第一節(jié)化工生產(chǎn)基本過(guò)程及要求

1、第一節(jié) 化工生產(chǎn)基本過(guò)程及要求一、流體流動(dòng) 輸送1、流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)是研究流體在外力作用下達(dá)到平衡的規(guī)律。在工程實(shí)際中，流體的平衡規(guī)律應(yīng)用很廣，如流體在設(shè)備或管道內(nèi)壓強(qiáng)的變化與測(cè)量、液體在貯罐內(nèi)液位的測(cè)量、設(shè)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(dá)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(xué)手冊(cè)或有關(guān)資料中查得。（2）氣體的密度對(duì)于一定質(zhì)量的理想氣體，其體積、壓強(qiáng)和溫度之間的變化關(guān)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(qiáng)，Pa； V氣體的體積，m3； T氣體的絕對(duì)溫度，K； 上標(biāo)“'”表示手冊(cè)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(lái)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(dú)存在時(shí)的體積之和?；旌弦后w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(lái)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?！纠?-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(qiáng)（1）靜壓強(qiáng)流體垂直作用于單位面積上的力，稱為壓強(qiáng)，或稱為靜壓強(qiáng)。其表達(dá)式為 （1-7）式中 p流體的靜壓強(qiáng)，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(qiáng)的單位在法定單位中，壓強(qiáng)的單位是Pa，稱為帕斯卡。但習(xí)慣上還采用其它單位，如atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、某流體柱高度、bar（巴）或kgf/cm2等，它們之間的換算關(guān)系

4、為： 1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133×105Pa（3）靜壓強(qiáng)的表示方法壓強(qiáng)的大小常以兩種不同的基準(zhǔn)來(lái)表示：一是絕對(duì)真空；另一是大氣壓強(qiáng)。以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓強(qiáng)稱為絕對(duì)壓強(qiáng)，以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)測(cè)得的壓強(qiáng)稱為表壓或真空度。表壓是因?yàn)閴簭?qiáng)表直接測(cè)得的讀數(shù)按其測(cè)量原理往往就是絕對(duì)壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)之差，即 表壓=絕對(duì)壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng)真空度是真空表直接測(cè)量的讀數(shù)，其數(shù)值表示絕對(duì)壓強(qiáng)比大氣壓低多少，即 真空度=大氣壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)與真空度之間的關(guān)系可用圖1-1表示。 圖1-1 絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)和真空度的關(guān)系1-3 流

5、體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)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(shí)際上是描述靜止流體內(nèi)部壓力（壓強(qiáng)）變化的規(guī)律。這一規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為流體靜力學(xué)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(diǎn)，則有 p2=p1+g(z1z2) (1-8) 為討論方便，對(duì)式1-8進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，即使點(diǎn)1處于容器的液面上，設(shè)液面上方的壓強(qiáng)為p0，距液面h處的點(diǎn)2壓強(qiáng)為p，式1-8可改寫(xiě)為 p=p0+gh （1-9）式1-8及式1-9稱為流體靜力學(xué)基本方程式，說(shuō)明在重力場(chǎng)作用下，靜止液體內(nèi)部壓強(qiáng)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(diǎn)的壓強(qiáng)都相等；（2）當(dāng)液面上方的壓強(qiáng)p0有改變時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓強(qiáng)p也發(fā)生同樣大小的改變；（3）式1-9可改寫(xiě)為；上式說(shuō)明，壓強(qiáng)差的大小可以用一定高度的液體柱表示。用液體高度來(lái)表示壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差時(shí)，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(xué)基本方程是用液體進(jìn)行推導(dǎo)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(xué)基本方程亦適用于氣體。【例1-3 】 本題附圖所示的開(kāi)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(guān)系是否成立，即 pA=p'A pB=p'B（2）計(jì)算水在玻璃管內(nèi)的高度h。解：（1）判斷題給兩關(guān)系式是否成立 pA=p'A的關(guān)系成立。因A與A'兩點(diǎn)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(guān)系不能成立。因B及B'兩點(diǎn)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(jì)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(xué)基本方程式計(jì)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(jì)簡(jiǎn)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(xué)基本方程式的應(yīng)用 壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量測(cè)量壓強(qiáng)的儀表很多，現(xiàn)僅介紹以流體靜力學(xué)基本方程式為依據(jù)的測(cè)壓儀器。這種測(cè)壓儀器統(tǒng)稱為液柱壓差計(jì)，可用來(lái)測(cè)量流體的壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差。 （1）U型壓差計(jì)U型壓差計(jì)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(cè)液體不互溶，不起化學(xué)反應(yīng)，且其密度A大于被測(cè)流體的密度。當(dāng)測(cè)量管道中A、B兩截面處流體的壓強(qiáng)差時(shí)，可將U型管壓差計(jì)的兩端分別與A及B兩截面測(cè)

9、壓口相連。由于兩截面的壓強(qiáng)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?fàn)顟B(tài)，故位于同一水平面1、2兩點(diǎn)壓強(qiáng)相等，即p1=p2據(jù)流體靜力學(xué)基本方程可得：pApB=（A）gR只有兩測(cè)壓口處于等高面上，zA=zB（即被測(cè)管道水平放置）時(shí)，U形壓差計(jì)才能直接測(cè)得兩點(diǎn)的壓差。圖1-5 微差壓差計(jì) （2）微差壓差計(jì)若所測(cè)得的壓強(qiáng)差很小，為了把讀數(shù)R放大，除了在選用指示液時(shí)，盡可能地使其密度A與被測(cè)流體相接近外，還可采用如圖1-5所示的微差壓差計(jì)。其特點(diǎn)是： 壓差計(jì)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(cè)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(kuò)大室，俗稱“水庫(kù)”。擴(kuò)大室內(nèi)徑與U形管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。這樣，擴(kuò)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(kuò)大室內(nèi)的指示液C的液面變化仍很微小，可以認(rèn)為維持等高。于是壓強(qiáng)差p1p2便可用下式計(jì)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(cè)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(fù)式U形水銀測(cè)壓計(jì)，截面2、4間充滿水。已知對(duì)某基準(zhǔn)面而言各點(diǎn)的標(biāo)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(qiáng)。解：按

11、靜力學(xué)原理，同一種靜止流體的連通器內(nèi)、同一水平面上的壓強(qiáng)相等，故有 p1=p2，p3=p4，p5=p6對(duì)水平面1-2而言，p2=p1，即 p2=pa+ig（z0z1）對(duì)水平面3-4而言， p3=p4= p2g（z4z2）對(duì)水平面5-6有 p6=p4+ig（z4z5）鍋爐蒸汽壓強(qiáng) 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(dòng)的基本方程式2-1 流量與流速（1）流量單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道任一截面的流體量稱為流量。若流體量用體積來(lái)計(jì)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(lái)計(jì)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(guān)系為： ws=Vs· 式中 流體的密度，kg/m3。（2）流速單位時(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離稱為流速。以u(píng)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(fù)雜，在工程計(jì)算中為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，流體的流速通常指整個(gè)管截面上的平均流速，其表達(dá)式為： 式中 A與流動(dòng)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(jìn)行計(jì)算。流量一般為生產(chǎn)任務(wù)所決定，而合理的流速則應(yīng)在操作費(fèi)與基建費(fèi)之間通過(guò)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡來(lái)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(guān)。按式1-20算出管徑后，還需從有關(guān)手冊(cè)或本教材附錄中選用標(biāo)準(zhǔn)管徑來(lái)圓整，然后按標(biāo)準(zhǔn)管徑重新計(jì)算流體在管路中的實(shí)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(lái)水(3.04×105Pa左右

14、)11.5過(guò)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(jì)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(shí)際流速為： 2-2 穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)在流動(dòng)系統(tǒng)中，若各截面上流體的流速、壓強(qiáng)、密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而變化，不隨時(shí)間而變，這種流動(dòng)稱為穩(wěn)定流動(dòng)；若流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置而變，又隨時(shí)間而變，則稱為不穩(wěn)定流動(dòng)?；どa(chǎn)中，流體流動(dòng)大多為穩(wěn)定流動(dòng)，故非特別指出，一般所討論的均為穩(wěn)定流動(dòng)。2-3 粘度流體流動(dòng)時(shí)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(dòng)性就越小。放完一桶甘油比放完一桶水慢得多，這是因?yàn)楦视土鲃?dòng)時(shí)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(yīng)力，以表示；當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)，徑向速度變化

16、不是直線關(guān)系時(shí)，則 式中 速度梯度，即在流動(dòng)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(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度。此式所顯示的關(guān)系，稱牛頓粘性定律。 粘度的物理意義是促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度時(shí)剪應(yīng)力的大小。粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來(lái)。粘度是流體物理性質(zhì)之一，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)液體粘度的影響很小，可忽略不計(jì)，氣體的粘度，除非在極高或極低的壓力下，可以認(rèn)為與壓力無(wú)關(guān)。粘度的單位 2-4 流動(dòng)類型圖1-14 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置1水箱；2溫度計(jì)；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(dòng)時(shí)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況及各種因素對(duì)流動(dòng)狀況的影響，可安排如圖1-14所示的實(shí)驗(yàn)，稱雷諾實(shí)驗(yàn)。它揭示出流動(dòng)的兩種截然不同的型態(tài)。在一個(gè)水箱內(nèi)，水面下安裝一個(gè)帶喇叭形進(jìn)口的玻璃管。管下游裝有一個(gè)閥門，利用閥門的開(kāi)度調(diào)節(jié)流量。在喇叭形進(jìn)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(dāng)水的流量較小時(shí)，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(dāng)流量增大到某臨界值時(shí)，著色線開(kāi)始抖動(dòng)、彎曲，繼而斷裂，最后完全與水流主體混在一起，無(wú)法分辨，而整個(gè)水流也就染上了顏色。上述實(shí)驗(yàn)雖然非常簡(jiǎn)單，但卻揭示出一個(gè)極為重要的事實(shí)，即流體流動(dòng)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(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)，即流體分層流動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，同時(shí)還在各個(gè)方向作隨機(jī)的脈動(dòng)，正是這種混亂運(yùn)動(dòng)使著色線抖動(dòng)、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(duì)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(shè)計(jì)上需事先判定流型。對(duì)管內(nèi)流動(dòng)而言，實(shí)驗(yàn)表明流動(dòng)的幾何尺寸（管徑d）、流動(dòng)的平均速度u及流體性質(zhì)（密度和粘度）對(duì)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(gè)無(wú)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(hào)Re表示。雷諾指出：（

19、1）當(dāng)Re2000時(shí)，必定出現(xiàn)層流，此為層流區(qū)。（2）當(dāng)2000Re4000時(shí)，有時(shí)出現(xiàn)層流，有時(shí)出現(xiàn)湍流，依賴于環(huán)境。此為過(guò)渡區(qū)。（3）當(dāng)Re4000時(shí)，一般都出現(xiàn)湍流，此為湍流區(qū)。3、流體流動(dòng)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(wú)論直管和管件都對(duì)流動(dòng)有一定的阻力，消耗一定的機(jī)械能。直管造成的機(jī)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(jī)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(kuò)大或縮小等局部地方所引起的。在運(yùn)用柏努利方程時(shí)，應(yīng)先分別計(jì)算直管阻力和局部阻力損失的數(shù)值，然后進(jìn)行加和。設(shè)流體在半

20、徑為R的水平直管內(nèi)流動(dòng)，于管軸心處取一半徑為r，長(zhǎng)度為l的流體柱進(jìn)行分析。如圖1-21所示，作用于流體柱兩端面的壓強(qiáng)分別為p1和p2，則作用于流體柱上的推動(dòng)力為（p1p2）r2。圖1-21 層流能量損失推導(dǎo)設(shè)距管中心r處的流速為ur，兩相鄰流體層產(chǎn)生的剪應(yīng)力為r。層流時(shí)服從牛頓粘性定律，即： 流體作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，推動(dòng)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(dāng)r=0時(shí) ur=umax當(dāng)r=R時(shí) ur=0 式中umax為管中心處最大流速，層流時(shí)，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(xiě)為直管能量損失計(jì)算的一般方程式： 令 則 式1-36稱為直管阻力損失的計(jì)算通式，稱為范寧（Fanning）公式，對(duì)于層流和湍流均適用。其中稱為摩擦系數(shù)，層流時(shí)。局部阻力損失的計(jì)算有兩種近似的方法：阻力系數(shù)法及當(dāng)量長(zhǎng)度法。1）阻力系數(shù)法：近似認(rèn)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(jiàn)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(huì)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(dāng)量長(zhǎng)度法：近似認(rèn)為局部阻力損失可以相當(dāng)于某個(gè)長(zhǎng)度的直管的損失，即 式中l(wèi)e為管件及閥件的當(dāng)量長(zhǎng)度，由實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)于擴(kuò)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(jì)算方法所得結(jié)果不會(huì)一致，它們都是近似的估算值。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，長(zhǎng)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(dāng)量長(zhǎng)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(guò)程。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，凡是存在溫度差就必然導(dǎo)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(lǐng)域中普遍存在的一種傳遞現(xiàn)象。在化工生產(chǎn)中，傳熱過(guò)程的應(yīng)用更是十分廣泛。在化學(xué)工業(yè)中幾乎所有的化工生產(chǎn)過(guò)程均伴有傳熱操作，例如，化學(xué)反應(yīng)通常在一定的溫度下進(jìn)行，需要及

23、時(shí)的移出反應(yīng)熱或向系統(tǒng)提供熱量；化工設(shè)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?？梢?jiàn)傳熱過(guò)程對(duì)化工生產(chǎn)的正常運(yùn)行具有極其重要的作用?；どa(chǎn)中對(duì)傳熱的要求通常有以下兩種情況：一種是強(qiáng)化傳熱過(guò)程，如各種換熱設(shè)備中的傳熱；另一種是削弱傳熱過(guò)程，如設(shè)備和管道的保溫。學(xué)習(xí)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(lái)強(qiáng)化或削弱熱量的傳遞，正確的計(jì)算和選擇適宜的傳熱設(shè)備和保溫措施。在化工生產(chǎn)中，通常采用以下方法進(jìn)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(guò)蓄熱體實(shí)現(xiàn)熱量交換；第三種方法為間壁換熱，即冷、熱流體通過(guò)管壁或器壁等固體壁面進(jìn)行換熱?；どa(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(guò)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(shí)間內(nèi)熱流體通過(guò)整個(gè)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(shí)間內(nèi)通過(guò)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(diǎn)的溫度僅隨位置變化而不隨時(shí)間變化，則這種傳熱過(guò)程稱為穩(wěn)定傳熱，其特點(diǎn)是通過(guò)某傳熱面的熱流量為零，連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程多為穩(wěn)定傳熱。若傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度不僅隨位置發(fā)生變化，而

25、且也隨時(shí)間變化，則這種傳熱過(guò)程稱為不穩(wěn)定傳熱，連續(xù)生產(chǎn)的開(kāi)、停車及間歇生產(chǎn)過(guò)程為不穩(wěn)定傳熱過(guò)程。（3）傳熱機(jī)理任何熱量的傳遞只能通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)行，這三種傳熱方式的基本原理已在物理學(xué)中討論。對(duì)于間壁換熱過(guò)程，熱量傳遞往往同時(shí)包含了熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，對(duì)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(yīng)的形狀并沉浸在容器內(nèi)的液體中。蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造；其缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍動(dòng)程度低，管外對(duì)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(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度為46m，若管子太長(zhǎng)，管中間會(huì)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(jiǎn)單，能承受高壓，應(yīng)

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(shí)具備總傳熱系數(shù)大、傳熱推動(dòng)力大及能夠承受高壓強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在超高壓生產(chǎn)過(guò)程（例如操作壓力為300MPa的高壓聚乙烯生產(chǎn)過(guò)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(yīng)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(dǎo)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(guò)管束一次稱為一個(gè)管程，每通過(guò)殼體一次稱為一個(gè)殼程。為提高管外流體對(duì)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(cuò)流通過(guò)管束，使湍動(dòng)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(jiǎn)單和造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。圖4-38 具有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器1擋板 2補(bǔ)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(jìn)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(wú)關(guān)。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(jiǎn)單，重量輕，適用于高溫和

29、高壓的場(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)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(dāng)管子受熱（或受冷）時(shí)，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無(wú)關(guān)。浮頭式換熱器不但可以補(bǔ)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(yīng)用較為普遍。但該種熱換器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬耗量較多，造價(jià)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(jiàn)圖4-29，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dāng)夾套中通入冷卻水或無(wú)相變的加熱劑時(shí)，亦可在夾套中設(shè)置螺旋板或其它增加湍動(dòng)的措施，以提高夾套一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。為補(bǔ)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(yīng)過(guò)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(shè)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(kāi)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(guò)，通過(guò)板片進(jìn)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(qiáng)湍動(dòng)，提高總傳熱系數(shù)。板式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）由于流體在板片間流動(dòng)湍動(dòng)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(duì)水的總傳熱系數(shù)可達(dá)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(diǎn)是允許的操作

32、壓強(qiáng)和溫度比較低。通常操作壓強(qiáng)不超過(guò)2MPa，壓強(qiáng)過(guò)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(guò)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(jìn)行換熱時(shí)，冷、熱流體分別進(jìn)入兩條通道，在器內(nèi)作嚴(yán)格的逆流流動(dòng)。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(gè)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(dòng)，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(dòng)。這種型式主要應(yīng)用于液體與液體間傳熱?！啊毙徒Y(jié)構(gòu) 型結(jié)構(gòu)如圖4-42（b）所示。一個(gè)螺旋流道的兩側(cè)為焊接密封，另一流道的兩側(cè)是敞開(kāi)的，因而一流體在螺旋流道中作螺旋流動(dòng)，另一流體則在另一流道中作軸向運(yùn)動(dòng)。這種型式適用于兩流體流量差別很大的場(chǎng)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(dòng)，另一流體是軸向流動(dòng)和螺旋流動(dòng)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(diǎn)：（1）總傳熱系數(shù)高

34、。由于流體在螺旋通道中流動(dòng)，在較低的雷諾值（一般Re=14001800，有時(shí)低到500）下即可達(dá)到湍流，并且可選用較高的流速（對(duì)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(lái)，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(duì)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?zé)嵩春途芸刂茰囟取＿@是由于流體流動(dòng)的流道長(zhǎng)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(diǎn)：（1）操作壓強(qiáng)和溫度不宜太高，目前最高操作壓強(qiáng)為2000kPa，溫度約在400以下。（2）不易

35、檢修。因整個(gè)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(diǎn)是在管子表面上裝有徑向或軸向翅片。常見(jiàn)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(jiàn)的翅片形式當(dāng)兩種流體的對(duì)流傳熱系數(shù)相差很大時(shí)，例如用水蒸氣加熱空氣，此傳熱過(guò)程的熱阻主要在氣體一側(cè)。若氣體在管外流動(dòng)，則在管外裝置翅片，既可擴(kuò)大傳熱面積，又可增加流體的湍動(dòng)程度，從而提高換熱器的傳熱效果。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩種流體的對(duì)流傳熱系數(shù)之比為31或更大時(shí)，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(duì)外流傳熱系數(shù)相差較大的場(chǎng)合，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于空氣冷卻器上。低翅片適用于兩流體的對(duì)流傳熱系數(shù)相差不太大的場(chǎng)合，如對(duì)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(gè)單元體。將各單元體進(jìn)行不同的疊積和適當(dāng)?shù)嘏帕?，再用釬焊給予固定，即可得到常用的逆、并流和錯(cuò)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(jìn)、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(diǎn)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(jìn)了流體的湍動(dòng)程度，故總傳熱系數(shù)高。同時(shí)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(guò)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(shè)備提供的傳熱面積一般能達(dá)到2500m2，最高可達(dá)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(qiáng)度很高。（4）適應(yīng)性強(qiáng)、操作范圍廣。由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)高，且在零度以下操作時(shí)，其延性和抗拉強(qiáng)度都可提高，故操作范圍廣，可在熱力學(xué)零度至200的范圍內(nèi)使用，適用于低溫和超低溫的場(chǎng)合。適應(yīng)性也較強(qiáng)，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(cuò)流或錯(cuò)逆流同時(shí)并進(jìn)等。此外還可用于多種不同介質(zhì)在同一設(shè)備內(nèi)進(jìn)行換熱。板翅式換熱器的缺點(diǎn)有：（1）由于設(shè)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(yīng)較潔凈或預(yù)先進(jìn)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(duì)鋁不發(fā)生腐蝕。4、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)

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(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)的機(jī)理非常復(fù)雜，簡(jiǎn)而言之，非金屬固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)是通過(guò)相鄰分子在碰撞時(shí)傳遞振動(dòng)能實(shí)現(xiàn)的；金屬固體的導(dǎo)熱主要通過(guò)自由電子的遷移傳遞熱量；在流體特別是氣體中，熱傳導(dǎo)則是由于分子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)引起的。4-2 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。物體的導(dǎo)熱系數(shù)與材料的組成、結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、壓強(qiáng)及聚集狀態(tài)等許多因素有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，金屬的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)通常用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。常見(jiàn)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以從手冊(cè)中查取。各種物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍見(jiàn)表4-1所示。表4-1 導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(duì)于均相物系必須要造成一個(gè)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(gè)組分（或某些組分）從一相轉(zhuǎn)移到另一相，以達(dá)到分離的目的。物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過(guò)程稱為質(zhì)量傳遞過(guò)程或分離操作?；瘜W(xué)工