化工单元过程及设备传热章节

1、学习情景五 传热过程及设备的选择与操作化学工程系谢伟2022/8/29学习情景五 传热过程及设备的选择与操作引言模块一 工业换热方案选择、分析与评价模块二 隔热与保温的措施模块三 传热操作技能培训2022/8/29引言传热:热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递，传热是极为普遍的一种能量传递过程，化学工业与传热的关系尤为密切。传热在化工生产中的应用：1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。2 、化工设备和管道的保温，以减少热损失。3 、生产中热能的合理利用，废热回收。2022/8/29引言一、传热的基本方式热传导热对流热辐射基本方式2022/8/29引言热传导机理：当物体的内部或两个

2、直接接触的物体之间存在着温度的差异时，通过物质内部微观粒子的振动，实现能量的传递。特点：物体本身没有发生宏观的相对位移。例子：手拿小铁棒放火上烤，手会烫。2022/8/29引言热对流机理：由于流体中质点发生相对位移和混合，而将热能由一处传递到另一处。分类：自然对流：流体质点的相对运动是因流体内部各处温度不同而引起的局部密度差异所致。强制对流：用机械能（如搅拌流体使流体发生对流运动。例子：消防员用冷水浇滚烫的油罐车，防止它温度过高爆炸。2022/8/29引言热辐射机理：以电磁波的形式实现能量的传递。热辐射不需要媒介。是高温物体之间的主要传热形式。例子：太阳照耀大地。2022/8/29引言二、工业

3、换热任务-某石化厂稳定精馏塔原料粗汽油的预热 现需设计一原料预热方案，将原料加热至入塔温度。2022/8/29引言任务分析：要使粗汽油从90升温到110，显然必须有提供热量的热源？热源是什么？热源怎样把热量提供给粗汽油？这就是一个典型的工业预热任务。为了完成这个稳定精馏塔原料粗汽油的预热任务，必须解决以下几问题：1、预热方案的选择问题，包括换热方式、换热介质、流入空间、加热介质流量的选择。2、预热设备类型与型号的选择。3、换热设备的操作，常见的故障及预防措施。4、管道保温材料的选择，保温层厚度的确定。2022/8/29模块一 工业换热方案选择、分析与评价一、换热方式的选择混合式、蓄热式、间壁式

4、三种。 1、蓄热式高温流体低温流体蓄热体蓄热式换热器机构简单、能耐高温，一般常用于高低温气体介质间的换热，但由于该类设备的操作要在两个蓄热器之间间歇交替进行，且两流体会有一定程度的混合，故这类设备在化工生产中很少使用，常用于冶金行业。2022/8/29模块一 工业换热方案选择、分析与评价2、混合式主要特点：冷热两种流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。优点：传热速度快、效率高，设备简单。设备：凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器适用范围：无价值的蒸汽冷凝，或其冷凝液不要求是纯净物料等，允许冷热两流体直接接触混合的场合。 冷水废蒸汽热水2022/8/29模块一 工业换热方案

5、选择、分析与评价任务解决：原油换热方式的选择 在引言的原油预热任务中，需要预热的粗汽油是不允许与别的加热介质混合的，否则会影响原料的纯度，以致影响精馏操作和产品质量。另外粗汽油本身易挥发、易燃易爆，蓄热式可能导致泄漏造成的爆炸事故，所以我们选择间壁式换热的原油预热方法。2022/8/29模块一 工业换热方案选择、分析与评价二、换热介质的确定1、加热剂/冷却剂 2、载热体选择原则（1）载热体的温度易调节控制；（2）载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解；（3）载热体的毒性小，不易燃、易爆不易腐蚀设备；（4）价格便宜，来源容易。3、常见的加热加热剂和冷却剂 工业上常用的冷却剂有水、空气和各种冷冻剂

6、。水和空气可将物料最低冷却至环境温度，其值随地区和季节而异，一般不低于20一30。在水资源紧缺地区，常采用空气冷却。 工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气等。若所需的加热温度很高，则需采用电加热。2022/8/29模块一 工业换热方案选择、分析与评价解决任务- 原油预热的加热剂的选择 由于在稳定精馏塔装置中,塔底产品出塔温度为150，工艺要求冷却至120，这部分能量可以加以利用。另外在120150温度范围内塔底产品稳定汽油不易分解且不易腐蚀设备，所以可以选取塔底产品稳定汽油来预热进料而不另取加热介质。因此，在精馏装置中，经常将进塔原料与塔釜的产品进行换热，这样既

7、达到了预热原料的目的同时又冷却了塔底产品，而且也节约了冷却产品所需的冷却剂，这样可使整个装置的操作费用降低，节省了能源，降低了能耗！2022/8/29模块一 工业换热方案选择、分析与评价三、加热介质的用量的确定焓差法： 显热法： 潜热法： 2022/8/29模块一 工业换热方案选择、分析与评价任务解决-预热所需的加热剂用量的确定 在本学习情景的任务中，冷介质为粗汽油，CPc=2.65KJ/kg ,Wc=23000kg/h，温度从90加热至110，所需吸收的热量： kJ/h； 加热介质为稳定塔塔底产品稳定汽油，CPh=2.42KJ/kg，温度从150冷却至120，需要的加热介质的流量应为 而稳定

8、塔塔底产品流量为19000kg/h，所以选塔底产品做加热剂，加热量是足够的，剩余流量（19000-16790）=2210g/h的塔底产品可以走跨线不经过预热器。2022/8/29四、换热器类型的认识和选择1、换热器的分类 （1）按传热面形状和结构分蓄热式混合式换热器间壁式板式换热器：螺旋板式、板式、板翅式夹套式换热器套管换热器列管式换热器固定管板式换热器U型管式换热器浮头式换热器蛇管式换热器沉浸式喷淋式2022/8/29四、换热器类型的认识和选择（2）按换热器用途分加热器 用于把流体加热到所需要的温度，被加热流体在加热过 程中不发生相变。冷却器 用于加热流体，使其达到所需要的温度。预热器 用于

9、流体的预热，以提高整个工艺装置的效率。过热器 用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。蒸发器 用于加热液体，使其蒸发汽化。再沸器：加热冷凝的液体使其再受热汽化。为蒸馏过程的专用设备。冷凝器 用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出汽化潜热而凝结液化。2022/8/29四、换热器类型的认识和选择（3）按制造材料分常见的换热器材料有金属、陶瓷、塑料、石墨和玻璃等等。金属材料换热器 由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热系数大，故此类换热器的传热效率高。非金属材料换热器 常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小，故此类换热

10、器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。2022/8/29四、换热器类型的认识和选择2、常见的工业换热器（1）夹套式换热器1-反应器 2-夹套 3、4-蒸汽或冷却水接管 5-冷凝水或冷却水接管优点：结构简单，加工方便缺点：传热系数较低，传热面又受容器的限制。 强化措施：为了提高其传热性能，在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流，为了弥补传热面的不足，还可在器内安装蛇管等用途：应用于反应器的加热和冷却。2022/8/29四、换热器类型的认识和选择（2）蛇管式换热器蛇管式换热器又分沉浸式和喷淋式两种沉浸式换热器优点：结构简单、价格低廉、能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。缺点：管外容器内的流体湍流

11、程度差，给热系数小，平均温差低。蛇管易堵塞。用途：反应器的传热、高压下传热、强腐蚀性流体的传热强化措施：可减少管外空间；容器内加搅拌器。2022/8/29四、换热器类型的认识和选择喷淋式换热器优点：结构简单；便于耐腐蚀；管内能耐高压；管外比沉浸式大；传热面积大而且可以改变，检修和清洗方便。缺点：冷却水喷淋不均匀影响传热效果；只能安装在室外，占地面积大。2022/8/29四、换热器类型的认识和选择（3）套管式换热器优点：结构简单，易于维修和清洗，适用于高温、高压流体。 缺点：流动阻力大，金属耗量多，而且体积较大。应用：所需传热面积小，小容积流量的流体。2022/8/29四、换热器类型的认识和选择

12、（4）列管式换热器它的突出优点是单位体积具有的传热面积大，结构紧凑、坚固、传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大。在高温高压以及大型装置中得到普遍应用。2022/8/29模块一 工业换热方案选择、分析与评价2022/8/29四、换热器类型的认识和选择设置列管式换热器折流挡板主要为了增大壳程流体的湍动程度，提高壳程的对流传热系数。其形状主要有下列几种： 单通道圆缺形、弓形 双通道圆缺型折流板 圆盘形、圆环形 2022/8/29四、换热器类型的认识和选择管程数：单管程、双管程、多管程壳程数：单壳程、双壳程、多壳程列管式换热器2022/8/29四、换热器类型的认识和选择列管式换热器

13、可分为以下几种主要型式。固定管板式换热器U形管式换热器浮头式换热器2022/8/29四、换热器类型的认识和选择固定管板式换热器优点：结构简单，管内便于清洗，造价低廉。缺点：壳程清洗和检修困难；当管壁和壳壁的温度相差较大时会产生较大的热应力，甚至将管子从管扳上拉脱。解决方法：采用补偿圈（膨胀节）应用场合：适用于壳程流体清洁不易结垢，两流体温差不大或温差教大但壳程压力不高的场合。2022/8/29四、换热器类型的认识和选择U形管式换热器 优点： 结构简单，管间清洗较易。缺点： 管内清洗较困难，管板的利用率低。解决热应力方法：它是把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，与壳体

14、无关，来解决热补偿问题。应用场合： 适用于管、壳程温差较大或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢的场所。2022/8/29四、换热器类型的认识和选择浮头式换热器 优点：可完全消除热应力，在清洗和检修时整个管束可以从壳体中抽出。缺点：结构复杂，用材量大，造价高。操作时，如果浮头盖连接处泄漏将无法发现， 解决热应力方法：采用浮头来消除热应力应用场合：应用十分广泛，适用于壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场合。可用于结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀的场合;2022/8/29四、换热器类型的认识和选择3、其他类型换热器(1)螺旋板式换热器 优点：结构紧凑；单位体积传热面积大；流体在换热器内作严格的

15、逆流流动，可在较小的温差下操作，能充分利用低温能源；由于流向不断改变，且允许选用较高流速，故传热效果好；又由于流速较高，同时有惯性高离心力作用，污垢不容易沉积。缺点：制造和检修都比较困难；流动阻力较大；操作压力和温度都不能太高，一般压力在2MPa以下,温度不超过400 2022/8/29四、换热器类型的认识和选择翅片式换热器 气体的加热或冷却，当换热的另一方为液体或发生相变时，在气体一侧设置翅片，既可增大传热面积又可增加气体的湍动程度，提高传热效率。 2022/8/29四、换热器类型的认识和选择板式换热器 优点：结构紧凑，单位体积传热面积大；组装灵活方便；有较高的传热速率，可随时增减板数，有利

16、于清洗和维修。缺点：处理量小；受垫片材料性能的限制，操作压力和温度不能过高。适用于需要经常清洗，工作环境要求十分紧凑，操作压力在2.5 MPa以下,温度在-35200的场合。 2022/8/29四、换热器类型的认识和选择板翅式换热器 2022/8/29四、换热器类型的认识和选择解决任务-预热原料所需的换热器类型的确定 流体的性质对换热器类型的选择上往往会产生重大影响，如流体的物理性质（比热、导热系数、粘度），化学性质（如腐蚀性、热敏性），结垢情况以及是否有腐蚀性颗粒等因素都对传热设备的选型有影响。例如硝酸的加热器，由于流体的强腐蚀性决定了设备的结构材料，从而很快就限制了可能采用的结构范围。如对

17、于热敏性大的液体，能否精确控制它在加热过程中的温度和停留时间往往就成为选型的主要前提。流体的清净程度和易否结构，有时在选型上往往也起决定性作用，在本学习情景任务中，粗汽油中里面夹杂催化剂粉末，需要经常清洗换热面得物料，就不能选用高效的板翘式或其它不可拆卸的结构。 同样，换热介质的流量、操作温度、压力等参数在选型时也很重要，例如板式换热器虽然高效紧凑，性能很好，但是由于受结构和垫片性能的限制，当压力或温度稍高时，或者流量很大时这种型式就不适用了。另外结构简单的蛇管或套管换热器，这些类型流体处理量小，价格高，不能适应现代大型化装置的需要。 2022/8/29四、换热器类型的认识和选择随着结构材料和

18、制造工艺的发展，列管换热器逐步推广到高温高压的场合下应用，目前这种换热器的最高使用压力为840kg/cm2，温度达到1000。同时具有单位体积的传热面积大，结构紧凑、坚固、传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大等优点。能很好的满足稳定塔原料预热任务的要求。另外由于两流体温差较小，不需经常检修，从经济角度出发，可以选择固定管板式换热器。2022/8/29模块一 工业换热方案选择、分析与评价五、流体流入空间的选择流入空间的选择原则：1、不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗。2、需通过增大流速，提高的流体宜选管程，因管程流通面积小于

19、壳程，易采用多程来提高流速。3、腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀。4、压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压。5、饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其与流速无关。6、被冷却的流体一般走壳程，便于散热。7、黏度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和流向都在不断变化，在Re100即可达到湍流。2022/8/29五、流体流入空间的选择解决任务-原料粗汽油和产品稳定汽油在换热器内流入空间的选择 在本学习情境任务中，热流体为塔釜产品稳定汽油，冷流体为原料粗汽油。粗汽油压力较大，操作压力为0.6MPa，同时粗汽油里夹杂着从催化裂化设备里带出来的催化剂粉末，而塔釜产品稳定汽油则相对清洁很多。

20、从压力和易于清洗的角度出发，可以选择塔釜产品走壳程，原料粗汽油浆走管程。2022/8/29模块一 工业换热方案选择、分析与评价六、换热器型号的确定1、传热基本方程Q单位时间内通过换热器传递的热量，即传热速率，W； A换热器的传热面积，m2； tm冷、热流体间传热温度差的平均值，它是传热的推动力。 平均温度差的计算将在后面讨论。 K比例系数，或称传热系数。是表示传热过程强弱程度的数值。其物理意义和单位可由下式看出2022/8/29六、换热器型号的确定传热基本方程式。此式也可以写成如下形式 -称为传热总热阻。 由传热基本方程式Q=KAtm可知，当传热速率（或热负荷）Q、传热平均温度差tm及传热系数K确定后，传热面积A则很容易即可算出 2022/8/29六、换热器型号的确定- tm的计算2、传热温度差tm的计算并流折流错流逆流2022/8/29六、换热器型号的确定- tm的计算逆流时：并流时：2022/8