化工总控工项目3任务14换热器操作课件

1、项目3 化工单元操作任务14 压缩机操作化工总控工技能鉴定培训教程高级工目 录CONTENTS0102030405任务描述考核标准任务实施考核要求相关知识项目拓展思考练习06071任务14.1 换热器实训操作2任务14.2 换热器仿真操作换热器操作实训装置如图14-1所示。任务14.1 换热器实训操作图14-1 换热器操作实训装置1、熟悉换热器的结构，能够熟练拆装换热器。2、能够按操作要求正确操作换热器，掌握换热器开车、正常运行和停车操作技能。3、能够熟练判断及排除换热器在运行中的常见故障，掌握其维护保养方法。换热器操作项目考核标准见表14-1。表14-1 换热器操作项目考核表考核内容考核要点

2、配分扣分扣分原因得分检查准备检查设备、管道、仪表、阀门5 开电源、仪表开关及监控界面5 开蒸汽发生器进水阀，加水至适当液位5 开车开启相关阀门，打通流程5 蒸汽发生器加热，控制蒸汽压力0.070.1 MPa5 启动冷风风机，调流量至合适值5 开启水冷却器各阀门，调节冷却水流量和冷风温度5 通入水蒸汽，排不凝性气、冷凝水5 正常运行控制蒸汽发生器压力和液位，控制换热器压力为00.15 MPa5 调节冷风流量，并读取冷、热流体流量及入口和出口温度5 改变冷风的流量，记录相关数据并进行比较5 停车停蒸汽发生器，关蒸汽出口阀，蒸汽系统卸压5 风机出口总管温度至常温时停机5 关闭仪表及电源开关5 开系统

3、排污排液，阀门及仪表恢复到初始状态5 职业素质操作安全规范5 团队配合合理有序5 现场管理文明安全5 实训报告书写认真规范5 数据真实可靠5 考评员签字 考核日期 合计得分任务14.2 换热器仿真操作1.能正确标识设备、阀门、各类测量仪表的位号及作用。2.认知换热系统的构成，学会换热器正确的开车、停车的操作方法。3.能正确分析常见事故产生的原因，学会常见事故的判断及处理方法。4.认知简单控制系统与分程控制系统的构成，学会正确进行流量、压力、温度等参数调节方法。1、 工艺流程 带控制点的工艺流程如图14-2所示，仿DCS流程如图14-3所示，仿现场流程如图14-4所示。图14-2 换热器单元带控

4、制点的工艺流程图2、设备一览P101A/B：冷物流进料泵；P102A/B：热物流进料泵；E101：列管式换热器。图14-3 列管式换热器DCS界面图14-4 列管式换热器现场界面为保证热物料的流量稳定，TIC101采用分程控制，其分程动作如图14-5所示。TV101A和TV101B分别调节流经E101和副线的流量，TIC101输出0100%分别对应TV101A开度0100%，TV101B开度100%0。图14-5 调节器TIC101分程动作示意图 根据传热机理的不同，热量传递有3种基本方式：热传导、热对流和热辐射。传热可依靠其中的一种或几种方式进行。不管以何种方式传热，热量自发传递的方向总是由

5、高温处向低温处传递的。一、传热基本知识1、传热的基本方式 实际上，传热过程往往不是以某种传热方式单独出现，而是两种或三种传热方式的组合。例如生产中普遍使用的间壁式换热器中的传热，主要是以热对流和热传导相结合的方式进行的。2、加热剂和冷却剂的选用 化工生产中要求载热体比热容或潜热较大，能满足所要求达到的温度，且温度调节方便，价格低廉，来源广泛。同时要求载热体本身应无毒，不易燃易爆，具有化学稳定性，对设备腐蚀性小。常用加热剂和冷却剂的适宜温度及适用情况见表14-2。表14-2 常用加热剂和冷却剂的适宜温度及适用情况剂型热载体名称适宜温度范围/优点缺点加热剂热水40100利用饱和水蒸气的冷凝水和废热

6、水的余热只用于低温，传热效果差，温度不易调节饱和水蒸汽100180可以通过调节蒸汽压力，准确地调节温度；蒸汽的汽化潜热很大，且加热均匀不适于高温加热矿物油180250矿物油的饱和蒸气压比水的低,其饱和蒸汽来源较容易、加热均匀、不需加压加热效果不如水蒸气，易着火，只能利用显热导生油液态：115250气态：255380沸点高（258 ），蒸汽压低；加热温度范围很广极易渗透软性石棉填料，使用时所有管道法兰连接处需要金属垫片无机熔盐380530常压下温度较高比热容小烟道气5001000温度高传热差，比热容小，易局部过热电1000温度范围广成本高冷却剂空气30成本低,经济合理对流传热效果差水080使用最

7、广泛 冷冻盐水-155可用于较低温度能耗高二、换热器的热量衡算 与其他传递过程类似，传热速率可表示为：1、传热基本方程 传热过程的推动力即为温度差，非常直观；传热过程的热阻却受很多因素的影响。提高传热速率的关键在于减小传热热阻。间壁式换热器的传热速率与换热器的传热面积、传热推动力等有关，理论证明，传热速率与传热面积成正比，与传热推动力成正比，即引入比例系数，写成等式，即或 式中传热速率，W热通量，W/m2传热系数，W/(m2K)传热面积，m2换热器的传热推动力，或称平均传热温度差，传热热阻，K/W,R=1/(KS)。式(14-1)称为传热基本方程，又称总传热速率方程。2、热量衡算与热负荷的确定

8、 (1)热量衡算 对于间壁式换热器，以单位时间为基准，换热器中热流体放出的热量(或称热流体的传热量）等于冷流体吸收的热量(或称冷流体的传热量)加上散失到空气中的热量(热量损失，简称热损)，即式中 热流体放出的热量，kJ/h或kW冷流体吸收的热量，kJ/h或kW热损，kJ/h或kW热量衡算用于确定加热剂或冷却剂的用量或确定一端的温度。 (2)热负荷的确定 当换热器保温性能良好，热损可以忽略不计时，式(14-2)可写为：此时，热负荷取或均可。当换热器的热损不能忽略时，必定有，此时，热负荷取还是 ，需根据具体情况而定。显热的计算 物质在相态不变而温度变化时吸收或放出的热量，称为显热。若流体在换热过程

9、中没有相变化，且流体的比热容可视为常数或可取为流体进、出口平均温度下的比热容时，其传热量可按下式计算： (3)传热量的计算式中，热、冷流体的质量流量，kg/h，热、冷流体的定压比热容，kJ/(kgK)，热流体的进、出口温度，K冷流体的进、出口温度，K.潜热的计算 流体温度不变而相态发生变化时吸收或放出的热量，叫潜热。若流体在换热过程中仅仅发生相变化(饱和蒸汽变为饱和液体或反之)，而没有温度变化，其传热量可按下式计算：式中，热、冷流体的汽化潜热，kJ/kg 若流体在换热过程中既有相变化又有温度变化，则可把上述两种方法联合起来求取其传热量。例如，饱和蒸汽冷凝后，冷凝液出口温度低于饱和温度(或称冷凝

10、温度)时，其传热量可按下式计算式中冷凝液的饱和温度，K焓差法计算传热量 若能够得知流体进、出状态时的焓，则不需考虑流体在换热过程中能否发生相变，其传热量均可按下式计算：式中，热流体进、出状态时的焓，kJ/kg 需要注意的是，当流体为几个组分的混合物时，很难直接查到其比热容、汽化潜热和焓。此时，工程上常常采用加权平均法近似计算，即：，冷流体进、出状态时的焓，kJ/kg代表混合物中的或或混合物中组分的或或混合物中组分的分数3、传热平均温差 间壁两侧流体传热平均温度差的计算，必须考虑两流体的温度沿传热面的变化情况以及流体相互间的流向。流向可分为并流、逆流、错流和折流四类。 （1）恒温传热 沿传热壁面

11、的不同位置上，两种流体的温度皆不变化，称为恒温传热。例如间壁一侧为饱和水蒸气在一定温度下冷凝，另一侧是液体在一定温度下沸腾，两流体温度沿传热面无变化，温差也处处相等，可表示为：式中 T、t分别表示热、冷流体的温度，。因此，恒温传热时，温差的表示与流向无关。（2）变温传热 若间壁一侧或两侧的流体温度沿着传热壁面在不断变化，称为变温传热。 在变温传热时，沿传热面的局部温差是变化的。要进行传热计算就必须求出传热过程的平均温度差 。逆流和并流时的平均温度差为逆流时，并流时，4、传热系数 传热系数K的物理意义是当传热平均温度差为1 时，在单位时间内通过单位传热面积所传递的热量。K值是衡量换热器工作效率的

12、重要参数。 K值除上述计算方法外，还可选用生产实际的经验数据或直接测定。表14-3列出了列管式换热器中传热系数值的大致范围，可供参考。传热系数可由下式计算：表14-3 列管式换热器K值大致范围热流体冷流体传热系数K/Wm-2-1热流体冷流体传热系数K/Wm-2-1水水8501700低沸点烃类蒸汽冷凝（常压）水4551140轻油水340910高沸点烃类蒸汽冷凝（减压）水60170重油水60280水蒸气冷凝水沸腾20004250气体水17280水蒸气冷凝轻油沸腾4551020水蒸气冷凝水14204250水蒸气冷凝重油沸腾140425水蒸气冷凝气体30300 5、传热面积计算 换热器传热面积可以通过

13、传热速率式得出： 为了安全可靠以及在生产发展时留有余地，实际生产中还往往考虑10%25%的安全系数，即实际采用的传热面积要比计算得到的传热面积大10%25%。 在化工生产中使用广泛的套管式和列管式换热器，面积可按下式计算：6、强化传热 所谓强化传热，就是设法提高换热的传热速率。从传热基本方程 可以看出，增大传热面积 、提高传热推动力 以及提高传热系数 都可以达到强化传热的目的，但是，实际效果却因具体情况而异。 减小污垢热阻的具体措施有，提高流体的流速和扰动，以减弱垢层的沉积，控制冷却水出口温度，加强水质处理，尽量采用软化水；加入阻垢剂，防止和减缓垢层形成；定期采用机械或化学的方法清除污垢。 （

14、1）增大传热面积 （2）提高传热推动力 （3）提高传热系数 三、换热器的分类与结构1、换热器的分类 根据换热器换热方法的不同，通常有如下几种类型。（1）间壁式换热（2）直接接触式换热（3）蓄热式换热 按换热器的用途分类：用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。用于加热液体，使之蒸发汽化。（1）加热器（2）预热器（3）过热器（4）蒸发器（5）再沸器（6）冷却器（6）冷却器用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。用于加热液体，使之蒸发汽化。用于冷却流体，使之达到所需的温度。用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化。 按换热器传热面形状和结

15、构分类：通过管子壁面进行传热，按传热管的结构不同，可分为列管式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等几种。管式换热器应用最广。（1）管式换热器 （2）板式换热器（3）特殊形式换热器 通过管子壁面进行传热，按传热管的结构不同，可分为列管式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等几种。管式换热器应用最广。通过板面进行传热，按传热板的结构形式，可分为平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和热板式换热器等几种。这类换热器是指根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式换热器、热管换热器、同流式换热器等。（1）金属材料换热器 是由金属材料制成，常用金属材料有碳钢、

16、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。由于金属材料的热导率较大，故该类换热器的传热效率较高，生产中用到的主要是金属材料换热器。 按换热器所用材料分类：（2）非金属材料换热器 由非金属材料制成，常用非金属材料有石墨、玻璃、塑料以及陶瓷等。该类换热器主要用于具有腐蚀性的物料。由于非金属材料的热导率较小，所以其传热效率较低。2、列管式换热器列管式换热器又称管壳式换热器，是一种通用的标准换热设备。它具有结构简单、单位体积换热面积大、坚固耐用、用材广泛、清洗方便、适用性强、在生产中得到广泛应用，在换热设备中占主导地位。如图14-6所示，为一固定管板式列管换热器，主要由壳体、封头、管束、管板等部件

17、构成。图14-6 列管式换热器结构图U形管式换热器，其结构特点是只有一个管板，管子呈U形，管子两端固定在同一管板上，如图14-7所示。管束可以自由伸缩，当壳体与管子有温差时，不会产生温差应力。U形管式换热器的优点是结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低，管间清洗较方便。其缺点是管内清洗较困难，可排管子数目较少，管束最内层管间距大，壳程易短路。U形管式换热器适用于管程、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合。图14-7 U形管式换热器浮头式换热器 其结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可以在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。填料函式换热器 其结构特点是管板只有一端

18、与壳体固定，另一端采用填料函密封。釜式换热器 其结构特点是在壳体上部设置蒸发空间。3、套管换热器套管换热器是由两种直径不同的直管套在一起组成同心套管，然后将若干段这样的套管连接而成，如图14-8所示。一种流体在管内流动，另一种流体在环隙中流动，通过内管壁面进行热量交换，因此内管壁面面积即为传热面积。每一段套管称为一程，程数可根据所需传热面积的多少而增减。图14-8 套管换热器4、蛇管换热器 蛇管换热器根据操作方式不同，分为沉浸式和喷淋式两类。沉浸式蛇管换热器 此种换热器通常以金属管弯绕而成，制成适应容器的形状，沉浸在容器内的液体中，管内流体与容器内液体隔着管壁进行换热。喷淋式蛇管换热器 此类换

19、热器常用于用冷却水内热流体。各排蛇管均垂直地固定在支架上，蛇管的排数根据所需传热面积的多少而定。图14-9 沉浸式蛇管图14-10 喷淋式蛇管换热器5、翅片管式换热器 翅片管式换热器又称管翅式换热器，其结构特点是在换热管的外表或内表面或同时装有许多翅片。常用翅片有纵向和横向两类。6、夹套换热器 夹套换热器由一个装在容器外部的夹套构成，容器内的物料和夹套内的加热剂或冷却剂隔着器壁进行换热，器壁就是换热器的传热面。7、螺旋板式换热器 螺旋板式换热器的结构如图14-11所示。它是由焊在中心隔板上的两块金属薄板卷制而成，两薄板之间形成螺旋形通道，两板之间焊有一定数量的定距撑以维持通道间距，两端用盖板焊

20、死。两流体分别在两通道内流动，隔着薄板进行换热。其中一种流体由外层的一个通道流入，顺着螺旋通道流向中心，最后由中心的接管流出；另一种流体则由中心的另一个通道流入，沿螺旋通道反方向向外流动，最后由外层接管流出。两流体在换热器内作逆流流动。图14-11 螺旋板式换热器8、板翅式换热器 板翅式换热器为单元体叠加结构，其基本单元体由翅片、隔板及封条组成，如图14-12所示。翅片上下放置隔板，两侧边缘由封条密封，并用钎焊焊牢，即构成一个翅片单元体。将一定数量的单元体组合起来，并进行适当排列，然后焊在带有进出口的集流箱上，便可构成具有逆流、错流或错逆流等多种形式的换热器。图14-12 板翅式换热器四、换热

21、器的操作1开车前，应检查压力表、温度计、安全阀、液位计以及有关阀门是否完好。1、列管式换热器的操作2在通入热流体之前，应先打开冷凝水排放阀门，排除积水和污垢；打开放空阀，排除空气和其他不凝性气体。3开车时要先通入冷流体，待换热器中液位达到规定位置时，缓慢或分次通入热流体，先预热后加热，切忌骤冷骤热。4进入换热器的冷热流体如果含有大颗粒固体杂质和纤维质，一定要提前过滤和清除，防止堵塞通道。5根据工艺要求，调节冷、热流体的流量，使其达到所需要的温度。6经常检查冷热流体的进出口温度和压力变化情况，发现温度、压力有异常。应立即查明原因，及时消除故障。7定期分析流体的成分，根据成分变化确定有无内漏，以便

22、及时进行堵管或换管处理。8定期检查换热器有无渗漏，外壳有无变形以及有无振动，若有应及时处理。9定期排放不凝性气体和冷凝液，以免影响传热效果；根据换热器传热效率下降情况，应及时对换热器进行清洗，以消除污垢。10停车时，应先关闭热流体的进口阀门，然后关闭冷流体进口阀门并将管程及壳程流体排净，以防冻裂和产生腐蚀。列管式换热器常见故障及处理方法见表14-4。故障现象产生原因处理方法传热效率下降列管结垢或堵塞管道或阀门堵塞不凝气或冷凝液增多清理列管或除垢清理疏通排放不凝气或冷凝液列管和胀接口渗漏列管腐蚀或胀接质量差壳体与管束温差太大列管被折流板磨破更换新管或补胀补胀换管振动管路振动壳程流体流速太快支座刚

23、度较小加固管路调节流体流量加固支座管板与壳体连接处有裂纹腐蚀严重焊接质量不好壳体歪斜鉴定后修补修理补焊调整找正1开车前应确认设备管道是否完好连接，仪表是否安装到位。2、板式换热器的操作2开车时先打开高温介质进口阀，引高温介质，待升到一定压力后，引低温介质、操作时，应防止换热器骤冷骤热，严格控制开启速度，防止水击。3引工艺介质时，如出现微漏现象，可观察运行12 h，如仍有微漏，则用扳手均匀再紧固一遍。4进入换热器的冷、热流体如果含有大颗粒泥砂（12 mm）和纤维质，一定要提前过滤、防止堵塞狭小的间隙。5运行中，温差突变或阻力降增大，一般是入口处有杂物或换热板流体通道堵塞，应首先清理过滤器，如效果

24、不明显，则应安排计划检修清洗换热板。6经常察看压力表和温度计数值，及时掌握运行情况。7当传热效率下降20%30%时，要清理结疤和堵塞物，清理方法用竹板铲刮或用高压水冲洗，冲洗时波纹板片应垫平，以防变形。严禁使用钢刷刷洗。8使用中发现垫口渗漏时，应及时冲洗结疤，拧紧螺栓，如无效，应解体组装。9根据需要对换热器保温，防止雨淋和节约能源，导轨和滑轮定期防腐。10停车时，缓慢关闭低温介质入口阀门，待压力降至一定值后，关高温介质进口阀门。保持冷、热流体压差不大。待流体压力降至常压、温度降至常温后，交付检修。板式换热器常见故障及处理方法见表14-5。故障现象产生原因处理方法密封垫处泄漏胶垫未放正或扭曲歪斜

25、螺栓紧固力不均匀或紧固力小胶垫老化或有损伤重新组装紧固螺栓更换新垫内部介质渗漏波纹板有裂纹进出口胶垫不严密侧面压板腐蚀检查更新检查修理补焊、加工传热效率下降波纹板结垢严重过滤器或管路堵塞解体清理清理五、蒸发操作1、蒸发基本知识 将含非挥发性物质的稀溶液加热沸腾使部分溶剂汽化并使溶液得到浓缩的过程称为蒸发。 蒸发按加热方式分为，直接加热和间接加热；按操作压强分为，常压蒸发、真空蒸发和加压蒸发；按蒸发器的效数分为，单效蒸发和多效蒸发；按操作方式分为，间歇蒸发和连续蒸发。2、蒸发装置 蒸发器是蒸发装置中的主体设备，其型式多种，基本可分为循环型和非循环型（单程型）两大类。 蒸发器都包括加热室和分离室（

26、蒸发室）两个基本部分，还包括使液沫进一步分离的除沫器、除去二次蒸汽的冷凝器以及真空蒸发采用的真空泵等辅助设备。3、蒸发流程 工业生产中被蒸发的物料多为水溶液，且常用饱和水蒸气为热源通过间壁加热。热源蒸汽习惯上称为生蒸汽，而从蒸发器汽化生成的水蒸气称为二次蒸汽。单效蒸发中，用加热蒸汽将水溶液加热，使部分水沸腾汽化。单效蒸发汽化出来的二次蒸汽直接冷凝排放，不再利用。多效蒸发使用一次热源蒸汽可多次汽化出二次蒸汽，即用1kg加热蒸汽可汽化出1kg以上的水，因而能节约大量能源，大型工业生产过程都采用多效蒸发。 由于多效蒸发中溶液的流向可以有不同的方式，按溶液与加热蒸汽流向的相对关系可以有以下四种操作流程。并流加料流程逆流加料流程分流加料（习惯上也称平流加料）流程错流加料流程一、任务14.1操作检查准备开车正常运行停车二、任务14.2操作正常工况操作参数冷态开车正常停车事故处理1、下列列管式换热器操作程序哪一种操作不正确（ ）。A.开车时，应先进冷物料，后进热物料B.停车时，应先停热物料，后停冷物料 C.开车时要排出不凝气D.发生管堵或严重结垢时，应分别加大冷、热物料流量，以保持传热量2、会引起列管式换热器冷物料出口温度下降的事故有（ ）。A.正常操作