李 平 李斌东

（江西省锅炉压力容器检验检测研究院)

压力容器

塑料薄膜用于低压换热压力容器设想

李 平*李斌东

（江西省锅炉压力容器检验检测研究院)

针对大型换热压力容器设备造价高的问题，提出了将PP塑料薄膜应用于换热压力容器以取代传统金属换热材料的设想。介绍了PP塑料薄膜的特性，阐述了塑料薄膜应用于换热压力容器中的原理和可行性，给出了塑料薄膜在换热压力容器中的结构形式及布置方式。

塑料薄膜 压力容器 换热器 换热管 PP塑料 多效蒸馏 海水淡化

0 引言

换热压力容器作为工业生产中的重要设备在化工、石油等行业得到广泛应用。换热压力容器装置中换热设备元件多为金属材料所制。以海水淡化装置为例，目前市场上主要有MSF和MED两种较成熟的技术。MSF和MED两种海水淡化方式都属于蒸馏法海水淡化，在装置中都要使用耐海水腐蚀性能优良的贵重金属材料，如铜合金、钛合金以及5052铝合金等。尽管所采用的金属材料有良好的抗腐蚀能力，但除钛合金外，其它金属材料在海水中不可避免地将发生腐蚀，尤其是不同金属材料之间的电化学腐蚀。对于热法海水淡化装置，蒸发器是其主要的构成部件，而所用的贵重金属材料又占整个蒸发器材料的很大一部分。以沧东发电有限公司引进的SIDEM公司的10 000 t/d装置为例，蒸发器总质量540 t，其中0.7×Ø25.4mm铜合金换热材料38 800m2，约210 t，占整个蒸发器总质量的39%。对于金属材料越来越贵重的今天，金属材料的成本已成为制约海水淡化发展的瓶颈。采用新型材料替代传统的金属材料已成为一种必然的趋势。

1 PP塑料薄膜用于低压换热压力容器的可行性

1.1 PP塑料薄膜的主要物理性质

PP塑料作为一种通用树脂，具有较好的综合机械性能。其密度较小，透明性及表面光泽性好，耐热性能高。PP塑料是结晶性塑料，一般为呈不规则圆形、表面有蜡质光泽的白色颗料，密度0.90～0.91 g/cm3，是塑料中最轻的一种。PP塑料有较明显的熔点， 根据其结晶度和分子量的不同，熔点在170℃左右，而其分解温度在290℃以上，因而有着很宽的成型温度范围，成型收缩率1.0%～2.5%。PP塑料的使用温度可达100℃，具有良好的电性能和高频绝缘性能，且不受湿度影响。表1是PP材料的主要性能参数。

1.2低温多效蒸馏海水淡化过程简介

低温多效蒸馏海水淡化工艺流程如图1所示。海水首先进入装置中的冷凝器预热、脱气,而后被分成两股物流。一股作为冷却水排回大海,另一股作为蒸馏过程的进料。进料海水加入阻垢剂后被引入到蒸发器的后几效中。料液经喷嘴被均匀分布到蒸发器的顶排管上,然后沿顶排管以薄膜形式向下流动,部分水吸收管内蒸汽的冷凝潜热而蒸发。二次蒸汽在下一效中冷凝成产品水,剩余料液由泵输送到蒸发器的下一个效组中,该效组的操作温度比上一效组略高,在新的效组中重复喷淋、蒸发、冷凝过程。剩余的料液由泵往高温效组输送,最后在温度最高的效组中以浓缩液的形式离开装置。

1.3 PP塑料薄膜用于低温多效蒸馏海水淡化设想1.3.1塑料换热组件设想模型

本文提出用塑料薄膜代替金属换热管，利用现代热焊工艺把塑料薄膜焊接成如图2所示的管状。在低温多效蒸馏装置中利用塑料薄膜管束代替金属管束，同时采用如图3所示的管束布置及淋水方式。

塑料薄膜管束与结构相同于管板的端部薄膜焊接构成如图4所示的膜束换热组件。端部薄膜与壳体间采用焊接连接，以隔绝海水蒸发侧与蒸汽冷凝侧，其作用与管板相同。为避免薄膜管束在冷凝水重力作用下发生较大变形，采用网状金属套环与壳体结构连接，塑料薄膜管束通过热焊的方式焊接在金属环上，以保证薄膜换热管束在壳体内定位以及管束的水平位置。

管束采用图3所示的布置方式，这样可以解决相邻薄膜换热管之间没有气流通道的问题。采用淋水盘则主要有以下优点：

（1）可以更有效地为薄膜换热管束均匀分配海水；

（2）可以更有效地控制和利用海水；

（3）为淋水盘上水所需泵的扬程远低于喷嘴，因此有利于降低单位淡水产量的电耗；

（4）无需喷嘴所占用的空间，装置所占的容积将有所缩小；

（5）无需加设钛管以抵抗喷淋海水的冲蚀，有利于降低设备投资。

通过分段分组布置薄膜换热管束，且管束的水平间距足够大，就完全可以满足蒸发产生的二次蒸汽顺利排出。

1.3.2薄膜管的热力分析

低温多效蒸馏海水淡化的盐水运行时最高温度一般在70℃以下，效间温差在1.5～3.2℃范围，对应的效间压差约600～4 000 Pa。塑料薄膜采用厚0.1mm的PP材料，管径取25mm，最大可能效间压差取4 000 Pa。

在壳体中，由于管内外压差的作用薄膜形成管状。由力学平衡可得薄膜受到的应力为：

式中 Δp——薄膜管的内外压差，MPa；

D——薄膜管直径，mm；

δ——薄膜厚度，mm。

由计算可知，薄膜管所受的应力在薄膜材料允许的应力范围内。

虽然塑料的导热系数不高,但塑料薄膜还是具有较高的传热性能。PP薄膜的导热系数仅为0.19 W/(mK)，但50μm厚的薄膜传热系数为3 800 W/(m2K)，100μm厚的薄膜传热系数为1 900 W/(m2K)。

对于0.1 mm厚的PP塑料，其传热系数为1 900W/(m2K)，这与目前海水淡化装置金属管的传热系数是在同一个数量级上的。因此从传热学上来说，PP的导热系数低不会成为其应用的阻力。

2 塑料薄膜用于低压换热压力容器的优点

本文提出利用塑料薄膜作为换热材料替代贵重的金属材料，为大幅度降低换热压力容器装置的造价提供了可能。根据薄膜结构特性及多效蒸馏技术热工参数，采用厚0.1 mm的薄膜制作换热管束，可以满足强度要求，且材料使用量也将大大降低。塑料密度一般在0.9～2.3 g/cm3，明显低于金属材料，因此采用塑料薄膜作为换热材料制造多效蒸馏海水淡化装置，装置自重将远小于由金属换热材料制造的设备，同时装置造价和运输、安装等费用也将明显降低。

目前铜价高达8万元/t，铜的密度8.2 g/cm3，一般铜材管道管壁厚度为0.7～1.0 mm。PP薄膜的价格约在1.5万元/t左右，PP薄膜的密度为0.9 g/cm3。若采用厚0.1mm的PP薄膜代替铜材，则在相同的换热面积下铜管材料费F铜与PP膜管材料费FPP两者的比例关系是：

即PP薄膜应用于低温换热压力容器，则换热材料费用仅是铜材的约2‰。因此如果使用PP薄膜作为换热材料，换热压力容器造价将大幅度降低。与金属材料相比，PP薄膜在质量、造价方面有其独特的优势。此外，由于PP薄膜具有良好的耐腐蚀特性，所以在一些换热压力容器中还可以减少腐蚀的危害。

[1]艾尔赛义德M阿卜杜勒－巴里.塑料薄膜手册 [M].张玉霞,王向东译.北京：化学工业出版社，2006：56-62.

[2]温耀贤.功能性塑料薄膜[M].北京：机械工业出版社，

.2005:43-51.

[3]邬润德，等.PP塑料工程化应用研究[J].现代塑料加工应用，2005(1)：25-28.

[4]王世昌.海水淡化工程 [M].北京：化学工业出版社，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]何颖，等.微孔发泡聚丙烯PP的性能的研究[J].现代机械，2006(3)：67-70.

[7]王立国，王世昌，朱爱梅，熊日华，丁涛.塑料换热器在海水淡化中的应用 [J].化工进展，2004，12(23)：1 359-1 361.

[8]Kuppan T.换热器设计手册[M].北京：中国石化出版社，2004:1 245-1 274.

[9]钱颂文,等.换热器管束流体力学与传热[M].北京：中国石化出版社，2002:135-140.

[10]尹建华，等.低温多效蒸馏海水淡化技术[J].海洋技术，2002，4（21）：22-26.

TQ 05

2010-10-31）

*李平，男，1972年10月生，助理工程师。南昌市，330029。