过程装备基础第17章 传热与传质设备

1第第 5篇篇 过程设备概论过程设备概论过过程程设设备备概概论论工作原理、结构特点、应用场合、技术规范、选用和设计工作原理、结构特点、应用场合、技术规范、选用和设计常用设备类型 、结构、结构 常用设备原理 、应用、应用 2过程设备在各种过程工业生产中应用十分过程设备在各种过程工业生产中应用十分广泛，是广泛，是 化工、炼油、轻工、食品、制药化工、炼油、轻工、食品、制药、冶金、纺织、动力、交通、海洋工程等、冶金、纺织、动力、交通、海洋工程等传统工业部门的关键设备传统工业部门的关键设备 ，也是航空航天，也是航空航天、核能等高新技术领域不可缺少的设备。、核能等高新技术领域不可缺少的设备。工业生产从原材料到产品，需要经过一系工业生产从原材料到产品，需要经过一系列的物理、化学或生物的加工处理步骤，列的物理、化学或生物的加工处理步骤，而这些加工处理步骤都是由过程设备来完而这些加工处理步骤都是由过程设备来完成的。成的。3本篇将本篇将 着重介绍过程工业生产中常用的传热着重介绍过程工业生产中常用的传热与传质设备、化学过程设备、机械过程设备与传质设备、化学过程设备、机械过程设备三类过程设备的类型、结构、原理、设计及三类过程设备的类型、结构、原理、设计及应用。应用。 通过学习，可以掌握这些常用过程设备的基通过学习，可以掌握这些常用过程设备的基本结构、工作原理和工程应用，根据生产实本结构、工作原理和工程应用，根据生产实际需要进行合理选型或结构设计，并能进一际需要进行合理选型或结构设计，并能进一步借助有关的技术资料进行必要的工程计算步借助有关的技术资料进行必要的工程计算，以培养解决工程实际问题的能力。，以培养解决工程实际问题的能力。 4第 17章 传热与传质设备基本结构与工作原理基本结构与工作原理合理选型或结构设计方法合理选型或结构设计方法相关的标准和规范简介相关的标准和规范简介517.1 换热设备 17.2 塔设备 第第17章章 传传热热与与传传质质设设备备目录目录6 传热与传质设备，传热与传质设备， 通常指换热设备和塔设通常指换热设备和塔设备，备， 是化工、炼油、食品、轻工、制药等是化工、炼油、食品、轻工、制药等部门应用最广、使用较多的两种通用设备部门应用最广、使用较多的两种通用设备，因此，下面就逐一进行介绍。，因此，下面就逐一进行介绍。 7(1)换热设备的作用换热设备的作用在过程工业生产中，为了合理而有效地利用在过程工业生产中，为了合理而有效地利用热热 (冷冷 )量，常需采用各种换热设备进行不同量，常需采用各种换热设备进行不同的换热过程，使热量由温度较高的流体向温的换热过程，使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺规度较低的流体传递，使流体温度达到工艺规定的指标，以满足生产过程的需要。定的指标，以满足生产过程的需要。换热设备也是余热、废热特别是低品位热能换热设备也是余热、废热特别是低品位热能回收的有效装置。回收的有效装置。17.1 换热设备换热设备17.1.1 概述概述8(2)换热设备的类型换热设备的类型在过程工业生产中，由于使用场合、操作在过程工业生产中，由于使用场合、操作条件和物料特性的不同，换热设备有多种条件和物料特性的不同，换热设备有多种类型和结构，并可按不同的方法进行分类类型和结构，并可按不同的方法进行分类。1)按作用原理和实现传热的方式，可分为按作用原理和实现传热的方式，可分为如下三种类型：如下三种类型： 9 混合式换热设备混合式换热设备它是利用冷、热流体直接它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热接触与混合的作用进行热量交换的量交换的 ，其结构，其结构 如如 图所图所示。示。化工生产中所用的冷却化工生产中所用的冷却塔、气压冷凝器等都属塔、气压冷凝器等都属于这一类换热设备。这类换热设备的结构于这一类换热设备。这类换热设备的结构简单、价格便宜，简单、价格便宜， 为使两流体达到充分换为使两流体达到充分换热，常采用塔状结构热，常采用塔状结构 。10 蓄热式换热设备蓄热式换热设备它是让两种不同温度的它是让两种不同温度的流体交替通过同一种载流体交替通过同一种载热体表面，从而实现热体表面，从而实现冷、热流体之间的热量冷、热流体之间的热量传递传递 ，其结构如图所，其结构如图所示。示。蓄热式换热设备具有结构紧凑、价格便宜、蓄热式换热设备具有结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大等优点，故单位体积传热面大等优点，故 较适合用于气较适合用于气-气热交换的场合。气热交换的场合。11 间壁式换热设备间壁式换热设备它是利用一固体壁面将冷、热流体隔开，并它是利用一固体壁面将冷、热流体隔开，并通过壁面进行热量交换的。通过壁面进行热量交换的。 这类换热设备在这类换热设备在工业生产中应用最为广泛。工业生产中应用最为广泛。2)按作用目的，可分为以下几种类型：按作用目的，可分为以下几种类型： 冷却器冷却器 用于冷却工艺物料的换热设备。用于冷却工艺物料的换热设备。 加热器加热器 用于加热工艺物料的换热设备。用于加热工艺物料的换热设备。 再沸器再沸器 用于蒸馏塔底汽化物料的换热设用于蒸馏塔底汽化物料的换热设备。备。12 冷凝器冷凝器 用于使气态物料冷凝成液态物用于使气态物料冷凝成液态物料的换热设备。料的换热设备。 过热器过热器 用于对饱和蒸汽再加热升温的用于对饱和蒸汽再加热升温的换热设备。换热设备。 废热锅炉废热锅炉 用于回收高温物流或废气热用于回收高温物流或废气热量的换热设备。量的换热设备。133)按传热面的形状和结构，可分为如下几种按传热面的形状和结构，可分为如下几种主要类型：主要类型： 管壳式换热设备管壳式换热设备它是它是 通过管子壁面进行传热的换热设备通过管子壁面进行传热的换热设备 ，在各种工业生产中应用最为广泛。在各种工业生产中应用最为广泛。这种换热设备的结构坚固、可靠性高、选这种换热设备的结构坚固、可靠性高、选材范围广、适应性强、处理量大，管内清材范围广、适应性强、处理量大，管内清洗方便，高温高压条件下也能应用。洗方便，高温高压条件下也能应用。但其传热效率、结构的紧凑性和单位传热但其传热效率、结构的紧凑性和单位传热面的金属消耗量等方面不及其它类型换热面的金属消耗量等方面不及其它类型换热设备。设备。14 板面式换热设备板面式换热设备它是它是 通过板面进行传热的换热设备通过板面进行传热的换热设备 。有板翘。有板翘式、螺旋板式、板式、板壳式等多种结构形式、螺旋板式、板式、板壳式等多种结构形式，其主要特点是传热效率高、结构紧凑。式，其主要特点是传热效率高、结构紧凑。 新材料换热设备新材料换热设备这类换热设备主要是这类换热设备主要是 指一些为满足工艺特殊指一些为满足工艺特殊要求而设计的采用特殊材料结的换热设备要求而设计的采用特殊材料结的换热设备 ，例如，为了使换热设备能用于耐压、耐热和例如，为了使换热设备能用于耐压、耐热和介质强腐蚀性的场合，可以采用玻璃、石墨介质强腐蚀性的场合，可以采用玻璃、石墨、聚四氟乙烯等非金属材料或稀有金属材料、聚四氟乙烯等非金属材料或稀有金属材料 钛等来制作换热设备。钛等来制作换热设备。 15 热管式换热设备热管式换热设备它是一种以热管作为主要传热元件的新型它是一种以热管作为主要传热元件的新型热换热设备热换热设备 ，其特点是：，其特点是：结构简单、重量轻、经济耐用；在极小的结构简单、重量轻、经济耐用；在极小的温差下具有极高的传热能力；温差下具有极高的传热能力；适用温度范围大；一般没有运动部件，不适用温度范围大；一般没有运动部件，不需要维护，使用寿命长等。需要维护，使用寿命长等。目前已经在石油、化工、冶金、建材、电目前已经在石油、化工、冶金、建材、电力、电子等多领域中得到广泛的应用。力、电子等多领域中得到广泛的应用。16(3)换热设备设计或选型的基本要求换热设备设计或选型的基本要求 换热设备的种类、结构形式很多，但每种换热设备的种类、结构形式很多，但每种结构形式的换热设备都有其本身的结构特结构形式的换热设备都有其本身的结构特点和工作特性，因此，对换热设备进行合点和工作特性，因此，对换热设备进行合理的选型和正确的设计，其基本要求是：理的选型和正确的设计，其基本要求是： 1)满足工艺要求满足工艺要求 过程工业生产的工艺要过程工业生产的工艺要求通常包括流体的物理化学性质求通常包括流体的物理化学性质 (如密度、如密度、黏度、腐蚀性等黏度、腐蚀性等 )和流体的各种工艺参数和流体的各种工艺参数 (如温度、压力、流量、相态等如温度、压力、流量、相态等 )，无论换热，无论换热设备的设计或选型，首先都必须满足这些设备的设计或选型，首先都必须满足这些工艺要求，实现热量传递的目的。工艺要求，实现热量传递的目的。 172)使用安全可靠使用安全可靠 由于换热设备也是压力由于换热设备也是压力容器，为了确保其使用安全可靠，其设计容器，为了确保其使用安全可靠，其设计、制造、安装、维护都必须遵守、制造、安装、维护都必须遵守 GB 150压力容器压力容器 和和 GB 151 管壳式换热器管壳式换热器 的的有关规定。有关规定。 3)便于换热设备的安装、操作、维修和清便于换热设备的安装、操作、维修和清洗洗 在换热设备的设计或选型时，就能在换热设备的设计或选型时，就能够充分考虑到这些因素，必定会有利于换够充分考虑到这些因素，必定会有利于换热设备在整个使用期间更为经济地运行。热设备在整个使用期间更为经济地运行。 184)经济合理经济合理 换热设备的成本一般包括其换热设备的成本一般包括其固定费用固定费用 (设备的购买费、安装费等设备的购买费、安装费等 )和单和单位时间内位时间内 (通常为一年通常为一年 )的操作费的操作费 (动力消动力消耗费、清洗费、维修费等耗费、清洗费、维修费等 )两部分，因此两部分，因此，在换热设备的设计或选型中，需要综合，在换热设备的设计或选型中，需要综合考虑多种因素，确定出最合适的换热设备考虑多种因素，确定出最合适的换热设备结构及其最适宜的工艺操作条件，从而使结构及其最适宜的工艺操作条件，从而使换热设备在整个使用期间都能最为经济地换热设备在整个使用期间都能最为经济地运行。运行。 19(1)固定管板式换热设备固定管板式换热设备 固定管板式换热设备的结构如下图所示。固定管板式换热设备的结构如下图所示。它是由许多管子组成管束，管束两端通过焊接或胀它是由许多管子组成管束，管束两端通过焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则通过焊接的接的方法固定在两块管板上，而管板则通过焊接的方法与壳体相连。方法与壳体相连。其特点是结构简单、紧凑、制造成本较低，管程清其特点是结构简单、紧凑、制造成本较低，管程清洗方便，且管子损坏时易于堵管或更换。洗方便，且管子损坏时易于堵管或更换。17.1.2 管壳式换热设备管壳式换热设备17.1.2.1 基本类型基本类型20固定管板式换热设备立体图固定管板式换热设备立体图(a)外形图外形图(b)剖面图剖面图21但当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系但当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。的热应力。通常可采用在固定管板式换热设备中设置通常可采用在固定管板式换热设备中设置柔性元件柔性元件 (如膨胀节、挠性管板等如膨胀节、挠性管板等 )来吸收来吸收热膨胀差以减少其热应力。热膨胀差以减少其热应力。这种换热设备适用于壳程介质清洁且不易这种换热设备适用于壳程介质清洁且不易结垢，管、壳程两侧温差不大或温差较大结垢，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。但壳侧压力不高的场合。22(2)浮头式换热设备浮头式换热设备浮头式换热设备的结构如下图所示。浮头式换热设备的结构如下图所示。它的一块管板与壳体固定，另一块管板能它的一块管板与壳体固定，另一块管板能自由移动，故称之为浮头。浮头由浮头管自由移动，故称之为浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成，属可拆连接。板、钩圈和浮头端盖组成，属可拆连接。23浮头式换热设备的特点为管束与壳体的热浮头式换热设备的特点为管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力，且变形互不约束，因而不会产生热应力，且管束内外清洗方便。管束内外清洗方便。但其结构复杂，制造成本较高，金属材料但其结构复杂，制造成本较高，金属材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。查，制造时对密封要求较高。浮头式换热设备仅适用于管、壳程温差较浮头式换热设备仅适用于管、壳程温差较大或介质易结垢需清洗的场合。大或介质易结垢需清洗的场合。24(3)形管式换热设备形管式换热设备U形管式换热设备的结构如下图所示。形管式换热设备的结构如下图所示。它只有一块管板，管束由多根它只有一块管板，管束由多根 U形管组成形管组成，管的两端固定在同一块管板上。，管的两端固定在同一块管板上。 25其特点为：管子可以自由伸缩，因而当壳其特点为：管子可以自由伸缩，因而当壳体与体与 U形换热管有温差时，不会产生热应形换热管有温差时，不会产生热应力；只有一块管板，加工费用低；管束可力；只有一块管板，加工费用低；管束可取出，有利于管外部的清洗和检查等。取出，有利于管外部的清洗和检查等。但由于受弯管曲率半径的限制，管板上布但由于受弯管曲率半径的限制，管板上布管少，结构不紧凑，管板利用率低；管束管少，结构不紧凑，管板利用率低；管束内层间距较大，壳程流体易形成短路，影内层间距较大，壳程流体易形成短路，影响传热效果；内层管束损坏后无法更换，响传热效果；内层管束损坏后无法更换，只能堵管，因而坏一根只能堵管，因而坏一根 U形管相当于坏两形管相当于坏两根管，报废率较高。根管，报废率较高。 26形管式换热设备适用于管、壳程温差较形管式换热设备适用于管、壳程温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合，特别适采用浮头式和固定管板式的场合，特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、介质腐蚀性大的物料。、介质腐蚀性大的物料。 27(4)填料函式换热设备填料函式换热设备填料函式换热设备结构如下图所示。填料函式换热设备结构如下图所示。其结构与浮头式换热设备相似，浮头部分其结构与浮头式换热设备相似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。面处采用填