4.1概述 由热力学第二定律可知， 而且在科学 专热不仅是自然界普遍存在的现象 业生 化工生 中的化学反应通是 的泪底下进 为此需 向反应我 反应后的产物常害冷知以移去热量。在其他单损作 温度：而 温度要求，需要加入或输出热量。此外，高温或低温下操作的设备和管道都要求保温，以便诚少 们和外界的传热。近十多年来，随能源价格的不断上升和对环保要求增加，热量的合理利用和废热 的回收越来越得到人们的重视。 化工对传热过程有两方面的要求： (1)强化传热过程：在传热设备中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行热量传递，使物 料达到指 同时便传热 没备 (2 削弱传 减少热损失 了解和竿餐 ，传热是化工中重要的单元操作之一， ,在化学 中 本方 任何热量的传递只能以热传导、对流、 铝射三种方式进行 1执传 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，又称导热。 特点：在纯的热传导过程中，物体各部分之间不发生相对位移，即没有物质的宏观位移。 从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理各不相同。 气体：气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。 固体： 自由电子在晶格间的运动 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。 (2)对流 流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程，对流只能发生在流体中。 由于引起质点发生相对位移的原因不同，可分为自然对流和强制对流。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，造成流体内部上升下降运动而发生对流。强制对流：流 体在某种外力 强制作用下运动而发生的对流。 发出辐射能的过程称为 以电磁波传播能量的现象 物体会货 形其中物体因热的原因 到另一物 热射不仅是能量的转移，而且 有能国 形式的转化。此外，辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作蝶介 4.1.3传热过程中冷热流体的接触方式 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：直接接触式、蓄热式、间避式。 (1)直接接触式传热 在这类传热中，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 常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。 相互混合。 直接接触式传热设各一板式塔 直接接触式传热设各一填料塔 (2)蓄热式传热
1 4.1 概述 4.1.1 传热在化工生产中的应用 由热力学第二定律可知，凡是有温差的地方就有热量传递。传热不仅是自然界普遍存在的现象， 而且在科学技术、工业生产以及日常生活中都有很重要的地位，与化学工业的关系尤为密切。 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；而 反应后的产物常需冷却以移去热量。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。此外，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。近十多年来，随能源价格的不断上升和对环保要求增加，热量的合理利用和废热 的回收越来越得到人们的重视。 化工对传热过程有两方面的要求： （1）强化传热过程：在传热设备中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行热量传递，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，以减少热损失。 一般来说，传热设备在化工厂设备投资中可占到 40%左右，传热是化工中重要的单元操作之一， 了解和掌握传热的基本规律，在化学工程中具有很重要的意义。 4.1.2 传热的三种基本方式 任何热量的传递只能以热传导、对流、辐射三种方式进行。 （1）热传导 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，又称导热。 特点：在纯的热传导过程中，物体各部分之间不发生相对位移，即没有物质的宏观位移。 从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理各不相同。 气体：气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。 固体：导电固体：自由电子在晶格间的运动；良好的导电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。非导电固体：非 导电体的导热是通过晶格结构的振动来实现的。 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。 （2）对流 流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程，对流只能发生在流体中。 由于引起质点发生相对位移的原因不同，可分为自然对流和强制对流。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，造成流体内部上升下降运动而发生对流。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。 （3）热辐射 辐射是一种以电磁波传播能量的现象。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。物体放热时，热能变为辐射能，以电磁波的形式在空间传播，当遇 到另一物体，则部分或全部被吸收，重新又转变为热能。热辐射不仅是能量的转移，而且伴有能量 形式的转化。此外，辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介。 4.1.3 传热过程中冷热流体的接触方式 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：直接接触式、蓄热式、间壁式。 （1）直接接触式传热 在这类传热中，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。 直接接触式传热设备—板式塔 直接接触式传热设备—填料塔 （2）蓄热式传热
这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来的热量， 传递给冷流体，达到换热的目的。 优点：结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或 量的利用。 阀切换方式（逆流） 低温流传 “程的昆合。 (3)间壁式传执 在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接 闭 接触，故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不 很多，工业上应用最多的是间壁式传热过程。这类换 热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁（或不 高温 墨等导热性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在 不相混合的情况下进行热量传递。这类换热器中以套 管式换热器和列管式换热器为典型 设奋 套管换 根不同直径的直 管 成的同 环隙中流动 两种流体通过内管的管壁传热】 T T 面为内管的表面积 即传热 热流体 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间 冷流体七 壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。由壳体、管束 管板、折流挡板和封等组成。 一种流体在管内流动 其行程称为管程：另一种流体在管外流动。其行程称为 壳程。管束的壁面即为传热面。 列管式换热器动画 4.1.4热载体及其选择 或 (1)加执剂 工业中常用的有热水(40100℃) 、饱和水蒸气(100一180℃)、矿物油或联苯或二苯醚混合 物等低熔混合物(180~540℃)、烟道气(500~1000℃)等：除此外还可用电来加热。 用饱和水蒸汽冷凝放热来加热物料是最常用的加热方法，其优点是饱和水蒸汽的压强和温度 ~对应，调节其压强就可以控制加热温度，使用方便。其缺点是饱和水蒸汽冷凝传热能达到的温度 受压强的限制。 水又可分为 水(20 水的传热效果， ,冷酒 -33 4C) 立用最为普遍。在水资源较缺乏的地区， 宜采用空气冷却 4.1.5间壁式换热器的传热过程 (1)基本概念 热负荷Q:工艺要求，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。 传热速率Q:又称热流量，单位时间内通过传热面传递的热量，J/s或W。 热流密度q:又称热通量，单位时间内通过单位传热面传递的热量，J/sm)或W/m。 g=号 式中 总传热面积， (2)稳态与 传 稳态传热 热通量及温度等有关物理量分布规律不随时间而变，仅为位 为稳态传热
2 这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来的热量， 传递给冷流体，达到换热的目的。 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：由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且 两种流体交替时难免会有一定程度的混合。 （3）间壁式传热 在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接 接触，故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不 很多，工业上应用最多的是间壁式传热过程。这类换 热器的特点是在冷、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，以便使两种流体在 不相混合的情况下进行热量传递。这类换热器中以套 管式换热器和列管式换热器为典型设备。 套管换热器是由两根不同直径的直管组成的同心套 管。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，两种流体通过内管的管壁传热，即传热 面为内管壁的表面积。 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。由壳体、管束、 管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动， 其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为 壳程。管束的壁面即为传热面。 列管式换热器动画 4.1.4 热载体及其选择 热载体：为了将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为热 载体。起加热作用的热载体称为加热剂；而起冷却作用的热载体称为冷却剂。 （1）加热剂 工业中常用的有热水（40～100℃）、饱和水蒸气（100～180℃）、矿物油或联苯或二苯醚混合 物等低熔混合物（180～540℃）、烟道气（500～1000℃）等；除此外还可用电来加热。 用饱和水蒸汽冷凝放热来加热物料是最常用的加热方法，其优点是饱和水蒸汽的压强和温度一 一对应，调节其压强就可以控制加热温度，使用方便。其缺点是饱和水蒸汽冷凝传热能达到的温度 受压强的限制。 （2）冷却剂 工业中常用的有水（20～30℃）、空气、冷冻盐水、液氨（-33.4℃）等等。 水又可分为河水、海水、井水等，水的传热效果好，应用最为普遍。在水资源较缺乏的地区， 宜采用空气冷却，但空气传热速度慢。 4.1.5 间壁式换热器的传热过程 （1）基本概念 热负荷 Q’：工艺要求，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。 传热速率 Q：又称热流量，单位时间内通过传热面传递的热量，J/s 或 W。 热流密度 q：又称热通量，单位时间内通过单位传热面传递的热量， J / (sm ) 2 或 W/m2。 q Q A = 式中A──总传热面积，m 2。 （2）稳态与非稳态传热 稳态传热：传热系统中传热速率、热通量及温度等有关物理量分布规律不随时间而变，仅为位 置的函数。连续生产过程的传热多为稳态传热。 Q, q,t = f (x, y,z)
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分布规律不仅要随位置而变，也 是时间的函数。 0,9,t…=fx,y,2,0) (3)间壁式传热过程 如图所示的套管换热器，它是由两根不同直径的管子套 T t 在一起组成的，热冷流体分别通过内管和环隙，热量自热流 体传给冷流体，热流体的温度从T降至T2,冷流体的温度从 t1上升至t2。这种热量传递过程包括三个步骤： ·热流体以对流传热方式把热量Q1传递给管壁内侧 ·热量Q2从管壁内侧传导以热传导方式传递给管壁 流流导热 冷 t流 的外侧 体 ·管壁外侧以对流传热方式把热量Q3传递给冷流体 稳态传热：Q1=Q2=Q3=Q 间壁 总传热速率方程：Q=K4。=元总热阻 △1m总传热推动力 式中 一一总传热系数或比例系数，W/(m·℃)或 W/(m2·K): Q一传热速率，W或J/s: A一总传热面积，m2: △Mm一两流体的平均温差，℃或K。 3
3 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, ) （3）间壁式传热过程 如图所示的套管换热器，它是由两根不同直径的管子套 在一起组成的，热冷流体分别通过内管和环隙，热量自热流 体传给冷流体，热流体的温度从 T1 降至 T2，冷流体的温度从 t1 上升至 t2。这种热量传递过程包括三个步骤： ⬧ 热流体以对流传热方式把热量 Q1 传递给管壁内侧 ⬧ 热量 Q2 从管壁内侧传导以热传导方式传递给管壁 的外侧 ⬧ 管壁外侧以对流传热方式把热量 Q3 传递给冷流体 稳态传热： Q1 = Q2 = Q3 = Q 总传热速率方程： 总热阻 总传热推动力 = = = KA t Q KA t 1/ m m 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，m 2； tm ──两流体的平均温差，℃或 K