均勻分配海水；

（2）可以更有效地控制和利用海水；

（3）為淋水盤上水所需泵的揚(yáng)程遠(yuǎn)低于噴嘴，因此有利于降低單位淡水產(chǎn)量的電耗；

（4）無需噴嘴所占用的空間，裝置所占的容積將有所縮小；

（5）無需加設(shè)鈦管以抵抗噴淋海水的沖蝕，有利于降低設(shè)備投資。

通過分段分組布置薄膜換熱管束，且管束的水平間距足夠大，就完全可以滿足蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽順利排出。

1.3.2薄膜管的熱力分析

低溫多效蒸餾海水淡化的鹽水運(yùn)行時(shí)最高溫度一般在70℃以下，效間溫差在1.5～3.2℃范圍，對(duì)應(yīng)的效間壓差約600～4 000 Pa。塑料薄膜采用厚0.1mm的PP材料，管徑取25mm，最大可能效間壓差取4 000 Pa。

在殼體中，由于管內(nèi)外壓差的作用薄膜形成管狀。由力學(xué)平衡可得薄膜受到的應(yīng)力為：

式中 Δp——薄膜管的內(nèi)外壓差，MPa；

D——薄膜管直徑，mm；

δ——薄膜厚度，mm。

由計(jì)算可知，薄膜管所受的應(yīng)力在薄膜材料允許的應(yīng)力范圍內(nèi)。

雖然塑料的導(dǎo)熱系數(shù)不高,但塑料薄膜還是具有較高的傳熱性能。PP薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.19 W/(mK)，但50μm厚的薄膜傳熱系數(shù)為3 800 W/(m2K)，100μm厚的薄膜傳熱系數(shù)為1 900 W/(m2K)。

對(duì)于0.1 mm厚的PP塑料，其傳熱系數(shù)為1 900W/(m2K)，這與目前海水淡化裝置金屬管的傳熱系數(shù)是在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上的。因此從傳熱學(xué)上來說，PP的導(dǎo)熱系數(shù)低不會(huì)成為其應(yīng)用的阻力。

2 塑料薄膜用于低壓換熱壓力容器的優(yōu)點(diǎn)

本文提出利用塑料薄膜作為換熱材料替代貴重的金屬材料，為大幅度降低換熱壓力容器裝置的造價(jià)提供了可能。根據(jù)薄膜結(jié)構(gòu)特性及多效蒸餾技術(shù)熱工參數(shù)，采用厚0.1 mm的薄膜制作換熱管束，可以滿足強(qiáng)度要求，且材料使用量也將大大降低。塑料密度一般在0.9～2.3 g/cm3，明顯低于金屬材料，因此采用塑料薄膜作為換熱材料制造多效蒸餾海水淡化裝置，裝置自重將遠(yuǎn)小于由金屬換熱材料制造的設(shè)備，同時(shí)裝置造價(jià)和運(yùn)輸、安裝等費(fèi)用也將明顯降低。

目前銅價(jià)高達(dá)8萬元/t，銅的密度8.2 g/cm3，一般銅材管道管壁厚度為0.7～1.0 mm。PP薄膜的價(jià)格約在1.5萬元/t左右，PP薄膜的密度為0.9 g/cm3。若采用厚0.1mm的PP薄膜代替銅材，則在相同的換熱面積下銅管材料費(fèi)F銅與PP膜管材料費(fèi)FPP兩者的比例關(guān)系是：

即PP薄膜應(yīng)用于低溫?fù)Q熱壓力容器，則換熱材料費(fèi)用僅是銅材的約2‰。因此如果使用PP薄膜作為換熱材料，換熱壓力容器造價(jià)將大幅度降低。與金屬材料相比，PP薄膜在質(zhì)量、造價(jià)方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。此外，由于PP薄膜具有良好的耐腐蝕特性，所以在一些換熱壓力容器中還可以減少腐蝕的危害。

[1]艾爾賽義德M阿卜杜勒－巴里.塑料薄膜手冊(cè) [M].張玉霞,王向東譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：56-62.

[2]溫耀賢.功能性塑料薄膜[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，

.2005:43-51.

[3]鄔潤德，等.PP塑料工程化應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2005(1)：25-28.

[4]王世昌.海水淡化工程 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003:125-142.

[5]Zaheed L,Jachuck R JJ.Review of polymer compactheat exchangers,with special emphasis on a polymer film unit[J].Applied Thermal Engineering，2004,24：2 323-2 358.

[6]何穎，等.微孔發(fā)泡聚丙烯PP的性能的研究[J].現(xiàn)代機(jī)械，2006(3)：67-70.

[7]王立國，王世昌，朱愛梅，熊日華，丁濤.塑料換熱器在海水淡化中的應(yīng)用 [J].化工進(jìn)展，2004，12(23)：1 359-1 361.

[8]Kuppan T.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國石化出版社，2004:1 245-1 274.

[9]錢頌文,等.換熱器管束流體力學(xué)與傳熱[M].北京：中國石化出版社，2002:135-140.

[10]尹建華，等.低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)[J].海洋技術(shù)，2002，4（21）：22-26.

TQ 05

2010-10-31）

*李平，男，1972年10月生，助理工程師。南昌市，330029。