任务一　传热工艺的认识

【任务导入】

化学工艺与传热息息相关，无论生产中的化学过程还是物理过程，几乎都伴有热量的传递。在进行传热操作前我们先要认识传热工艺的地位、作用及换热设备的结构、特点和工作原理。

【任务实施】

一、传热在化工生产中的应用

归纳起来，传热在化工生产过程中的应用主要有以下几个方面：

①为化学反应创造必要的条件。化学反应是化工生产的核心，一般需要在一定的温度条件下发生。例如，合成氨的操作温度为470～520℃，为了达到要求的反应温度，必须在化学反应的同时进行加热或冷却。

②为单元操作创造必要的条件。在某些单元操作（如蒸发、结晶、蒸馏、解吸和干燥等）中，需要输入或输出热量，才能使这些单元操作正常地进行。例如，蒸馏传质中，塔底须用加热蒸汽加热塔釜液体，塔顶蒸汽要引入冷凝器用冷凝水将蒸汽冷凝成液体。

③提高热能的综合利用率。化工生产中的化学反应大都为放热反应，其放出的热量可通过传热工艺回收利用，以降低生产的能量消耗。例如，合成氨的反应温度很高，有大量的余热需要回收，通常可设置余热锅炉生产蒸汽甚至发电。

④隔热与节能。为了减少热量或冷量的损失，以满足工艺要求，降低生产成本，改善劳动条件，往往需要对设备和管道进行保温，在其外表面包裹一层或几层隔热材料。

因此，传热设备在化工厂的设备投资中占有很大的比例。据统计，在一般的石油化工企业中，传热设备的费用约占总投资的30%～40%，研究传热及传热设备对能量的节约和充分利用具有现实意义。

二、传热过程的类型

化工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：

一是强化传热，如各种换热设备中的传热，要求传热速率快，传热效果好。

二是削弱传热，如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减少热量或冷量的损失。

化工传热过程既可连续进行也可间歇进行。若传热系统中的温度仅与位置有关而与时间无关，此种传热称为稳态传热，其特点是系统中不积累能量（即输入的热量等于输出的热量），传热速率（单位时间传递的热量）为常数。若传热系统中各点的温度既与位置有关又与时间有关，此种传热称为非稳态传热，间歇生产过程中的传热和连续生产过程中开停车阶段的传热一般属于非稳态传热。化工生产中的传热大多可视为稳态传热，因此，本项目只讨论稳态传热。

三、载热体及其选择

生产中的热量交换通常发生在两流体之间，参与换热过程中的流体称为载热体，温度较高放出热量的流体称为热载热体，简称为热流体；温度较低吸收热量的流体称为冷载热体，简称为冷流体。同时，根据传热目的不同，载热体的名称也不同，若传热是为了将冷流体加热，此时热流体称为加热剂；若传热目的是将热流体冷却或冷凝，此时冷流体称为冷却剂或冷凝剂。

1.载热体的选用原则

①载热体应能满足所要求达到的温度。

②载热体的温度调节应方便。

③载热体的比热容或潜热应较大。

④载热体应具有化学稳定性，使用过程中不会分解或变质。

⑤为了操作安全起见，载热体应无毒或毒性较小，不易燃易爆，对设备腐蚀性小。

⑥价格低廉，来源广泛。

此外，对于换热过程中有相变的载热体或专用载热体，还有比热容、黏度、热导率等物性参数的要求。

2.常用加热剂和冷却剂

常用的加热剂和冷却剂见表2-1。

当要求温度小于180℃时，常用饱和水蒸气做加热剂，其优点是饱和水蒸气的压力和温度一一对应，调节其压力就可以控制加热温度，使用方便；饱和水蒸气冷凝放出潜热，潜热远大于显热，因此所需的蒸汽量小；蒸汽冷凝时的膜系数很大，对流传热的阻力小，传热快；价廉、无毒、无失火危险。其缺点是饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受到压力的限制，不能太高。

四、传热的基本方式

根据传热机理的不同，热量传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。

1.热传导

热传导是由于物质的分子、原子或电子的运动或振动，而将热量从物体内高温处向低温处传递的过程。任何物体，不论其内部有无质点的相对运动，只要存在温度差，就必然发生热传导。可见热传导不仅发生在固体中，而且也是流体内的一种传热方式。

2.热对流

热对流是指流体中质点发生宏观位移而引起的热量传递，热对流仅发生在流体中。由于引起流体质点宏观位移的原因不同，对流又可分为强制对流和自然对流。由外力（泵、风机、搅拌器等作用）而引起的质点运动，称为强制对流；由流体内部各部分温度不同而产生密度的差异，造成流体质点相对运动，称为自然对流。在流体发生强制对流时，往往伴随着自然对流，但一般强制对流的强度比自然对流的大得多。

3.热辐射

因热的原因，物体发出辐射能并在周围空间传播而引起的传热，称为热辐射。它是一种通过电磁波传递能量的方式。具体地说，物体将热能转变成辐射能，以电磁波的形式进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部分或全部吸收并转变为热能。辐射传热就是不同物体间相互辐射和吸收能量的总结果。由此可知，辐射传热不仅是能量的传递，同时还伴有能量形式的转换。热辐射不需要任何媒介，换言之，可以在真空中传播，这是热辐射不同于其他传热方式的另一特点。应予指出，只有物体温度较高时，辐射传热才能成为主要的传热方式。

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的传热，主要是以热对流和热传导相结合的方式进行的。

五、换热器的分类

由于载热体的性质、传热的要求各不相同，因此换热器的种类很多，它们特点不一，操作方法有所不同。

1.按作用原理来分类

（1）直接接触式换热器　两流体直接混合进行传热的设备称为直接接触式换热器，又称为混合式换热器。此类换热器的特点是结构简单、传热效率高，用于两流体允许混合的场合。混合式蒸汽冷凝器、凉水塔、洗涤塔、喷射冷凝塔等设备中进行的传热均属于直接接触式换热。

（2）间壁式换热器　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（放出热量）通过壁面传给冷流体（吸收热量）。间壁式换热器又称为表面式换热器或间接式换热器。这类换热器的特点是两流体在换热过程中不发生混合，从而避免了因换热带来的污染。因此，工业上间壁式换热器的应用最广，各种管式和板式结构的换热器中所进行的换热均属于间壁式换热。

（3）蓄热式换热器　热流体借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量传给冷流体，此蓄热体即为蓄热式换热器。蓄热式换热器又称为回流式换热器或蓄热器。操作时，让热、冷流体交替进入换热器，热流体将热量贮存在蓄热体中，然后由冷流体取走，从而达到换热的目的。此类换热具有设备结构简单、可耐高温等优点，常用于高温气体热量的回收或冷却。缺点是设备体积庞大，热效率低，且不能完全避免两流体的混合。石油化工中，蓄热式裂解炉中所进行的换热就属于蓄热式换热。

2.按换热器的用途分类

（1）加热器　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。

（2）预热器　用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。

（3）过热器　用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。

（4）蒸发器　用于加热液体，使之蒸发汽化。

（5）再沸器　是蒸馏过程的专用设备，用于加热已冷凝的液体，使之再受热汽化。

（6）冷却器　用于冷却流体，使之达到所需的温度。

（7）冷凝器　用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化。

3.按换热器传热面的形状和结构分类

（1）管式换热器　管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，应用广泛。

（2）板式换热器　板式换热器通过板面进行传热。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。

（3）特殊形式换热器　这类换热器是根据工艺的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。

六、管式换热器

1.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，然后将若干这样的套管连接而成的，其结构如图2-1所示。套管换热器的优点是结构简单，能耐高压，工作适应范围大，传热面积可根据需要增减。其缺点是占地面积大，单位传热面积的金属耗量大；管子接头多，容易发生泄漏，检修清洗不方便。此类换热器适用于传热面积不太大而压力较高及流量较小的场合。

2.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。

（1）沉浸式蛇管换热器　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。几种常用的蛇管形状如图2-2所示。其优点是结构简单，造价低廉，便于防腐，能承受高压。其缺点是管外对流传热系数小，常需加搅拌装置，以提高传热系数。

（2）喷淋式蛇管换热器　结构如图2-3所示。此类换热器常用于用冷却水冷却管内热流体。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。热流体自下部总管流入各排蛇管，从上部流出再汇入总管。冷却水由蛇管上方的喷淋装置均匀地喷洒在各排蛇管上，并沿着管外表面淋下。该装置通常置于室外通风处，冷却水在空气中汽化时，可以带走部分热量，以提高冷却效果。与沉浸式蛇管换热器相比，喷淋式蛇管换热器具有检修清洗方便、传热效果好等优点。其缺点是体积庞大，占地面积多，冷却水耗用量较大，喷淋不均匀等。

3.列管式换热器

列管式换热器又称为管壳式换热器，它具有结构简单、坚固耐用、用材广泛、清洗方便、适用性强等优点，在生产中得到广泛应用，在换热设备中占主导地位。列管式换热器可根据结构特点进行分类，具体分类见表2-2。

如图2-4所示，固定管板式换热器操作时一种流体由封头上的接管进入器内，经封头与管板间的空间分配至各管内，流过管束后，从另一端封头上的接管流出换热器。另一种流体由壳体上的接管流入，壳体内装有若干块折流挡板，流体在壳体内沿折流挡板做折流流动，从壳体上的另一接管流出换热器。两流体借管壁的导热作用交换热量。通常将流经管内的流体称为管程流体，将流经管外的流体称为壳程流体。

当壳体与换热管的温差大于50℃时，产生的温差应力（又叫热应力）具有破坏性，易引起设备变形或使管子弯曲，从管板上松脱，甚至造成管子破裂或设备毁坏。因此必须从结构上考虑这种热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。常见的温差补偿措施有：补偿圈补偿、浮头补偿和U形管补偿等。

【自测练习】

1.传热的基本方式有哪几种？各有什么特点？

2.间壁式换热器的优点是什么？

3.常见的间壁式换热器有哪些？

4.列管换热器在壳程中设置折流挡板的作用是什么？