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1、有机化工学问培训教案水汽车间有机化工学问培训教案第一节 热量传递的根本方式 人们从长期的理论中，总结出热量由高温物体向低温物体的传热过程，其传递的根本方式有三种：热传导、对流传热和辐射传热。一 热传导导热导热是物体中温度较高部分的分子振动较猛烈，当及相邻的分子碰撞时，将能量传给相邻的分子。反映在相邻部分温度上升，这样按依次地将热量从高温向低温传递的方式称为热传导，简称导热。由此可见，导热可以发生在固体、静止流体及没有传热方向上流淌的流体内部。导热的明显特点是：质点分子或原子团没有传热方向上的位移。例如：把铁棒的一端放进火炉中烧，过一会儿，另一端便会烫手。这说明热量已由一端传递到另一端，在此过程
2、中并没有发觉受热的质点发生位移。这是一个典型的导热过程。二 对流传热对流传热是由于受热的质点位移，使热量发生空间位置的转移而进展传递。这种传热方式称为对流传热。可见对流传热只能发生在流体内部。特点是质点有传热方向上的位移。对流传热又分为自然对流和强迫对流。假如流体的质点位移没有外力作用，完全是由于流体各部分不同而造成的密度差异所引起的，那么称为自然对流。假如流体的运动是由于泵或搅拌机械的作用而产生的，那么称为强迫对流。例如，在用水壶烧开水时，受热的部位仅仅是 壶的底部，但过一段时间全壶都会沸腾。这是因为，靠近壶底的水先受热，温度上升，密度变小，所以上升。而壶上部的水温度低、密度大，故而下降，这
3、样壶中的水因各部密度不同而形成循环流淌，便是一个自然对流传热过程。假如在上述过程中，边加热边用器械搅动，便形成一个强迫对流传热过程。三 辐射传热辐射传热过程是物体以电磁波的形式向四周散发辐射能。辐射能遇到另一个物体时，被全部或部分汲取，被汲取的辐射能重新变成热量，这一过程称为辐射传热，简称热辐射。任何物体只要在0 K以上都能放射辐射能，温度越高，辐射实力越强。辐射传热的特点是不须要任何物质为媒介，并伴随着能量形式的转换。例如：太阳对大地的传热，在大气层外这一段不经任何介质，是太阳的热能先以电磁波形式辐射出来，被地球上的物体汲取后又转化成热能，实现热量传递。事实上，以上三种传热方式很少单独存在，
4、一般是二种或三种方式同时出现。例如：在锅炉中，高温的烟道气将热量传给水的过程，就包括有气体的辐射及对流、锅炉壁的热传导及水的对流传热。化工消费的传热过程中，涉及的温度不太高时，辐射影响一般较小，所以，对传热的探讨或计算，通常不考虑辐射的影响。第二节 工业上的换热方式冷热两流体间的传热统称为换热。换热中所用的设备称为热交换器或换热器。工业上的换热方式有以下几种：一 混合式冷、热两股流体干脆接触，在混合过程中进展传热。此种换热方式只适用于两股流体可以干脆接触的场合。二 蓄热式冷、热两股流体交替着通过装有固体填充物的蓄热器。热流体通过时将蓄热器内的填充物加热，将其贮存热量；当冷流体通过时，填充物又把
5、贮存的热量传给冷流体，从而实现热、冷两股流体的热量传递。由于此类换热操作是两股流体交替进展，所以，难免在交替时发生两股流体的少量混合，故在化工消费中运用不多，而多用于石油裂解和冶金工业中。三 间壁式冷、热两股流体被固体壁面隔开，互不混合。传热时，热流体将热量传给壁面，而后再由壁面传给流体。在化工消费中，冷、热两股流体大多数是只需热量交换，因此，间壁式换热是消费中应用最广泛的一种形式。完成间壁换热的设备称为间壁式换热器。在各种间壁式换热器中，运用最多的是列管式，简称管壳式。构造比较简洁的为套管式换热器。换热器的主要性能为传热面积，它说明设备传热实力的大小。所谓传热面积就是隔开冷、热流体的间壁面积
6、。对套管式换热器，传热面积为内管的外表积；对列管式换热器那么为全部内管外表积之和。第三节 间壁式换热器的传热一 传热过程分析对流-导热-对流图2-1-1 间壁两侧流体的传热过程间壁式换热器是化工消费常用的一种换热设备。在间壁式换热器中，冷、热两股流体被固体壁面分开。依据前面讲解并描述的传热方式，热量从热流体通过间壁传给冷流体的传热过程，如图2-1-1所示。热流体首先以对流传热方式将热量传给管壁一侧，再以导热方式将热量传给管壁另一侧，最终又将热量以导热方式传给冷流体。即热流体管壁一侧管壁另一侧冷流体二 传热速率方程式冷、热两股流体进展热量传递。用T表示热流体的温度，t表示冷流体的温度，那么冷、热
7、两股流体温度差t =T-t。理论证明，间壁两侧流体在单位时间内所传递的热量，即传热速率及冷、热两流体的温度差t成正比，且及传热面积成正比。引入比例常数K，得q = K A t 式中 q间壁式换热器的传热速率，J/s；K总传热系数，J/sK；A间壁的传热面积，；t冷、热流体的温度差，K；上式是传热过程的一个根本方程式，称为传热速率方程式。从式中可以看出传热系数K的物理意义是当冷、热两股流体的温度差是1K，传热面积为1时，在单位时间内所传递的热量。可见，K值越大，所传递的热量越多，传热状况越好，因此K值的大小是衡量换热器性能的一个重要标记。K的数值确定于两流体的流淌状况，流体性质、设备的形态尺寸等
8、很多因素。三 间壁式换热器冷、热流体的流向在间壁式换热器中，冷、热流体的流向可分如下四种根本类型。如图2-1-2所示：1 并流：冷、热流体在传热壁两侧按同一个方向流淌；图中a所示。图2-1-2 换热器中流体流向示意图2 逆流：冷、热流体在传热壁两侧按相反的方向流淌；图中b所示。3 错流：冷、热流体在传热壁两侧彼此呈垂直方向流淌；图中c所示。4 折流：冷、热流体在传热壁两侧并流及逆流交替进展。图中d所示。第四节 进步传热速率的途径从传热方程式q=KAt均可以看出，进步传热速率的途径有三个：增大传热面积A；进步冷、热流体的平均温度差t均和进步传热系数K均能使q增加，但终究应如何进步还要做进一步分析
9、。一 增大传热面积A增大传热面积可以进步传热速率，但还意味着金属材料用量增加。设备投资费用增加。因此应从设备构造改造上着手，设法增加单位体积的传热面积。例如用螺纹管代替光滑管，圆管上加翅片，可显著进步传热效果；又如当间壁两侧流体的对流传热系数相差较大时，那么增加系数小的一侧的传热面积，采纳翅片管可以明显地进步传热速率，尽可能的采纳一些传热效果较好的新型换热器。二 增大传热温度差冷、热两种流体的进、出口温度一般由消费工艺所规定，不能随意变动。当两种流体的进、出口温度肯定时，采纳逆流操作可以得到较大的平均温度差t均值。用水蒸气作加热剂时，增大蒸气压力可以进步热流体的温度。用水作冷却剂时，降低水温或
10、增加水的流量，也都可以增大传热温度差。三 进步传热系数K强化传热最有效的途径是进步传热系数K值。K值确定于两个流体的对流传热膜系数、管壁和污垢热阻，在进步K值时主要应削减热阻较大的一项。换热器的管壁一般都是金属壁，导热系数较大，再加上壁厚不大，故管壁热阻通常可能忽视不计。因此进步K值途径是设法进步对流传热膜系数a和削减垢层热阻。1 进步对流传热膜系数a 依据对流传热过程的分析，对流传热热阻主要集中在靠近管壁的层流内层中，在层流内层中的传热方式又是以导热方式进展，而流体的导热系数又很小，因此要进步对流传热系数的详细途径如下：1增加流体的流速或变更流淌方向，以增加流体的湍动程度，削减层流内层的厚度
11、。例如增加列管式换热器的程数、壳程加设档板均可以进步流体的流速和湍动程度，进步其a值。板式换热器中使流体在波形板间流淌，不断变更流向，致使Re=200时就呈湍流状态。2用导热系数较大的流体作加热剂或冷却剂。3尽量采纳有物态变更的流体，可得到很高的对流传热系数。应当指出：假设a内和a外在数值上相差较大时，因为K值总是接近小a值，所以应设法进步小的a值才会有效地进步K值。2 设法防止垢层的形成，削减垢层热阻R垢，刚好消退垢层和尽量运用不易成垢流体。第五节 热绝缘方法一 热绝缘目的对于不在常温下操作的管路及设备，都应实行妥当的绝热措施，其目的在于：1 削减热量损失，进步操作的经济效果。2 保持设备内
12、所须要的高温或低温操作条件。3 维护正常的车间温度，保证良好的劳动条件。二 热绝缘方法1 夹层、夹套绝热这种方法主要是利用气体或液体导热系数较小的特点，使其在夹层、夹套中起绝热作用。例如，锅炉的砖壁，在耐火砖及一般砖之间留有肯定间隙，所形成的夹层中为静止空气层，这样不但有较好的隔热效果，还节约了其它绝热材料。某些完成放热反响的反响器，在外壁装有水夹套，水从夹套中流过，可起到隔热爱护环境的作用，同时也回收了热能。2 包袱、涂抹保温这种方法是选用导热系数较小的保温材料，包袱或涂抹在设备或管路的外面，这样就增加了设备或管路的导热热阻，从而使热损失大大削减。从削减热损失角度看，增加保温层的厚度是有利的
13、，但增加保温层的厚度就会使保温工程的投资加大，而且热损失并不是随保温层厚度的增加而按比例削减。对于直径较小的管路，更应选用优质的保温材料，以削减保温层的厚度。第六节 化工消费的传热设备一 换热器的分类工业上用来实现冷、热流体间热量交换的设备称为换热器或热交换器。在换热器内可以使物料进展加热或冷却，也可以使物料沸腾或冷凝等相变更过程。换热器的种类很多，依据传热原理可分为三大类。1 混合式换热器混合式换热器，又称为干脆接触式换热器。它是将冷、热两流体干脆接触而进展热量交接的。如工业上的冷却塔或称凉水塔、洗涤塔等。2 蓄热式换热器它是将冷、热两股流体交替地通过装有固体填充物的蓄热器。蓄热式换热器是一
14、种间歇操作的换热设备，由于难免发生两股流体混合，化工消费中运用不多。3 间壁式换热器冷、热两流体被一固体壁隔开，流体通过固体壁进展传热，它是化工消费中应用最广的一种换热器。间壁式换热器的种类很多，可以按如下方法进展分类。1 按用处来分：1加热器：用于流体的加热；2冷却器：用于流体的冷却；3预热器：用于流体的预热；4冷凝器或称全凝器：用于蒸气的冷凝、蒸馏中馏分的回收和产生真空等；5分凝器或称部分冷凝器：使蒸气部分冷凝，广泛用于蒸馏操作过程；6再沸器汽化器：用于物料加热汽化，蒸馏操作中应用较广；7深冷热交换：用于深冷别离工程中。2 按换热器运用的材质分类：1金属材料制作的换热器，化工消费中运用最多
15、；2非金属材料制作的换热器；如石墨、陶瓷、塑料、玻璃等非金属材料制作的换热器。3 按传热壁面的形态来分：1管式换热器、喷淋式换热器、U型管式换热器等类型；2板式换热器：冷、热流体被容器壁面或板状固体壁面隔开的一种间壁式换热器。常见的如夹套换热器、板式换热器、翅片板式换热器、螺旋板式换热器、石墨板式换热器等类型。二 常用换热器介绍1 列管式换热器列管式换热器是化工厂中运用最广泛的一种间壁式换热器。它是由一个圆筒形壳体、和壳体内很多平行的管束所构成。最常见的类型有：固定管板式、浮头式和U型式三类。1固定管板式列管换热器它由管板花板、管束、壳体、封头等部件组成。这类换热器构造简洁、质量轻、造价低、运
16、用最普遍。它要求两流体温差不宜超过6070，否那么会因温差太大，使管束及外壳产生较大的热应力，造成管子及管板松脱裂开而漏液；且检修和清洗管、壳程过程均较困难。所以一般用在腐蚀性小，不易产生沉淀流体的换热过程中。依据流体在管束内流经次数，列管换热器有单程、双程和多程之分。2浮头式列管换热器它及固定管板式不同的是管束的一端装有可挪动的管板和浮头。当壳体及管束热膨胀不同时，管束及浮头可以在壳体内自由伸缩，不致因温度差产生热膨胀不同而损坏换热器。此外，由于管束可以从壳体中拆取出来，便于清洗和检修。3U型管式换热器这种换热器是使壳体内管子弯成U型。这种换热器构造简洁、质量轻，但管内不易清洗，只适用于管内
17、流体很清洁，不易结垢的场合。2 夹套式换热器夹套式换热器在容器的外壁装有一夹套，夹套及容器壁之间形成密闭空间，成为加热剂或冷却剂的通道。容器内部为另一种须要加热或冷却的流体，容器的壁面成为两流体的传热面。这种换热器构造简洁，造价低，但传热面积受容器壁大小限制，故常作为反响器或贮液罐，使反响器内维持肯定温度。为了进步传热速度，可在反响器内装搅拌或蛇管强化传热。3 平板式换热器这种换热器设备紧凑，单位体积的传热面积很大。传热系数高；另外该换热器加工制造简洁，拆装，清洗都较便利，目前正在被推广运用。这种换热器的缺点是各板间要用垫片进展密封，操作温度、压力不能过高，密封周边较长，简洁泄漏，流道较小易堵
18、，不适用于易结垢物料。4 板翅式换热器板翅式换热器的优点是：传热效率较高，灵巧紧凑，单位体积传热面积可高达4000m2/m3以上；操作温度及压力的范围较广。缺点是流道狭小；阻力损失较大，易堵塞，要求物料清洁不易成垢；加工制造较困难，内漏后难修复。5 螺旋板式换热器螺旋板式换热器也是一种高效换热器，它构造简洁，单位体积传热面积很大；传热系数高，不易结垢。其缺点是制造和修理比较困难，不耐高压，对焊接质量要求很高。6 石墨换热器不透性石墨换热器，除强碱、强氧化性介质外，对大多数有机化合物、盐类溶液、无机酸和有机酸都具有很好的化学稳定性，而且具有良好的导热性能和机械加工性能，而得到广泛的应用。7 空冷
19、器由翅片管束、管箱、支架及风机等组成。空冷器不能在全部场合代替水冷，因为利用大气温度的空气进展冷却有着局限性。第二节 液体输送机械依据流体流淌规律知道，假如要将流体从低处送往高处，从低压变为高压，从低速变为高速以及抑制流淌过程中产生的阻力，就须要把外加能量加给液体的机械液体输送机械来完成。输送液体、供应液体能量的机械被称为泵。下面介绍几种最常用的泵。一 离心泵1 离心泵的工作原理利用叶轮高速旋转时所产生的离心力来输送液体的机械。主要部件为叶轮、泵壳、泵轴、吸入管和排出管。2 离心泵的性能参数及特性曲线1扬程 又称泵压头，它是指泵对单位重量1N液体所供应的有效能量，用来抑制输送液体时由于液体位置
20、、压力、速度变更和输送过程的摩擦阻力所造成的压头损失。泵供应能量的实力，其单位可用m液柱表示。泵的扬程及叶轮的构造、大小和转速有关。应当留意，离心泵的扬程及升扬高度不同，泵的升扬高度是指泵将液体从低处送到高处的垂直高度。只有当泵的进出口容器都处于0.1Mpa，进出口管径一样及管路阻力可忽视不计时，泵的扬程才及升扬高度相等。2离心泵的流量 它是指单位时间内泵向管路输送的液体流量，它说明了泵输送液体量的实力。泵的流量取决于叶轮的大小、转速、叶轮越大，转速越快，那么泵的流量越大。3 泵的功率和效率 泵的功率又称为泵的轴功率，它是指泵在单位时间内从电机处获得的能量。泵本身不会产生能量，它之所以能使液体
21、增加能量，是靠电动机带动泵轴旋转，从电机处获得了能量。其大部分传递给了液体，进步液体的能量；另一部分那么在运转过程中被损耗。液体真正获得的功率称为有效功率。泵的效率即是指泵的有效功率和轴功率的比值。泵在运转过程中损失的能量越多，液体得到的能量就越少，其效率就越差。4 泵的汽蚀现象和安装高度 离心泵的吸液是叶轮在旋转时，叶轮中心处形成了低压，液体靠池液面上方的大气压和泵的入口处的压强差把液体压进泵内的。当液面压强为定值时，使液体流淌的压强差就有一个限度，不会大于液面压强。因此，泵的吸上高度即泵入口中心间隔 池液面的高度也有一个限度，即泵的安装高度有肯定限度。运用柏努力方程来分析可得知，泵安装得离
22、池液面越高，泵入口处压强将越低即真空度越大，当泵入口处压强小于液体的饱和蒸汽压时，液体就在泵入口处沸腾，产生大量气泡冲击叶轮、泵壳，泵体发生振动和不正常的噪音，甚至使叶轮脱屑，开裂而损坏。此时泵的流量、扬程、效率都急剧下降，这种现象称为泵的“汽蚀现象。为了防止汽蚀现象的产生，必需使泵入口处的压强大于液体的饱和蒸汽压，这是确定泵安装高度的原那么。5 离心泵安装及运行时的考前须知1安装时应考前须知1选择安装地点，要求靠近液源，场地光明枯燥，便于检修、拆装。2泵的地基要求坚实，一般用混凝土地基，地脚螺丝连接，防止振动。3泵轴和电机转轴要严格限制程度。4吸入管路的安装应严格限制好安装高度，并应尽量削减
23、弯头、阀门等部分阻力，吸入管的直径不应小于泵进口的直径。2运行时应考前须知启动前必需使泵内灌满液体，直至泵壳顶部排气孔冒液为止。这是因为离心泵没有自吸实力，空泵启动不能输送液体。另外，启动前将出口阀全关，使其在流量为零的状况下启动，使泵所需功率最少，防止电机因启动时过载而烧坏。启动后渐渐调整出口阀来调整流量。运转时要常常检查轴承是否过热，光滑状况是否良好，留意填料层的泄漏和发热状况，填料的松紧要适当。停车时首先关闭出口阀，以防止停车时出口管路中液体倒流而使泵叶轮倒转，引起叶轮螺母松脱，叶轮及泵轴松脱等现象。离心泵及其他类型泵相比较、构造简洁，造价低廉，占地面积小，便于安装、操作和维护，流量匀称
24、，易于调整，出口管路堵塞时不至损坏泵体等优点。但离心泵的扬程较低，且受流量的影响，效率也较低，对泵的密封性能要求高，运转中假设有空气漏入泵内，易产生汽栓而降低排液量甚至不出液体。因此离心泵常用于低扬程、大流量的场合，或用于输送含固体颗粒的悬浮液、污水、腐蚀性的液体。二 其他类型泵1 往复泵往复泵是依靠作往复运动的活塞依次开启吸入阀和排出阀从而吸入和排出液体的。其主要部件有泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀和排出阀。往复泵主要适用于小流量、高扬程的场合。输送高粘度液体的效率较离心泵高。但不能用来输送腐蚀性液体和含有固体粒子的悬浮液，以免损坏缸体。2 轴流泵轴流泵是利用高速旋转的螺旋式叶轮将液体从吸入口推
25、向排出口。因为泵内液体沿着泵轴方向流淌，故名为轴流泵。轴流泵构造简洁，输送量大，效率高，但扬程很低，适用于流量大而扬程不大的场合。3 齿轮泵齿轮泵的主要构件是一对啮合的齿轮，其中一个靠电机带动旋转称为主动轮，另一个靠主动轮的啮合而转动称为从动轮。齿轮泵的构造简洁，工作牢靠，扬程高而流量小，可用于输送粘稠液体以及膏状物，但不能输送含有固体颗粒的悬浮液。4 漩涡泵漩涡泵的外形和离心泵有些相像，主要的工作部件是叶轮和泵体。叶轮是一个圆盘，圆盘边缘有一周径向叶片，通过叶轮的高速旋转，使液体在叶片间形成涡流运动，并使液体沿着流到流至排出口。漩涡泵的流量小、扬程高、体积小，构造简洁，有气体漏入也不影响工作
26、。其缺点是效率低。它相宜于输送流量小，外加压头要求高的清液和具有挥发性的液体，但不能输送含有固体颗粒的悬浮液，以免泵体和叶轮损坏。5 螺杆泵螺杆泵由泵壳和螺杆构成。它及齿轮泵相像，利用两根相互啮合的螺杆推动液体轴向挪动，液体从螺杆两端进入后从中央排出。螺杆越长，那么泵的扬程越高。螺杆泵的效率比齿轮泵高，操作时无噪声，工作寿命长，构造紧凑，流量连续而匀称。适用于输送清洁的粘稠液体。第三节 化工管路化工管路主要由管子、管件和阀三部分组成，另外还有附属于管路的管架、管卡、管撑等管件。一 管子管子是管路的主件，依据材质的不同可分为金属管和非金属管两大类。金属管有铸铁管、无缝钢管、有缝钢管和有色金属管。
27、非金属管主要有塑料管、玻璃管、胶管和陶瓷管。二 管件管件是附属于管子所用的各种零件，种类很多，依据在管路中的作用可分为六类。1 用来变更管路方向的管件，如弯头。2 用来连接两段管路的管件，如外接头、内接头、活结头、法兰等。3 用来连接收路支管的管件，如三通、四通、Y形管等。4 用来变更管路直径的管件，如大小头、异径管和内外螺纹管接头。5 用来堵塞管道的管件，如管帽、丝堵及法兰盖等。6 用来连接固定钢管和临时胶管的管件，如吹扫接头。三 阀件阀是安装在管道上可以调整流体的流量、压力，切断流体流淌等作用的装置，利用它可以有效地限制消费工艺。依据阀的构造和作用可以分为以下几种。1 旋塞考克 优点是构造
28、简洁，闭起快速，全开时流体阻力较小，但不能精确调整流量，旋塞易卡住阀体难以转动，密封面易磨损。2 截止阀 截止阀构造比较困难，流体阻力较大，但严密牢靠，可耐酸、高温柔压力。常用于输送蒸汽、压缩空气和油品，但不应用在粘性大和含有固体物料的液体物料输送上。安装时要留意使流体流向及阀门进出口一样。3 闸阀 阀体内装有一个闸板，转动手轮是阀杆下面的闸板升降，从而调整和闭启管内流体流量。闸阀全开时，流体阻力较小，但制造和修理都较困难。阀体高度大，占地多，价格较贵，多用在大型管路中作起闭用。不适于输送含颗粒料及作流量调整运用。4 其他阀单向阀止逆阀 其作用是仅允许流体向一个方向流淌，一旦倒流就自动关闭。平安阀 是用来防止设备内压力超过规定指标，当压力高于规定指标时，阀可自动开启，排出多余的流体，压力复原后又自动关闭，是一种平安消费的保险装置，常用在中压和高压操作设备上。常用的平安阀有杠杆式和弹簧式两种。减压阀 能自行降低管路及设备内的高压，使到达规定的低压。流量调整阀 是协作限制仪表运用的一种自动调整阀，用膜片的运动和弹簧的弹力来调整阀芯的上下运动，从而开启和关闭阀门。另外工厂中还有蝶阀、隔膜阀、疏水阀等。四 管道的连接管子及管子、管子及管件、阀体之间的连接方式常见的有螺纹连接、法兰连接、插套连接和焊接连接四种。