【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 a——對(duì)流傳熱系數(shù)， W/m2K（或W/m2℃）。 3. 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素引起流動(dòng)的原因： （1）自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動(dòng)。 （2）強(qiáng)制對(duì)流：由于外力和壓差而引起的流動(dòng)。 α強(qiáng)α自實(shí)驗(yàn)表明，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素有：流體的狀態(tài)：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過(guò)程中是否有相變化。有相變化時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變化時(shí)大的多；流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性有密度р、比熱Cp、導(dǎo)熱系數(shù)λ、粘度μ等；流體的運(yùn)動(dòng)狀況：層流、過(guò)渡流或湍流；流體對(duì)流的狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流；傳熱表面的形狀、位置及大?。喝绻堋?、管束、管徑、管長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。由上述分析可見(jiàn)，影響對(duì)流傳熱的因素很多，故對(duì)流傳熱系數(shù)的確定是一個(gè)極為復(fù)雜的問(wèn)題。在一般情況下，對(duì)流傳熱系數(shù)沿不能推導(dǎo)出理論計(jì)算式，而只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 四、傳熱過(guò)程的計(jì)算 1．總傳熱系數(shù) 管外對(duì)流 管壁熱傳導(dǎo) 管內(nèi)對(duì)流 對(duì)于定態(tài)傳熱 2． 傳熱平均溫度差的計(jì)算 按照參與熱交換的兩種流體在沿著換熱器壁面流動(dòng)時(shí)各點(diǎn)溫度變化的情況，可將傳熱分為恒溫傳熱與變溫傳熱兩類。而變溫傳熱又可分為一側(cè)流體變溫與兩側(cè)流體變溫兩種情況。（1）恒溫傳熱：兩種流體進(jìn)行熱交換時(shí)，在沿傳熱壁面的不同位置上，在任何時(shí)間兩種流體的溫度皆不變化，這種傳熱稱為穩(wěn)定的恒溫傳熱。如蒸發(fā)器中，間壁的一側(cè)是飽和水蒸汽在一定溫度下冷凝，另一側(cè)是液體在一定溫度下沸騰，兩側(cè)流體溫度沿傳熱面無(wú)變化，兩流體的溫度差亦處處相等，可表示為 （2）變溫傳熱：在傳熱過(guò)程中，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體沿著傳熱壁面，在不同位置時(shí)溫度不同，但各點(diǎn)的溫度皆不隨時(shí)間而變化，即為穩(wěn)定的變溫傳熱過(guò)程。間壁兩側(cè)流體皆發(fā)生溫度變化，這時(shí)參與換熱的兩種流體沿著傳熱兩側(cè)流動(dòng)，其流動(dòng)方式不同，平均溫度差亦不同。即平均溫度差與兩種流體的流向有關(guān)。生產(chǎn)上換熱器內(nèi)流體流動(dòng)方向大致可分為下列四種情況。圖為換熱器中流體流動(dòng)方向的意圖。 tm與流體流向有關(guān) 逆流并流錯(cuò)流折流并流 如圖419(a)所示，參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)分別以相同的方向流動(dòng)。 逆流 如圖419(b)所示，參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)分別以相對(duì)的方向流動(dòng)。 錯(cuò)流 如圖419(c)所示，參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)彼此呈垂直方向流動(dòng)。 折流 如圖419(d)所示，參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)，其中一側(cè)流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一側(cè)的流體則先沿一個(gè)方向流動(dòng)，然后折回以相反方向流動(dòng)，如此反復(fù)地作折流，使兩側(cè)流體間有并流與逆流的交替存在。此種情況稱為簡(jiǎn)單折流。若參與熱交換的雙方流體均作折流，則稱為復(fù)雜折流。 在上述四種流向中，以并流與逆流應(yīng)用較為普遍，兩種流體的溫度沿傳熱面的變化情況如圖420所示。由圖420可見(jiàn)，無(wú)論是哪一種情況，壁面兩側(cè)冷、熱流體的溫度均沿著傳熱面而變化，其相應(yīng)各點(diǎn)的溫度差顯然也是變化的，故存在著如何求取傳熱過(guò)程平均溫度差ΔTm的計(jì)算式。圖421表示逆流時(shí)流體的溫度隨著傳熱量Q的變化情況。 將上式與傳熱基本方程式Q=KAΔtm比較，可見(jiàn)變溫傳熱的平均溫度差為 其值為換熱器進(jìn)、出口處兩種流體溫度差的對(duì)數(shù)平均值，故稱為對(duì)數(shù)平均溫度差。 當(dāng)Δt1/Δt22時(shí)，可用算術(shù)平均值Δtm = (Δt1+Δt2)/2代替對(duì)數(shù)平均值。 五、傳熱面積的計(jì)算 A=Q/KΔtm 因計(jì)算熱負(fù)荷時(shí)未考慮熱損失，所以計(jì)算出的傳熱面積再增加10%—20%，作為設(shè)計(jì)或選 用換熱器的依據(jù)。五、流體流動(dòng)方向的選擇 在間壁式換熱器中，對(duì)純逆流和并流兩種情況發(fā)，確定傳熱壁面兩側(cè)流體的流動(dòng)方向，可從以下兩方面考慮。 流體流動(dòng)方向?qū)鳠崞骄鶞囟炔畹挠绊?對(duì)間壁兩側(cè)流體皆為恒溫及一側(cè)流體恒溫另一側(cè)流體變溫的傳熱過(guò)程，并流或逆流操作時(shí)的平均溫度差相同，這時(shí)流體流動(dòng)方向的選擇，主要應(yīng)考慮換熱器的構(gòu)造及操作上的方便。當(dāng)間壁兩側(cè)流體皆變溫且兩種流體的進(jìn)、出口溫度一定時(shí)，由于逆流操作的平均溫度差較并流時(shí)大，在傳遞同樣熱量的條件下，逆流所需的傳熱面積較小。 流體流動(dòng)方向?qū)d熱體用量的影響 對(duì)間壁兩側(cè)流體恒溫傳熱，及一側(cè)流體恒溫另一側(cè)流體變溫的傳熱過(guò)程，并、逆流時(shí)載熱體用量均相同。而當(dāng)間壁兩側(cè)流體皆為變溫傳熱時(shí)，則流體的流動(dòng)方向?qū)α黧w的最終溫度有很大影響。如圖422所示。加熱時(shí)，即工藝將冷流體由t1 加熱至t2 ，若采用并流，加熱介質(zhì)的最低極限出口溫度為冷流體的出口溫度t2；而若采用逆流，如圖中虛線所示，加熱介質(zhì)的最低極限出口溫度可為冷流體的進(jìn)口溫度t1(t1t2)。如果換熱的目的僅是為了加熱流體，則逆流操作時(shí)由于和T2逆可能小于T2并，所以加熱介質(zhì)的用量可能較并流時(shí)??；如果換熱的目的是為了回收熱量，則逆流操作加熱介質(zhì)的出口溫度可較并流操作時(shí)低，即回收的熱量可多些。 由上述分析可知，在相同傳熱面條件下，逆流操作時(shí)加熱劑(冷卻劑)用量較并流小；反之，在加熱劑(冷卻劑)用量相同條件下，逆流的換熱器傳熱面積較并流的小。 還應(yīng)指出的是：流體的始、終溫不僅影響到載熱體用量，同時(shí)還影響到傳熱平均溫度差Δtm。在操作中，當(dāng)載熱體的用量減少到一定程度時(shí)，可使逆流操作的平均溫度差小于并流操作的平均溫度差，這時(shí)，對(duì)完成同樣的傳熱量Q而言，逆流操作所需的傳熱面積會(huì)比并流操作所需的傳熱面積大(在傳熱系數(shù)K相同條件下)。這種情況下，選用哪一種流向進(jìn)行操作，需由經(jīng)濟(jì)核算而定，即核算增加傳熱面積所需的投資費(fèi)用與減少載熱體用量而節(jié)約的操作費(fèi)用哪一種操作更經(jīng)濟(jì)些。一般來(lái)說(shuō)，傳熱面積而增加的設(shè)備費(fèi)用，較減少載熱體用量而節(jié)省的長(zhǎng)期操作費(fèi)用為少，故逆流操作優(yōu)于并流。此外，逆流操作還有冷、熱流體間的溫度差較均勻的優(yōu)點(diǎn)。 并流操作的優(yōu)點(diǎn)是較容易控制溫度，故對(duì)某些熱敏性物料的加熱，并流操作可控制出口溫度，從而可避免出口溫度過(guò)高而影響產(chǎn)品質(zhì)量。此外，還應(yīng)考慮物料的性質(zhì)，如加熱粘性物料時(shí)，若采用并流操作，可使物料迅速升溫，降低粘度，提高傳熱系數(shù)。六、總傳熱系數(shù)在傳熱基本方程式Q=KAΔtm中，傳熱量Q是生產(chǎn)任務(wù)所規(guī)定的，溫度差Δtm之值由冷、熱流體進(jìn)、出換熱器的始、終溫度決定，也是由工藝要求給出的條件，則傳熱面積A之值與總傳熱系數(shù)K值密切相關(guān)，因此，如何合理地確定K值，是設(shè)計(jì)換熱器中的一個(gè)重要問(wèn)題。 目前，總傳熱系數(shù)K值有三個(gè)來(lái)源：一是選取經(jīng)驗(yàn)值，即目前生產(chǎn)設(shè)備中所用的經(jīng)過(guò)實(shí)踐證實(shí)并總結(jié)出來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)；二是實(shí)驗(yàn)測(cè)定K值；三是計(jì)算。 在傳熱計(jì)算中，如何合理地確定K值，是設(shè)計(jì)換熱器中的一個(gè)重要問(wèn)題。而在設(shè)計(jì)中往往參照在工藝條件相仿、類似設(shè)備上所得較為成熟的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。工業(yè)生產(chǎn)用列管式換熱器中總傳熱系數(shù)值的大致范圍見(jiàn)表410 表410 列管式換熱器中K值大致范圍 熱流體 冷流體 總傳熱系數(shù)，K W/m2K 水 水 850～1700 輕油 水 340～910 重油 水 60～280 氣體 水 17～280 水蒸汽冷凝 水 1420～4250 水蒸汽冷凝 氣體 30～300 低沸點(diǎn)烴類蒸汽冷凝(常壓) 水 455～1140 高沸點(diǎn)烴類蒸汽冷凝(減壓) 水 60～170 水蒸汽冷凝 水沸騰 2000～4250 水蒸汽冷凝 輕油沸騰 455～1020 水蒸汽冷凝 重油沸騰 140～425 七、污垢熱阻 換熱器操作一段時(shí)間后，其傳熱表面常有污垢積存，使傳熱減少。此層雖不厚，但熱阻大。在計(jì)算總傳熱系數(shù)K植時(shí)，污垢熱阻一般不可忽視。由于污垢層的厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)不易估計(jì)，工程計(jì)算時(shí)，通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用污垢熱阻。 常見(jiàn)流體在傳熱表面形成的污垢熱阻，大致數(shù)值可參考表411。 表411 常用流體的污垢熱阻 流體 污垢熱阻 m2K/kW 水(速度1m/s，t47℃) 蒸餾水 海水 清凈的河水 未處理的涼水塔用水 已處理的涼水塔用水 已處理的鍋爐用水 硬水、井水 水蒸汽 優(yōu)質(zhì)—不含油 劣質(zhì)—不含油 往復(fù)機(jī)排出 液體 處理過(guò)的鹽水 有機(jī)物 燃料油 焦油 氣體 空氣 ～ 溶劑蒸汽 表411中只是介紹垢阻的大致范圍。對(duì)易結(jié)垢的流體同，故換熱使用過(guò)久，污垢層很厚時(shí)，污垢熱阻會(huì)超過(guò)表411中之值，結(jié)果必使傳熱速率嚴(yán)重下降，故換熱器要根據(jù)具體工作條件，定期清洗。八、間壁式換熱器 在化工生產(chǎn)中，大多數(shù)情況下，冷、熱兩種流體在換熱過(guò)程中不允許混合，故間壁式換熱器在化工生產(chǎn)中被廣泛使用。下面就常用的換熱器作一簡(jiǎn)要介紹。（一）夾套式換熱器 如圖428所示，這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要用于反應(yīng)器的加熱或冷卻。夾套要裝在容器外部，在夾套和器壁間形成密閉的空間，成為一種流體的通道。當(dāng)用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽由上部接管進(jìn)入夾套，冷凝水由下部接管中排出。冷卻時(shí)，則冷卻水由下部進(jìn)入，由上部流出。由于夾套內(nèi)部清洗困難，故一般用不易產(chǎn)生垢層的水蒸汽、冷卻水等作為載熱體。 因夾套式換熱器時(shí)傳熱面積受到限制，所以當(dāng)需及時(shí)移走較大熱量時(shí)，則應(yīng)在容器內(nèi)部加設(shè)蛇管(或列管)冷卻器，管內(nèi)通入冷卻水，及時(shí)取走熱量以保持器內(nèi)一定的溫度。當(dāng)夾套內(nèi)通冷卻水時(shí)，為提高其對(duì)流傳熱系數(shù)可在夾套內(nèi)加設(shè)擋板，這樣既可使冷卻水流向一定，又可提高流速，從而增大總傳熱系數(shù)。 （二） 套管式換熱器 將兩種直徑大小不同的標(biāo)準(zhǔn)管裝成同心套管。根據(jù)換熱要求，可將幾段套管連接起來(lái)組成換熱器。每一段套管稱為一程，每程的內(nèi)管依次與下一程的內(nèi)管用U形管連接，面外管之間也由管子連接如圖429所示。換熱器的程數(shù)可以按照傳熱面大小而增減，亦可幾排并列，每排與總管相連。換熱時(shí)一種流體在內(nèi)管中流動(dòng)，另一種流體在套管的環(huán)隙中流動(dòng)，兩種流體可始終保持逆流流動(dòng)。由于兩個(gè)管徑都可以適當(dāng)選擇，以使內(nèi)管與環(huán)隙間的流體呈湍流狀態(tài)，故一般具有較高的總傳熱系數(shù)，同時(shí)也減少垢層的形成。這種換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耐高壓、制造方便、應(yīng)用靈便、傳熱面易于增減。其缺點(diǎn)是單位傳熱面的金屬消耗量很大，占地較大，故一般適用于流量不大、所需傳熱面亦不大及高壓的場(chǎng)合。 （三） 蛇管式換熱器 蛇管式換熱器可分為沉浸式和噴淋式兩種。 沉浸式蛇管換熱器 蛇管多以金屬管子彎繞而成，或制成適應(yīng)容器需要的形狀，沉浸在容器中，兩種流體分別在管內(nèi)、外進(jìn)行換熱，如圖430中所示。此種換熱器和主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造、便于防腐、且能承受高壓。其主要缺點(diǎn)是管外液體的對(duì)流傳熱系數(shù)較小，從而總傳熱系數(shù)亦小，如增設(shè)攪拌裝置，則可提高傳熱效果。 噴淋蛇管式換熱器 如圖431所示，冷水由最上面管子的噴淋裝置中淋下，沿管表面下流，而被冷卻的流體自最下面管子流入，由最上面管子中流出，與外面的冷流體進(jìn)行熱交換，所以傳熱效果較沉浸式為好。與沉浸式相比，該換熱器便于檢修和清洗。其缺點(diǎn)是占地較大，水滴濺灑到周圍環(huán)境，且噴淋不易均勻。 （四） 板式換熱器 板式換熱器主要由一組長(zhǎng)方形的薄金屬板平行排列構(gòu)成。用框架將板片夾緊組裝于支架上，如圖43圖433所示。兩相鄰板片的邊緣襯以墊片(橡膠或壓縮石棉等)壓緊，達(dá)到密封的目的。板片四角有圓孔，形成液體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側(cè)流過(guò)，通過(guò)板片進(jìn)行換熱。板片通常被壓制成各種槽形或波紋形的表面，這樣增強(qiáng)了剛度，不致受壓變形，同時(shí)也增強(qiáng)液體的湍動(dòng)程度，增大傳熱面積，亦利于流體的均勻分布。 板片尺寸常見(jiàn)寬度為200～1000mm，高度最大可過(guò)2m。板間距通常為4～6mm。板片材料有不銹鋼，亦可用其它耐腐蝕合金材料。 板式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是：總傳熱系數(shù)高，因板式換熱器中，板面被壓制成波紋或溝槽，可在低流速下(如Re=200左右)即可達(dá)到湍流，故總傳熱系數(shù)高，而液體阻力卻增加不大，污垢熱阻亦較小。對(duì)低粘度液體的傳熱，K值可高達(dá)7000W/m2K；結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大；操作靈活性大，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)板片數(shù)目以增減傳熱面積或以調(diào)節(jié)流道的辦法，適應(yīng)冷、熱流體流量和溫度變化的要求；加工制造容易、檢修清洗方便、熱損失小。 主要缺點(diǎn)是：允許操作壓力較低，最高不超過(guò)1961kPa，否則容易滲漏；操作溫度不能太高，因受墊片耐熱性能的限制，如對(duì)合成橡膠墊圈不130℃，對(duì)壓縮石棉墊圈也應(yīng)低于250℃；處理量不大，因板間距小，流道截面較小，流速亦不能過(guò)大。 第八章 吸收 概述 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)一步加工使用，常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，已達(dá)到分離的目的。物資在相間的轉(zhuǎn)移過(guò)程稱為物資傳遞過(guò)程（簡(jiǎn)稱為傳質(zhì)過(guò)程）或分離操作?；瘜W(xué)工業(yè)中常見(jiàn)的傳質(zhì)過(guò)程有蒸餾、吸收、干燥、萃取和吸附等單元操作。 利用氣體中各組分在液相中溶解的差異而分離氣體混合的操作稱為吸收。所用液體稱為吸收劑（或溶劑）。氣體中被溶解的組分稱為吸收質(zhì)或溶質(zhì)。不被溶解的組分稱為惰性氣體或載體。 定義 吸收：利用各組分在液體中溶解度的差異使氣體中不同組分分離的操作。 吸收劑（或溶劑）：所用液體稱為吸收劑。 溶質(zhì)：氣體中被溶解的組分稱為溶質(zhì)或吸收質(zhì)。 惰性氣體：不被溶解的組分稱為惰性氣體或載體。 解吸：這種使溶質(zhì)從溶液里脫除的過(guò)程成為解吸或脫吸。 化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過(guò)程 1．