化工單元操作培訓(xùn)

1、化工單元操作培訓(xùn)資料傳熱一、 傳熱在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用1、 工業(yè)生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)過程，通常要求在一定溫度下進(jìn)行，為此，必須適時(shí)的輸入或者輸出熱量。2、 此外，在蒸餾、精餾、干燥等單元操作中，也都需要按一定的速率輸入或輸出熱量。3、 通常需要盡量使其傳熱優(yōu)良，還有另一種情況，如高溫或者低溫下操作的設(shè)備或管道，則要求保溫保冷，以盡量建好他們與外界的熱交換。熱力學(xué)第二定律：只要存在溫度差，熱量會自發(fā)從高溫傳遞向低溫，直至溫度相等。傳熱方向：高溫低溫傳熱極限：溫度相等傳熱推動力：溫差目的舉例措施加熱或冷卻加熱反應(yīng)物使之達(dá)到反應(yīng)溫度強(qiáng)化傳熱加熱精餾物料使之正常精餾分離冷卻飽和溶液使之結(jié)晶析出換熱精餾塔頂、

2、塔底物料與進(jìn)料的換熱保溫鍋爐、熱反應(yīng)塔器、熱管線的保溫冰箱的隔熱層消弱傳熱二、 傳熱的三種基本形式熱傳導(dǎo) 對流輻射三、 熱傳導(dǎo)傳熱機(jī)理：通過分子的熱振動傳遞熱量。特點(diǎn)：分子不發(fā)生宏觀位移。液體：分子間作用力較強(qiáng)，由相鄰分子振動導(dǎo)致熱傳遞 固體：相鄰分子的碰撞或電子的遷移。氣體：溫度不同的相鄰分子相互碰撞，造成熱量傳遞。熱導(dǎo)率表示物質(zhì)的導(dǎo)熱能力，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、壓力和溫度等有關(guān)。金屬是熱的良導(dǎo)體，純金屬的熱導(dǎo)率一般隨溫度的升高而略有減小。金屬的純度對熱傳導(dǎo)率影響很大。非金屬的建筑材料或絕緣材料熱導(dǎo)率隨密度的增大或溫度的升高而增加。非金屬液體以水的熱導(dǎo)率最大，除水以

3、外，絕大部分的液體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而略有減小。氣體的熱導(dǎo)率很小，不利于導(dǎo)熱而利于保溫。如玻璃棉中有氣體空間存在，其熱導(dǎo)率很小，可用作保溫材料。氣體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。氣體熱導(dǎo)率和壓力無關(guān)。l金屬固體 > l非金屬固體 > l液體 > l氣體 1、冬天，鐵凳與木凳溫度一樣，但我們坐在鐵凳子上要比坐在木凳子上感到冷，為什么？2、一杯牛奶，放在水里比擺在桌子上要冷得快，為什么？四、對流傳熱 傳熱機(jī)理：通過流體傳質(zhì)點(diǎn)的相對位移傳遞熱量。特點(diǎn)：流體質(zhì)點(diǎn)互相混合碰撞強(qiáng)制對流 自然對流 用機(jī)械能（泵、風(fēng)機(jī)、攪拌等）使流體發(fā)生對流而傳熱。由于流體各部分溫度的不均勻分布，形成密度的

4、差異，在浮升力的作用下，流體發(fā)生對流而傳熱 典型的間壁式對流傳熱：熱流體冷流體thtcth,wtc,w 流體通過間壁的熱交換ThmTcmL1ThwL212TCW（1）層流邊界層（層流內(nèi)層）內(nèi)：熱傳導(dǎo)，熱阻大；（2）過渡區(qū)：熱傳導(dǎo)與對流傳熱共同起作用；（3）湍流區(qū)（主體流動區(qū)）：充滿漩渦，混合很好，對流為主，熱阻小。說明：流動邊界層對傳熱邊界層影響顯著， 改善流動狀況，特別是減薄層流內(nèi)層厚度， 可使傳熱速率大大提高。影響對流傳熱系數(shù)的因素：流體的物性：如導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度和比熱容cp；（不凝氣的影響，尤其是蒸汽在冷凝過程中，若蒸汽中含有空氣或其他不凝性氣體時(shí)，壁面會形成一層氣膜，此時(shí)蒸汽必須已

5、擴(kuò)散的方式穿過氣膜，這相當(dāng)于形成一項(xiàng)大的阻力，使傳熱系數(shù)大大下降。因此在換熱過程中不凝氣的排除尤為重要。循環(huán)水排氣是同樣的道理）流體的相態(tài)變化；流動型態(tài)：總體來說，層流的傳熱系數(shù)比湍流時(shí)小。如何實(shí)現(xiàn)湍流（提高流速）自然對流的影響；傳熱面的形狀特征與相對位置；折流板、波紋管等。污垢阻力：管道結(jié)構(gòu)的影響，循環(huán)水的處理在無相變的對流傳熱過程中，熱阻主要集中在？，減少熱阻的最有效措施是 ？ 如果開啟電扇，扇起風(fēng)來，就感覺冷了，這是為什么？一杯熱牛奶，用均勻攪拌比不攪拌要涼得快，邊攪拌邊吹風(fēng)，則涼得更快。前者利用牛奶對流，后者再加上空氣對流。五、 輻射傳熱機(jī)理：通過發(fā)射電磁波的形式向外輻射能量。特點(diǎn)：傳

6、熱過程不需要介質(zhì)。六、 換熱器 直接接觸式換熱器 間壁式 蓄熱式冷流體t1t2熱流體T1T2 間壁式傳熱特點(diǎn)：壁式換熱的特點(diǎn)是冷、熱流體被一固體隔開，分別在壁的兩側(cè)流動，不相混合，通過固體壁進(jìn)行熱量傳遞 傳熱過程可分為三步： 熱流體將熱量傳給固體壁面（對流傳熱） 熱量從壁的熱側(cè)傳到冷側(cè)（熱傳導(dǎo)） 熱量從壁的冷側(cè)面?zhèn)鹘o冷流體（對流傳熱） 壁的面積稱為傳熱面，是間壁式換熱器的基本尺寸。 1、夾套式2、沉浸式蛇管式3、噴淋式蛇管式4、套管式換熱器5、列管式換熱器（重點(diǎn)）（1）結(jié)構(gòu)：筒體、管板、列管、封頭、折流擋板。（2）概念： 管程和殼程 折流擋板（3）種類：固定管板式、浮頭式和U形管式。加熱劑：熱

7、水、飽和水蒸氣 礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等 用電加熱冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等 加熱溫度<180°C 飽和水蒸氣 冷卻溫度>30°C 水t2t1T1T2對流對流導(dǎo)熱冷流體Q熱流體流體流經(jīng)的選擇：在換熱器中，哪一流體走管程，哪一流體走殼程，如何選擇？不潔凈的或易于分解結(jié)構(gòu)的物料應(yīng)當(dāng)走易于清洗的一側(cè)。對于直管束，一般走管程。需要提高流速以增大其給熱系數(shù)的流體應(yīng)當(dāng)走管程。因?yàn)楣軆?nèi)截面積一般比管間截面積大很多，而且易于提高流體流速。具有腐蝕性的物料走管程，這樣可以用普通的材料制造殼體，而只需要管束、管板、封頭用耐腐蝕材料。壓力高的物料走管程，這樣殼體可以

8、不受壓。溫度很高或很低的物料走管程以減少熱量（或冷量）的散失。當(dāng)然，若為了更好的散熱，就要讓高溫物料走殼程。蒸汽一般走殼程，因?yàn)楸阌谂潘艺羝容^干凈粘度較大的流體一般走殼程，因?yàn)樵谠O(shè)有擋板的殼程流動時(shí)，流道截面和流向都在不斷改變，很容易達(dá)到湍流狀態(tài)，有利于提高傳熱系數(shù)。當(dāng)然以上原則有時(shí)會相互矛盾，應(yīng)根據(jù)具體情況抓住主要因素。我國標(biāo)準(zhǔn)管徑為25×2.5和19×2L/D=4-6 標(biāo)準(zhǔn)換熱器列管長1.5m 2m 3m 4.5m 6m 9m列管的排列形式：正三角形、正方形、正方形錯(cuò)列管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖a，圖b）。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管

9、外流體湍動程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對易結(jié)垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45可在一定程度上提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。折流擋板安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。6、其他高效換熱器（1）螺旋板式（2）平板式（3）板翅式（4）翅片管式（5）熱管強(qiáng)化傳熱：增大傳熱面積、增大傳熱系數(shù)、增大傳熱溫度差列管換熱器的熱補(bǔ)償裝置：列管式換熱器在操作時(shí)，由于冷、熱兩流體的溫度不同，外殼和管子的溫度必有差異，這種差異使外殼和管子的熱膨脹不同，情況嚴(yán)重時(shí)，可以將管子扭彎，或使管子從管板上松脫，甚至毀壞整個(gè)換熱器

10、。所以若外殼和管子溫差超過50時(shí)，就必須考慮這種熱膨脹的影響。一般采用補(bǔ)償圏補(bǔ)償。但不宜用于兩流體的溫度差太大(不大于70)和殼方流體壓強(qiáng)過高  (一般不高于600kPa)的場合。吸 收一、概述1、傳質(zhì)和傳熱的概念？傳質(zhì)：在化工生產(chǎn)中通常會遇到均相物系混合物的分離過程，即將混合物系分離為純凈的單組份物系。利用原物系中各組分之間某種性質(zhì)的差異，從而將均相物系形成兩相物質(zhì)，到達(dá)分離的目的。物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過程稱為傳質(zhì)過程。（遵循物料守恒定律）?；ぶ谐Ｒ姷膫髻|(zhì)：萃取、吸附、干燥、蒸餾、吸收等。傳熱：是物理學(xué)上的一個(gè)物理現(xiàn)象，是熱能從高溫向低溫部分轉(zhuǎn)移的過程。（遵循能量守恒定律）。2、吸收

11、的概念？氣體中的一個(gè)組分或幾個(gè)組分溶解于該液體內(nèi)而形成溶液，不能溶解的組分則保留在氣相之中，于是原混合氣體的組分得以分離。這種利用各組分溶解度不同而分離氣體混合物的操作稱為吸收。吸收的依據(jù)：混合氣體中各組分在液體中的溶解度不同。操作性質(zhì)：氣液間單向傳質(zhì)過程。吸收操作在吸收塔中進(jìn)行，典型的逆流吸收操作示意圖：3、化工生產(chǎn)中吸收裝置的應(yīng)用：（1） 分離混合氣體以獲得一定的組分。例如：用硫酸處理焦?fàn)t氣以回收其中的氨；用液態(tài)烴處理裂解氣以回收其中的乙烯、丙烯。用環(huán)己醇吸收尾氣中的環(huán)己烷。（2） 除去有害組分以凈化氣體。例如：用水或液堿脫除合成氨原料氣中的CO2、SO2（原料氣凈化）（3） 制備某種氣體

12、的溶液例如：用水吸收氯化氫以制取鹽酸；用水吸收甲醛制取福爾馬林溶液。4、物理吸收和化學(xué)吸收在吸收過程中，如果溶質(zhì)和溶液不發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)，可以當(dāng)作單純的溶解于液相的物理過程，稱為物理吸收。反之，若發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)稱為化學(xué)吸收。5、單組份吸收和多組分吸收若混合氣體中只有一組分進(jìn)入液相，其余組分皆不溶于液相，稱為單組份吸收。如果混合氣體中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的組分進(jìn)入液相，則稱為多組分吸收。6、等溫吸收和非等溫吸收氣體溶解于液體中常常伴有熱效應(yīng)，當(dāng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，還會有反應(yīng)熱，其結(jié)果是使液相溫度逐漸升高，這樣的吸收過程稱為非等溫吸收。若熱效應(yīng)很小，或被吸收的組分在氣相中的濃度很低而吸收劑用量很大時(shí)，溫

13、度上升不明顯，可認(rèn)為是等溫吸收。與吸收操作相反的操作，從吸收劑中分離出已被吸收的氣體的操作稱為解吸。因此，吸收具有可逆性。7、吸收過程的極限及方向極限：氣液兩相呈平衡狀態(tài)；方向或推動力：一相濃度與同另一相濃度呈平衡的該相濃度之差；比如：溶質(zhì)在氣相中的分壓為，液相中溶質(zhì)濃度為，與呈平衡的氣相分壓為，則推動力為（）。溶解平衡時(shí)，溶液中氣體的濃度稱為 平衡濃度 ，它是吸收過程的 極限 ，該濃度隨溫度升高而 下降 ，隨壓力升高而 增大 。二、吸收原理1、平衡溶解度在一定溫度和壓力下，混合氣體與液體接觸時(shí)，混合氣體中的溶質(zhì)會溶解于液體，而溶于液相內(nèi)的溶質(zhì)又會從溶劑中逸出返回氣相。隨著溶質(zhì)在液體中的濃度逐

14、漸增加，溶質(zhì)返回氣相的量也逐漸增大，直到單位時(shí)間溶于液相中的溶質(zhì)與從液相返回氣相的溶質(zhì)量相等，氣相和液相的組成不再改變，達(dá)到動平衡。平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相中分壓稱為平衡分壓PA*，溶質(zhì)在液相中的濃度稱為平衡溶解度，簡稱溶解度，它是吸收過程的極限。他們之間的關(guān)系稱為相平衡管線。此時(shí)并非沒有溶質(zhì)分子繼續(xù)進(jìn)入液相，只是任何瞬間進(jìn)入液相的溶質(zhì)分子數(shù)與從液相逸出的溶質(zhì)分子數(shù)恰好相等，在宏觀上過程就象是停止了。氣體的溶解度和溫度、壓力有關(guān)；氣體的溶解度隨溫度的升高而減小，隨壓力的升高而增大。但當(dāng)吸收系統(tǒng)的壓力不超過506.5kpa時(shí)，氣體的溶解度可看作與氣相的總壓力無關(guān)，而僅隨溫度的升高而減小。Ø 溫

15、度、壓強(qiáng)一定，在同一溶劑中，不同氣體的溶解度不同；Ø 溶質(zhì)、溫度一定，溶質(zhì)氣體分壓提高，溶解度加大；Ø 溶質(zhì)、分壓一定，溫度升高，溶解度降低。氨在水中的溶解度Ø2、亨利定律吸收操作最常用于分離低濃度的氣體混合物，此時(shí)液相的濃度通常比較低（在稀溶液范圍內(nèi)）。稀溶液的溶解度曲線通常近似地為一過原點(diǎn)的直線，即氣液兩相的濃度成正比，這一關(guān)系稱為亨利定律。氣液組成用不同的單位表示時(shí)，亨利定律形式不同：1. 亨利定律（p-x）溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)濃度溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓， kPa 濃度P*/P亨利系數(shù)，kPa亨利定律表示氣液兩相在達(dá)到平衡時(shí)，吸收質(zhì)在兩相中的分配情況。E值

16、隨溫度的升高而增大，數(shù)值越大，則表明氣體的溶解度越小。3、 相平衡在吸收中的應(yīng)用由于氣液相平衡是吸收進(jìn)行的極限，因此，在一定條件下，吸收若能進(jìn)行，溶質(zhì)在氣相中的分壓必須大于與液相平衡時(shí)的平衡分壓。PAPA* 溶質(zhì)A由氣相向液相傳質(zhì)，吸收過程PA=PA* 平衡狀態(tài)PAPA* 溶質(zhì)A由液相向氣相傳質(zhì)，解吸過程4、吸收理論（1）A由氣相主體到相界面，氣相內(nèi)傳遞；（2）A在相界面上溶解，溶解過程；（3）A自相界面到液相主體，液相內(nèi)傳遞。單相內(nèi)傳遞方式：分子擴(kuò)散；對流擴(kuò)散 。氣相主體 液相主體 溶解氣相擴(kuò)散 液相擴(kuò)散 雙膜理論：根據(jù)雙膜理論，吸收質(zhì)從氣相主體中以對流擴(kuò)散的方式到達(dá)氣膜邊界，又以分子擴(kuò)散的

17、方式通過氣膜到達(dá)氣液界面，在界面上吸收質(zhì)不受任何阻力從氣相進(jìn)入液相，然后以分子擴(kuò)散的方式穿過液膜到達(dá)液膜邊界，最后以對流擴(kuò)散的方式轉(zhuǎn)移到液相主體。理解：（1）在吸收時(shí)，氣液兩個(gè)流體共有一個(gè)界面，在相界面的兩側(cè)分別存在著穩(wěn)定的氣膜和液膜，一般來說膜的厚度是極薄的，兩膜內(nèi)流體是層流，即使兩相主體是高度湍流時(shí)，膜內(nèi)流體也是層流的。（2）界面上無傳質(zhì)阻力（3）在兩膜以外的氣液兩相的主體中，由于流體的充分湍動，吸收質(zhì)的濃度基本上均勻的，也就沒有任何的傳質(zhì)阻力，即認(rèn)為兩相主流中沒有濃度差存在，換句話說，濃度差全部集中在兩個(gè)膜層內(nèi)。（4）根據(jù)流體力學(xué)原理，流速越大，則膜的厚度越薄，因此增大流速，可以減小擴(kuò)散阻力，增加吸收速率。以雙膜理論為依據(jù)，則吸收過程的傳質(zhì)總阻力是氣相傳質(zhì)阻力與液相傳質(zhì)阻力之和(相界面無阻力)。 四、填料塔的結(jié)構(gòu)及填料性能（一） 填料塔結(jié)構(gòu)填料、液體分布器、液體再分布器、支承板、除沫器（二） 填料性能 1.作用：提供傳