化工单元过程及设备传热章节

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艺培训2023/12/29引言传热:热量传送，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传送，传热是极为普遍的一种能量传送过程，化学工业与传热的关系尤为亲密。传热在化工消费中的运用：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、消费中热能的合理利用，废热回收。2023/12/29引言一、传热的根本方式热传导热对流热辐射根本方式2023/12/29引言热传导机理：当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在着温度的差别时，经过物质内部微观粒子的振动，实现能量的传送。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。2023/12/29引言热对流机理：由于流体中质点发生相对位移和混合，而将热能由一处传送到另一处。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部分密度差别所致。强迫对流：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。2023/12/29引言热辐射机理：以电磁波的方式实现能量的传送。热辐射不需求媒介。是高温物体之间的主要传热方式。例子：太阳照耀大地。2023/12/29引言二、工业换热义务--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。2023/12/29引言义务分析：要使粗汽油从90℃升温到110℃，显然必需有提供热量的热源？热源是什么？热源怎样把热量提供应粗汽油？这就是一个典型的工业预热义务。为了完成这个稳定精馏塔原料粗汽油的预热义务，必需处理以下几问题：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，常见的缺点及预防措施。4、管道保温资料的选择，保温层厚度确实定。2023/12/29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，普通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展，且两流领会有一定程度的混合，故这类设备在化工消费中很少运用，常用于冶金行业。2023/12/29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，是依托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真物料等，允许冷热两流体直接接触混合的场所。冷水废蒸汽热水2023/12/29模块一工业换热方案选择、分析与评价义务处理：原油换热方式的选择在引言的原油预热义务中，需求预热的粗汽油是不允许与别的加热介质混合的，否那么会影响原料的纯度，以致影响精馏操作和产质量量。另外粗汽油本身易挥发、易燃易爆，蓄热式能够导致走漏呵斥的爆炸事故，所以我们选择间壁式换热的原油预热方法。2023/12/29模块一工业换热方案选择、分析与评价二、换热介质确实定1、加热剂/冷却剂2、载热体选择原那么〔1〕载热体的温度易调理控制；〔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〕价钱廉价，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。水和空气可将物料最低冷却至环境温度，其值随地域和季节而异，普通不低于20℃一30℃。在水资源紧缺地域，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。假设所需的加热温度很高，那么需采用电加热。2023/12/29模块一工业换热方案选择、分析与评价处理义务-原油预热的加热剂的选择由于在稳定精馏塔安装中,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120℃～150℃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，在精馏安装中，经常将进塔原料与塔釜的产品进展换热，这样既到达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，这样可使整个安装的操作费用降低，节省了能源，降低了能耗！2023/12/29模块一工业换热方案选择、分析与评价三、加热介质的用量确实定焓差法：显热法：潜热法：

2023/12/29模块一工业换热方案选择、分析与评价义务处理--预热所需的加热剂用量确实定在本学习情景的义务中，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℃，需求的加热介质的流量应为而稳定塔塔底产品流量为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。2023/12/29四、换热器类型的认识和选择1、换热器的分类〔1〕按传热面外形和构造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

2023/12/29四、换热器类型的认识和选择〔2〕按换热器用途分①加热器用于把流体加热到所需求的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。②冷却器用于加热流体，使其到达所需求的温度。③预热器用于流体的预热，以提高整个工艺安装的效率。④过热器用于加热饱和蒸汽，使其到达过热形状。⑤蒸发器用于加热液体，使其蒸发汽化。⑥再沸器：加热冷凝的液体使其再受热汽化。为蒸馏过程的公用设备。⑦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。2023/12/29四、换热器类型的认识和选择〔3〕按制造资料分常见的换热器资料有金属、陶瓷、塑料、石墨和玻璃等等。①金属资料换热器由金属资料加工制成的换热器。常用的资料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属资料导热系数大，故此类换热器的传热效率高。②非金属资料换热器常用的资料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属资料导热系数较小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。2023/12/29四、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-反响器2-夹套3、4-蒸汽或冷却水接纳5-冷凝水或冷却水接纳优点：构造简单，加工方便缺陷：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，使器内液体作强迫对流，为了弥补传热面的缺乏，还可在器内安装蛇管等用途：运用于反响器的加热和冷却。2023/12/29四、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①沉浸式换热器优点：构造简单、价钱低廉、能接受高压，可用耐腐蚀资料制造。缺陷：管外容器内的流体湍流程度差，给热系数小，平均温差低。蛇管易堵塞。用途：反响器的传热、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。2023/12/29四、换热器类型的认识和选择②喷淋式换热器优点：构造简单；便于耐腐蚀；管内能耐高压；管外α比沉浸式大；传热面积大而且可以改动，检修和清洗方便。缺陷：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。2023/12/29四、换热器类型的认识和选择〔3〕套管式换热器优点：构造简单，易于维修和清洗，适用于高温、高压流体。缺陷：流动阻力大，金属耗量多，而且体积较大。运用：所需传热面积小，小容积流量的流体。2023/12/29四、换热器类型的认识和选择〔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，构造紧凑、巩固、传热效果好，而且能用多种资料制造，适用性较强，操作弹性大。在高温高压以及大型安装中得到普遍运用。2023/12/29模块一工业换热方案选择、分析与评价2023/12/29四、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。其外形主要有以下几种：

单通道圆缺形、弓形双通道圆缺型折流板圆盘形、圆环形2023/12/29四、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2023/12/29四、换热器类型的认识和选择列管式换热器可分为以下几种主要型式。①固定管板式换热器②U形管式换热器③浮头式换热器2023/12/29四、换热器类型的认识和选择固定管板式换热器优点：构造简单，管内便于清洗，造价低廉。缺陷：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。处理方法：采用补偿圈〔膨胀节〕运用场所：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所。2023/12/29四、换热器类型的认识和选择U形管式换热器优点：构造简单，管间清洗较易。缺陷：管内清洗较困难，管板的利用率低。处理热应力方法：它是把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自在伸缩，与壳体无关，来处理热补偿问题。运用场所：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。2023/12/29四、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。缺陷：构造复杂，用材量大，造价高。操作时，假设浮头盖衔接处走漏将无法发现，处理热应力方法：采用浮头来消除热应力运用场所：运用非常广泛，适用于壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场所。可用于结垢比较严重的场所；可用于管程易腐蚀的场所;`2023/12/29四、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：构造紧凑；单位体积传热面积大；流体在换热器内作严厉的逆流流动，可在较小的温差下操作，能充分利用低温能源；由于流向不断改动，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，污垢不容易堆积。缺陷：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，普通压力在2MPa以下,温度不超越400℃2023/12/29四、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添加气体的湍动程度，提高传热效率。2023/12/29四、换热器类型的认识和选择板式换热器优点：构造紧凑，单位体积传热面积大；组装灵敏方便；有较高的传热速率，可随时增减板数，有利于清洗和维修。缺陷：处置量小；受垫片资料性能的限制，操作压力和温度不能过高。适用于需求经常清洗，任务环境要求非常紧凑，操作压力在2.5MPa以下,温度在-35～200℃的场所。2023/12/29四、换热器类型的认识和选择板翅式换热器2023/12/29四、换热器类型的认识和选择处理义务--预热原料所需的换热器类型确实定流体的性质对换热器类型的选择上往往会产生艰苦影响，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〕，结垢情况以及能否有腐蚀性颗粒等要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议了设备的构造资料，从而很快就限制了能够采用的构造范围。如对于热敏性大的液体，能否准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构造，有时在选型上往往也起决议性作用，在本学习情景义务中，粗汽油中里面夹杂催化剂粉末，需求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装配的构造。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，但是由于受构造和垫片性能的限制，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。另外构造简单的蛇管或套管换热器，这些类型流体处置量小，价钱高，不能顺应现代大型化安装的需求。2023/12/29四、换热器类型的认识和选择随着构造资料和制造工艺的开展，列管换热器逐渐推行到高温高压的场所下运用，目前这种换热器的最高运用压力为840kg/cm2，温度到达1000℃。同时具有单位体积的传热面积大，构造紧凑、巩固、传热效果好，而且能用多种资料制造，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义务的要求。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。2023/12/29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那么：1、不清洁或易结垢的物料该当流过易于清洗的一侧，对于直管管束，普统统过管内，直管内易于清洗。2、需经过增大流速，提高α的流体宜选管程，因管程流通面积小于壳程，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α与流速无关。6、被冷却的流体普通走壳程，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Re>100即可到达湍流。2023/12/29五、流体流入空间的选择处理义务--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义务中，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那么相对清洁很多。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。2023/12/29模块一工业换热方案选择、分析与评价六、换热器型号确实定1、传热根本方程Q——单位时间内经过换热器传送的热量，即传热速率，W；A──换热器的传热面积，m2；Δtm──冷、热流体间传热温度差的平均值，它是传热的推进力。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2023/12/29六、换热器型号确实定传热根本方程式。此式也可以写成如下方式---称为传热总热阻。由传热根本方程式Q=KA△tm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那么很容易即可算出2023/12/29六、换热器型号确实定--Δtm的计算2、传热温度差Δtm的计算并流折流错流逆流2023/12/29六、换热器型号确实定--Δtm的计算逆流时：并流时：2023/12/29六、换热器型号确实定--Δtm的计算对于错流和折流时的平均温度差：Δtm=φΔtΔtm逆φΔt<1,普通φΔt不宜小于0.8，否那么使Δtm过小，很