第一節(jié)化工生產(chǎn)基本過程及要求

1、第一節(jié) 化工生產(chǎn)基本過程及要求一、流體流動 輸送1、流體靜力學基本方程式流體靜力學是研究流體在外力作用下達到平衡的規(guī)律。在工程實際中，流體的平衡規(guī)律應用很廣，如流體在設備或管道內(nèi)壓強的變化與測量、液體在貯罐內(nèi)液位的測量、設備的液封等均以這一規(guī)律為依據(jù)。1-1 流體的密度（1）密度單位體積流體所具有的質(zhì)量，稱為流體的密度，其表達式為： （1-1）式中 流體的密度，kg/m3； m流體的質(zhì)量，kg； V流體的體積，m3。流體的密度一般可在物理化學手冊或有關資料中查得。（2）氣體的密度對于一定質(zhì)量的理想氣體，其體積、壓強和溫度之間的變化關系為 將密度的定義式代入并整理得 （1-2）式中 p氣體的密度

2、壓強，Pa； V氣體的體積，m3； T氣體的絕對溫度，K； 上標“'”表示手冊中指定的條件。三、混合物的密度1液體混合物 各組分的濃度常用質(zhì)量分率來表示。若混合前后各組分體積不變，則1kg混合液的體積等于各組分單獨存在時的體積之和。混合液體的平均密度m為： （1-4）式中 A、Bn液體混合物中各純組分的密度，kg/m3； xwA、xwBxwn液體混合物中各組分的質(zhì)量分率。2氣體混合物 各組分的濃度常用體積分率來表示。若混合前后各組分的質(zhì)量不變，則1m3混合氣體的質(zhì)量等于各組分質(zhì)量之和，即： m=AxVA+BxVB+nxVn （1-5）式中 xVA、xVBxVn氣體混合物中各組分的體積分

3、率。【例1-1】 已知硫酸與水的密度分別為1830kg/m3與998kg/m3，試求含硫酸為60%（質(zhì)量）的硫酸水溶液的密度。解：根據(jù)式1-4 =（3.28+4.01）10-4=7.29×10-4 m=1372kg/m31-2 流體的靜壓強（1）靜壓強流體垂直作用于單位面積上的力，稱為壓強，或稱為靜壓強。其表達式為 （1-7）式中 p流體的靜壓強，Pa； Fv垂直作用于流體表面上的力，N； A作用面的面積，m2。（2）靜壓強的單位在法定單位中，壓強的單位是Pa，稱為帕斯卡。但習慣上還采用其它單位，如atm（標準大氣壓）、某流體柱高度、bar（巴）或kgf/cm2等，它們之間的換算關系

4、為： 1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133×105Pa（3）靜壓強的表示方法壓強的大小常以兩種不同的基準來表示：一是絕對真空；另一是大氣壓強。以絕對真空為基準測得的壓強稱為絕對壓強，以大氣壓強為基準測得的壓強稱為表壓或真空度。表壓是因為壓強表直接測得的讀數(shù)按其測量原理往往就是絕對壓強與大氣壓強之差，即 表壓=絕對壓強大氣壓強真空度是真空表直接測量的讀數(shù)，其數(shù)值表示絕對壓強比大氣壓低多少，即 真空度=大氣壓強絕對壓強絕對壓強、表壓強與真空度之間的關系可用圖1-1表示。 圖1-1 絕對壓強、表壓強和真空度的關系1-3 流

5、體靜力學基本方程式流體靜力學基本方程是用于描述靜止流體內(nèi)部，流體在重力和壓力作用下的平衡規(guī)律。重力可看成不變的，起變化的是壓力，所以實際上是描述靜止流體內(nèi)部壓力（壓強）變化的規(guī)律。這一規(guī)律的數(shù)學表達式稱為流體靜力學基本方程。液體可視為不可壓縮的流體，在靜止液體中取任意兩點，則有 p2=p1+g(z1z2) (1-8) 為討論方便，對式1-8進行適當?shù)淖儞Q，即使點1處于容器的液面上，設液面上方的壓強為p0，距液面h處的點2壓強為p，式1-8可改寫為 p=p0+gh （1-9）式1-8及式1-9稱為流體靜力學基本方程式，說明在重力場作用下，靜止液體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律。（1）在靜止的、連續(xù)的同一液體

6、內(nèi)，處于同一水平面上各點的壓強都相等；（2）當液面上方的壓強p0有改變時，液體內(nèi)部各點的壓強p也發(fā)生同樣大小的改變；（3）式1-9可改寫為；上式說明，壓強差的大小可以用一定高度的液體柱表示。用液體高度來表示壓強或壓強差時，式中密度影響其結(jié)果，因此必須注明是何種液體。例1-3 附圖雖然靜力學基本方程是用液體進行推導的，液體的密度可視為常數(shù)，而氣體密度則隨壓力而改變。但考慮到氣體密度隨容器高低變化甚微，一般也可視為常數(shù)，故靜力學基本方程亦適用于氣體?！纠?-3 】 本題附圖所示的開口容器內(nèi)盛有油和水。油層高度h1=0.7m、密度1=800kg/m3，水層高度h2=0.6m、密度2=1000kg/m

7、3。（1）判斷下列兩關系是否成立，即 pA=p'A pB=p'B（2）計算水在玻璃管內(nèi)的高度h。解：（1）判斷題給兩關系式是否成立 pA=p'A的關系成立。因A與A'兩點在靜止的連通著的同一流體內(nèi)，并在同一水平面上。所以截面A-A'稱為等壓面。pB=p'B的關系不能成立。因B及B'兩點雖在靜止流體的同一水平面上，但不是連通著的同一種流體，即截面B-B'不是等壓面。（2）計算玻璃管內(nèi)水的高度h 由上面討論知，pA=p'A，而pA=p'A都可以用流體靜力學基本方程式計算，即 pA=pa+1gh1+2gh2 pA'

8、;=pa+2gh于是 pa+1gh1+2gh2=pa+2gh圖1-4 U形壓差計簡化上式并將已知值代入，得 800×0.7+1000×0.6=1000h解得 h=1.16m1-4 流體靜力學基本方程式的應用 壓強與壓強差的測量測量壓強的儀表很多，現(xiàn)僅介紹以流體靜力學基本方程式為依據(jù)的測壓儀器。這種測壓儀器統(tǒng)稱為液柱壓差計，可用來測量流體的壓強或壓強差。 （1）U型壓差計U型壓差計結(jié)構(gòu)如圖1-4所示，內(nèi)裝有液體作為指示液。指示液必須與被測液體不互溶，不起化學反應，且其密度A大于被測流體的密度。當測量管道中A、B兩截面處流體的壓強差時，可將U型管壓差計的兩端分別與A及B兩截面測

9、壓口相連。由于兩截面的壓強p1和p2不相等，所以在U形管的兩側(cè)便出現(xiàn)指示液液面的高度差R。因U形管內(nèi)的指示液處于靜止狀態(tài)，故位于同一水平面1、2兩點壓強相等，即p1=p2據(jù)流體靜力學基本方程可得：pApB=（A）gR只有兩測壓口處于等高面上，zA=zB（即被測管道水平放置）時，U形壓差計才能直接測得兩點的壓差。圖1-5 微差壓差計 （2）微差壓差計若所測得的壓強差很小，為了把讀數(shù)R放大，除了在選用指示液時，盡可能地使其密度A與被測流體相接近外，還可采用如圖1-5所示的微差壓差計。其特點是： 壓差計內(nèi)裝有兩種密度相接近且不互溶的指示液A和C，而指示液C與被測流體B亦不互溶。為了讀數(shù)方便，U形管的

10、兩側(cè)臂頂端各裝有擴大室，俗稱“水庫”。擴大室內(nèi)徑與U形管內(nèi)徑之比應大于10。這樣，擴大室的截面積比U形管的截面積大很多，即使U型管內(nèi)指示液A的液面差R很大，而擴大室內(nèi)的指示液C的液面變化仍很微小，可以認為維持等高。于是壓強差p1p2便可用下式計算，即 p1p2=（AC）gR 注意：上式的（AC）是兩種指示液的密度差，不是指示液與被測液體的密度差。例1-5 附圖 【例1-4】 如本題附圖所示，蒸汽鍋爐上裝置一復式U形水銀測壓計，截面2、4間充滿水。已知對某基準面而言各點的標高為z0=2.1m， z2=0.9m， z4=2.0m，z6=0.7m， z7=2.5m。試求鍋爐內(nèi)水面上的蒸汽壓強。解：按

11、靜力學原理，同一種靜止流體的連通器內(nèi)、同一水平面上的壓強相等，故有 p1=p2，p3=p4，p5=p6對水平面1-2而言，p2=p1，即 p2=pa+ig（z0z1）對水平面3-4而言， p3=p4= p2g（z4z2）對水平面5-6有 p6=p4+ig（z4z5）鍋爐蒸汽壓強 p=p6g（z7z6） p=pa+ig（z0z1）+ig（z4z5）g（z4z2）g（z7z6）則蒸汽的表壓為 ppa=ig（z0z1+ z4z5）g（z4z2+z7z6） =13600×9.81×(2.10.9+2.00.7)1000×9.81×(2.00.9+2.50.7)

12、=3.05×105Pa=305kPa2、流體流動的基本方程式2-1 流量與流速（1）流量單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體量稱為流量。若流體量用體積來計量，稱為體積流量，以Vs表示，其單位為m3/s；若流體量用質(zhì)量來計量，則稱為質(zhì)量流量，以ws表示，其單位為kg/s。體積流量與質(zhì)量流量的關系為： ws=Vs· 式中 流體的密度，kg/m3。（2）流速單位時間內(nèi)流體在流動方向上所流經(jīng)的距離稱為流速。以u表示，其單位為m/s。流體在管截面上的速度分布規(guī)律較為復雜，在工程計算中為簡便起見，流體的流速通常指整個管截面上的平均流速，其表達式為： 式中 A與流動方向相垂直的管道截面積，m

13、2。一般管道的截面均為圓形，若以d表示管道內(nèi)徑，則 于是 流體輸送管路的直徑可根據(jù)流量及流速進行計算。流量一般為生產(chǎn)任務所決定，而合理的流速則應在操作費與基建費之間通過經(jīng)濟權(quán)衡來決定。某些流體在管路中的常用流速范圍列于表1-1中。從表1-1可以看出，流體在管道中適宜流速的大小與流體的性質(zhì)及操作條件有關。按式1-20算出管徑后，還需從有關手冊或本教材附錄中選用標準管徑來圓整，然后按標準管徑重新計算流體在管路中的實際流速。表1-1 某些流體在管路中的常用流速范圍流體的類別及狀態(tài)流速范圍/(m·s1)流體的類別及狀態(tài)流速范圍/(m·s1)自來水(3.04×105Pa左右

14、)11.5過熱蒸汽3050水及低粘度液體(1.01310.13×105Pa)1.53.0蛇管、螺旋管內(nèi)的冷卻水1.0高粘度液體0.51.0低壓空氣1215工業(yè)供水(8.106×105Pa以下)1.53.0高壓空氣1525工業(yè)供水(8.106×105Pa以下)3.0一般氣體（常壓）1020飽和蒸汽2040真空操作下氣體10 【例】 某廠要求安裝一根輸水量為30m3/h的管路，試選擇合適的管徑。解：計算管徑 d= 式中 Vs=m3/s參考表1-1選取水的流速u=1.8m/s 查附錄二十二中管子規(guī)格，確定選用89×4（外徑89mm，壁厚4mm）的管子，其內(nèi)徑為

15、： d=89（4×2）=81mm=0.081m因此，水在輸送管內(nèi)的實際流速為： 2-2 穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動在流動系統(tǒng)中，若各截面上流體的流速、壓強、密度等有關物理量僅隨位置而變化，不隨時間而變，這種流動稱為穩(wěn)定流動；若流體在各截面上的有關物理量既隨位置而變，又隨時間而變，則稱為不穩(wěn)定流動?；どa(chǎn)中，流體流動大多為穩(wěn)定流動，故非特別指出，一般所討論的均為穩(wěn)定流動。2-3 粘度流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為粘性。流體粘性越大，其流動性就越小。放完一桶甘油比放完一桶水慢得多，這是因為甘油流動時內(nèi)摩擦力比水大的緣故。單位面積上的內(nèi)摩擦力稱剪應力，以表示；當流體在管內(nèi)流動，徑向速度變化

16、不是直線關系時，則 式中 速度梯度，即在流動方向相垂直的y方向上流體速度的變化率； 比例系數(shù)，稱粘性系數(shù)或動力粘度，簡稱粘度。此式所顯示的關系，稱牛頓粘性定律。 粘度的物理意義是促使流體流動產(chǎn)生單位速度梯度時剪應力的大小。粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在運動時才顯現(xiàn)出來。粘度是流體物理性質(zhì)之一，其值由實驗測定。液體的粘度隨溫度升高而減小，氣體的粘度則隨溫度升高而增大。壓力對液體粘度的影響很小，可忽略不計，氣體的粘度，除非在極高或極低的壓力下，可以認為與壓力無關。粘度的單位 2-4 流動類型圖1-14 雷諾實驗裝置1水箱；2溫度計；3有色液；4閥門；5針形小管；6玻璃管；7閥門為了直接觀察流體流

17、動時內(nèi)部質(zhì)點的運動情況及各種因素對流動狀況的影響，可安排如圖1-14所示的實驗，稱雷諾實驗。它揭示出流動的兩種截然不同的型態(tài)。在一個水箱內(nèi)，水面下安裝一個帶喇叭形進口的玻璃管。管下游裝有一個閥門，利用閥門的開度調(diào)節(jié)流量。在喇叭形進口處中心有一根針形小管，自此小管流出一絲有色水流，其密度與水幾乎相同。當水的流量較小時，玻璃管水流中出現(xiàn)一絲穩(wěn)定而明顯的著色直線。隨著流速逐漸增加，起先著色線仍然保持平直光滑，當流量增大到某臨界值時，著色線開始抖動、彎曲，繼而斷裂，最后完全與水流主體混在一起，無法分辨，而整個水流也就染上了顏色。上述實驗雖然非常簡單，但卻揭示出一個極為重要的事實，即流體流動存在著兩種截

18、然不同的流型。在前一種流型中，流體質(zhì)點作直線運動，即流體分層流動，層次分明，彼此互不混雜，故才能使著色線流保持著線形。這種流型被稱為層流或滯流。在后一種流型中流體在總體上沿管道向前運動，同時還在各個方向作隨機的脈動，正是這種混亂運動使著色線抖動、彎曲以至斷裂沖散。這種流型稱為湍流或紊流。不同的流型對流體中的質(zhì)量、熱量傳遞將產(chǎn)生不同的影響。為此，工程設計上需事先判定流型。對管內(nèi)流動而言，實驗表明流動的幾何尺寸（管徑d）、流動的平均速度u及流體性質(zhì)（密度和粘度）對流型的轉(zhuǎn)變有影響。雷諾發(fā)現(xiàn)，可以將這些影響因素綜合成一個無因次數(shù)群du/作為流型的判據(jù)，此數(shù)群被稱為雷諾數(shù)，以符號Re表示。雷諾指出：（

19、1）當Re2000時，必定出現(xiàn)層流，此為層流區(qū)。（2）當2000Re4000時，有時出現(xiàn)層流，有時出現(xiàn)湍流，依賴于環(huán)境。此為過渡區(qū)。（3）當Re4000時，一般都出現(xiàn)湍流，此為湍流區(qū)。3、流體流動的阻力損失管路系統(tǒng)主要由直管和管件組成。管件包括彎頭、三通、短管、閥門等。無論直管和管件都對流動有一定的阻力，消耗一定的機械能。直管造成的機械能損失稱為直管阻力損失（或稱沿程阻力損失），是由于流體內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的。管件造成的機械能損失稱為局部阻力損失，主要是流體流經(jīng)管件、閥門及管截面的突然擴大或縮小等局部地方所引起的。在運用柏努利方程時，應先分別計算直管阻力和局部阻力損失的數(shù)值，然后進行加和。設流體在半

20、徑為R的水平直管內(nèi)流動，于管軸心處取一半徑為r，長度為l的流體柱進行分析。如圖1-21所示，作用于流體柱兩端面的壓強分別為p1和p2，則作用于流體柱上的推動力為（p1p2）r2。圖1-21 層流能量損失推導設距管中心r處的流速為ur，兩相鄰流體層產(chǎn)生的剪應力為r。層流時服從牛頓粘性定律，即： 流體作穩(wěn)定流動時，推動力和阻力大小相等，方向相反，故 （p1p2）r2=2rl將上式積分，邊界條件為：當r=0時 ur=umax當r=R時 ur=0 式中umax為管中心處最大流速，層流時，管內(nèi)平均流速為最大流速的一半。因 整理上式，得 上式稱為哈根泊謖葉公式。將式1-33代入式1-32，則能量損失為：

21、將上式改寫為直管能量損失計算的一般方程式： 令 則 式1-36稱為直管阻力損失的計算通式，稱為范寧（Fanning）公式，對于層流和湍流均適用。其中稱為摩擦系數(shù)，層流時。局部阻力損失的計算有兩種近似的方法：阻力系數(shù)法及當量長度法。1）阻力系數(shù)法：近似認為局部阻力損失服從平方定律，即 化工管路中使用的管件種類繁多，常見的管件如表1-4所示。1-4 管件和閥件的局部阻力系數(shù)值其它管件，如各種閥門都會由于流道的急劇改變而發(fā)生類似現(xiàn)象，造成局部阻力損失。2）當量長度法：近似認為局部阻力損失可以相當于某個長度的直管的損失，即 式中l(wèi)e為管件及閥件的當量長度，由實驗測得。常用管件及閥件的le值可在圖1-2

22、5中查得。必須注意，對于擴大和縮小，上式中的u是用小管截面的平均速度。顯然，兩種計算方法所得結(jié)果不會一致，它們都是近似的估算值。實際應用時，長距離輸送以直管阻力損失為主，車間管路則往往以局部阻力為主。 圖1-25 管件和閥件的當量長度共線圖二、傳熱1、概述1-1 化工生產(chǎn)中的傳熱傳熱是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，又稱熱量傳遞過程。根據(jù)熱力學第二定律，凡是存在溫度差就必然導致熱量自發(fā)地從高溫處向低溫處傳遞，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領域中普遍存在的一種傳遞現(xiàn)象。在化工生產(chǎn)中，傳熱過程的應用更是十分廣泛。在化學工業(yè)中幾乎所有的化工生產(chǎn)過程均伴有傳熱操作，例如，化學反應通常在一定的溫度下進行，需要及

23、時的移出反應熱或向系統(tǒng)提供熱量；化工設備的保溫，以減少熱量或冷量的損失；熱能的合理利用和廢熱的回收。可見傳熱過程對化工生產(chǎn)的正常運行具有極其重要的作用?；どa(chǎn)中對傳熱的要求通常有以下兩種情況：一種是強化傳熱過程，如各種換熱設備中的傳熱；另一種是削弱傳熱過程，如設備和管道的保溫。學習傳熱的目的主要是能夠分析影響傳熱速率的因素，掌握控制熱量傳遞速率的一般規(guī)律，以便根據(jù)生產(chǎn)的要求來強化或削弱熱量的傳遞，正確的計算和選擇適宜的傳熱設備和保溫措施。在化工生產(chǎn)中，通常采用以下方法進行冷、熱流體之間的熱交換：一種如圖4-1所示的冷熱流體直接混合交換熱量；另一種如圖4-2所示的蓄熱式熱交換，將冷、熱流體交替

24、通過蓄熱體實現(xiàn)熱量交換；第三種方法為間壁換熱，即冷、熱流體通過管壁或器壁等固體壁面進行換熱。化工生產(chǎn)中大多采用間壁換熱。 圖4-1 混合式換熱器 圖4-2 蓄熱式換熱器2、傳熱過程 （1）傳熱速率 傳熱速率有兩種表示方式： 1）熱流量Q 即單位時間內(nèi)熱流體通過整個換熱器的傳熱面?zhèn)鬟f給冷流體的熱量，單位是W。2）熱流密度（或熱通量）q 單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積所傳遞的熱量，單位是W/m2。（2）穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱若傳熱系統(tǒng)中各點的溫度僅隨位置變化而不隨時間變化，則這種傳熱過程稱為穩(wěn)定傳熱，其特點是通過某傳熱面的熱流量為零，連續(xù)生產(chǎn)過程多為穩(wěn)定傳熱。若傳熱系統(tǒng)中各點的溫度不僅隨位置發(fā)生變化，而

25、且也隨時間變化，則這種傳熱過程稱為不穩(wěn)定傳熱，連續(xù)生產(chǎn)的開、停車及間歇生產(chǎn)過程為不穩(wěn)定傳熱過程。（3）傳熱機理任何熱量的傳遞只能通過傳導、對流和輻射三種方式進行，這三種傳熱方式的基本原理已在物理學中討論。對于間壁換熱過程，熱量傳遞往往同時包含了熱傳導和熱對流，對于高溫流體則還包含熱輻射。3、間壁式換熱器的類型3-1管式換熱器 （一）蛇管換熱器蛇管換熱器分為兩種，一種是沉浸式，另一種是噴淋式。1沉浸式蛇管換熱器 這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應的形狀并沉浸在容器內(nèi)的液體中。蛇管換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造；其缺點是容器內(nèi)液體湍動程度低，管外對流傳熱系數(shù)小。2噴

26、淋式蛇管換熱器 這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，如圖4-36，熱流體在管內(nèi)流動，冷卻水從上方噴淋裝置均勻淋下，故也稱噴淋式冷卻器。和沉浸式相比，噴淋式換熱器的傳熱效果大為改善。 （二）套管式換熱器 套管式換熱器系用管件將兩種尺寸不同的標準管連接成為同心圓的套管，然后用180°的回彎管將多段套管串聯(lián)而成，如圖4-37所示。每一段套管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)傳熱要求而增減。每程的有效長度為46m，若管子太長，管中間會向下彎曲，使環(huán)形中的流體分布不均勻。圖4-35 蛇管的形狀 圖4-36 噴淋式換熱器 1彎管 2循環(huán)泵 3控制閥圖4-37 套管式換熱器套管換熱器結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，應

27、用方便（可根據(jù)需要增減管段數(shù)目）。特別是由于套管換熱器同時具備總傳熱系數(shù)大、傳熱推動力大及能夠承受高壓強的優(yōu)點，在超高壓生產(chǎn)過程（例如操作壓力為300MPa的高壓聚乙烯生產(chǎn)過程）中所用的換熱器幾乎全部是套管式。（三）列管式換熱器列管式（又稱管殼式）換熱器是最典型的間壁式換熱器，它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。列管式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭等部份組成，流體在管內(nèi)每通過管束一次稱為一個管程，每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管外流體對流傳熱系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、使流體速度增加，還迫使流體按規(guī)定路徑多

28、次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。1固定管板式固定管板式換熱器如圖4-38所示。所謂固定管板式即兩端管板和殼體連接成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡單和造價低廉的優(yōu)點。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。當兩流體的溫度差較大時，應考慮熱補償。圖4-38 具有補償圈的固定管板式換熱器1擋板 2補償圈 3放氣嘴2U型管換熱器U型管換熱器如圖4-39所示。U型管式換熱器的每根換熱管都彎成U型，進出口分別安裝在同一管板的兩側(cè)，每根管子皆可自由伸縮，而與外殼及其它管子無關。圖4-39 U型管換熱器1U型管 2殼程隔板 3管程隔板這種型式的換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單，重量輕，適用于高溫和

29、高壓的場合。其主要缺點是管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須潔凈；且因管子需一定的彎曲半徑，故管板的利用率較差。3浮頭式換熱器浮頭式換熱器如圖4-40所示，兩端管板之一不與外殼固定連接，該端稱為浮頭。當管子受熱（或受冷）時，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關。浮頭式換熱器不但可以補償熱膨脹，而且由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可從殼體中抽出，便于清洗和檢修，故浮頭式換熱器應用較為普遍。但該種熱換器結(jié)構(gòu)較復雜，金屬耗量較多，造價也較高。圖4-40 浮頭式換熱器1管程隔板 2殼程隔板 3浮頭 3-2板式換熱器 （一）夾套式換熱器圖4-41 板式換熱器示意圖這種換熱器是在容器

30、外壁安裝夾套制成，參見圖4-29，結(jié)構(gòu)簡單，但其加熱面受容器壁面限制，總傳熱系數(shù)也不高，為提高總傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻，可在釜內(nèi)安裝攪拌器。當夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時，亦可在夾套中設置螺旋板或其它增加湍動的措施，以提高夾套一側(cè)的對流傳熱系數(shù)。為補充傳熱面的不足，也可在釜內(nèi)部安裝蛇管。夾套式換熱器廣泛用于反應過程的加熱和冷卻。（二）板式換熱器最初用于食品工業(yè)，50年代逐漸推廣到化工等其它工業(yè)部門，現(xiàn)已發(fā)展成為高效緊湊的換熱設備。板式換熱器是由一組金屬薄板、相鄰薄板之間襯以墊片并用框架夾緊組裝而成。如圖4-41所示為矩形板片，其四角開有圓孔，形成流體通道。冷熱流體交替地在板片兩側(cè)流

31、過，通過板片進行換熱。板片厚度為0.53mm，通常壓制成各種波紋形狀，既增加剛度，又使流體分布均勻，加強湍動，提高總傳熱系數(shù)。板式換熱器的主要優(yōu)點是：（1）由于流體在板片間流動湍動程度高，而且板片又薄，故總傳熱系數(shù)K大。例如，在板式換熱器內(nèi)，水對水的總傳熱系數(shù)可達15004700W/（m2·）。（2）板片間隙?。ㄒ话銥?6mm），結(jié)構(gòu)緊湊，單位容積所提供的傳熱面為2501000m2/m3；而列管式換熱器只有40150 m2/m3。板式換熱器的金屬耗量可減少一半以上。（3）具有可拆結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要調(diào)整板片數(shù)目以增減傳熱面積。操作靈活性大，檢修清洗也方便。板式換熱器的主要缺點是允許的操作

32、壓強和溫度比較低。通常操作壓強不超過2MPa，壓強過高容易滲漏。操作溫度受墊片材料的耐熱性限制，一般不超過250。（三）螺旋板式換熱器如圖4-42所示，螺旋板式換熱器是由兩塊薄金屬板焊接在一塊分隔擋板（圖中心的短板）上并卷成螺旋形而制成的。兩塊薄金屬板在器內(nèi)形成兩條螺旋形通道，在頂、底部上分別焊有蓋板或封頭。進行換熱時，冷、熱流體分別進入兩條通道，在器內(nèi)作嚴格的逆流流動。因用途不同，螺旋板式換熱器的流道布置和封蓋形式，有下面幾種型式：“”型結(jié)構(gòu) 兩個螺旋流道的兩側(cè)完全為焊接密封的“”型結(jié)構(gòu)，是不可拆結(jié)構(gòu)，如圖4-42（a）所示。兩流體均作螺旋流動，通常冷流體由外周流向中心，熱流體從中心流向外周

33、，即完全逆流流動。這種型式主要應用于液體與液體間傳熱。“”型結(jié)構(gòu) 型結(jié)構(gòu)如圖4-42（b）所示。一個螺旋流道的兩側(cè)為焊接密封，另一流道的兩側(cè)是敞開的，因而一流體在螺旋流道中作螺旋流動，另一流體則在另一流道中作軸向運動。這種型式適用于兩流體流量差別很大的場合，常用作冷凝器、氣體冷卻器等?！啊毙徒Y(jié)構(gòu) “”型結(jié)構(gòu)如圖4-42（c）所示。一種流體作螺旋流動，另一流體是軸向流動和螺旋流動的組合。適用于蒸氣的冷凝冷卻。圖4-42 螺旋板式換熱器螺旋板換熱器的直徑一般在1.6m以內(nèi)，板寬2001200mm，板厚24mm，兩板間的距離為525mm。常用材料為碳鋼和不銹鋼。螺旋板換熱器的優(yōu)點：（1）總傳熱系數(shù)高

34、。由于流體在螺旋通道中流動，在較低的雷諾值（一般Re=14001800，有時低到500）下即可達到湍流，并且可選用較高的流速（對液體為2m/s，氣體為20m/s），故總傳熱系數(shù)較大。（2）不易堵塞。由于流體的流速較高，流體中懸浮物不易沉積下來，并且任何沉積物將減小單流道的橫斷面，因而使速度增大，對堵塞區(qū)域又起到?jīng)_刷作用，故螺旋板換熱器不易被堵塞。（3）能利用低溫熱源和精密控制溫度。這是由于流體流動的流道長及兩流體完全逆流的緣故。（4）結(jié)構(gòu)緊湊。單位體積的傳熱面積為列管換熱器的3倍。螺旋板換熱器的缺點：（1）操作壓強和溫度不宜太高，目前最高操作壓強為2000kPa，溫度約在400以下。（2）不易

35、檢修。因整個換熱器為卷制而成，一旦發(fā)生泄漏，修理內(nèi)部很困難。 3-3翅片式換熱器 （一）翅片管換熱器如圖4-43所示，翅片管式換熱器的構(gòu)造特點是在管子表面上裝有徑向或軸向翅片。常見的翅片如圖4-44所示。圖4-43 翅片管式換熱器（a）翅片管式換熱器 （b）翅片管斷面圖4-44 常見的翅片形式當兩種流體的對流傳熱系數(shù)相差很大時，例如用水蒸氣加熱空氣，此傳熱過程的熱阻主要在氣體一側(cè)。若氣體在管外流動，則在管外裝置翅片，既可擴大傳熱面積，又可增加流體的湍動程度，從而提高換熱器的傳熱效果。一般來說，當兩種流體的對流傳熱系數(shù)之比為31或更大時，宜采用翅片式換熱器。圖4-45 板翅式換熱器的板束 圖4-

36、46 板翅式換熱器的翅片形式 （a）光直翅片 （b）鋸齒翅片 （c）多孔翅片翅片的種類很多，按翅片高度的不同，可分為高翅片和低翅片兩種，低翅片一般為螺紋管。高翅片適用于管內(nèi)、對外流傳熱系數(shù)相差較大的場合，現(xiàn)已廣泛地應用于空氣冷卻器上。低翅片適用于兩流體的對流傳熱系數(shù)相差不太大的場合，如對粘度較大液體的加熱或冷卻等。（二）板翅式換熱器板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)型式很多，但其基本結(jié)構(gòu)元件相同，即在兩塊平行的薄金屬板（平隔板）間，夾入波紋狀的金屬翅片，兩邊以側(cè)條密封，組成一個單元體。將各單元體進行不同的疊積和適當?shù)嘏帕?，再用釬焊給予固定，即可得到常用的逆、并流和錯流的板翅式換熱器的組裝件，稱為芯部或板束，如

37、圖4-45所示。將帶有流體進、出口的集流箱焊到板束上，就成為板翅式換熱器。目前常用的翅片形式有光直型翅片、鋸齒形翅片和多孔型翅片，如圖4-46所示。板翅式換熱器的主要優(yōu)點有：（1）總傳熱系數(shù)高，傳熱效果好。由于翅片在不同程度上促進了流體的湍動程度，故總傳熱系數(shù)高。同時冷、熱流體間換熱不僅以平隔板為傳熱面，而且大部分熱量通過翅片傳遞，因此提高了傳熱效果。（2）結(jié)構(gòu)緊湊。單位體積設備提供的傳熱面積一般能達到2500m2，最高可達4300m2，而列管式換熱器一般僅有160 m2。（3）輕巧牢固。因結(jié)構(gòu)緊湊，一般用鋁合金制造，故重量輕。在相同的傳熱面積下，其質(zhì)量約為列管式換熱器的十分之一。波紋形翅片不

38、僅是傳熱面的支撐，而且是兩板間的支撐，故其強度很高。（4）適應性強、操作范圍廣。由于鋁合金的導熱系數(shù)高，且在零度以下操作時，其延性和抗拉強度都可提高，故操作范圍廣，可在熱力學零度至200的范圍內(nèi)使用，適用于低溫和超低溫的場合。適應性也較強，既可用于各種情況下的熱交換，也可用于蒸發(fā)或冷凝。操作方式可以是逆流、并流、錯流或錯逆流同時并進等。此外還可用于多種不同介質(zhì)在同一設備內(nèi)進行換熱。板翅式換熱器的缺點有：（1）由于設備流道很小，故易堵塞，壓降增加；換熱器一旦結(jié)垢，清洗和檢修很困難，所以處理的物料應較潔凈或預先進行凈制。（2）由于隔板和翅片都由薄鋁片制成，故要求介質(zhì)對鋁不發(fā)生腐蝕。4、熱傳導熱傳導

39、是由物質(zhì)內(nèi)部分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。熱傳導的機理非常復雜，簡而言之，非金屬固體內(nèi)部的熱傳導是通過相鄰分子在碰撞時傳遞振動能實現(xiàn)的；金屬固體的導熱主要通過自由電子的遷移傳遞熱量；在流體特別是氣體中，熱傳導則是由于分子不規(guī)則的熱運動引起的。4-2 導熱系數(shù)導熱系數(shù)表征物質(zhì)導熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。物體的導熱系數(shù)與材料的組成、結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、壓強及聚集狀態(tài)等許多因素有關。一般說來，金屬的導熱系數(shù)最大，非金屬次之，液體的較小，而氣體的最小。各種物質(zhì)的導熱系數(shù)通常用實驗方法測定。常見物質(zhì)的導熱系數(shù)可以從手冊中查取。各種物質(zhì)導熱系數(shù)的大致范圍見表4-1所示。表4-1 導熱系數(shù)的大致范圍物質(zhì)種類純金屬金屬合金液態(tài)金屬非金屬固體非金屬液體絕熱材料氣體導熱系數(shù)/W·m-1·K-1100140050500303000.05500.550.0510.0050.5三、蒸餾化工生產(chǎn)中所處理的原料、中間產(chǎn)物、粗產(chǎn)品等幾乎都是混合物，而且大部分是均相物系。為進一步加工和使用，常需要將這些混合物分離為較純凈或幾乎純態(tài)的物質(zhì)。對于均相物系必須要造成一個兩相物系，利用原物系中各組分間某種物性的差異，而使其中某個組分（或某些組分）從一相轉(zhuǎn)移到另一相，以達到分離的目的。物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過程稱為質(zhì)量傳遞過程或分離操作?；瘜W工