化工單元過程及設(shè)備傳熱章節(jié)

1、學(xué)習(xí)情景五 傳熱過程及設(shè)備的選擇與操作化學(xué)工程系謝偉2022/8/29學(xué)習(xí)情景五 傳熱過程及設(shè)備的選擇與操作引言模塊一 工業(yè)換熱方案選擇、分析與評價(jià)模塊二 隔熱與保溫的措施模塊三 傳熱操作技能培訓(xùn)2022/8/29引言傳熱:熱量傳遞，凡是有溫度差存在的地方，必然有熱的傳遞，傳熱是極為普遍的一種能量傳遞過程，化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系尤為密切。傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用：1、物料的加熱、冷卻或者冷凝、蒸發(fā)過程。2 、化工設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。3 、生產(chǎn)中熱能的合理利用，廢熱回收。2022/8/29引言一、傳熱的基本方式熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射基本方式2022/8/29引言熱傳導(dǎo)機(jī)理：當(dāng)物體的內(nèi)部或兩個(gè)

2、直接接觸的物體之間存在著溫度的差異時(shí)，通過物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子的振動，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。特點(diǎn)：物體本身沒有發(fā)生宏觀的相對位移。例子：手拿小鐵棒放火上烤，手會燙。2022/8/29引言熱對流機(jī)理：由于流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移和混合，而將熱能由一處傳遞到另一處。分類：自然對流：流體質(zhì)點(diǎn)的相對運(yùn)動是因流體內(nèi)部各處溫度不同而引起的局部密度差異所致。強(qiáng)制對流：用機(jī)械能（如攪拌流體使流體發(fā)生對流運(yùn)動。例子：消防員用冷水澆滾燙的油罐車，防止它溫度過高爆炸。2022/8/29引言熱輻射機(jī)理：以電磁波的形式實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。熱輻射不需要媒介。是高溫物體之間的主要傳熱形式。例子：太陽照耀大地。2022/8/29引言二、工業(yè)

3、換熱任務(wù)-某石化廠穩(wěn)定精餾塔原料粗汽油的預(yù)熱 現(xiàn)需設(shè)計(jì)一原料預(yù)熱方案，將原料加熱至入塔溫度。2022/8/29引言任務(wù)分析：要使粗汽油從90升溫到110，顯然必須有提供熱量的熱源？熱源是什么？熱源怎樣把熱量提供給粗汽油？這就是一個(gè)典型的工業(yè)預(yù)熱任務(wù)。為了完成這個(gè)穩(wěn)定精餾塔原料粗汽油的預(yù)熱任務(wù)，必須解決以下幾問題：1、預(yù)熱方案的選擇問題，包括換熱方式、換熱介質(zhì)、流入空間、加熱介質(zhì)流量的選擇。2、預(yù)熱設(shè)備類型與型號的選擇。3、換熱設(shè)備的操作，常見的故障及預(yù)防措施。4、管道保溫材料的選擇，保溫層厚度的確定。2022/8/29模塊一 工業(yè)換熱方案選擇、分析與評價(jià)一、換熱方式的選擇混合式、蓄熱式、間壁式

4、三種。 1、蓄熱式高溫流體低溫流體蓄熱體蓄熱式換熱器機(jī)構(gòu)簡單、能耐高溫，一般常用于高低溫氣體介質(zhì)間的換熱，但由于該類設(shè)備的操作要在兩個(gè)蓄熱器之間間歇交替進(jìn)行，且兩流體會有一定程度的混合，故這類設(shè)備在化工生產(chǎn)中很少使用，常用于冶金行業(yè)。2022/8/29模塊一 工業(yè)換熱方案選擇、分析與評價(jià)2、混合式主要特點(diǎn)：冷熱兩種流體間的熱交換，是依靠熱流體和冷流體直接接觸和混合過程實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)點(diǎn)：傳熱速度快、效率高，設(shè)備簡單。設(shè)備：涼水塔、噴灑式冷卻塔、混合式冷凝器適用范圍：無價(jià)值的蒸汽冷凝，或其冷凝液不要求是純凈物料等，允許冷熱兩流體直接接觸混合的場合。 冷水廢蒸汽熱水2022/8/29模塊一 工業(yè)換熱方案

5、選擇、分析與評價(jià)任務(wù)解決：原油換熱方式的選擇 在引言的原油預(yù)熱任務(wù)中，需要預(yù)熱的粗汽油是不允許與別的加熱介質(zhì)混合的，否則會影響原料的純度，以致影響精餾操作和產(chǎn)品質(zhì)量。另外粗汽油本身易揮發(fā)、易燃易爆，蓄熱式可能導(dǎo)致泄漏造成的爆炸事故，所以我們選擇間壁式換熱的原油預(yù)熱方法。2022/8/29模塊一 工業(yè)換熱方案選擇、分析與評價(jià)二、換熱介質(zhì)的確定1、加熱劑/冷卻劑 2、載熱體選擇原則（1）載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制；（2）載熱體的飽和蒸氣壓較低，加熱時(shí)不易分解；（3）載熱體的毒性小，不易燃、易爆不易腐蝕設(shè)備；（4）價(jià)格便宜，來源容易。3、常見的加熱加熱劑和冷卻劑 工業(yè)上常用的冷卻劑有水、空氣和各種冷凍劑

6、。水和空氣可將物料最低冷卻至環(huán)境溫度，其值隨地區(qū)和季節(jié)而異，一般不低于20一30。在水資源緊缺地區(qū)，常采用空氣冷卻。 工業(yè)上常用的加熱劑有熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽及煙道氣等。若所需的加熱溫度很高，則需采用電加熱。2022/8/29模塊一 工業(yè)換熱方案選擇、分析與評價(jià)解決任務(wù)- 原油預(yù)熱的加熱劑的選擇 由于在穩(wěn)定精餾塔裝置中,塔底產(chǎn)品出塔溫度為150，工藝要求冷卻至120，這部分能量可以加以利用。另外在120150溫度范圍內(nèi)塔底產(chǎn)品穩(wěn)定汽油不易分解且不易腐蝕設(shè)備，所以可以選取塔底產(chǎn)品穩(wěn)定汽油來預(yù)熱進(jìn)料而不另取加熱介質(zhì)。因此，在精餾裝置中，經(jīng)常將進(jìn)塔原料與塔釜的產(chǎn)品進(jìn)行換熱，這樣既

7、達(dá)到了預(yù)熱原料的目的同時(shí)又冷卻了塔底產(chǎn)品，而且也節(jié)約了冷卻產(chǎn)品所需的冷卻劑，這樣可使整個(gè)裝置的操作費(fèi)用降低，節(jié)省了能源，降低了能耗！2022/8/29模塊一 工業(yè)換熱方案選擇、分析與評價(jià)三、加熱介質(zhì)的用量的確定焓差法： 顯熱法： 潛熱法： 2022/8/29模塊一 工業(yè)換熱方案選擇、分析與評價(jià)任務(wù)解決-預(yù)熱所需的加熱劑用量的確定 在本學(xué)習(xí)情景的任務(wù)中，冷介質(zhì)為粗汽油，CPc=2.65KJ/kg ,Wc=23000kg/h，溫度從90加熱至110，所需吸收的熱量： kJ/h； 加熱介質(zhì)為穩(wěn)定塔塔底產(chǎn)品穩(wěn)定汽油，CPh=2.42KJ/kg，溫度從150冷卻至120，需要的加熱介質(zhì)的流量應(yīng)為 而穩(wěn)定

8、塔塔底產(chǎn)品流量為19000kg/h，所以選塔底產(chǎn)品做加熱劑，加熱量是足夠的，剩余流量（19000-16790）=2210g/h的塔底產(chǎn)品可以走跨線不經(jīng)過預(yù)熱器。2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇1、換熱器的分類 （1）按傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分蓄熱式混合式換熱器間壁式板式換熱器：螺旋板式、板式、板翅式夾套式換熱器套管換熱器列管式換熱器固定管板式換熱器U型管式換熱器浮頭式換熱器蛇管式換熱器沉浸式噴淋式2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇（2）按換熱器用途分加熱器 用于把流體加熱到所需要的溫度，被加熱流體在加熱過 程中不發(fā)生相變。冷卻器 用于加熱流體，使其達(dá)到所需要的溫度。預(yù)熱器 用于

9、流體的預(yù)熱，以提高整個(gè)工藝裝置的效率。過熱器 用于加熱飽和蒸汽，使其達(dá)到過熱狀態(tài)。蒸發(fā)器 用于加熱液體，使其蒸發(fā)汽化。再沸器：加熱冷凝的液體使其再受熱汽化。為蒸餾過程的專用設(shè)備。冷凝器 用于冷卻凝結(jié)性飽和蒸汽，使其放出汽化潛熱而凝結(jié)液化。2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇（3）按制造材料分常見的換熱器材料有金屬、陶瓷、塑料、石墨和玻璃等等。金屬材料換熱器 由金屬材料加工制成的換熱器。常用的材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。因金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大，故此類換熱器的傳熱效率高。非金屬材料換熱器 常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，故此類換熱

10、器的傳熱效率較低。常用于具有腐蝕性的物系。2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇2、常見的工業(yè)換熱器（1）夾套式換熱器1-反應(yīng)器 2-夾套 3、4-蒸汽或冷卻水接管 5-冷凝水或冷卻水接管優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便缺點(diǎn)：傳熱系數(shù)較低，傳熱面又受容器的限制。 強(qiáng)化措施：為了提高其傳熱性能，在容器內(nèi)安裝攪拌器，使器內(nèi)液體作強(qiáng)制對流，為了彌補(bǔ)傳熱面的不足，還可在器內(nèi)安裝蛇管等用途：應(yīng)用于反應(yīng)器的加熱和冷卻。2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇（2）蛇管式換熱器蛇管式換熱器又分沉浸式和噴淋式兩種沉浸式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造。缺點(diǎn)：管外容器內(nèi)的流體湍流

11、程度差，給熱系數(shù)小，平均溫差低。蛇管易堵塞。用途：反應(yīng)器的傳熱、高壓下傳熱、強(qiáng)腐蝕性流體的傳熱強(qiáng)化措施：可減少管外空間；容器內(nèi)加攪拌器。2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇噴淋式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；便于耐腐蝕；管內(nèi)能耐高壓；管外比沉浸式大；傳熱面積大而且可以改變，檢修和清洗方便。缺點(diǎn)：冷卻水噴淋不均勻影響傳熱效果；只能安裝在室外，占地面積大。2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇（3）套管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，易于維修和清洗，適用于高溫、高壓流體。 缺點(diǎn)：流動阻力大，金屬耗量多，而且體積較大。應(yīng)用：所需傳熱面積小，小容積流量的流體。2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇

12、（4）列管式換熱器它的突出優(yōu)點(diǎn)是單位體積具有的傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固、傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強(qiáng)，操作彈性大。在高溫高壓以及大型裝置中得到普遍應(yīng)用。2022/8/29模塊一 工業(yè)換熱方案選擇、分析與評價(jià)2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇設(shè)置列管式換熱器折流擋板主要為了增大殼程流體的湍動程度，提高殼程的對流傳熱系數(shù)。其形狀主要有下列幾種： 單通道圓缺形、弓形 雙通道圓缺型折流板 圓盤形、圓環(huán)形 2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇管程數(shù)：單管程、雙管程、多管程殼程數(shù)：單殼程、雙殼程、多殼程列管式換熱器2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇列管式換熱器

13、可分為以下幾種主要型式。固定管板式換熱器U形管式換熱器浮頭式換熱器2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇固定管板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，管內(nèi)便于清洗，造價(jià)低廉。缺點(diǎn)：殼程清洗和檢修困難；當(dāng)管壁和殼壁的溫度相差較大時(shí)會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，甚至將管子從管扳上拉脫。解決方法：采用補(bǔ)償圈（膨脹節(jié)）應(yīng)用場合：適用于殼程流體清潔不易結(jié)垢，兩流體溫差不大或溫差教大但殼程壓力不高的場合。2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇U形管式換熱器 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，管間清洗較易。缺點(diǎn)： 管內(nèi)清洗較困難，管板的利用率低。解決熱應(yīng)力方法：它是把每根管子都彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，與殼體

14、無關(guān)，來解決熱補(bǔ)償問題。應(yīng)用場合： 適用于管、殼程溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢的場所。2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇浮頭式換熱器 優(yōu)點(diǎn)：可完全消除熱應(yīng)力，在清洗和檢修時(shí)整個(gè)管束可以從殼體中抽出。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用材量大，造價(jià)高。操作時(shí)，如果浮頭蓋連接處泄漏將無法發(fā)現(xiàn)， 解決熱應(yīng)力方法：采用浮頭來消除熱應(yīng)力應(yīng)用場合：應(yīng)用十分廣泛，適用于殼體與管束溫差較大或殼程流體容易結(jié)垢的場合?？捎糜诮Y(jié)垢比較嚴(yán)重的場合；可用于管程易腐蝕的場合;2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇3、其他類型換熱器(1)螺旋板式換熱器 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊；單位體積傳熱面積大；流體在換熱器內(nèi)作嚴(yán)格的

15、逆流流動，可在較小的溫差下操作，能充分利用低溫能源；由于流向不斷改變，且允許選用較高流速，故傳熱效果好；又由于流速較高，同時(shí)有慣性高離心力作用，污垢不容易沉積。缺點(diǎn)：制造和檢修都比較困難；流動阻力較大；操作壓力和溫度都不能太高，一般壓力在2MPa以下,溫度不超過400 2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇翅片式換熱器 氣體的加熱或冷卻，當(dāng)換熱的另一方為液體或發(fā)生相變時(shí)，在氣體一側(cè)設(shè)置翅片，既可增大傳熱面積又可增加氣體的湍動程度，提高傳熱效率。 2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇板式換熱器 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積大；組裝靈活方便；有較高的傳熱速率，可隨時(shí)增減板數(shù)，有利

16、于清洗和維修。缺點(diǎn)：處理量??；受墊片材料性能的限制，操作壓力和溫度不能過高。適用于需要經(jīng)常清洗，工作環(huán)境要求十分緊湊，操作壓力在2.5 MPa以下,溫度在-35200的場合。 2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇板翅式換熱器 2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇解決任務(wù)-預(yù)熱原料所需的換熱器類型的確定 流體的性質(zhì)對換熱器類型的選擇上往往會產(chǎn)生重大影響，如流體的物理性質(zhì)（比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度），化學(xué)性質(zhì)（如腐蝕性、熱敏性），結(jié)垢情況以及是否有腐蝕性顆粒等因素都對傳熱設(shè)備的選型有影響。例如硝酸的加熱器，由于流體的強(qiáng)腐蝕性決定了設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，從而很快就限制了可能采用的結(jié)構(gòu)范圍。如對

17、于熱敏性大的液體，能否精確控制它在加熱過程中的溫度和停留時(shí)間往往就成為選型的主要前提。流體的清凈程度和易否結(jié)構(gòu)，有時(shí)在選型上往往也起決定性作用，在本學(xué)習(xí)情景任務(wù)中，粗汽油中里面夾雜催化劑粉末，需要經(jīng)常清洗換熱面得物料，就不能選用高效的板翹式或其它不可拆卸的結(jié)構(gòu)。 同樣，換熱介質(zhì)的流量、操作溫度、壓力等參數(shù)在選型時(shí)也很重要，例如板式換熱器雖然高效緊湊，性能很好，但是由于受結(jié)構(gòu)和墊片性能的限制，當(dāng)壓力或溫度稍高時(shí)，或者流量很大時(shí)這種型式就不適用了。另外結(jié)構(gòu)簡單的蛇管或套管換熱器，這些類型流體處理量小，價(jià)格高，不能適應(yīng)現(xiàn)代大型化裝置的需要。 2022/8/29四、換熱器類型的認(rèn)識和選擇隨著結(jié)構(gòu)材料和

18、制造工藝的發(fā)展，列管換熱器逐步推廣到高溫高壓的場合下應(yīng)用，目前這種換熱器的最高使用壓力為840kg/cm2，溫度達(dá)到1000。同時(shí)具有單位體積的傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固、傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強(qiáng)，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。能很好的滿足穩(wěn)定塔原料預(yù)熱任務(wù)的要求。另外由于兩流體溫差較小，不需經(jīng)常檢修，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，可以選擇固定管板式換熱器。2022/8/29模塊一 工業(yè)換熱方案選擇、分析與評價(jià)五、流體流入空間的選擇流入空間的選擇原則：1、不清潔或易結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流過易于清洗的一側(cè)，對于直管管束，一般通過管內(nèi)，直管內(nèi)易于清洗。2、需通過增大流速，提高的流體宜選管程，因管程流通面積小于

19、殼程，易采用多程來提高流速。3、腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕。4、壓力高的流體宜選管程，以防止殼體受壓。5、飽和蒸汽宜走殼程，冷凝液易于排出，其與流速無關(guān)。6、被冷卻的流體一般走殼程，便于散熱。7、黏度大、流量小的流體宜選殼程，因殼程的流道截面和流向都在不斷變化，在Re100即可達(dá)到湍流。2022/8/29五、流體流入空間的選擇解決任務(wù)-原料粗汽油和產(chǎn)品穩(wěn)定汽油在換熱器內(nèi)流入空間的選擇 在本學(xué)習(xí)情境任務(wù)中，熱流體為塔釜產(chǎn)品穩(wěn)定汽油，冷流體為原料粗汽油。粗汽油壓力較大，操作壓力為0.6MPa，同時(shí)粗汽油里夾雜著從催化裂化設(shè)備里帶出來的催化劑粉末，而塔釜產(chǎn)品穩(wěn)定汽油則相對清潔很多。

20、從壓力和易于清洗的角度出發(fā)，可以選擇塔釜產(chǎn)品走殼程，原料粗汽油漿走管程。2022/8/29模塊一 工業(yè)換熱方案選擇、分析與評價(jià)六、換熱器型號的確定1、傳熱基本方程Q單位時(shí)間內(nèi)通過換熱器傳遞的熱量，即傳熱速率，W； A換熱器的傳熱面積，m2； tm冷、熱流體間傳熱溫度差的平均值，它是傳熱的推動力。 平均溫度差的計(jì)算將在后面討論。 K比例系數(shù)，或稱傳熱系數(shù)。是表示傳熱過程強(qiáng)弱程度的數(shù)值。其物理意義和單位可由下式看出2022/8/29六、換熱器型號的確定傳熱基本方程式。此式也可以寫成如下形式 -稱為傳熱總熱阻。 由傳熱基本方程式Q=KAtm可知，當(dāng)傳熱速率（或熱負(fù)荷）Q、傳熱平均溫度差tm及傳熱系數(shù)K確定后，傳熱面積A則很容易即可算出 2022/8/29六、換熱器型號的確定- tm的計(jì)算2、傳熱溫度差tm的計(jì)算并流折流錯(cuò)流逆流2022/8/29六、換熱器型號的確定- tm的計(jì)算逆流時(shí)：并流時(shí)：2022/8