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化工单元操作培训资料
传热
一、 传热在工业生产中的应用
1、 工业生产中的化学反应过程，通常要求在一定温度下进行，为此，必须适时的输入或者输出热量。
2、 此外，在蒸馏、精馏、干燥等单元操作中，也都需要按一定的速率输入或输出热量。
3、 通常需要尽量使其传热优良，还有另一种情况，如高温或者低温下操作的设备或管道，则要求保温保冷，以尽量建好他们与外界的热交换。
热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递向低温，直至温度相等。
传热方向：高温——低温
传热极限：温度相等
传热推动力：温差
目的
举例
措施
加热或冷却
加热反应物使之达到反应温度
强化传热
加热精馏物料使之正常精馏分离
冷却饱和溶液使之结晶析出
换热
精馏塔顶、塔底物料与进料的换热
保温
锅炉、热反应塔器、热管线的保温
冰箱的隔热层
消弱传热

二、 传热的三种基本形式
热传导
对流
辐射
三、 热传导
传热机理：通过分子的热振动传递热量。特点：分子不发生宏观位移。
液体：分子间作用力较强，由相邻分子振动导致热传递
固体：相邻分子的碰撞或电子的迁移。
气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递。
热导率
表示物质的导热能力，是物质的物理性质之一。与物质的组成、结构、密度、压力和温度等有关。
①金属是热的良导体，纯金属的热导率一般随温度的升高而略有减小。金属的纯度对热传导率影响很大。
②非金属的建筑材料或绝缘材料热导率随密度的增大或温度的升高而增加。
③非金属液体以水的热导率最大，除水以外，绝大部分的液体的热导率随温度的升高而略有减小。
④气体的热导率很小，不利于导热而利于保温。如玻璃棉中有气体空间存在，其热导率很小，可用作保温材料。气体的热导率随温度的升高而增大。气体热导率和压力无关。
l金属固体 > l非金属固体 > l液体 > l气体

1、冬天，铁凳与木凳温度一样，但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子上感到冷，为什么？
2、一杯牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什么？

四、对流传热
传热机理：通过流体传质点的相对位移传递热量。特点：流体质点互相混合碰撞
强制对流

自然对流
用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。
由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热

典型的间壁式对流传热：
热流体
冷流体
th
tc
th,w
tc,w
Φ
Φ
流体通过间壁的热交换
Thm
Tcm
δL1
Thw
δL2
δ1‘
δ2‘
TCW

（1）层流边界层（层流内层）内：热传导，热阻大；
（2）过渡区：热传导与对流传热共同起作用；
（3）湍流区（主体流动区）：充满漩涡，混合很好，对流为主，热阻小。

说明：流动边界层对传热边界层影响显著，
改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度，
可使传热速率大大提高。
①影响对流传热系数的因素：
流体的物性：如导热系数λ、密度ρ、粘度μ和比热容cp；（不凝气的影响，尤其是蒸汽在冷凝过程中，若蒸汽中含有空气或其他不凝性气体时，壁面会形成一层气膜，此时蒸汽必须已扩散的方式穿过气膜，这相当于形成一项大的阻力，使传热系数大大下降。因此在换热过程中不凝气的排除尤为重要。循环水排气是同样的道理）
流体的相态变化；
流动型态：总体来说，层流的传热系数比湍流时小。如何实现湍流（提高流速）
自然对流的影响；
传热面的形状特征与相对位置；折流板、波纹管等。
污垢阻力：管道结构的影响，循环水的处理
在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在？，减少热阻的最有效措施是 ？

如果开启电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是为什么？
一杯热牛奶，用均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边搅拌边吹风，则凉得更快。前者利用牛奶对流，后者再加上空气对流。

五、 辐射
传热机理：通过发射电磁波的形式向外辐射能量。特点：传热过程不需要介质。

六、 换热器
直接接触式
换热器 间壁式
蓄热式

冷流体t1
t2
热流体T1
T2

• 间壁式传热特点：壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递
• 传热过程可分为三步：
• 热流体将热量传给固体壁面（对流传热）
• 热量从壁的热侧传到冷侧（热传导）
• 热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热）
• 壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。

1、夹套式

2、沉浸式蛇管式
3、喷淋式蛇管式
4、套管式换热器
5、列管式换热器（重点）
（1）结构：筒体、管板、列管、封头、折流挡板。
（2）概念：
管程和壳程
折流挡板
（3）种类：固定管板式、浮头式和U形管式。

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
用电加热
冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等
• 加热温度<180°C 饱和水蒸气
• 冷却温度>30°C 水

t2
t1
T1
T2
对流
对流
导热
冷流体
Q
热流体

流体流经的选择：
在换热器中，哪一流体走管程，哪一流体走壳程，如何选择？
不洁净的或易于分解结构的物料应当走易于清洗的一侧。对于直管束，一般走管程。
需要提高流速以增大其给热系数的流体应当走管程。因为管内截面积一般比管间截面积大很多，而且易于提高流体流速。
具有腐蚀性的物料走管程，这样可以用普通的材料制造壳体，而只需要管束、管板、封头用耐腐蚀材料。
压力高的物料走管程，这样壳体可以不受压。
温度很高或很低的物料走管程以减少热量（或冷量）的散失。当然，若为了更好的散热，就要让高温物料走壳程。
蒸汽一般走壳程，因为便于排水，而且蒸汽比较干净
粘度较大的流体一般走壳程，因为在设有挡板的壳程流动时，流道截面和流向都在不断改变，很容易达到湍流状态，有利于提高传热系数。
当然以上原则有时会相互矛盾，应根据具体情况抓住主要因素。
我国标准管径为φ25×2.5和φ19×2
L/D=4-6 标准换热器列管长1.5m 2m 3m 4.5m 6m 9m
列管的排列形式：正三角形、正方形、正方形错列
管子的排列方式有等边三角形和正方形两种（图a，图b）。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转45可在一定程度上提高表面传热系数。

折流挡板
安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。

6、其他高效换热器
（1）螺旋板式
（2）平板式
（3）板翅式
（4）翅片管式
（5）热管
强化传热：增大传热面积、增大传热系数、增大传热温度差

列管换热器的热补偿装置：
列管式换热器在操作时，由于冷、热两流体的温度不同，外壳和管子的温度必有差异，这种差异使外壳和管子的热膨胀不同，情况严重时，可以将管子扭弯，或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器。所以若外壳和管子温差超过50℃时，就必须考虑这种热膨胀的影响。一般采用补偿圏补偿。但不宜用于两流体的温度差太大(不大于70℃)和壳方流体压强过高  (一般不高于600kPa)的场合。

吸 收
一、概述
1、传质和传热的概念？
传质：在化工生产中通常会遇到均相物系混合物的分离过程，即将混合物系分离为纯净的单组份物系。利用原物系中各组分之间某种性质的差异，从而将均相物系形成两相物质，到达分离的目的。物质在相间的转移过程称为传质过程。（遵循物料守恒定律）。化工中常见的传质：萃取、吸附、干燥、蒸馏、吸收等。
传热：是物理学上的一个物理现象，是热能从高温向低温部分转移的过程。（遵循能量守恒定律）。

2、吸收的概念？
气体中的一个组分或几个组分溶解于该液体内而形成溶液，不能溶解的组分则保留在气相之中，于是原混合气体的组分得以分离。这种利用各组分溶解度不同而分离气体混合物的操作称为吸收。
吸收的依据：混合气体中各组分在液体中的溶解度不同。
操作性质：气液间单向传质过程。
吸收操作在吸收塔中进行，典型的逆流吸收操作示意图：

3、化工生产中吸收装置的应用：
（1） 分离混合气体以获得一定的组分。
例如：用硫酸处理焦炉气以回收其中的氨；用液态烃处理裂解气以回收其中的乙烯、丙烯。用环己醇吸收尾气中的环己烷。
（2） 除去有害组分以净化气体。
例如：用水或液碱脱除合成氨原料气中的CO2、SO2（原料气净化）
（3） 制备某种气体的溶液
例如：用水吸收氯化氢以制取盐酸；用水吸收甲醛制取福尔马林溶液。

4、物理吸收和化学吸收
在吸收过程中，如果溶质和溶液不发生显著化学反应，可以当作单纯的溶解于液相的物理过程，称为物理吸收。
反之，若发生显著化学反应称为化学吸收。

5、单组份吸收和多组分吸收
若混合气体中只有一组分进入液相，其余组分皆不溶于液相，称为单组份吸收。如果混合气体中有两个或两个以上的组分进入液相，则称为多组分吸收。

6、等温吸收和非等温吸收
气体溶解于液体中常常伴有热效应，当发生化学反应时，还会有反应热，其结果是使液相温度逐渐升高，这样的吸收过程称为非等温吸收。若热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓度很低而吸收剂用量很大时，温度上升不明显，可认为是等温吸收。
与吸收操作相反的操作，从吸收剂中分离出已被吸收的气体的操作称为解吸。
因此，吸收具有可逆性。
7、吸收过程的极限及方向

极限：气液两相呈平衡状态；
方向或推动力：一相浓度与同另一相浓度呈平衡的该相浓度之差；
比如：溶质在气相中的分压为，液相中溶质浓度为，与呈平衡的气相分压为，则推动力为（）。

溶解平衡时，溶液中气体的浓度称为 平衡浓度 ，它是吸收过程的 极限 ，该浓度随温度升高而 下降 ，随压力升高而 增大 。

二、吸收原理
1、平衡溶解度
在一定温度和压力下，混合气体与液体接触时，混合气体中的溶质会溶解于液体，而溶于液相内的溶质又会从溶剂中逸出返回气相。随着溶质在液体中的浓度逐渐增加，溶质返回气相的量也逐渐增大，直到单位时间溶于液相中的溶质与从液相返回气相的溶质量相等，气相和液相的组成不再改变，达到动平衡。平衡时溶质在气相中分压称为平衡分压PA*，溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度，它是吸收过程的极限。他们之间的关系称为相平衡管线。
此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，在宏观上过程就象是停止了。

气体的溶解度和温度、压力有关；气体的溶解度随温度的升高而减小，随压力的升高而增大。但当吸收系统的压力不超过506.5kpa时，气体的溶解度可看作与气相的总压力无关，而仅随温度的升高而减小。
Ø 温度、压强一定，在同一溶剂中，不同气体的溶解度不同；
Ø 溶质、温度一定，溶质气体分压提高，溶解度加大；
Ø 溶质、分压一定，温度升高，溶解度降低。
氨在水中的溶解度
Ø
2、亨利定律
吸收操作最常用于分离低浓度的气体混合物，此时液相的浓度通常比较低（在稀溶液范围内）。稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一过原点的直线，即气液两相的浓度成正比，这一关系称为亨利定律。气液组成用不同的单位表示时，亨利定律形式不同：

1. 亨利定律（p-x）
溶质在液相中的摩尔分数浓度
溶质在气相中的平衡分压， kPa 浓度P*/P
亨利系数，kPa

亨利定律表示气液两相在达到平衡时，吸收质在两相中的分配情况。
E值随温度的升高而增大，数值越大，则表明气体的溶解度越小。
3、 相平衡在吸收中的应用
由于气液相平衡是吸收进行的极限，因此，在一定条件下，吸收若能进行，溶质在气相中的分压必须大于与液相平衡时的平衡分压。
PA＞PA* 溶质A由气相向液相传质，吸收过程
PA=PA* 平衡状态
PA＜PA* 溶质A由液相向气相传质，解吸过程

4、吸收理论
（1）A由气相主体到相界面，气相内传递；
（2）A在相界面上溶解，溶解过程；
（3）A自相界面到液相主体，液相内传递。

单相内传递方式：分子扩散；对流扩散 。

气相主体
液相主体
溶解
气相扩散
液相扩散

双膜理论：

根据双膜理论，吸收质从气相主体中以对流扩散的方式到达气膜边界，又以分子扩散的方式通过气膜到达气液界面，在界面上吸收质不受任何阻力从气相进入液相，然后以分子扩散的方式穿过液膜到达液膜边界，最后以对流扩散的方式转移到液相主体。

理解：（1）在吸收时，气液两个流体共有一个界面，在相界面的两侧分别存在着稳定的气膜和液膜，一般来说膜的厚度是极薄的，两膜内流体是层流，即使两相主体是高度湍流时，膜内流体也是层流的。
（2）界面上无传质阻力
（3）在两膜以外的气液两相的主体中，由于流体的充分湍动，吸收质的浓度基本上均匀的，也就没有任何的传质阻力，即认为两相主流中没有浓度差存在，换句话说，浓度差全部集中在两个膜层内。
（4）根据流体力学原理，流速越大，则膜的厚度越薄，因此增大流速，可以减小扩散阻力，增加吸收速率。
以双膜理论为依据，则吸收过程的传质总阻力是气相传质阻力与液相传质阻力之和(相界面无阻力)。

四、填料塔的结构及填料性能
（一） 填料塔结构
填料、液体分布器、液体再分布器、支承板、除沫器
（二） 填料性能
1.作用：提供传质面积；促使分散、湍动、液膜更新。
2.填料特性
1）比表面积 a：单位堆积体积所具有的表面积
2）空隙率ε： 单位体积填料所具有的空隙体积
3）干填料因子
湿填料因子φ——液体喷淋下测得
（三） 常用填料 （散装填料、规整填料）
形状
环形 （拉西环、鲍尔环、阶梯环）
鞍形 （矩鞍形、弧鞍形、共轭环、扁环）
波纹形（板波纹、网状波纹）
材料：陶瓷、金属、塑料
堆放：整砌、乱堆

溶剂
填料塔
气体

拉西环
鲍尔环

q环
阶梯环

丝网波纹
鞍形环

板波纹

（四）填料塔的附件
支承板

液体分布器
管式 管式 槽式

莲蓬头式 盘式 盘式

槽式液体分布器

液体再分布器
截锥式 斜板式

除沫器
折板除沫器 丝网除沫器

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