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塑料换热器在海水淡化中的应用
发布时间：
2018-04-03 16:30
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塑料换热器是一种新型的换热器,美国DuPont公司于1965年率先试制成功了氟塑料换热器;以后一些工业先进国家也开发成功了塑料换热器,并实现了商品化生产。现已有氟塑料换热器、PPO换热器、PP换热器、石墨改性PP换热器、石墨改性PVC换热器等。
近几年来,塑料换热器在海水淡化中的应用已崭露头角。进入21世纪,淡水危机日益影响着许多国家的生产和发展。解决淡水危机,海水淡化将是一条有效途径。但目前海水淡化仍然面临着成本较高的问题,如能在热法海水淡化中实现用塑料换热器大规模替代现在的金属换热器,则淡化水成本将会大幅度降低。海水淡化技术主要分为蒸馏法、反渗透法、膜蒸馏以及冷冻(freezing)法等,而蒸馏法又分为多级闪蒸、多效蒸发、压气蒸馏、太阳能蒸馏以及近几年出现的露点蒸发。1塑料换热器的优势与用途
传统的换热器存在着许多不足之处。普通金属换热器具有易腐蚀、能耗较高和传热系数变化大等缺点;用石墨、陶瓷等材料制成的换热器,具有易碎、体积大、导热性能差和效率低等缺点;而用贵稀金属材料制成的换热器价格昂贵,难以推广应用。塑料换热器在很大程度上克服了这些缺点,它具有化学稳定性好、耐腐蚀、能耗较低和成本较低等优点。现在塑料换热器已广泛应用在化工、医药、食品、石油、冶金和半导体等行业。
2塑料换热器与金属换热器在海水淡化中的使用性能比较
选择了几种常见的热塑性工程塑料与海水淡化换热器常用的金属作一下比较,表1列出了这些塑料和金属的性质。
根据上表及其他相关资料,作者把塑料换热器与金属换热器的性能作了如下比较(见表2)。
另外还要补充说明以下几点。①蒸馏法海水淡化操作温度在40～120℃,这与塑料换热器使用温度有很大的重合部分;②塑料换热器的使用寿命参考了它在其他行业的使用情况③塑料换热器中垢层极薄,因此它的传热性能稳定。由于塑料的润湿性比金属差,冷凝水很难附着,故蒸汽侧的传热系数塑料换热器要高于金属换热器。④塑料材料本身表面张力低而不易黏附,质地柔软、热膨胀系数较大而有自洁效果,故塑料换热器耐污染性极强,基本不用除垢。即使除垢,也可采用价格低廉的酸洗;而金属换热器要采用操作复杂、成本较高的防垢除垢工艺。⑤海水中溶解氧量的范围通常为5～8mg/L,溶解氧的存在会形成电腐蚀,因此需将溶解氧量脱至10-9级。即使这样,还需使用价格较贵的防腐剂,如Nalcool,每吨2340＄;而塑料换热器不存在电腐蚀问题,基本不需防腐。⑥在蒸馏法海水淡化中,换热器费用占前期建设投资的20%～40%,药剂费用占后期运行费用的8%～10%,维护费用占后期运行费用的10%～15%。而塑料换热器成本仅为传统金属换热器的33%～66%,采用塑料换热器后,这三部分费用都将大幅度降低。3塑料换热器在各种蒸馏法海水淡化中的应用研究3.1多级闪蒸(MSF)和多效蒸发(ME)
在ME、MSF及其他热法淡化装置中,碳酸和O2同时存在的条件下,金属换热管会发生坑蚀和缝隙腐蚀,所以采用塑料换热器既可防止坑蚀,又可降低成本。法国的Bourouni在研究海水淡化中空气水蒸气的传热状况时,采用了聚丙烯降膜蒸发器和冷凝器。3.2压气蒸馏(VC)
由于压气蒸馏使用的加热蒸汽通过二次蒸汽绝热压缩获得,蒸汽压力较高,可达0 5～0 8MPa,因此在VC中使用塑料换热器应选用抗压能力较好的塑料,如PTFE。Kuwait大学的TElDessouky和MEttouney在研究塑料换热器时,考察了塑料换热器在单效MVC中的表现。通过将PTFE与几种金属或合金,如高钢合金、钛、Cu/Ni90/10和Cu/Ni70/30对比研究,得出了塑料换热器具有的无可比拟的优势及存在的一些缺点。3.3露点蒸发
(Dewvaporation)露点蒸发淡化技术是一种比较年轻的海水淡化方法,其原理与蒸馏法和膜法不同。由于露点蒸发需要原水在传热管内表面形成均匀的水膜,对载气进行增湿,故与蒸馏法有所不同。露点蒸发中换热元件所用的塑料要有良好的润湿性,它在一定程度上决定了增湿效果。美国亚利桑那州大学的J.R.Beckeman在研究露点蒸发淡化装置时就采用了润湿性塑料作换热壁。在润湿性塑料方面,国外一些公司也已取得了一些的成果。美国的REXAMGRAPHICS、DuPont和ERCProducts三家公司已研制出用于露点蒸发的新型塑料换热元件。REXAMGRAPHICS公司研制出的一种可用来传热的新型润湿塑料,该材料是在0 076mm厚的聚酯表面上涂覆可润湿性涂层制成的;DuPont制得了一种聚酯薄膜材料———MylarLBT,该薄膜厚0 0254mm,润湿性很好;ERCProducts公司开发出一种薄纱聚酯复合材料,它的润湿性优于任何纯塑料。天津大学海水淡化与膜技术中心也正在开发用于露点蒸发淡化装置的新型高分子材料换热元件。3.4太阳能蒸馏
(SolarDistillaton)与其他热法海水淡化相比,太阳能蒸馏加热原水方式温和,换热方式简单,更易采用塑料换热器。Foggia大学的GMCappelletti用树脂玻璃制作了一个池式双盘型塑料太阳能蒸发器。
4结论
塑料换热器在各种热法海水淡化中的应用都已进行了有益的尝试,并取得了良好的效果。虽然塑料换热器还存在着传热性能较差、塑料老化和使用温度范围较窄等问题,但随着新材料的不断涌现和现有材料的改性、材料加工技术的进步以及海水淡化技术研究的深入,塑料换热器在海水淡化中将有着广泛的应用。
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