化工生產技術基礎培訓教材-資料下載頁

　　

【正文】 ，嚴密耐用，適用于鋼管、有色金屬、塑料管，不適于經常要拆裝的管段上和對焊縫有腐蝕的流體及不許現場動火的管子連接。第五章 傳熱及傳熱設備第一節 傳熱的基本原理一、傳熱的三種基本方式熱量從高溫物體自動地傳向低溫物體的傳遞過程稱為傳熱過程。根據熱量傳遞的特點不同，熱量的傳遞有三種基本方式：即熱導傳、對流傳熱和輻射傳熱。（1）熱傳導：熱量從物體內溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導，又稱導熱。（2）對流：流體內部質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程，對流只能發生在流體中。可分為自然對流和強制對流。（3）熱輻射：輻射是一種以電磁波傳播能量的現象。物體會因各種原因發射出輻射能，其中物體因熱的原因發出輻射能的過程稱為熱輻射。二、傳熱過程中冷熱流體的接觸方式化工生產中常見的情況是冷熱流體進行熱交換。根據冷熱流體的接觸情況，工業上的傳熱過程可分為三大類：直接接觸式、蓄熱式、間壁式。直接接觸式傳熱在這類傳熱中，冷、熱流體在傳熱設備中通過直接混合的方式進行熱量交換，又稱為混合式傳熱。蓄熱式傳熱這種傳熱方式是冷、熱兩種流體交替通過同一蓄熱室時，即可通過填料將從熱流體來的熱量，傳遞給冷流體，達到換熱的目的。間壁式傳熱工業上應用最多的是間壁式傳熱過程。這類換熱器的特點是在冷、熱兩種流體之間用一金屬壁(或石墨等導熱性能好的非金屬壁)隔開，以便使兩種流體在不相混合的情況下進行熱量傳遞。這類換熱器中以套管式、列管式、板式換熱器為典型設備。第二節 傳熱設備介紹一、套管式換熱器結構：由不同直徑組成的同心套管，可根據換熱要求，將幾段套管用U形管連接，目的增加傳熱面積；冷熱流體可以逆流或并流。優點：結構簡單，加工方便，能耐高壓，傳熱系數較大，能保持完全逆流使平均對數溫差最大，可增減管段數量應用方便。缺點：結構不緊湊，金屬消耗量大，接頭多而易漏，占地較大。用途：廣泛用于超高壓生產過程，可用于流量不大，所需傳熱面積不多的場合。二、列管式換熱器（管殼式換熱器）列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。優點：單位體積設備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤形兩種，前者更為常用。 殼體內裝有管束，管束兩端固定在管板上。由于冷熱流體溫度不同，殼體和管束受熱不同，其膨脹程度也不同，如兩者溫差較大，管子會扭彎，從管板上脫落，甚至毀壞換熱器。所以，列管式換熱器必須從結構上考慮熱膨脹的影響，采取各種補償的辦法，消除或減小熱應力。根據所采取的溫差補償措施，列管式換熱器可分為以下幾個型式。固定管板式殼體與傳熱管壁溫度之差大于50176。C，加補償圈，也稱膨脹節，當殼體和管束之間有溫差時，依靠補償圈的彈性變形來適應它們之間的不同的熱膨脹。特點：結構簡單，成本低，殼程檢修和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產生垢層和腐蝕的介質。浮頭式兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長方向浮動。當殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時，管束連同浮頭可在殼體內沿軸向自由伸縮，可完全消除熱應力。特點：結構較為復雜，成本高，消除了溫差應力，是應用較多的一種結構形式。U型管式把每根管子都彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。 特點：結構較簡單，管程不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱。螺旋繞管式①原理及結構：螺旋繞管式換熱器從傳熱原理上屬于間壁式管式換熱器，由于它具有管式換熱器的耐高壓的性能，同時自身又具有結構緊湊、傳熱效率高的優點，特別適用于中、高壓高效氣體換熱場合，纏繞管式換熱器由繞管芯體和殼體兩部分組成(圖1)。繞管芯體由中心筒、換熱管、墊條及管卡等組成。換熱管緊密地繞在中心筒上(圖2)，用平墊條及異形墊條分隔，保證管子之間的橫向和縱向間距，墊條與管子之間用管卡固定連接，換熱管與管板采用強度焊加貼脹的連接結構，中心筒在制造中起支承作用，因而要求有一定的強度和剛度。殼體由筒體和封頭等組成。如果所有傳熱管均通過同一種介質，為單通道螺旋繞管式換熱器；如果管內分別通過幾種不同介質，而每種介質所通過的傳熱管均匯集在各自的管板上，便構成了多通道螺旋繞管式換熱器。傳熱管材料可根據壓力、溫度及介質的性質選定，通常采用管徑8～25mm的鋼管、不銹鋼管或銅管。該換熱器結構緊湊，單位容積具有較大的傳熱面積。②主要優點: ，單位容積具有較大的傳熱面積。對管徑8～12mm的傳熱管，每立方米容積的傳熱面積可達100～170m2。 ； ，目前國外最高操作壓力可達21~56MPa； ； 。③主要缺點：，采用管子都比較小和薄，焊接容易產生缺陷。，下管板與管子間易產生間隙腐蝕，這也是較常見的破壞形式之一。④運行故障及處理方法：纏繞管換熱器一般運行周期較長，但經常出現問題，主要問題有堵塞、管子泄漏和管口泄漏等，正確選擇合適的修復方案對裝置十分重要。換熱器出現堵塞后，疏通的方法有兩種：一種是用高壓水槍沖洗，主要針對堵塞不是很嚴重的情況；第二種就是用酸清洗辦法，主要用于嚴重堵塞。如果換熱器經查出現了管子泄漏，那只有在試壓查漏明確的情況下進行堵管。換熱器出現了管子泄漏問題，要分兩種情況進行修復：管口數量少，則采用堵管辦法；管口數量較多，堵管后會嚴重影響換熱效果，則宜選用抽芯補焊的辦法修復繞管。三、板式換熱器 平板式換熱器板式換熱器早在20世紀20年代開始用于食品工業，50年代逐漸用于化工及其相近工業部門，現已發展成為一種傳熱效果較好，結構緊湊的化工換熱設備。主要由一組長方形的薄金屬板平行排列構成，用框架夾緊組裝在支架上。兩相鄰流體板的邊緣用墊片壓緊，達到密封的作用，四角有圓孔形成流體通道，冷熱流體在板片的兩側流過，通過板片換熱。板上可被壓制成多種形狀的波紋，可增加剛性；提高湍動程度；增加傳熱面積；易于液體的均勻分布。優點：傳熱效率高，總傳熱系數大，結構緊湊，操作靈活，安裝檢修方便。缺點：耐溫、耐壓性較差，易滲漏，處理量小。螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器主要由兩張平行的薄鋼板卷制而成，構成一對互相隔開的螺旋形流道。冷熱兩流體以螺旋板為傳熱面相間流動，兩板之間焊有定距柱以維持流道間距，同時也可增加螺旋板的剛度。在換熱器中心設有中心隔板，使兩個螺旋通道隔開。在頂、底部分分別焊有蓋板或封頭和兩流體的出入接管。優點：結構緊湊，傳熱效率高，不易堵塞，結構緊湊，成本較低。缺點：操作壓力、溫度不能太高，螺旋板難以維修，流體阻力較大。第三節 換熱器運行、維護和保養一、開車前的檢查及準備換熱器安裝就緒后，詳細檢查進出口管道內不得有沙子焊渣等雜物。各種安裝附件如壓力表、溫度計、安全閥的安裝是否合乎設備要求，是否靈敏可靠。檢查所有與換熱器連接的管道、閥門看是否達到工藝要求。檢查水壓試驗及氣密性試驗合格證是否齊全；各種物緊固件，地角螺栓有無松動現象，外部保溫及防腐有無損壞。介質及其管道是否達到正常操作條件。打開換熱器管殼程入口閥及放空閥，緩慢投料并排凈氣體。如室外溫度低，則需對換熱器進行緩慢預熱。二、換熱器開車程序當確認換熱器其他附件及管道等無異常問題，都達到開車標準時，通知所有有關部門。打開換熱器的全部出口閥門。緩慢打開低溫介質入口閥門，使其充滿低溫介質。此時必須注意低溫流程的壓力不能太高。待升到一定壓力，隨即打開高溫介質入口閥門，直到高低溫介質達到工作壓力。在操作時，嚴格控制壓力，溫度的急劇變化，如有異常現象立即停車。三、運行中應注意事項剛開車時，可能有微漏現象，不必調整不久即可消失。若運行12小時后，仍有微漏可用搬手稍微控緊螺栓，來消除輕微泄漏。運行中介質的換熱效果不佳或阻力降超過允許值時，應及時查找原因，采取措施處理，停車清洗；若阻力降突然升高，一般是入口處有雜物堵塞或有嚴重的結疤所造成，應停車進行反沖洗，或打開封頭清除。發現有兩種介質相串通的現象（可通過分析出口介質成份或壓力變化情況判斷），尤其是易燃、易爆介質，應立即停車修理。嚴格控制溫度與壓力不超過允許值，否則會加速密封件老化，并使密封墊片及介質從局部沖出密封接口，造成嚴重泄漏情況。運行中因設備充滿介質，在壓力高的情況下不允許緊固、夾緊螺栓。開始運行時，發現換熱器冷熱不均，則應檢查是否空氣沒有排凈，并采取相應的有效措施處理。四、換熱器停車程序緩慢關閉高溫介質入口閥門，此時必須注意高壓介質壓力不能過低，隨即緩慢關閉低溫介質入口閥門，縮小壓力差，當壓力降到零時在關閉高溫介質出口閥門后，再行關閉低溫介質出口閥門。冬季停車應放凈設備的全部介質，并吹掃干凈，防止凍壞設備。五、運行中可能出現的異常現象及處理方法異常現 象原因處理方法換 熱效 率低換熱面結垢或油污吸附換熱面腐蝕或應力損壞串漏內部氣體未排凈機械清理或化學清洗化驗介質成份確認無誤，停車處理開相應高點放空密封面泄漏機械應力，拉桿螺栓受力不均換熱面原有傷痕變形法蘭墊老化失效機械修復，減輕應力作用停車檢修用工具緊固，如不行停車換墊兩種介質互串換熱面腐蝕穿透換熱板有裂紋密封墊片損壞更換焊或更換更換第六章 蒸餾、吸收及其塔類設備第一節 常用概念一、拉烏爾定律和亨利定律拉烏爾定律：是描述理想溶液的氣液平衡關系式，即式中 溶液上方組分的平衡分壓同溫度下純組分的飽合蒸氣壓溶液中組分的摩爾分率對于那些由性質極相近、分子結構極相似的組分所組成的溶液可初見其為理想溶液。亨利定律：是描述當總壓不高時，在恒定的溫度下，稀溶液的氣液平衡關系式，即式中 溶質在氣相中的平衡分壓，溶質在液相中的摩爾分率；亨利系數，其數值隨物系的特性及溫度而異。單位與壓強一致。兩定律關系凡理想溶液，在壓強不高及溫度不變的條件下，關系在整個濃度范圍內都符合亨利定律，而亨利系數即為該溫度下純溶質的飽合蒸氣壓，此時亨利定律與拉烏爾定律一致；但對非理想溶液，此時亨利系數不等于純溶質的飽和蒸氣壓，且只在液相中溶質濃度很低的情況下才是常數。在同一種溶劑中，不同的氣體維持其亨利系數恒定的濃度范圍是不同的。對于某些較難溶解的系統來說，當溶質分壓不超過1105Pa后，恒定溫度下的E值可視為常數。當分壓超過1105Pa 后，E值不僅是溫度的函數，且隨溶質本身的分壓而變。亨利系數一般用實驗測定。對于一定的氣體和一定的溶劑，亨利系數隨溫度而變化。一般來說，溫度上升則E值增大，這體現著氣體溶解度隨溫度升高而減小的變化趨勢。在同一溶劑中，難溶氣體的E值很大，而易溶氣體的E值則很小。二、蒸餾利用液體混合物中各組分揮發能力的不同，將混合液加熱沸騰汽化，分別收集揮發出的汽相和殘留的液相而將液體混合物中各組分分離的操作稱為蒸餾。液體混合物中各組分的揮發能力相差越大，就越容易分離。其中較易揮發的稱為易揮發組分（或輕組分）；較難揮發的稱為難揮發組分（或重組分）。三、吸收氣體吸收的原理是，根據混合氣體中各組分在某液體溶劑中的溶解度不同而將氣體混合物進行分離。吸收操作所用的液體溶劑稱為吸收劑；混合氣體中，能夠顯著溶解于吸收劑的組分稱為溶質；而幾乎不被溶解的組分統稱為惰性組分或載體；吸收操作所得到的溶液稱為吸收液或富液；被吸收后排出的氣體稱為吸收尾氣，其主要成分為惰性氣體，但仍含有少量未被吸收的溶質A。吸收塔操作示意圖如下圖所示。 吸收劑對溶質組分的溶解度越大，則傳質推動力越大，吸收速率越快，且吸收劑的耗用量越少。而對混合氣體中的其它組分溶解度甚微，否則不能實現有效的分離。 在工業生產中，除以制取溶液產品為目的的吸收(如用水吸收HCl氣制取鹽酸等)之外，大都要將吸收液進行解吸，以便得到純凈的溶質或使吸收劑再生后循環使用。解吸也稱為脫吸，它是使溶質從吸收液中釋放出來的過程，解吸通常在解吸塔中進行。上圖所示為洗油脫除煤氣中粗苯的流程簡圖。四、溶液的汽液平衡圖（txy圖），兩組分混合液的平衡溫度—組成圖。圖中以x（或y）為橫坐標，以t為縱坐標。圖中有兩條曲線，上方的曲線為t–y線，表示混合物的平衡溫度t與汽相組成y之間的關系，稱為飽和蒸汽線或露點線；下方的曲線為t–x線，表示混合物的平衡溫度t與液相組成x之間的關系，稱為飽和液體線或泡點線。上述的兩條曲線將t–x–y圖分成三個區域。飽和液體線以下的區域代表未沸騰的液體，稱為液相區；飽和蒸汽線上方的區域代表過熱蒸汽，稱為過熱蒸汽區；兩曲線包圍的區域表示汽液兩相同時存在，稱為汽液共存區。在恒定的壓力下，若將溫度為t1 、組成為x1（圖中點A）的混合液加熱，當溫度升高到t2（點B）時，溶液開始沸騰，此時產生第一個汽泡，該溫度即為泡點溫度 。繼續升溫到t3（點C）時，汽液兩相共存，其汽相組成為y、液相組成為x，兩相互成平衡。同樣，若將溫度為t5 、組成為y1（點E）的過熱蒸汽冷卻，當溫度降到t4（點D）時，過熱蒸汽開始冷凝，此時產生第一個液滴，該溫度即為露點溫度 。繼續降溫到t3（點C）時，汽液兩相共存。由圖可見，汽液兩相呈平衡時，汽液兩相的溫度相同，但汽相組成（易揮發組分）大于液相組成；若汽液兩相組成相同時，則露點溫度總是大于泡點溫度。五、相對揮發度純溶液的揮發度是指該液體在一定溫度下的飽和蒸氣壓。溶液中的各組分的蒸氣壓因組分間的