换热流程的确定和主体设备的选择

1、职业教育环境监测与治理技术专业教学资源库职业教育环境监测与治理技术专业教学资源库化工单元操作化工单元操作课程课程学习任务学习任务 能力目标：能力目标：1. 1. 能运用所学知识，对换热器操作过能运用所学知识，对换热器操作过程中出现的异常现象作出正确解释；程中出现的异常现象作出正确解释；2. 2. 能完成化工生产中传热过程的生产能完成化工生产中传热过程的生产准备和工艺方案确定（工艺文件的准备、准备和工艺方案确定（工艺文件的准备、传热设备的检查、工艺参数和方案确传热设备的检查、工艺参数和方案确定）；定）；3. 3. 能够操作化工生产中典型传热设备能够操作化工生产中典型传热设备（设备开停车操作、设备

2、运行操作）；（设备开停车操作、设备运行操作）；4. 4. 能进行化工生产中传热设备保养与能进行化工生产中传热设备保养与简单维护；简单维护；5. 5. 能够对化工生产中传热设备操作异能够对化工生产中传热设备操作异常及事故进行判断，并做出正确处理。常及事故进行判断，并做出正确处理。知识目标：知识目标：1. 1. 掌握基本的传热原理和方法，能掌握基本的传热原理和方法，能阐述列管式换热器、板式换热器等传阐述列管式换热器、板式换热器等传热设备的工作过程、用途、结构和主热设备的工作过程、用途、结构和主要技术性能，能针对生产任务进行设要技术性能，能针对生产任务进行设备选型；备选型；2. 2. 列管式换热器、

3、板式换热器等传列管式换热器、板式换热器等传热设备使用、维护的一般知识，掌握热设备使用、维护的一般知识，掌握安全防护和清洁生产等方面的基本知安全防护和清洁生产等方面的基本知识，能利用所学知识指导生产过程；识，能利用所学知识指导生产过程；3. 3. 自主探索传热的新方法和有关新自主探索传热的新方法和有关新技术。技术。 任务描述：任务描述： 换热器是化工生产、环境治理中使用的重要换热设备，广泛应用换热器是化工生产、环境治理中使用的重要换热设备，广泛应用于生产过程中，是生产过程的核心设备，对整个装置和工艺的生产质于生产过程中，是生产过程的核心设备，对整个装置和工艺的生产质量、产品收率、能耗和操作周期等

4、起着重要作用。量、产品收率、能耗和操作周期等起着重要作用。 换热器操作与控制工作是由内操人员通过换热器操作与控制工作是由内操人员通过DCSDCS操作系统并外操人操作系统并外操人员的协助下对整个装置进行操作、工艺指标的控制，包括装置的开车、员的协助下对整个装置进行操作、工艺指标的控制，包括装置的开车、停车、正常运行中的工艺参数调整和事故处理等。利用换热实训装置、停车、正常运行中的工艺参数调整和事故处理等。利用换热实训装置、仿真实训室及现代化教学手段，结合设备的操作运行控制、设备维护仿真实训室及现代化教学手段，结合设备的操作运行控制、设备维护等训练换热器的正常操作、开停车操作及简单故障排除。等训练

5、换热器的正常操作、开停车操作及简单故障排除。 一一传热过程在化传热过程在化工生产中的应工生产中的应用用二二工业换热方法工业换热方法三三换热器的类型、换热器的类型、结构及特点结构及特点管路保温管路保温l 加热或冷却加热或冷却l 某些单元操作的需要某些单元操作的需要l 热能的合理利用热能的合理利用l 保温保温n 强化传热过程强化传热过程n 削弱传热过程削弱传热过程与传热有关的单元操作：与传热有关的单元操作：蒸发、蒸馏、干燥等。蒸发、蒸馏、干燥等。 工业生产中存在于：接触良好的固体之间、工业生产中存在于：接触良好的固体之间、换热器壁面、湍流流体的层流内层。换热器壁面、湍流流体的层流内层。 特点：质点

6、不发生宏观的相对位移。特点：质点不发生宏观的相对位移。 热量从相互热量从相互接触的接触的高温物体传向低温物体高温物体传向低温物体或从物体的高温部分传向低温部分。或从物体的高温部分传向低温部分。物体因热的原因发出辐射能的过程。 工业生产中，对流发生在固体壁面与流体之间，工业生产中，对流发生在固体壁面与流体之间，伴有热传导伴有热传导 对流传热或给热。对流传热或给热。质点间发生宏观相对位移而引起的热量传递。质点间发生宏观相对位移而引起的热量传递。按引起质点运动的原因：自然对流和强制对流。按引起质点运动的原因：自然对流和强制对流。l 只有温度较高时才成为主要传热方式。只有温度较高时才成为主要传热方式。

7、l 不需任何介质，且伴随能量形式的转换。不需任何介质，且伴随能量形式的转换。 （一）工业换热方法（一）工业换热方法 根据换热器的作用原理的不同，化工生产中通常可根根据换热器的作用原理的不同，化工生产中通常可根据实际需要采用不同的换热形式。据实际需要采用不同的换热形式。1 1间壁式换热间壁式换热 是指在间壁式换热器内进行的传热，在此类换热器中，是指在间壁式换热器内进行的传热，在此类换热器中，需要进行热量交换的两流体被固体壁面分开，互不接触，需要进行热量交换的两流体被固体壁面分开，互不接触，热量由热流体通过壁面传给冷流体。热量由热流体通过壁面传给冷流体。应用最广，各种应用最广，各种管式和板式结构的

8、换热器均属此类。管式和板式结构的换热器均属此类。2 2混合式换热混合式换热 是指在混合式换热器内进行的传热，在此类换热器中，是指在混合式换热器内进行的传热，在此类换热器中，两流体直接接触，相互混合进行换热。常见的这类换热器两流体直接接触，相互混合进行换热。常见的这类换热器有凉水塔、洗涤塔，喷射冷凝器等。有凉水塔、洗涤塔，喷射冷凝器等。3 3蓄热式换热蓄热式换热 是指在蓄热式换热器内进行的传热，蓄热式换热器，是指在蓄热式换热器内进行的传热，蓄热式换热器，简称蓄热器，是借助蓄热体将热量由热流体传给冷流体的。简称蓄热器，是借助蓄热体将热量由热流体传给冷流体的。常用于高温气体热量的回收或冷却，如煤制气

9、过程的气化常用于高温气体热量的回收或冷却，如煤制气过程的气化炉、蓄热式加热炉等。炉、蓄热式加热炉等。 热通量热通量q（热流密度）：（热流密度）：单位时间内通过单位传热面积的热量，W/m2。qQA传热速率传热速率Q：单位时间内通过传热面的热量，J/s或W。 对于定态传热，通过换热器各传热面的传热速率为定值。而热通量与所选择的面积有关，选内侧、外侧和平均面积时q值不同。（二）热量衡算（二）热量衡算（二）热量衡算（二）热量衡算v2.2.常用的加热剂与冷却剂常用的加热剂与冷却剂v 化工生产中的换热目的主要有两种，一是将化工生产中的换热目的主要有两种，一是将工艺流体加热工艺流体加热( (汽化汽化) )，

10、二是将工艺流体冷却（冷，二是将工艺流体冷却（冷凝凝) )。根据生产任务的需要，结合生产实际，采用。根据生产任务的需要，结合生产实际，采用的加热剂与冷却剂种类较多。的加热剂与冷却剂种类较多。v （1 1）常用的加热剂）常用的加热剂v水蒸气水蒸气 v 水蒸气是最常用的加热剂，通常使用饱和水水蒸气是最常用的加热剂，通常使用饱和水蒸气，在蒸汽过热程度不大蒸气，在蒸汽过热程度不大( (过热过热202030)30)的条的条件下，允许使用过热汽。件下，允许使用过热汽。表表1-1 1-1 常用的加热剂及温度范围常用的加热剂及温度范围加热剂加热剂温度范围温度范围/K/K组组 成成特特 点点热水或热水或高压热高压

11、热水水376376573573无毒、腐蚀性小。可利用二次热源，节约能无毒、腐蚀性小。可利用二次热源，节约能量。使用锅炉热水和从换热器或蒸发器得到量。使用锅炉热水和从换热器或蒸发器得到的冷凝水。和蒸汽冷凝相比，传热系数低很的冷凝水。和蒸汽冷凝相比，传热系数低很多，加热的均匀性不好。使用高压热水时对多，加热的均匀性不好。使用高压热水时对设备的强度要求和操作费用较高。设备的强度要求和操作费用较高。导热油导热油473473623623烃、醚、硅油、烃、醚、硅油、含卤烃及含氮杂含卤烃及含氮杂环环使用温度高（最高可达使用温度高（最高可达400400），蒸气压低，），蒸气压低，不用高压就能得到高温，使用方便

12、，既可用不用高压就能得到高温，使用方便，既可用于加热又可用于制冷。于加热又可用于制冷。熔盐熔盐573573773773硝酸钠、硝酸钾硝酸钠、硝酸钾和亚硝酸钠混合和亚硝酸钠混合物物流动性好，最高温度可达流动性好，最高温度可达600600的高温。熔盐的高温。熔盐加热装置应具有高度的气密性，并用惰性气加热装置应具有高度的气密性，并用惰性气体保护。由于硝酸盐和亚硝酸盐混合物具有体保护。由于硝酸盐和亚硝酸盐混合物具有很强的氧化性，因此应避免和有机物接触。很强的氧化性，因此应避免和有机物接触。烟道气烟道气87387311731173一氧化碳、二氧一氧化碳、二氧化碳等混合气体化碳等混合气体流动性好、传热效率

13、高，使用简单流动性好、传热效率高，使用简单（二）热量衡算（二）热量衡算 工业生产中，使用最普遍的冷却剂是工业生产中，使用最普遍的冷却剂是水和空气，可得到水和空气，可得到10103030的冷却温度。的冷却温度。v 若要冷却到若要冷却到00左右，工业上通常采用左右，工业上通常采用冷冻盐水冷冻盐水( (如氯化钙溶液如氯化钙溶液) )，由于盐的存在，由于盐的存在，使水的凝固温度大为下降使水的凝固温度大为下降( (其具体数值视盐其具体数值视盐的种类和含量而定的种类和含量而定) )，盐水的低温由制冷系，盐水的低温由制冷系统提供。统提供。v 此外，为了得到更低的冷却温度或更此外，为了得到更低的冷却温度或更好

14、的冷却效果，还可借助于制冷技术，使好的冷却效果，还可借助于制冷技术，使用沸点更低的制冷剂，如液氨、乙二醇等。用沸点更低的制冷剂，如液氨、乙二醇等。 v （三）稳定传热与不稳定传热（三）稳定传热与不稳定传热v 在传热过程中，若传热系统在传热过程中，若传热系统( (例如换热器例如换热器) )中中各点温度随位置改变，不随时间而变，此种传热各点温度随位置改变，不随时间而变，此种传热称为稳定传热，其特点是系统中不积累能量称为稳定传热，其特点是系统中不积累能量( (即输即输入的能量等于输出的能量入的能量等于输出的能量) )，在同，在同热流方向上传热流方向上传热速率热速率( (单位时间内传递的热量单位时间内

15、传递的热量) )为常量。若传热为常量。若传热系统中各点的温度既随位置变化又随时间变化，系统中各点的温度既随位置变化又随时间变化，此种传热称为不稳定传热连续工业生产多涉及此种传热称为不稳定传热连续工业生产多涉及稳定传热过程，本课程只讨论稳定传热过程。稳定传热过程，本课程只讨论稳定传热过程。（一）换热器的分类（一）换热器的分类（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（三）换热器的标准（三）换热器的标准l按用途分：按用途分：l按传热原理和换热方式分：按传热原理和换热方式分：间壁式换热器间壁式换热器混合式换热器混合式换热器蓄热式换热器蓄热式换热器加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器等加热器、

16、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器等（一）换热器的分类（一）换热器的分类三、换热器的类型、结构及特点三、换热器的类型、结构及特点混混合合式式常用于热气体的水冷或热水的空冷。常用于热气体的水冷或热水的空冷。 （一）换热器的分类（一）换热器的分类蓄蓄热热式式常用于气体余热的利用常用于气体余热的利用（一）换热器的分类（一）换热器的分类（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型 若两流体的温差较大，就可能由于热应力而若两流体的温差较大，就可能由于热应力而引起

17、设备变形，管子弯曲，甚至破裂或从管板上引起设备变形，管子弯曲，甚至破裂或从管板上松脱。因此，当两流体的温差超过松脱。因此，当两流体的温差超过时，就应时，就应采用热补偿的措施。采用热补偿的措施。（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型结构简单；但壳程检修和清洗困难。不宜应用两流体结构简单；但壳程检修和清洗困难。不宜应用两流体温差过大（应不大于温差过大（应不大于70）和壳程流体压强过高的场合。）和壳程流体压强过高的场合。（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型结构复杂，可完全消除热应力，便于清洗和结构复杂，可完全消除热应力，便于清洗和检修，应用普遍。检修，应用普遍。（二）间壁式换热

18、器的类型（二）间壁式换热器的类型结构比浮头式简单，重量轻，但管程不易清洗，只结构比浮头式简单，重量轻，但管程不易清洗，只适用于洁净而不易结垢的流体，如高压气体的换热。适用于洁净而不易结垢的流体，如高压气体的换热。（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型l传热效率高，传热效率高，K大大l结构紧凑，操作结构紧凑，操作灵活，安装检修灵活，安装检修方便方便l耐温、耐压差耐温、耐压差l易渗漏，处理量易渗漏，处理量小小（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型 优点：优点：l结构紧凑结构紧凑l传热

19、系数传热系数K大大l不易结垢和堵塞不易结垢和堵塞 缺点：缺点：l操作压力和温度不操作压力和温度不能太高，流体阻力能太高，流体阻力大。大。l不易检修，焊接质不易检修，焊接质量要求很高量要求很高（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型6. 螺旋板式换热器螺旋板式换热器（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型 当两种流体的对流传热系数之比超过当两种流体的对流传热系数之比超过3：1，采，采用翅片管换热器经济上是合算的。用翅片管换热器经济上是合算的。（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的

20、类型（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型8.8.空冷器空冷器 空冷器是以空气作为冷却介质，对流经管内的热流空冷器是以空气作为冷却介质，对流经管内的热流体进行冷却或冷凝。主要由管束、风机、构架及百叶窗体进行冷却或冷凝。主要由管束、风机、构架及百叶窗等部件组成等部件组成。 空冷器结构空冷器结构1 1百叶窗；百叶窗；2 2管束；管束；3 3构架；构架；4 4风机风机 （二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型 板翅式换热器板翅式换热器 1 1，3 3侧板；侧板；2 2，5 5隔板；隔板；4 4翅片翅片（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型优点：优点：结构高度紧密；通常用铝

21、合金制造，相同传热面时结构高度紧密；通常用铝合金制造，相同传热面时，重量约为列管式的十分之一；传热系数高；铝合金适用，重量约为列管式的十分之一；传热系数高；铝合金适用于低温和超低温的场合；操作压强也较高，可达于低温和超低温的场合；操作压强也较高，可达5MPa。缺点：缺点：设备流道很小，易堵塞，清洗和检修困难。设备流道很小，易堵塞，清洗和检修困难。（二）间壁式换热器的类型（二）间壁式换热器的类型v 1.1. 管壳式换热器的标准管壳式换热器的标准v GB151G壳式换热器管壳式换热器v 是由国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家是由国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标准。该标准是管壳式换热器设计和制造的主要依据。标准。该标准是管壳式换热器设计和制造的主要依据。v 标准代号为标准代号为JBJBT4714T4714472047209292v 该标准对浮头式换热器和冷凝器、固定管板式换热器、该标准对浮头式换热器和冷凝器、固定管板式换热器、立式热虹吸式重沸器及立式热虹吸式重沸器及U U形管式换热器的具体结构形形管式换热