化工工艺基础知识篇.doc

目 录致新员工书1第一篇 销售人员管理政策篇6第一章 2009年度市场营销策略6第二章 营销组织体系7第二章 责任分布/工作职责10第三章 业务管理/业务流程15第四章 销售政策/奖惩政策18第五章 薪酬/绩效管理22第二篇 化工工艺基础知识篇26第六章 流体流动26第七章 传热学基本知识35第八章 吸收基本知识38第九章 蒸馏基本知识40第十章 去湿/干燥基本知识48第三篇 换热器基本知识篇50第四篇 公司产品知识篇65第十一章 公司产品概述65第十二章 JAD换热器性能特点66第十三章 销售工程师知识问答68第五篇 产品工艺应用篇78第十四章 换热器工艺应用概述78第十五章 JAD换热器工艺应用83第十六章 工程案例分析88第二篇 化工工艺基础知识篇第六章 流体流动一、概述1、流体：气体和液体统称为流体。在化工生产中所处理的物料有很多是流体。根据生产要求，往往需要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备。化工厂中，管路纵横排列，与各种类型的设备连接，完成着流体输送的任务。除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行的。流体流动状态对这些单元操作有着很大影响。在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团组成的连续介质。所谓流体微团或流体质点是指这样的小块流体：它的大小与容器或管道相比是微不足道的。二、流体静力学：研究流体在外力作用下的平衡规律1、密度：单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为式中 流体的密度，kg/m3；m流体的质量，kg；V流体的体积，m3。液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽略不计，故常称液体为不可压缩的流体，但其随温度稍有改变。气体的密度随压力和温度的变化较大。2、比容：单位质量流体的体积，称为流体的比容，用符号v表示，单位为m3/kg，亦即流体的比容是密度的倒数。3、压 力：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。习惯上称为压力。作用于整个面上的力称为总压力。在法定单位制中，压力的单位是N/m2，称为帕斯卡，以Pa表示。但长期以来采用的单位为atm（标准大气压）。它们之间的换算关系为：1标准大气压(atm)=101300Pa=760mmHg4、基准：压力可以有不同的计量基准（1）绝对压力和表压：绝对压力以零压力（绝对真空）为基准，表压则以当地大气压为基准。（2）真空度：真空度也以当地大气压为基准，但真空度与表压的计算方向相反，即低于大气压的数值称为真空度。它与绝对压力的关系，可用下式表示表压绝对压力大气压力当被测流体的绝对压力小于大气压时，其低于大气压的数值称为真空度（vacuum），即真空度大气压力绝对压力注意，此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。绝对压力、表压和真空度的关系，如图所示。三、管内流体流动规律1：流量与流速（一）流量 （1） 体积流量：单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量，以V表示，其单位为m3/s。（2） 质量流量： 单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量流量以G表示，其单位为kg/s。体积流量与质量流量之间的关系为（二）流速 （1）平均流速：流速是指单位时间内液体质点在流动方向上所流经的距离。实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道横截面上流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速最大，愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁上，其速度等于零。但工程上，一般系以管道截面积除以体积流量所得的值，来表示流体在管道中的速度。此种速度称为平均速度，简称流速，以u表示，单位为m/s。流量与流速关系为uV/A （1-15）G=V=Au (1-16)式中 A管道的截面积，m2。（2）质量流速：单位时间内流体流经管道单位截面的质量称为质量流速，以表示，单位为kg/m2s。它与流速及流量的关系为 G/A=Au/A=u （1-17） 由于气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、压力发生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也将之改变，但其质量流量不变。此时，采用质量流速比较方便。（3）管道直径的估算： 若以d表示管内径，则式（1-15）可写成 流量一般为生产任务所决定，而合理的流速则应根据经济权衡决定，一般液体流速为0.53m/s。气体为1030m/s。四、管内流体流动现象 1、 粘度：流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性。流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比水大的缘故。牛顿粘性定律 实验现象：板间液体运动，且形成上大下小的流速分布(速度差)。 现象说明： (1)板间流体可看成为许多流体层，且其间存在相对运动(速度差)。 （2）相邻流体层之间存在摩擦力，称为内摩擦力或粘滞力。（否则流体静止） 2、 内摩擦力或粘滞力： 这种运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或粘滞力。流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。 3、 粘度：物理意义：单位速度梯度时单位面积上所产生的内摩擦力。 粘度越大，流体流动时生产的内摩擦力也越大。 4、液体中的动量传递：流体流动过程也称为动量传递过程，牛顿粘性定律就是定量描述动量传递的定律。 沿流动方向相邻两流体层由于速度的不同，它们的动量也就不同。速度较快的流体层中的流体分子，在随机运动的过程中有一些进入速度较慢的流体层中，与速度较慢的流体分子互相碰撞，使速度较慢的分子速度加快，动量增大。同时，速度较慢的流体层中京有同量分子进入速度较快的流体层。由于流体层之间的分子交换使动量从速度大的流体层向速度小的流体层传递。由此可见，分子动量传递是由于流体层之间速度不等，动量从速度大处向速度小处传递。这与在物体内部温度不等热从温度高处向温度低处传递即热传导，是相似。5、 流体流动类型与雷诺准数流体的流动类型，首先由雷诺用实验进行了观察。在雷诺实验装置(图1-14)中，有一入口为喇叭状的玻璃管浸没在透明的水槽内，管出口有调节水流量用的阀门，水槽上方的小瓶内充有有色液体。实验时，有色液体从瓶中流出，经喇叭口中心处的针状细管流入管内。从有色流体的流动情况可以观察到管内水流中质点的运动情况。流速小时，管中心的有色流体在管内沿轴线方向成一条轮廓清晰的直线，平稳地流过整根玻璃管，与旁侧的水丝毫不相混合，如图1-(a)所示。此实验现象表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动。当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，呈直线流动的有色细流便开始出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；速度再增，细线的波动加剧，然后被冲断而向四周散开，最后可使整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色，如图(C)所示。显然，此时流体的流动状况已发生了显著地变化。上述实验表明：流体在管道中的流动状态可分为两种类型。当流体在管道中流动时，若有色液体与水迅速混合，如图1-(c)所示，则表明流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都有时发生变化，于是质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流(turbulent flow)或紊流。根据不同的流体和不同的管径所获得实验结果表明：影响液体类型的因素，除了流体的流速外，还有管径d，流体密度和流体的粘度。u、d、越大，越小，就越容易从层流转变为湍流。雷诺得出结论：上述中四个因素所组成的复合数群du/，是判断流体流动类型的准则。这数群称为雷诺准数或雷诺数，用Re表示。上述结果表明，Re数是一个无因次数群。不管采用何种单位制只要Re中各物理量用同一单位制的单位，那所求得Re的数值相同。根据大量的实验得知Re2000时，流动类型为层流；当Re4000时，流动类型为湍流；而在2000Re4000范围内，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。例如周围振动及管道入口处等都易出现湍流。这一范围称为过渡区(transition region)。在两根不同的管中，当流体流动的Re数相同时，只要流体边界几何条件相似，则流体流动状态也相同。这称为流体流动的相似原理。 1实验现象及流动类型 （a） 流体质点只有轴向运动（层流或滞流） (b) 流体质点除有轴向运动外，还有径向运动。（过渡流） （c） 流体质点除有轴向运动和径向运动外，还相互碰撞和混合。（湍流或紊流） 2. 雷诺准数（雷诺数）(Reynolds Number) 层流底层区 湍流 过渡流区（缓冲层） 湍流主体区（湍流核心） 3流体质点的运动方式 (1)层流：轴向运动（稳态流动） (2) 湍流：脉动（非稳态流动）五、流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布是指流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。由于层流与湍流是本质完全不同的两种流动类型，故两者速度分布规律不同。(1) 流体在圆管内的速度分布 (a) 层流：抛物线分布，u=0.5umax （b）湍流：非抛物线分布，u0.82umax (2) 流体在直管内的流动阻力（a）层流：阻力来自内摩擦力 （b）湍流：阻力来自内摩擦力和碰撞及混合，即阻力为摩擦应力与湍流应力之和 边界层的概念 1形成：润湿附着内摩擦力减速梯度 (1)边界层：壁面附近存在速度梯度的流体层。一般取边界层外缘的流速u=0.99us。 层流 边界层 过渡流 湍流 层流底层区 湍流边界层 过渡流区（缓冲层） 湍流主体区（湍流核心） （2） 主流区：不存在速度梯度的区域或边界层以外的区域。由实验可以测得层流流动时的速度分布。沿着管径测定不同半径处的流速，标绘在图1-16上，速度分布为抛物线形状。管中心的流速最大，向管壁的方向渐减，靠管壁的流速为零。平均速度为最大速度的一半。 实验证明，层流速度的抛物线分布规律，并不是流体刚入管口就立刻形成的，而是要流过一段距离后才能充分发展成抛物线的形状。如图1-17所示，流体在流入管口之前速度分布是均匀的。在进入管口之后，则靠近管壁的一层非常薄的流体层，因附着在管壁上，其速度突然降为零。流体在继续往里流动的过程中，靠近管壁的各层流体，由于粘性的作用，而逐渐滞缓下来。又由于各截面上的流量为一定值，管中心处各点的速度必然增大。当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时，层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。六、流体流动阻力（一）管、管件及阀门管路系统是由管、管件、阀门以及输送机械等组成的。当流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力而消耗能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，必需对管、管件以及阀门有所了解。1 管管子的种类很多，目前已在化工厂中广泛应用的有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等。钢管又有有缝与无缝之分；有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。有缝钢管多用低碳钢制成；无缝钢管的材料有普通碳钢、优质碳钢以及不锈钢等。不锈钢管价昂选用时应慎重，但是在输送强腐蚀性的液体或某些特殊要求的情况下，应用也不少，如稀硝酸用管、混酸用管等。铸铁管常用于埋在地下的给水总管、煤气管及污水管等。输送浓硝酸、稀硫酸则应分别使用铝管及铅管。2. 管件 管件(pipe fitting)为管与管的连接部件，它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。图1-22所示为管道中常用的几种管件。3. 阀门 阀门装于管道中用以调节流量。常用的阀门有以下几种。（1）截止阀 截止阀(globe valve)构造如图1-23所示，它是依靠阀盘换的上升或下降，以改变阀盘与阀座的距离，以达到调节流量的目的。截止阀构造比较复杂，在阀体部分液体流动方向经数次改变，流动阻力较大。但这种阀门严密可靠，而且可较精确地调节流量，所以常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。（2） 闸阀 闸阀(gate valve)又称为闸板阀。如图1-24所示。闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的流量。闸阀构造简单，液体阻力小，且不易为悬浮物所堵塞，故常用于大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；制造、检修比较困难。（3） 止逆阀 止逆阀(check valve)又称为单向阀。其功用在于只允许流体沿单方向流动。如图1-25所示。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如遇到有反向流动时，阀自动关闭。止逆阀只能在单向开关的特殊情况下使用。形成层流抛物线规律的这一段，称为层流的起始段，X00.05dRe。 （二）流体在直管中的流动阻力 1、阻力的含义Friction Implication内摩擦力=摩擦阻力=流动阻力=能量损失=阻力损失=阻力=hf2、阻力的分类Classification of the Friction 直管阻力：流体流经一定直径的直管时，所产生的阻力。 局部阻力：流体流经管件、阀门及进出口时，由于受到局部障碍所产生的阻力。流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体层之间的分子动量传递而产生的内摩擦阻力，或由于流体之间的湍流动量传递而引起的摩擦阻力，使一部分机械能转化为热能。我们把这部分机械能称为能量损失。管路一般由直管段和管件、阀门等组成。因此，流体在管路中的流动阻力，可分为直管阻力和局部阻力两类。直管阻力是流体流经一定直径的直管时，所产生的阻力。局部阻力是流体流经管件、阀门及进出口时，由于受到局部障碍所产生的阻力。所以，流体流经管路的总能量损失，应为直管阻力与局部阻力所引起能量损失之总和。（三） 管壁粗糙度Roughness of Pipe Walls 1管的分类Classification of pipes 光滑管Smooth pipe：玻璃管、铜管、塑料管等 管 粗糙管Rough pipe：钢管、铸铁管等 2绝对粗糙度：粗糙面凸出部分的平均高度，e，m。3相对粗糙度：，无量纲（因次）。4层流时，粗糙度对阻力没有影响。5湍流时 (1） 没有影响。（2） 有影响。 第七章传热基本知识 一 、 概述（一） 传热过程在化工生产中的应用 加热或冷却 换热 强化传热过程 保温 削弱传热过程 传热过程即热量传递过程。在化工生产过程中，几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定的温度下进行。为了达到和保持所要求的温度，反应物在进入反应器前常需加热或冷却到一定温度。在过程进行中，由于反应物需要吸收或放出一定的热量，故又要不断地导入或移出热量；有些单元操作，如蒸馏、蒸发、干燥和结晶等，都有一定的温度要求，所以也需要有热能的输入或输出，过程才能进行；此外，许多设备或管道在高温或低温下操作，若要保证管路中输送的流体能维持一定的温度以及减少热量损失，则需要保温（或隔热）；近十多年来，随着能源价格的不断上涨，回收废热及节省能源已成为降低生产成本的重要措施之一。以上所讲到的情况，都与热量传递有关。可见，在化工生产中，传热过程具有相当重要的地位。 化工生产中常遇到的传热问题，通常有以下两类：一类是要求热量传递情况好，亦即要求传热速率高，这样可使完成某一换热任务时所需的设备紧凑，从而降低设备费用；另一类是像高温设备及管道的保温，低温设备及管道的隔热等，则要求传热速率越低越好。 （二） 传热的三种基本方式 传热的基本方式 热的传递是由于系统内或物体温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分，或是从温度较高的物体传给温度较低的物体。根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射。 1、热传导 又称导热。当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异时，物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞，并将能量的一部分传给后者，藉此，热能就从物体的温度较高部分传到温度较低部分。称这种传递热量的方式为热传导。在热传导过程中，没有物质的宏观位移。热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导。特点：没有物质的宏观位移 气体：分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体：导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动来实现的 液体：机理复杂，主要靠原子、分子在平衡位置上的热运动。2、对流 又称热对流、对流传热。在流体中，主要是由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的传递热量的方式为对流传热。对流传热过程中往往伴有热传导。工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热；若流体的运动是由于受到外力的作用(如风机、水泵或其它外界压力等)所引起，则称为强制对流(forced convection)；若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的，则称为自然对流(natural convection)。 3、辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。任何物体，只要其绝对温度不为零度，都会以电磁波的形式向外界辐射能量。其热能不依靠任何介质而以电磁波形式在空间传播，当被另一物体部分或全部接受后，又重新转变为热能。这种传递热能的方式称为辐射或热辐射。实际上上述三种传热方式很少单独存在，而往往是同时出现的。如化工生产中广泛应用的间壁式换热器，热量从热流体经间壁(如管壁)传向冷流体的过程，是以导热和对流两种方式进行。 （三） 冷热流体的接触方式1直接接触式 冷热流体直接混合进行热量交换。 2蓄热式 冷热流体交替流过换热器。优点：结构较简单；耐高温。缺点：设备体积大；有一定程度的混合。3间壁式冷热流体通过换热壁面热交换。 1）套管换热器 传热面为内管壁的表面 2）列管换热器 传热面为壳内所有管束壁的表面积（四） 热载体及其选择 加热剂：热水、饱和水蒸气、矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等。 冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等 冷却温度30C 水； 加热温度自实验表明，影响对流传热系数的主要因素有：1、流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变化。有相变化时对流传热系数比无相变化时大的多；2、流体的物理性质：影响较大的物性有密度、比热Cp、导热系数、粘度等；3、流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；4、流体对流的状况：自然对流，强制对流；5、传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。由上述分析可见，影响对流传热的因素很多，故对流传热系数的确定是一个极为复杂的问题。在一般情况下，对流传热系数沿不能推导出理论计算式，而只能通过实验测定。 四、传热过程的计算 1总传热系数 管外对流 管壁热传导 管内对流 对于定态传热2 传热平均温度差的计算 按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况，可将传热分为恒温传热与变温传热两类。而变温传热又可分为一侧流体变温与两侧流体变温两种情况。（1）恒温传热：两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，间壁的一侧是饱和水蒸汽在一定温度下冷凝，另一侧是液体在一定温度下沸腾，两侧流体温度沿传热面无变化，两流体的温度差亦处处相等，可表示为 （2）变温传热：在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为稳定的变温传热过程。间壁两侧流体皆发生温度变化，这时参与换热的两种流体沿着传热两侧流动，其流动方式不同，平均温度差亦不同。即平均温度差与两种流体的流向有关。生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况。图为换热器中流体流动方向的意图。 tm与流体流向有关逆流并流错流折流并流 如图4-19(a)所示，参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。 逆流 如图4-19(b)所示，参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动。 错流 如图4-19(c)所示，参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动。 折流 如图4-19(d)所示，参与换热的两种流体在传热面的两侧，其中一侧流体只沿一个方向流动，而另一侧的流体则先沿一个方向流动，然后折回以相反方向流动，如此反复地作折流，使两侧流体间有并流与逆流的交替存在。此种情况称为简单折流。若参与热交换的双方流体均作折流，则称为复杂折流。 在上述四种流向中，以并流与逆流应用较为普遍，两种流体的温度沿传热面的变化情况如图4-20所示。由图4-20可见，无论是哪一种情况，壁面两侧冷、热流体的温度均沿着传热面而变化，其相应各点的温度差显然也是变化的，故存在着如何求取传热过程平均温度差Tm的计算式。图4-21表示逆流时流体的温度随着传热量Q的变化情况。 将上式与传热基本方程式Q=KAtm比较，可见变温传热的平均温度差为 其值为换热器进、出口处两种流体温度差的对数平均值，故称为对数平均温度差。 当t1/t22时，可用算术平均值tm = (t1+t2)/2代替对数平均值。 五、传热面积的计算 A=Q/Ktm 因计算热负荷时未考虑热损失，所以计算出的传热面积再增加10%20%，作为设计或选 用换热器的依据。五、流体流动方向的选择 在间壁式换热器中，对纯逆流和并流两种情况发，确定传热壁面两侧流体的流动方向，可从以下两方面考虑。 1、 流体流动方向对传热平均温度差的影响 对间壁两侧流体皆为恒温及一侧流体恒温另一侧流体变温的传热过程，并流或逆流操作时的平均温度差相同，这时流体流动方向的选择，主要应考虑换热器的构造及操作上的方便。当间壁两侧流体皆变温且两种流体的进、出口温度一定时，由于逆流操作的平均温度差较并流时大，在传递同样热量的条件下，逆流所需的传热面积较小。 2、 流体流动方向对载热体用量的影响 对间壁两侧流体恒温传热，及一侧流体恒温另一侧流体变温的传热过程，并、逆流时载热体用量均相同。而当间壁两侧流体皆为变温传热时，则流体的流动方向对流体的最终温度有很大影响。如图4-22所示。加热时，即工艺将冷流体由t1 加热至t2 ，若采用并流，加热介质的最低极限出口温度为冷流体的出口温度t2；而若采用逆流，如图中虚线所示，加热介质的最低极限出口温度可为冷流体的进口温度t1(t1t2)。如果换热的目的仅是为了加热流体，则逆流操作时由于和T2逆可能小于T2并，所以加热介质的用量可能较并流时小；如果换热的目的是为了回收热量，则逆流操作加热介质的出口温度可较并流操作时低，即回收的热量可多些。 由上述分析可知，在相同传热面条件下，逆流操作时加热剂(冷却剂)用量较并流小；反之，在加热剂(冷却剂)用量相同条件下，逆流的换热器传热面积较并流的小。 还应指出的是：流体的始、终温不仅影响到载热体用量，同时还影响到传热平均温度差tm。在操作中，当载热体的用量减少到一定程度时，可使逆流操作的平均温度差小于并流操作的平均温度差，这时，对完成同样的传热量Q而言，逆流操作所需的传热面积会比并流操作所需的传热面积大(在传热系数K相同条件下)。这种情况下，选用哪一种流向进行操作，需由经济核算而定，即核算增加传热面积所需的投资费用与减少载热体用量而节约的操作费用哪一种操作更经济些。一般来说，传热面积而增加的设备费用，较减少载热体用量而节省的长期操作费用为少，故逆流操作优于并流。此外，逆流操作还有冷、热流体间的温度差较均匀的优点。 并流操作的优点是较容易控制温度，故对某些热敏性物料的加热，并流操作可控制出口温度，从而可避免出口温度过高而影响产品质量。此外，还应考虑物料的性质，如加热粘性物料时，若采用并流操作，可使物料迅速升温，降低粘度，提高传热系数。六、总传热系数在传热基本方程式Q=KAtm中，传热量Q是生产任务所规定的，温度差tm之值由冷、热流体进、出换热器的始、终温度决定，也是由工艺要求给出的条件，则传热面积A之值与总传热系数K值密切相关，因此，如何合理地确定K值，是设计换热器中的一个重要问题。 目前，总传热系数K值有三个来源：一是选取经验值，即目前生产设备中所用的经过实践证实并总结出来的生产实践数据；二是实验测定K值；三是计算。 在传热计算中，如何合理地确定K值，是设计换热器中的一个重要问题。而在设计中往往参照在工艺条件相仿、类似设备上所得较为成熟的生产数据作为设计依据。工业生产用列管式换热器中总传热系数值的大致范围见表4-10 表4-10 列管式换热器中K值大致范围 热流体 冷流体 总传热系数，K W/m2K 水 水 8501700 轻油 水 340910 重油 水 60280 气体 水 17280 水蒸汽冷凝 水 14204250 水蒸汽冷凝 气体 30300 低沸点烃类蒸汽冷凝(常压) 水 4551140 高沸点烃类蒸汽冷凝(减压) 水 60170 水蒸汽冷凝 水沸腾 20004250 水蒸汽冷凝 轻油沸腾 4551020 水蒸汽冷凝 重油沸腾 140425 七、污垢热阻 换热器操作一段时间后，其传热表面常有污垢积存，使传热减少。此层虽不厚，但热阻大。在计算总传热系数K植时，污垢热阻一般不可忽视。由于污垢层的厚度及其导热系数不易估计，工程计算时，通常是根据经验选用污垢热阻。 常见流体在传热表面形成的污垢热阻，大致数值可参考表4-11。 表4-11 常用流体的污垢热阻 流体 污垢热阻 m2K/kW 水(速度1m/s，t47) 蒸馏水 0.09 海水 0.09 清净的河水 0.21 未处理的凉水塔用水 0.58 已处理的凉水塔用水 0.26 已处理的锅炉用水 0.26 硬水、井水 0.58 水蒸汽 优质不含油 0.052 劣质不含油 0.09 往复机排出 0.176 液体 处理过的盐水 0.264 有机物 0.176 燃料油 1.056 焦油 1.76 气体 空气 0.260.53 溶剂蒸汽 0.14 表4-11中只是介绍垢阻的大致范围。对易结垢的流体同，故换热使用过久，污垢层很厚时，污垢热阻会超过表4-11中之值，结果必使传热速率严重下降，故换热器要根据具体工作条件，定期清洗。八、间壁式换热器 在化工生产中，大多数情况下，冷、热两种流体在换热过程中不允许混合，故间壁式换热器在化工生产中被广泛使用。下面就常用的换热器作一简要介绍。（一）夹套式换热器 如图4-28所示，这种换热器结构简单，主要用于反应器的加热或冷却。夹套要装在容器外部，在夹套和器壁间形成密闭的空间，成为一种流体的通道。当用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管中排出。冷却时，则冷却水由下部进入，由上部流出。由于夹套内部清洗困难，故一般用不易产生垢层的水蒸汽、冷却水等作为载热体。 因夹套式换热器时传热面积受到限制，所以当需及时移走较大热量时，则应在容器内部加设蛇管(或列管)冷却器，管内通入冷却水，及时取走热量以保持器内一定的温度。当夹套内通冷却水时，为提高其对流传热系数可在夹套内加设挡板，这样既可使冷却水流向一定，又可提高流速，从而增大总传热系数。 （二） 套管式换热器 将两种直径大小不同的标准管装成同心套管。根据换热要求，可将几段套管连接起来组成换热器。每一段套管称为一程，每程的内管依次与下一程的内管用U形管连接，面外管之间也由管子连接如图4-29所示。换热器的程数可以按照传热面大小而增减，亦可几排并列，每排与总管相连。换热时一种流体在内管中流动，另一种流体在套管的环隙中流动，两种流体可始终保持逆流流动。由于两个管径都可以适当选择，以使内管与环隙间的流体呈湍流状态，故一般具有较高的总传热系数，同时也减少垢层的形成。这种换热器的优点是：结构简单、能耐高压、制造方便、应用灵便、传热面易于增减。其缺点是单位传热面的金属消耗量很大，占地较大，故一般适用于流量不大、所需传热面亦不大及高压的场合。 （三） 蛇管式换热器 蛇管式换热器可分为沉浸式和喷淋式两种。 沉浸式蛇管换热器 蛇管多以金属管子弯绕而成，或制成适应容器需要的形状，沉浸在容器中，两种流体分别在管内、外进行换热，如图4-30中所示。此种换热器和主要优点是结构简单、便于制造、便于防腐、且能承受高压。其主要缺点是管外液体的对流传热系数较小，从而总传热系数亦小，如增设搅拌装置，则可提高传热效果。 喷淋蛇管式换热器 如图4-31所示，冷水由最上面管子的喷淋装置中淋下，沿管表面下流，而被冷却的流体自最下面管子流入，由最上面管子中流出，与外面的冷流体进行热交换，所以传热效果较沉浸式为好。与沉浸式相比，该换热器便于检修和清洗。其缺点是占地较大，水滴溅洒到周围环境，且喷淋不易均匀。 （四） 板式换热器 板式换热器主要由一组长方形的薄金属板平行排列构成。用框架将板片夹紧组装于支架上，如图4-32、图4-33所示。两相邻板片的边缘衬以垫片(橡胶或压缩石棉等)压紧，达到密封的目的。板片四角有圆孔，形成液体的通道。冷、热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片通常被压制成各种槽形或波纹形的表面，这样增强了刚度，不致受压变形，同时也增强液体的湍动程度，增大传热面积，亦利于流体的均匀分布。 板片尺寸常见宽度为2001000mm，高度最大可过2m。板间距通常为46mm。板片材料有不锈钢，亦可用其它耐腐蚀合金材料。 板式换热器的主要优点是：总传热系数高，因板式换热器中，板面被压制成波纹或沟槽，可在低流速下(如Re=200左右)即可达到湍流，故总传热系数高，而液体阻力却增加不大，污垢热阻亦较小。对低粘度液体的传热，K值可高达7000W/m2K；结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；操作灵活性大，可以根据需要调节板片数目以增减传热面积或以调节流道的办法，适应冷、热流体流量和温度变化的要求；加工制造容易、检修清洗方便、热损失小。 主要缺点是：允许操作压力较低，最高不超过1961kPa，否则容易渗漏；操作温度不能太高，因受垫片耐热性能的限制，如对合成橡胶垫圈不130，对压缩石棉垫圈也应低于250；处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。 第八章 吸收 1、概述 化工生产中所处理的原料、中间产物、粗产品等几乎都是混合物，而且大部分是均相物系。为进一步加工使用，常将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系。利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，已达到分离的目的。物资在相间的转移过程称为物资传递过程（简称为传质过程）或分离操作。化学工业中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥、萃取和吸附等单元操作。 利用气体中各组分在液相中溶解的差异而分离气体混合的操作称为吸收。所用液体称为吸收剂（或溶剂）。气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。不被溶解的组分称为惰性气体或载体。 2、定义 吸收：利用各组分在液体中溶解度的差异使气体中不同组分分离的操作。 吸收剂（或溶剂）：所用液体称为吸收剂。 溶质：气体中被溶解的组分称为溶质或吸收质。 惰性气体：不被溶解的组分称为惰性气体或载体。 解吸：这种使溶质从溶液里脱除的过程成为解吸或脱吸。 3、化工生产中的传质过程 1传质分离过程：物质在两相间的转移过程称为传质分离过程。 2传质分离过程的依据：混合物中各组分在两相间平衡分配不同。 （1）吸收 选择一定的溶剂造成两相，利用气体中各组分溶解度的差异而分离气体混合物。 （2）蒸馏 将液体混合物加热造成企业两相物系，利用组分挥发性的差异，使其得以分离。 （3）固体干燥 用加热的方法使含湿固体中的湿分汽化，利用湿分压差，使湿分从固体表面或内部转移到气相，而将含湿固体得以固液分离。4、吸收操作的目的： （）分离和净化原料气。原料气在加工以前，其中无用的或有害的成分都要预先除去。如从合成氨所用的原料气中健分离出、等杂质。 （）分离和吸收气体中的有用组分。如从合成氨厂的放空气中用水回收氨；从焦炉煤气中以洗油回收粗苯（含甲苯、二甲苯等）蒸气和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。 （）某些产品的制取。如制酸工业中用水分别吸收混合气体中的HCl、和制取盐酸、硫酸和硝酸。 （）废气的治理。生产过程中排放的废气往往含有对人体和环境有害的物质，如、等这类环境保护问题已愈来愈受重视。选择适当的工艺和溶剂进行吸收是废气治理中应用较广的方法。 5、用吸收操作来进行气体混合物的分离时必须解决以下几方面的问题： 一、选择合适的溶剂。吸收剂的性能是吸收操作良好与否的关键，选择时要从以下几方面来考虑： 对被吸收的组分要有较大的溶解度，且有较好的选择性。即对溶质的溶解度要大，而对惰性气体几乎不溶解。 要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。 要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。 腐蚀性要小,以减小设备费用和维修费。 粘度要低，以利于传质及输送；比热要小，使再生时的耗热量较小；不易燃，以利于安全生产。 吸收后的溶剂应易于再生。 实际上很难找到一种能满足以上所有要求的溶剂，因此，对可供选用的溶剂应作经济评价后作出合理的选择。 吸收与解吸流程 二、提供传质设备以利于实现气液两相的接触，使溶质从气相转移到液相。 生产中为了提高传质的效果，总是力求让两相接触充分，即尽可能增大两相的接触面积与湍动程度。根据这个原则，吸收设备大致可分成两大类，即扳式塔和填料塔。 图（）是板式塔的示意图。塔内部由塔板分成许多层，各层之间有溢流管连通，可以让液体从上层流到下层。板上有许多孔道，气体可以通过它们从下层升入上层。气体在板上的液层内分散成许多小增加了两相的接触面积，且提高了液流瑞动程度。液体从塔顶进入，两相逆流，在塔内的塔板上接触，溶质部分地溶解于溶剂中，故气体每向上经过一块塔扳，溶质浓度阶跃式地下降，溶剂从塔顶 板下降,溶质浓度阶跃式地 板上升高。 图（）是填料塔，塔内充以诸如瓷环之类的填料层。溶剂从塔顶进入，沿着填料的表面广为散布并逐渐下流。气体通过各个填料的间隙上升，与液体作连续地逆流接触。气相中的溶质不断地被吸收，浓度从下而上连续降低，液体则相反，其浓度从上而下连续地增高。 在吸收的过程中，如果溶剂中的气体不与溶剂发生明显的化学反应，所进行的操作称为物理吸收，如用水吸收等。若气体溶解后与溶剂或预先溶于溶剂里的其它物质进行化学反应，则称为化学吸收。如用溶液吸收CO2、等。 按被吸收组分数目可分为单组分吸收和多组分吸收。如制取盐酸、硫酸等为单组分吸收，回收苯、治理等为多组分吸收。 第九章 蒸馏（一）概述：蒸馏：是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助多次部分气化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。蒸馏一般占基建投资费用的5090%。蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是传质过程中最重要的单元操作之一，蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其探发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。例如，加热苯（沸点80.2）和甲苯（沸点110.4）的混合物时,由于苯的沸点较甲苯为低,即苯挥发度较甲苯高,故苯较