化工原理讲义

当物体的相对位置、表面温度、辐射面积一定时，要想改变辐射传热速率，可以通过改变物体表面黑度的办法。例如，为

了增大室内各种电器设备表面的散热量，可在其表面涂上黑度较大的油漆，油漆的黑度为0.92～0.96。而在需要减少辐射传热时，可在物体表面上镀以黑度较小的银、铅等薄层。保温瓶的瓶胆就采用这种方法减少热损失。玻璃的黑度为0.94，银的黑度为0.02。瓶胆夹层的玻璃表面上不镀银的热损失是镀银时的88倍。同时，瓶胆夹层中抽成真空，以减少导热与对流传热。 2．采用遮热板

为了削弱辐射传热速率，常在两个辐射传热表面之间插入薄板，以阻挡辐射传热。这种薄板称为遮热板。 第六节换热 器

生产中换热器用量大，类型多。通常需要在了解各种换热器的结构、特点与用途的基础上，根据生产工艺要求，通过计算，

选用适当的换热器。 一、换热器的分类 (一)按用途分类

换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器和蒸发器等。 (二)按冷、热流体的传热方式分类 1．两流体直接接触式换热器

这类换热器是冷、热流体直接接触进行热量传递的，常用于热气体用水直接冷却以及热水用空气冷却，可以在填料塔内进

行。在传热过程中，伴有水的汽化，使气体增湿。这种换热器也用于水溶液蒸发器排出的水蒸气用冷却水直接冷却冷凝。 2．蓄热式换热器

蓄热式换热器通常简称蓄热器。如图所示，蓄热器中装有热容量较大的耐火砖等填料，其构造简单，常用于回收气体的

热量或冷量。

热气体与冷气体交替流过畜热器。当热气体流过蓄热器时，将热量传给填料；当冷气体流过蓄热器时，填料将热量传给

冷流体。

冷、热气体交替时，会有一定程度的混合。当不允许混合时，不能使用蓄热式换热器。 3．间壁式换热器

这类换热器使用的最多，热流体与冷流体用间壁隔开，热流体的热量通过间壁传给冷流体。 二、间壁式换热器 (一)夹套式换热器

如图所示，夹套式换热器是在容器外壁安装夹套，器壁与夹套之间为加热介质或冷却介质的通道。当用水蒸气进行加热

时，水蒸气由夹套上部接管进入，冷凝水从下部接管排出。冷却时，液体冷却介质应从夹套下部进入，上部排出。夹套式换热器结构简单，常用于反应器或容器中物料的加热或冷却。由于容器的器壁为传热面积，相对容器中物料的容积来说，其传热面积较小。为了缩短物料的加热或冷却时间，可以设法增大传热面积或提高传热系数。增大传热面积的方法是在容器中安装蛇管，加热介质与冷却介质在蛇管中通过。为了提高对流传热系数，可以在容器中安装搅拌器，使液体强制对流；在夹套中安装螺旋板等，以提高流体湍动程度，并能避免流体在夹套中偏流。 (二)沉浸式蛇管换热器

如图所示，用金属管弯制成的蛇管，安装在容器中液面以下。容器中流动的液体与蛇管中的流体进行热量交换。这种换热

器结构简单，适用于管内流体为高压或腐蚀性流体。为了提高管外流体的对流传热系数，容器中可安装搅拌器，增大液体的湍动程度。

(三)喷淋式换热器

喷淋式换热器用于管内流体的冷却，可以是高压流体。

如图所示，冷却用水进入排管上方的水槽，经水槽的齿形上沿匀均分布，向下依次流经各层管子表面，最后收集于水池中。

管内热流体下进上出，与冷却水作逆流流动，进行热量交换。

喷淋式换热器一般安装在室外，冷却水被加热时会有部分汽化，带走部分汽化热，提高传热速率。其结构简单，管外清洗

容易，但占用空间较大。 (四)套管式换热器

套管式换热器是由两种直径的直管套在一起，制成若干根同心套管。外管与外管用接管串联，内管与内管用U形弯头串

联，组成套管式换热器。

一种流体在内管中流动，另一流体在内管与外管之间的环隙中流动。两流体可以逆流流动，其平均温度差较大。由于可

以适当选择管径，使内管与环隙的流体呈湍流状态，故传热系数较大。

这种换热器结构简单，能耐高压。根据传热的需要，可以增减串联的套管数目。其缺点是单位传热面的金属消耗量较大。

当流体压力较高或流量不大时，采用套管式换热器较为合适。 (五)螺旋板式换热器

螺旋板式换热器是由两张平行而有一定距离的薄钢板卷制成螺旋形状。在螺旋的中心处，焊有一块隔板，分成互不相通的

两个流道，冷、热流体分别在两流道中流动，螺旋板是传热面。

螺旋板的两侧焊有盖板，一侧盖板上开有一种流体的进口，而另一侧开有另一流体的出口，两流体逆流流动。 由于流体的流速较高以及离心力作用，流体的对流传热系数较大，但流体阻力较大。

螺旋板式换热器的结构紧凑，单位体积的传热面积较大。操作压力不能超过2MPa，温度不能太高，一般在350℃以下。 (六)板式换热器

板式换热器由一组长方形薄金属板平行排列，用夹紧装置组装于支架上。

两相邻板片的边缘衬以密封垫片(橡胶或压缩石棉等)压紧。板片四角有圆孔，形成流体的进、出通道。冷、热流体在板片

两侧逆向流动，通过板片进行换热。板片被压制成各种槽形或波纹形的表面，既能增大板片的刚度和传热面积，又能增强流体的湍动程度。

板式换热器的主要优点有以下3个。

①总传热系数大，这是因为板面压制成波纹或沟槽，在低流速下就能达到湍流。

②结构紧凑，单位体积设备的传热面积大。每立方米体积的传热面积约为列管式换热器的6倍。 ③因为折装方便，可以根据传热的需要增减板片数，调节传热面积。检修和清洗也很方便。 33

主要缺点是允许的操作压力较低，最高不超过2MPa，否则容易渗漏；因受垫片耐热性能的限制，操作温度不能太高，如

合成橡胶垫圈不超过130~C，压缩石棉垫圈也应低于250~C；处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。

(七)板翅式换热器

板翅式换热器是一种轻巧、紧凑、高效的换热器。最早用于航空工业，现已逐渐在石油化工、天然气液化、气体分离等部门

中应用，获得良好效果。

板翅式换热器的基本结构是一组波纹状翅片装在两块平板之间，两侧用封条密封，组成单元体。再将若干个单元体叠在一

起，用钎焊焊牢，制成逆流或错流式板束。然后将带有进、出口的集流箱焊到板束上，制成板翅片换热器。

板翅式换热器的主要优点如下。

①结构紧凑，每立方米体积内的传热面积一般能达2500mz，最高可达4300~3，约为列管式换热器的29倍。

②单元体中的平板为一次传热面，翅片为二次传热面，翅片能促进流体的湍流，破坏流体边界层的发展，使传热系数增大，传

热效果好。

③轻巧牢固，一般用铝合金制造，质量轻，在传热面积大小相同的情况下，其质量约为列管式换热器的1/10。翅片是两平板的

有力支撑，强度较高，承受压力可达5MPa。

板翅式换热器的缺点是流道较小，易堵塞，清洗困难，故要求物料清洁；其构造较复杂，内漏后很难修复。

(八)热管式换热器

热管式换热器常用于高温气体向低温气体传递热量。

其结构是在长方形壳体中安装许多热管(heatpipe)，壳体中间有隔板，使高温气体与低温气体隔开。

热管是在金属管外表装有翅片的一种新型传热元件，其工作原理如(b)所示。在一根抽去不凝性气体的金属管内表面覆盖

一层有毛细孔结构的吸液网，管内还装有一定量的工作液体，工作液体渗透到吸液网中。热管的一端为蒸发端，另一端为冷凝端。工作液体在蒸发端从高温气体得到热量而蒸发为蒸气，在蒸气压力差的作用下流向冷凝端，向低温气体放出热量而冷凝为液体。此冷凝液在吸液网的毛细管作用下流回蒸发端，再次受热而汽化。如此反复循环，不断地将热量从蒸发端传到冷凝端。 热管式换热器的特点是如下所述。

①热管内的工作液体在蒸发端沸腾汽化，在冷凝端冷凝为液体，沸腾与冷凝的传热系数都很大。

②热管外壁有翅片，增大了气体与管外壁之间的传热面积。这对于对流传热系数很小的气体来说，会减小气体与管外壁的对流传热的热阻。 热管的材质可用不锈钢、铜、镍、铝等，载热介质可用液氮、液氨、甲醇、水及液态金属钾、钠、银等。温度在一200—2000~C之间都可应用。这种新型的换热装置传热能力大，构造简单，应用广泛。 (九)列管式换热器

列管式换热器又称管壳式换热器，在化工生产中被广泛使用。它的结构简单、坚固、制造较容易，处理能力大，适应性能，

操作弹性较大，尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。 1．固定管板式换热器(fixed-tube-sheet heat exchanger)

这种换热器主要由壳体、管束、管板(又称花板)、封头和折流挡板等部件组成。管束两端用胀接法或焊接法固定在管板上。 为提高管程的流体流速，可采用多管程。即在两端封头内安装隔板，使管子分成若干组，流体依次通过每组管子，往返多

次。管程数增多，可提高管内流速和对流传热系数，但流体的机械能损失相应增大，结构复杂，故管程数不宜太多，以2、4、6程较为常见。图4-46为单壳程、四管程固定管板式换热器。同样，为提高壳程流体流速，以提高对流传热系数，可在壳程内安装折流挡板，常用的有圆缺形(或称弓形)和圆盘形两种。

换热器因管内、管外的流体温度不同，壳体和管束的温度不同，其热膨胀程度也不同。若两者温度相差较大(50'C以上)，

可引起很大的内应力，使设备变形，管子弯曲，甚至从管板上松脱。因此，必须采取消除或减小热应力的措施，称为热补偿。对固定管板式换热器，当温差稍大，而壳体内压力又不太高时，可在壳体上安装热补偿圈(或称膨胀节，见图4-46)以减小热应力。当温差较大时，通常采用浮头式或U形管式换热器。 2．浮头式换热器(floating head heat exchanger)

这种换热器有一端管板不与壳体相连，可沿轴向自由伸缩，如图4-49所示。这种结构不但可完全消除热应力，而且在清洗

和检修时，整个管束可以从壳体中抽出。因此，尽管其结构较复杂，造价较高，但应用仍较普遍。 3．U形管式换热器(U-bendexchanger)

图4-50所示为一U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，因此，每根管子皆可自由伸缩，从而

解决热补偿问题。这种结构较简单，质量轻，适用于高温高压条件。其缺点是管内不易清洗，并且因为管子要有一定的弯曲半径，其管板利用率较低。

三、列管式换热器选用计算中有关问题 (一)流体流经管程或壳程的选择原则

①不清洁或易结垢的流体宜走容易清洗侧。对于直管管束，宜走管程；对于U形管管束，宜走壳程 ②腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。 ③压力高的流体宜走管程，以避免制造较厚的壳体。

④为增大对流传热系数，需要提高流速的流体宜走管程，因管程流通截面积一般比壳程的小，且做成多管程也较容易。 ⑤两流体温差较大时，对于固定管板式换热器，宜将对流传热系数大的流体走壳程，以减小管壁与壳体的温差，减小热应力。 ⑥蒸气冷凝宜在壳程，以利于排出冷凝液。

⑦需要冷却的流体宜选壳程，便于散热，以减少冷却剂用量。但温度很高的流体，其热能可以利用，宜选管程，以减少热损失。 ⑧黏度大或流量较小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，在低Rc下(R?>100)即可达到湍流。

以上各点往往不能兼顾，视具体问题而抓主要方面，再从对压力降或其他要求予以校核选定。 (二)流体流速的选择

流体在壳程或管程中的流速增大，不仅对流传热系数增大，也可减少杂质沉积或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择

适宜的流速，通常根据经验选取。 (三)换热管规格和排列方式

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对一定的传热面积而言，传热管径越小，换热器单位体积的传热面积越大。对清洁的流体，管径可取小些，而对黏度较大或易结垢的流体，考虑管束的清洗方便或避免管子堵塞，管径可大些。 目前我国试行的系列标准中，管径有礼9mmX 2mm、声25mmX 2mm和g625mmX2．5mm等规格。管长的选用应考虑管材的合理使用及便于清洗。系列标准中推荐换热管的长度为1．5m、2m、3m、4．5m、6m、9m。

管板上管子的排列方法常用的有等边三角形(即正三角形排列)、正方形直列和正方形错列等，如所示，正三角形排列较紧

凑，对相同壳体直径的换热器排的管子较多，传热效果也较好，但管外清洗较困难；正方形排列则管外清洗方便，适用于壳程流体易结垢的情况，但其对流传热系数小于正三角形排列的，若将管束斜转45?安装，可适当增强传热效果。 (四)折流挡板

换热器内安装折流挡板是为了提高壳程流体的对流传热系数。为了获得良好效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。对于

常用的圆缺形挡板，弓形切口太大或大小都会产生流动“死区”(见图4—52)，不利于传热，且增加流体阻力。一般切口高度与直径之比为(L15—0．45，常见的是0．20和0．25两种。

挡板间距过小，检修不方便，流体阻力也大；间距过大，不能保证流体垂直流过管束，使对流传热系数降低。一般取挡板间距

为壳体内径的o．2—1．o倍，通常的挡板间距为50mm的倍数，但不小于100mm。 三、系列标准换热器的选用步骤

(一)了解传热任务，掌握工艺特点与基本数据

①冷、热流体的流量，进、出口温度，操作压力等。 ②冷、热流体的工艺特点，如腐蚀性、悬浮物含量等。 ③冷、热流体的物性数据。 (二)选用计算内容和步骤 ①计算热负荷。

②计算平均温度差，先按单壳程多管程计算，如果温度校正系数沪

④确定两流体流经管程或壳程，选定管程流体流速；由流速和流量估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的传热面积估算管子

长度；再由系列标准选适当型号换热器。

⑤分别计算管程和壳程的对流传热系数，确定污垢热阻，求出总传热系数，并与估算时选取的总传热系数比较。如果相差较多，应

重新估算。

⑥根据计算的总传热系数和平均温度差计算传热面积。并与选定的换热器传热面积比较，应有10％～25％的裕量。 从上述可知，选型计算是一个反复试算的过程，有时要反复试算两三次。 五、加热介质与冷却介质

在工业生产中，除了工艺过程本身各种流体之间的热量交换，还需要外来的加热介质(加热剂)和冷却介质(冷却剂)与工艺

流体进行热交换。加热介质和冷却介质统称载热体。载热体有许多种，应根据工艺流体温度的要求，选择一合适的载热体。载热体的选择可参考 下列几个原则。 ①温度必须满足工艺要求 ②温度容易调节。

③腐蚀性小，不易结垢。 ④不分解，不易燃。 ⑤价廉易得。 ⑥传热性能好。

除表中列出的载热体，加热介质还有液体金属(如钠、汞、铅，铅铋合金等)，用于原子能工业，它们的熔点低，容积热容

和热导率都较大。冷却介质还有液氨、氢气等。在气体中，氢气的热导率最大，其对流传热系数约为空气的10倍。因此，在一些冷却装置中，作为冷却介质使用。 六、传热过程的强化

所谓强化传热，就是采取措施提高单位面积的传热量Q／A，或减小单位热负荷所需的传热面积A／Q，并改进换热器结构

以增大单位体积的传热面积A／y，或在Q／A一定的条件下减小两流体之间温度差厶乙，以减少有效能损失。

为了提高Q／A或减小A／Q，需要增大厶乙，或更需要增大总传热系数K。为了减小厶乙，以降低有效能损失，应增大K

值。为了增大A／y，需要提高K值的同时改进传热元件的结构。 (一)增大传热平均温度差厶乙

厶乙的增大，可通过提高热流体温度或降低冷流体温度来实现。但工艺流体的温度是由

? ? ?

生产工艺条件所决定，一般不能随意变动。若采用冷却或加热介质，可根据提高厶乙的需要 选择合适的介质。应该注意的是，厶乙增大，会使有效能损失增大，因此，以增大厶乙来强

化传热是有一定限度的。 · 。

当两侧流体为变温传热时，从设备结构上尽可能保证逆流或接近逆流操作。因为逆流操作与并流相比不仅厶乙较大，而且有效能损失也较小。

(二)增大单位体积的传热面积A／y

增大传热面积是强化传热的有效途径之一，但不能靠增大换热器体积来实现。有些装置上的换热设备要求轻巧紧凑，这应

与提高传热系数相结合，改进传热面结构，扩展传热面，提高单位体积的传热面积。工业上已经使用的各种新型高效强化传热面不仅扩展了传热面积，而且增强了传热面附近流体的湍动程度。最常见的扩展表面是在管外表面加装翅片的翅片管，用于对流传热系数。较小的气体一侧的传热面。此外，还有波纹管、螺纹槽管等各种高效强化传热管，如图4—55所示。用于板翅式换热器的各种翅片结构如图4—56所示。 (三)增大总传热系数K

强化传热的最有效途径是增大总传热系数。要想增大K值，就必须减小金属壁、污垢及两侧流体等热阻中较大者的热阻。

当金属壁很薄，其热导率较大，且壁面无污垢时，则减小两侧流体的对流热阻就成为强化传热的主要方面。若两侧流体的对流 35

传热系数。相差较大时，增大较小的。值对提高K值、增强传热最有效。

①增大流体流速 增大流速c4可增大流体的湍动程度，减小层流底层厚度，提高e效果显著。例如列管式换热器，管程流体湍流ooc“o·?，层流ooc“”?，壳程流体oxc40·“。为增大管程和壳程流速，可分别增加管程数和壳内的挡板数。流速的增大也会使流体通过换热器的压力降厶户增大，湍流时厶户oc“l·“，层流时厶户ccul·”。因此，24的增大受到一定限制。

②管内插入旋流元件 属于这些元件的有金属螺旋圈、麻花铁、扭带(见图4—57)等，它们能增大壁面附近流体的扰动程度，减小层流底层厚度，增大。值。这种方法对强化气体、低Re流体及高黏度流体的传热更有效，它们能降低流体由层流向湍流过渡的及?，从而强化传热。在低只e下采用插入旋流元件，要比湍流时能收到更为显著的效果。

③改变传热面形状和增加粗糙度 即把传热面加工成波纹状、螺旋槽状、纵槽状、翅片状等，或挤压成皱纹、小凸起，或烧结一层多孑L金属层，增加粗糙程度。它们能改变流体流动方向，增加流体扰动程度，产生涡流，减小壁面层流膜厚度，以增大。值。改变传热面形状不仅增大。值，而且也扩展了传热面积，适用于管外热阻为主的单相流体强化传热。

综上所述，强化传热的途径随着科技的发展日趋增多和完善。在实际应用中，应针对具体传热过程采用可靠的技术措施，并对设备费和操作费全面分析，使传热过程的强化经济合理。

第五章 吸收 第一节 概 述

当气体混合物与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分溶解于液体中，而不能溶解的组分仍留在气体中，使气体混

合物得到了分离，吸收(absorption)操作就是利用气体混合物中各组分在液体中的溶解度不同来分离气体混合物的。

吸收操作所用的液体称为吸收剂或溶剂(solvent)；混合气中，被溶解的组分称为溶质(solute)或吸收质；不被溶解的组

分称为惰性气体(inertgas)或载体；所得到的溶液称为吸收液，其成分是溶剂与溶质；排出的气体称为吸收尾气，如果吸收剂的挥发度很小，则其中主要成分为惰性气体以及残留的溶质。 一、吸收操作的应用

吸收操作在工业生产中得到广泛应用，其目的有下列几项。

①制取液体产品。例如用水吸收二氧化氮，制取硝酸；用硫酸吸收SO3等，制取发烟硫酸。

②回收混合气中有用组分。例如用液态烃吸收石油裂解气中的乙烯和丙烯；用硫酸吸收焦炉气中的氨。 ③除去工艺气体中有害组分，以净化气体。例如用水或乙醇胺除去合成氨原料气中的CO2。 ④除去工业放空尾气中的有害组分。例如除去尾气中的H2S、SO2等，

随着工业的发展，要求工业尾气中有害组分的含量越来越少。以免大气污染。 二、吸收设备

吸收设备有多种类型，最常用的有填料塔与板式塔，如图所示。填料塔中装有诸如瓷环之类的填料，气液接触在填料中进

行。板式塔中安装有筛孔塔板，气液两相在塔板上鼓泡进行接触。

混合气体从塔底引入吸收塔，向上流动；吸收剂从塔顶引入，向下流动。吸收液从塔底引出，吸收尾气从塔顶引出。 三、吸收过程的分类

(1)物理吸收与化学吸收 若溶质与吸收剂之间没有化学反应，而只靠溶质在吸收剂中的物理溶解度，则被吸收时称为物理吸

收。若溶质靠化学反应与吸收剂相结合，则被吸收时称为化学吸收。

物理吸收时，溶质在溶液上方的分压力较大，而且 吸收过程最后只能进行到溶质在气相的分压力略高于溶质在溶液

上方的平衡分压为止。化学吸收时，若为不可逆反应，溶液上方的溶质平衡分压力极小，可以充分吸收；若为可逆反应，溶液上方存在明显的溶质平衡分压力，但比物理吸收时小很多。 工业生产中，化学吸收要比物理吸收用的多。

(2)单级分吸收与多组分吸收 若混合气中只有一个组分被吸收，则称为单组分吸收；若有两个以上的组分被吸收，则称为多

组分吸收。

(3)非等温吸收与等温吸收 气体溶解于吸收剂中，通常有溶解热放出。化学反应时还会有反应热。因而，在吸收过程中温度

会升高。温度发生明显变化的吸收过程称为非等温吸收。若混合气中溶质含量低，吸收剂用量相对较大时，吸收过程进行中温度变化不大，则称为等温吸收。

四、吸收剂的选择

吸收剂性能对吸收操作有重要影响，通常对吸收剂的性能有下列要求。

①吸收剂对溶质应具有较大的溶解度，这样，对于一定量的混合气体，所需要的吸收剂用量可以少。同时，因为溶解度大，溶

质的平衡分压低，吸收过程的推动力大，传质速率大，吸收设备尺寸可以减小。

②吸收剂应对溶质具有良好的选择性，即对溶质的溶解度大，而对混合气中其他组分的溶解度小。

③混合气中溶质的浓度不同，应选用不同的吸收剂。当溶质浓度较高(摩尔分数为10％-50％)时可选用物理吸收剂，溶解其中

的大部分溶质；当溶质浓度较低(摩尔分数为1％-10％)时，可选择一种能与溶质发生快速反应的化学吸收剂；当溶质浓度更低时，应选择一种能与溶质发生不可逆反应的化学吸收剂，但其价格较贵，还可能产生固体物质。 ④吸收剂的挥发度要小，以减少在吸收过程中的挥发损失。

⑤若吸收液不是产品，则其中的吸收剂应容易解吸(desorption)而再生，循环使用。解吸就是使被吸收的溶质气体从吸收液中

释放出来。通常是用升温和通入惰性气体的方法进行解吸。对于加压吸收所得的吸收液，当减压至常压时，溶质气体将迅速释放出来。

⑥吸收剂的黏度要小，有利于气液两相接触良好，提高传质速率。

⑦吸收剂应具有化学稳定性好、不易燃、无腐蚀性、无毒、易得、价廉等特点。

实际上，很难找到一种满足所有这些要求。因此，应对可供选用的吸收剂作出技术与经济评价后，合理选用。 第二节 气液相平衡

在一定的温度、总压下，混合气与吸收剂接触，溶质向液相传递。当液相中溶质达到饱和时，任一瞬间进入液相的溶质

数量等于溶质从液相逸出的数量，即气液两相达到平衡状态。

在平衡状态下，气相中溶质的分压，称为平衡分压或饱和分压；液相中溶质的浓度称为溶质在液相中的平衡溶解度，简

称为溶解度。

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