化工原理第四章(概述)

（1）自然对流的强弱与加热面的位置有关，在加热 面上部有利于产生较大的自然对流； （2）若固体表面为冷却面，有 利于下部产生较大的自然对流；
加热板
【启示】为了在一定空间内获得较为均
匀的加热，加热器应放置于该空间的下 部，冷却器应放置于该空间的上部。 有关说明
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【强制对流】流体在某种外力的强制作用下运动而 发生的对流。
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列管式换热器结构图
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列 管 式 换 热 器 实 物 图
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列 管 式 换 热 器 实 物 图
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四、几个基本概念
1、热负荷Q’ 由工艺要求决定其数值的大小。是指 单位时间内热流体或冷流体达到指定温度需要吸收 或放出的热量，J/s或W。 2、传热速率Q 又称热流量，由换热设备性能决定其 数值的大小。是指单位时间内通过传热面能够传递 的热量，J/s或W。
198.64
150
476.24
200
1554.77
300
8592.94
（4）高温载热体——液态金属 【优点】沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定 。 【缺点】价格昂贵，操作费用高。 2、冷源（冷却介质） 一般采用水固体】导电固体中有相当多的自由电子在晶 格之间运动，正如这些自由电子能传导电能一样， 它们也能将热能从高温处传到低温处。 ③液体 存在两种不同的观点，类似于气体和类似于非导 电固体。
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2、对流传热 【定义】流体内部质点发生相对位移而引起的热量 传递过程。 【特点】对流只能发生在流体中。 【分类】由于引起质点发生相对位移的原因不同，
C2 H 2 HCl C2 H 3Cl
合成
氯 乙 烯 合 成 器 实 物 图
【工艺说明】乙炔和过量氯化氢的混合气体进入转化 器列管，在氯化汞触媒的作用下，发生加成放热反 应合成氯乙烯气体。
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氯 乙 烯 合 成 器 结 构 图
原料气（乙 炔、氯化氢 ）进口
冷却水出口
第一节
概述
第四章
一、化工过程中的传热问题
二、热量传递的基本方式 三、热量传递的基本方法 四、几个基本概念 五、传热速率方程式 六、热源和冷源
传 热
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第一节
概
述
一、化工过程中的传热问题
1、什么是传热？
【定义】热量传递的简称，是由 高温的物料将热量传递给低温的 物料的单元操作。
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【说明】（1）热流体先将热 量传递给热载体，然后热载 体再将热量传递给冷流体。 （2）热、冷流体不直接接触 ，通过热载体传热。
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【蓄热式传热的特点】 【优点】结构较简单，可耐高温，常用于气体的余 热或冷量的利用。 【缺点】（1）由于填料需要蓄热，所以设备的体积 较大； （2）两种流体交替时难免会有一定程度的混合。
。
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开水桶原理示意图
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蒸 饭 柜 原 理 示 意 图
生米煮成了熟饭
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【说明】高温气体 与冷水在塔板上直 接接触，进行热量 的交换。
高温气体 以鼓泡的 方式通过 塔板上的 冷水层。
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工 厂 中 的 凉 水 塔
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【套管式换热器】 【结构】套管换热器是由两根不同直径的直管组成 的同心套管，传热面为内管壁的表面积。
【工作原理】（1）一种流体在内管内流动，而另一 种流体在内外管间的环隙中流动； （2）两种流体通过内管的管壁传热。
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弯管
内管
外管
套管式换热器结构示意图
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套 管 式 换 热 器 实 物 图
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3、热辐射
（1）什么是热辐射？
【定义】物体会因各种原因发射出 辐射能，其中物体因热的原因发出 辐射能的过程称为热辐射。是一种 以电磁波传递能量的现象。
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万物生长靠太阳
（ 2 ） 辐 射 传 热 原 理
（1）物体放热时，热能变为 辐射能；； （2）以电磁波的形式在空间 传播； （3）当遇到另一物体，则部 分或全部被吸收，重新又转 变为热能。
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【列管式换热器】 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的 间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。 【结构】由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等 组成。
【工作原理】（1）一种流体在管内流动，其行程称
为管程；
（2）另一种流体在管外流动，其行程称为壳程；
（3）管束的壁面即为传热面。
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蓄热室工艺流程图
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（3）间壁式传热 【传热原理】（1）在冷、热两种流体之间用一金属
壁(或石墨等导热性能好的非金属壁)隔开；
（2）两种流体通过传热壁进行热量传递。
【传热特点】两种流体在传热过程中互不接触 。
【典型设备】这类换热器中有套管式换热器和列管
式换热器。
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SO2 O2 SO3
H 98.4kJ / mol
【说明】随着转化率 的提高，要求反应物 系的温度逐渐降低。
二氧化硫氧化反应速率与转化率及温度的关系
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三 氧 化 硫 转 化 炉 示 意 图
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三 氧 化 硫 转 化 炉 实 物 图
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2、为什么要传热 （1）化工生产中的化学反应通常是在一定的温度下 进行的，为此需向反应物加热到适当的温度； （2）反应后的产物常需冷却以移去热量。 （3）在其他单元操作中，如蒸馏、吸收、干燥等， 物料都有一定的温度要求，需要加入或输出热量。 （4）高温或低温下操作的设备和管道都要求保温， 以便减少它们和外界的传热。
（3）饱和水蒸气 【优点】饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应 的关系，调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温
度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率
快。 【缺点】饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强 的限制。
温度 t/℃ 压力 kPa
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100
101.33
110
143.31
120
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3、研究传热的内容 （1）强化传热过程 在传热设备中加热或冷却物料
，希望提高传热过程的速率，使物料达到指定温度
或回收热量，同时使传热设备紧凑，节省设备费用
。
（2）削弱传热过程 如对高低温设备或管道进行保
温，降低传热过程的速率，以减少热损失。
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强化传热
削弱传热
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五、间壁式传热过程的传热速率方程式
1、传热过程分析
【特点】有两种以上的 传热方式构成。
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2、总传热速率方程式 若传热为稳态传热过程，则总传热速率方程为：
Q KAt m
t m 总传热推动力 1 / KA 总热阻
——（唯象律）
式中 K──总传热系数或比例系数，W/(m2· ℃)或W/(m2· K)； Q──传热速率，W或J/s； A──总传热面积，m2； Δtm──两流体的平均温差，℃或K。
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三、传热的基本方法
化工生产中常见的情况是冷热流体进行热交换。 根据冷热流体的接触情况，工业上的传热过程可分 为三大类： （1）直接接触式； （2）蓄热式；
（3）间壁式。
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1、直接接触式传热 【定义】冷、热流体在传热设备中通过直接混合的 方式进行热量交换，又称为混合式传热。 【优点】方便和有效，而且设备结构较简单，常用 于热气体的水冷或热水的空气冷却。 【缺点】在工艺上必须允许两种流体能够相互混合
4、研究传热的目的 （1）掌握传热的基本原理、传热的规律； （2）了解换热器的主要类型、结构形式； （3）运用有关原理和规律去分析和计算传热过程的 有关问题，诸如： ①传热过程的计算（包括换热器的热量衡算、各种 传热过程的传热速率等）； ②换热器的设计与选型 。
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二、热量传递的基本方式
氯化汞触媒
冷却水进口
产物气（氯 乙烯）出口
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氯 乙 烯 合 成 器 实 物 图
【设备说明】氯化汞触媒填充在列管内，反应过程中 产生的热量与列管外的冷却水换热，以防止温度过高 ，避免发生设备爆炸的现象。
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在化工厂的设备投资中，换热器的费用占40％
化 工 厂 中 的 换 热 器 区
Q, q, t f x, y, z
位置不同 ，温度不 同，但不 随时间而 改变。
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（2）非稳态传热 传热系统中传热速率、热通量及温度有关物理量 的分布规律不仅要随位置而变，也是时间的函数。
Q, q, t f x, y, z,
位置不同 ，温度不 同，且随 时间而改 变。
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（3）热辐射的特点 ①热辐射不仅是能量的转移，而且伴有能量形式的
转化。
热能→辐射能（电磁波）→热能
②辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒
介。
③只有在高温（400℃以上）下才有明显的传热量。
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【实例】石油化工厂
管 式 加 热 炉
的管式裂解炉中温度 高达800℃～900℃， 传热过程以辐射传热 为主。
可分为自然对流和强制对流。
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【自然对流】流体原来是静止的，但内部由于温度 不同、密度不同，造成流体内部环流而发生对流。