非金属换热材料的板式降膜换热组件、MVR蒸发装置及制备方法

技术领域

本发明涉及一种非金属换热材料的板式降膜换热组件、MVR蒸发装置及制备方法，属于水处理设备技术领域。

背景技术

目前，广泛应用于废水处理行业的机械式蒸汽再压缩蒸发器(简称：MVR蒸发器)或多效蒸发器，由于待蒸发浓缩的废水中常常含有一定浓度的一种或多种无机盐，溶液pH值往往不是中性且蒸发温度一般在45℃～100℃之间，在此工况下，废水常常具有较大的腐蚀性，导致蒸发器产生孔蚀、缝隙腐蚀、脱层腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等现象，故蒸发器中的换热材料往往采用316L不锈钢、2205或2507双相钢、TA2、TA10，甚至是更贵的镍、锆等贵重金属来制造，造成蒸发设备的一次性投资成本非常高。另外，金属蒸发器往往在处理高硬度的废水之前需要加药除硬，或降低进水COD，否则浓缩过程中蒸发器会因为结垢引起物料侧的污垢热阻增大、总传热系数降低引起蒸发器产能的降低，浓缩前除硬或除有机物不如将废水浓缩后节能和彻底。因此，如何降低蒸发器的制造成本和降低蒸发过程中的换热器结垢问题，成为了蒸发行业非常急迫的需求。

目前，广泛应用于海水淡化、化工、石油精炼、制冷工业行业中的水平管降膜蒸发器，蒸发传热管两侧均为相变传热，具有传热温差小，传热系数高、蒸发强度大、结构紧凑、耗材省等优点。但，因水平管降膜蒸发器的蒸发侧在蒸发器的壳侧，即：物料走换热管管外，加热蒸汽走换热管管内，一旦换热管外壁出现严重结垢，出现桥接甚至可能完全堵死换热管外壁之间的空隙，大大降低蒸发效率，甚至造成蒸发器失效报废。有些水平管降膜蒸发器采用可抽式管束，但往往因现场空间限制和操作强度大，清洗成本过高，清洗效果也不够理想。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明结合水平管降膜蒸发器的优点和非金属材料薄膜的疏水性、不易结垢、耐腐蚀、耐酸碱等特点，提供非金属换热材料的板式降膜换热组件、MVR蒸发装置及制备方法。

本发明的技术方案如下：

非金属换热材料的板式降膜换热板片，该板式降膜换热板片整体为非金属高分子材质，内部设置有蒸汽换热通道，所述的板式降膜换热板片由水平部和竖直部组成，整体成L型结构；所述的水平部的蒸汽换热通道与水平方向呈现θ角度。

根据本发明，优选的，水平部的蒸汽换热通道与水平方向呈现θ角度＝3～10°。蒸汽换热通道与水平方向呈现一定的θ角度(如：θ＝3～10°)，利于蒸汽冷凝时更快的排凝水。

根据本发明，优选的，所述的板式降膜换热板片内部设置的蒸汽换热通道数量为两个以上，进一步优选3-10个；

优选的，水平部的蒸汽换热通道的加热蒸汽入口端垂直错开一定的距离，竖直部的蒸汽换热通道的加热蒸汽出口端处于同一垂直距离。

根据本发明，优选的，所述的非金属高分子选自聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯砜(PPSU)、聚砜(PSU)、聚四氟乙烯(PTFE)；进一步优选的，所述的板式降膜换热板片的厚度为40～120μm；

最优选的，所述的板式降膜换热板片由两张同一尺寸的厚度在20～60μm的非金属高分子材料薄膜，上下叠加在一起，保留蒸汽换热通道，进行热熔处理制成。

根据本发明，厚度在20～60μm的非金属高分子材料薄膜(如：PC膜、PEEK膜、PPSU膜、PSU膜、PTFE膜)的导热热阻与在相同的温度下，壁厚与0.8～1.5mm壁厚的304/316L不锈钢板相当，且在此壁厚下具有一定的韧性和强度，可以制造成一种传热部件为非金属高分子材料薄膜形式的降膜蒸发器。降膜蒸发器的换热器部分采用非金属的高分子材料薄膜材料制造，模块化后可广泛应用于MVR蒸发装置、多效蒸发装置中，相较于传统以金属材料为换热器主体部分的蒸发装置有特别明显的优势。可广泛应用于印染、皮革、医药、精细化工等行业的废水蒸发处理工艺中，尤其适合于浓缩处理高COD、高盐分、强酸性、强碱性、高硬度的各类综合废水，水量越大，投资成本和运行成本优势越明显。

根据本发明，优选的，所述的板式降膜换热板片的水平部顶端还设置有支撑杆，用于固定支撑板式降膜换热板片。

根据本发明，还提供由上述非金属换热材料的板式降膜换热板片组成的非金属换热材料的板式降膜换热组件。

一种非金属换热材料的板式降膜换热组件，由两片以上板式降膜换热板片叠加在一起，相邻两片板式降膜换热板片保持间隔距离；板式降膜换热板片的水平部固定设置在蒸汽管箱中，所述的板式降膜换热板片的竖直部固定设置在排凝管箱中，所述的蒸汽管箱设置有蒸汽接管管道并与蒸汽换热通道连通形成管箱蒸汽通道，所述的排凝管箱设置有排凝接管管道并与蒸汽换热通道连通形成管箱凝水通道。

根据本发明，优选的，板式降膜换热组件中板式降膜换热板片的数量为3-10个。

根据本发明，还提供一种MVR蒸发器一体式筒体，内部设置有两个以上的非金属换热材料的板式降膜换热组件，所述的MVR蒸发器一体式筒体的底部还设置有向外凹陷的热井。

根据本发明，优选的MVR蒸发器一体式筒体中非金属换热材料的板式降膜换热组件的数量为3-10个。

根据本发明，还提供一种非金属换热材料的板式降膜换热MVR蒸发装置，包括凝水预热器、生蒸汽预热器、凝水罐、MVR蒸发器一体式筒体、MVR压缩机，所述的生蒸汽预热器连接生蒸汽管道和MVR蒸发器一体式筒体，MVR蒸发器一体式筒体还连接MVR压缩机，所述的MVR压缩机的出口连接MVR蒸发器一体式筒体内的板式降膜换热组件，板式降膜换热组件的排凝接管管道连接凝水罐，凝水罐的顶部连接真空泵，凝水罐的底部通过凝水泵连接凝水预热器，凝水预热器连接生蒸汽预热器。真空泵通过不凝气管路不断的从凝水罐顶部的气相空间里的将板式降膜换热组件里的凝水和不凝气抽吸到凝水罐中，始终保证MVR蒸发器一体式筒体的真空维持低压进行蒸发。优选在15.7KPa(绝压)压力下蒸发。

根据本发明，优选的，生蒸汽预热器的出口还连接凝水罐。

根据本发明，优选的，凝水泵的出口管道分成两路，一路连接凝水预热器，另一路连接MVR压缩机的出口。从板式降膜换热组件中冷凝出的凝水被收集进入凝水罐中后，被凝水泵打出，一股分流到凝水预热器中对低温进料进行预热，一股分流到MVR压缩机出口对出口的过热蒸汽进行喷淋消除过热度。

根据本发明，优选的，所述的MVR蒸发器一体式筒体和MVR压缩机之间还设置有除沫器。

根据本发明，优选的，MVR蒸发器一体式筒体的热井还连接出料泵，所述的出料泵出口管道分成两路，一路将浓缩后的液体输出，另一路通过管道返回到MVR蒸发器一体式筒体内并连接布液喷头，所述的布液喷头设置在板式降膜换热组件的正上方。物料可在板式降膜换热组件顶部喷淋而下，首先落在支撑杆的外侧形成液膜向下流动，进行换热。

根据本发明，还提供上述非金属换热材料的板式降膜换热板片、非金属换热材料的板式降膜换热组件的制备方法。

一种非金属换热材料的板式降膜换热板片的制备方法，包括步骤如下：

将两张同一尺寸的非金属换热材料的薄膜上下叠加在一起，保留出蒸汽换热通道对需粘结和密封的熔融密封线进行热熔处理，形成密封结构区域、蒸汽换热通道；板式降膜换热板片密封完成后，对其进行打压充气，使板式降膜换热板片的密封通道形成条状气条，保持板式降膜换热板片的气密性。

一种非金属换热材料的板式降膜换热组件的制备方法，包括步骤如下：

将一根支撑杆插入板式降膜换热板片最上一个融焊的密封腔中，密封腔一端开口，另一端密封，形成支撑杆对板式降膜换热板片进行固定支撑；优选的，所述的支撑杆为聚四氟乙烯(PTFE)管；

将多片板式降膜换热板片保持一定的间隔，左右的叠加在一起，全部一起悬挂起来，形成一组板式降膜换热模块组件；

每组悬挂起来的且内部充气的板式降膜换热模块组件静止后，将板式降膜换热模块组件底端放入一个顶部开口的矩形金属容器内，使板式降膜换热模块组件的底端距离矩形金属容器的内部下平面保持一定的距离(如30～50mm)，静止后，向容器内倒入常温且易快速凝固的耐高温树脂类材料，使板式降膜换热模块组件底端有一部分长度(如：200～400mm)浸没在树脂中；待树脂固化后形成蒸汽管箱，打一个比蒸汽接管管道外径(如：

采用上述同样的方法，用耐高温树脂制作排凝管箱。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用疏水性非金属换热材料的薄膜整体制造，传热区域柔软且具有一定的弹性，表面光滑且不易结垢、易清洗、耐无机盐离子腐蚀、耐酸碱、总传热系数高、单位体积内的换热表面积大、运行能耗低、运行噪音小、制造成本极低、换热薄膜更换维护方便。

2、本发明采用在板式降膜换热组件顶部某一高度喷淋布液的方式，可以有效避免静态布液的堵塞问题。

3、本发明非金属换热材料的板式降膜换热MVR蒸发装置具有明显的换热节能优势。采用低功率的低速蒸汽压缩机就能实现高速离心蒸汽压缩机类似的换热效果，大大降低了能耗，使用范围更加广泛，成本更低。

4、本发明中，板式降膜换热组件采用模块化组装，采用整体更换方式进行维护，维护操作简单可靠。

附图说明

图1是本发明实施例1中非金属换热材料的板式降膜换热板片的结构示意图。

图2是本发明实施例4中非金属换热材料的板式降膜换热组件的结构示意图。

图3是本发明实施例4中非金属换热材料的板式降膜换热组件的B-B方向的视图。

图4是本发明实施例4中非金属换热材料的板式降膜换热组件物料喷淋到板式降膜换热板片上时介质流动的示意图。

图5是本发明实施例10中非金属换热材料的板式降膜换热MVR蒸发装置结构示意图。

其中：1支撑杆、2熔融密封线、3蒸汽换热通道、4板式降膜换热板片、5排凝接管管道、6排凝管箱、7蒸汽接管管道、8蒸汽管箱、9板式降膜换热器组件、10膜状物料、11膜侧凝水、12膜侧加热蒸汽、13凝水预热器、14生蒸汽预热器、15凝水罐、16凝水泵、17真空泵、18MVR蒸发器一体式筒体、19MVR压缩机、20热井、21出料泵、22除沫器、23布液喷头、24MVR蒸发器筒体内的液位、25管箱蒸汽通道、26管箱凝水通道。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1所示，一种非金属换热材料的板式降膜换热板片，该板式降膜换热板片整体为非金属高分子材质，内部设置有蒸汽换热通道3，所述的板式降膜换热板片由水平部和竖直部组成，整体成L型结构；所述的水平部的蒸汽换热通道3与水平方向呈现θ角度，θ角度＝3～10°，利于蒸汽冷凝时更快的排凝水。

本实施例中所述的板式降膜换热板片内部设置的蒸汽换热通道3数量为4个；水平部的蒸汽换热通道3的加热蒸汽入口端垂直错开一定的距离，竖直部的蒸汽换热通道3的加热蒸汽出口端处于同一垂直距离。

本实施例中，所述的非金属高分子可以选自聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯砜(PPSU)、聚砜(PSU)或聚四氟乙烯(PTFE)；所述的板式降膜换热板片的厚度为40～120μm。

实施例2

如实施例1所述，不同的是：

所述的板式降膜换热板片4的水平部顶端还设置有支撑杆1，用于固定支撑板式降膜换热板片4。

实施例3

实施例1中非金属换热材料的板式降膜换热板片的制备方法，包括步骤如下：

将两张同一尺寸厚度在20～60μm的非金属换热材料的薄膜上下叠加在一起，保留出蒸汽换热通道3对需粘结和密封的熔融密封线2进行热熔处理，形成密封结构区域、蒸汽换热通道3、排凝抽真空的通道，板式降膜换热板片密封完成后，对其进行打压充气，使板式降膜换热板片4的密封通道形成条状气条，保持板式降膜换热板片4的气密性。

如图1所示，两张薄膜形成了板式降膜换热板片4，虚线线条为熔融密封线2、虚线线条形成的熔融密封线2之间的区域为蒸汽换热通道3；加热蒸汽从蒸汽换热通道3的右侧流动到左侧的过程中因为膜片内外的压差，蒸汽膜片通道形成类椭圆形的蒸汽流通通道，蒸汽在从右侧向左侧流动的过程中对物料进行加热蒸发，加热蒸汽发生逐级冷凝成凝水汇集在左下角区域内；

实施例4

如图2、3所示，一种非金属换热材料的板式降膜换热组件，由五片实施例2中的板式降膜换热板片4叠加在一起，相邻两片板式降膜换热板片4保持间隔距离；板式降膜换热板片4的水平部固定设置在蒸汽管箱8中，所述的板式降膜换热板片4的竖直部固定设置在排凝管箱6中，所述的蒸汽管箱8设置有蒸汽接管管道7并与蒸汽换热通道3连通形成管箱蒸汽通道25，所述的排凝管箱6设置有排凝接管管道5并与蒸汽换热通道3连通形成管箱凝水通道26。

实施例5

实施例4所述的非金属换热材料的板式降膜换热组件的制备方法，包括步骤如下：

将一根支撑杆1插入板式降膜换热板片4最上一个融焊的密封腔中，密封腔一端开口，另一端密封，形成支撑杆1对板式降膜换热板片4进行固定支撑；所述的支撑杆1为聚四氟乙烯(PTFE)管；

将五片板式降膜换热板片4保持一定的间隔，左右的叠加在一起，全部一起悬挂起来，形成一组板式降膜换热模块组件；

每组悬挂起来的且内部充气的板式降膜换热模块组件静止后，将板式降膜换热模块组件底端放入一个顶部开口的矩形金属容器内，使板式降膜换热模块组件的底端距离矩形金属容器的内部下平面保持一定的距离(如30～50mm)，静止后，向容器内倒入常温且易快速凝固的耐高温树脂类材料(如聚四氟乙烯(PTFE))，使板式降膜换热模块组件底端有一部分长度(如：200～400mm)浸没在树脂中；待树脂固化后形成蒸汽管箱8，打一个比蒸汽接管管道7外径(如：

采用上述同样的方法，用耐高温树脂(如聚四氟乙烯(PTFE))制作排凝管箱6。

如图2、3、5所示，加热蒸汽从蒸汽接管管道7进入蒸汽管箱8后，通过熔融密封线2分隔成的蒸汽换热通道3，蒸汽被逐渐冷凝成为凝水沿着蒸汽换热通道3进入左下角的排凝管箱6内被一起收集后进入图5中的凝水罐15。

实施例6

一种MVR蒸发器一体式筒体，内部设置有三个非金属换热材料的板式降膜换热组件9，所述的MVR蒸发器一体式筒体的底部还设置有向外凹陷的热井20。

实施例7

如图5所示，一种非金属换热材料的板式降膜换热MVR蒸发装置，包括凝水预热器13、生蒸汽预热器14、凝水罐15、MVR蒸发器一体式筒体18、MVR压缩机19，所述的生蒸汽预热器14连接生蒸汽管道和MVR蒸发器一体式筒体18，MVR蒸发器一体式筒体18还连接MVR压缩机19，所述的MVR压缩机19的出口连接MVR蒸发器一体式筒体18内的板式降膜换热组件9，板式降膜换热组件9的排凝接管管道5连接凝水罐15，凝水罐15的顶部连接真空泵17，凝水罐15的底部通过凝水泵16连接凝水预热器13，凝水预热器13连接生蒸汽预热器14。

真空泵17通过不凝气管路不断的从凝水罐15顶部的气相空间里的将板式降膜换热组件9里的凝水和不凝气抽吸到凝水罐15中，始终保证MVR蒸发器一体式筒体18的真空维持低压进行蒸发，例如在15.7KPa(绝压)压力下蒸发。

实施例8

如实施例7所述，不同的是：

生蒸汽预热器14的出口还连接凝水罐15，凝水泵16的出口管道分成两路，一路连接凝水预热器13，另一路连接MVR压缩机19的出口。

从板式降膜换热组件9中冷凝出的凝水被收集进入凝水罐15中后，被凝水泵16打出，一股分流到凝水预热器13中对低温进料进行预热，一股分流到MVR压缩机19出口对出口的过热蒸汽进行喷淋消除过热度。

实施例9

如实施例8所述，不同的是：

所述的MVR蒸发器一体式筒体18和MVR压缩机19之间还设置有除沫器22。

实施例10

如实施例9所述，不同的是：

MVR蒸发器一体式筒体18的热井20还连接出料泵21，所述的出料泵21出口管道分成两路，一路将浓缩后的液体输出，另一路通过管道返回到MVR蒸发器一体式筒体18内并连接布液喷头23，所述的布液喷头23设置在板式降膜换热组件9的正上方。物料可在板式降膜换热组件9顶部喷淋而下，首先落在支撑杆的外侧形成液膜向下流动，进行换热。

如图4所示，物料在从距离板式降膜换热组件9的上部的某个高度上，被布液喷头23均匀的喷淋在圆形支撑杆1上，物料沿着板式降膜换热板片4顶部的各个圆形支撑杆1上均匀的呈膜状向下流动到板式降膜换热板片4上，与膜侧加热蒸汽12进行换热，蒸汽释放潜热后冷凝成膜侧凝水11。

如图5所示，三组板式降膜换热组件9固定在MVR蒸发器一体式筒体18内，分别从圆形筒体MVR蒸发器一体式筒体18内壁连接蒸汽管道到蒸汽管箱8处的蒸汽接管管道7上、连接凝水管道到排凝管箱6处的排凝接管管道5上，使加热蒸汽被均匀的分配到各组板式降膜换热组件9中，同时使凝水和不凝气通过排凝管箱6处的排凝接管管道5收集排出。

实施例11

如图5所示，实施例7-10所述的非金属换热材料的板式降膜换热MVR蒸发装置的运行过程如下：

低温(如：20℃)的废水进入凝水预热器13被蒸汽冷凝后的凝水预热升温后(如：45℃)，进入生蒸汽预热器14中被减压后的生蒸汽加热到沸点温度后(如：56℃)进入板式降膜换热MVR蒸发装置中，加热生蒸汽冷凝后凝水进入凝水罐15中收集。进料管路上安装有进料调节阀与热井20中的MVR蒸发器筒体内的液位24连锁，在蒸发过程中始终保证恒液位控制。

连接在热井20底部的出料泵21不断的把囤积在热井20中的待蒸发的物料打到MVR蒸发器一体式筒体18内，通过管道上的布液喷头23喷淋到板式降膜换热组件9上，使物料呈膜状从板式降膜换热板片4上由上而下流动并不断受热蒸发产生温度较低的二次蒸汽(如55℃)进入MVR压缩机19(蒸汽压缩机)中。

从MVR蒸发器一体式筒体18顶部蒸发出的低温二次蒸汽，被除沫器22除沫消除雾沫夹带后，进入MVR压缩机19的低温二次蒸汽被压缩机压缩做功，提高了二次蒸汽的焓，饱和温度得到提升(如：饱和温升从55℃升温到60℃)，经过被凝水泵16打出喷淋水降温消除过热度后分别进入板式降膜换热组件9中，对被喷淋到膜片上的物料进行加热，使物料不断的被蒸发，蒸发出的低温二次蒸汽(如：55℃)不断的通过管道进入MVR压缩机19中被压缩做功升温，连续循环。

从板式降膜换热组件9中冷凝出的凝水被收集进入凝水罐15中后，被凝水泵16打出，一股分流到凝水预热器13中对低温进料进行预热，一股分流到MVR压缩机19出口对出口的过热蒸汽进行喷淋消除过热度。

真空泵17通过不凝气管路不断的从凝水罐15顶部的气相空间里的将板式降膜换热组件9里的凝水和不凝气抽吸到凝水罐15中，始终保证板式降膜换热MVR蒸发装置的真空维持在一定压力(如：15.7KPa(绝压))下蒸发。

试验例1

以蒸发量为1000kg/小时，进料量1250kg/h，进料氯化钠无机盐浓度为2％，出料氯化钠无机盐浓度为10％，蒸发温度55℃的工况为例，采用温升在4℃的低速的MVR压缩机(低速风机)，与金属换热器材料的MVR蒸发器中用到的蒸汽压缩机做出下列比较，如表1所示。

表1

在本发明中，系统的蒸发温度在55～65℃之间，此时，板式降膜换热MVR蒸发装置的换热薄膜通道的内外两侧的蒸汽压差为2～4KPa，此时，板式降膜换热板片4的密封部分仍然能够保持很好的强度，不易产生泄露。可以看出，本发明中的板式降膜换热MVR蒸发装置具有明显的节能优势。

试验例2

在本发明中，以废水处理行业中常见的下例无机盐水溶液为例(实际的废水基本不可能为纯净的盐溶液，但下表具有典型代表性)，列出了在蒸发温度为55℃且蒸发压力15.7KPa时的沸点升高与相应的出料浓度对照，如表2所示。

表2

在本发明中，当蒸汽压缩机的温升在3-5℃，若板式降膜换热MVR蒸发装置内物料的沸点升高值≤1.5℃时，板式降膜换热MVR蒸发装置每蒸发1000kg水份，其总有效传热面积在150～250㎡之间，此时，有效传热温差在1.5～3.5℃之间。

在本发明中，结合工程设计和目前的市场行情下，以蒸发量为1000kg/小时，进料量1250kg/h，进料氯化钠无机盐浓度为2％，出料氯化钠无机盐浓度为10％，蒸发温度55℃的工况下做出下列比较，如表3所示。

表3

可以看出，本发明的装置不仅节能，而且投资成本低。同时，本发明的板式降膜换热组件采用模块化组装，采用整体更换方式进行维护，维护操作简单可靠。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。