加热及传热过程的安全分析
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9、加热及传热过程的安全分析
1
9.1 化工生产中传热过程危险性分析
• 化学工业与传热
• 创造并维持化学反应需要的温度条件
• 合成氨：470-520度 • 氨氧化法制备硝酸：800度 • 涉及到的两个过程：吸热与放热
• 创造并维持单元操作过程需要的条件
• 蒸发、结晶、蒸馏、干燥等过程需要热量的传入或输出
34
35
板式换热器
板式换热器是由一组波纹金属板 组成,板上有孔,供传热的两种流 体通过.金属板片安装在一个侧面 有固定板和活动压紧板的框架内, 并用夹紧螺栓夹紧. 板式换热器作为一种新型、高效、 节能的换热设备已越来越在众多 领域广泛应用,并且有逐步取代其 它类型之趋势.
36
螺旋板换热器：
▲传热效率高 传热效率为列管式换热器的1~3
3、提高 K
11
b
1
KA h1 A1 Ra1 kAm Ra2 h2 A2
要设法减小热阻较大项，才能有效地提高 K 值。
42
26
27
壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板纵 横向 向
28
温度补偿问题：
温差在50℃以上时，要考虑温度补偿问题
T1
t0（环境）
Tw
T
tw
t
t1
t2
T2
列管式
29
温度补偿问题： 补偿圈补偿-----固定管板式换热器 换热器两端管板和壳体是连为一体的。 其特点是结构简单、制造成本低，适用于壳体和管束温 差小、管外物料比较清洁、不易结垢的场合。 当壳体和管子之间的温差较大(60~70℃ )且壳体承受压 力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。
30
温度补偿问题： 浮头补偿------浮头式换热器 一端管板用法兰与壳体连接固定，另一端在壳体中自由 伸缩，整个管束可以由壳体中拆卸出来。 适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的 场合。
U型管补偿------U型管式换热器 用于壳体与管子间温差大的场合，但管内清洗比较困难。
31
选用、设计原则
21
• 9.4.2 冷却剂和冷却过程 • 水：通常10-30 oC，地下水4-15 oC
• 循环水的使用
• 空气： • 冷冻盐水: • 制冷剂：氨、氟里昂
22
9.5 换热器安全技术
• 9.5.1 按换热器的用途分类
• 加热器 • 预热器 • 过热器 • 蒸发器 • 再沸器 • 冷却器 • 冷凝器
冷流体：冷水、空气、盐水
6
9.2.2 典型换热过程安全分析
直接接触式 分类 间壁式
蓄热式
t
T 直接接触式
T
t
间壁式
冷热流流体体
蓄热式
7
套管式
间壁式换热器 列管式
t1
夹套式
t1
T1
T2
T1
t2
套管式
T1
T2
夹套式
T2
t2
列管式
8
9
10
11
列管式换热器 管程数：单管程、双管程、多管程 壳程数：单壳程、双壳程、多壳程
Q的计算
无相变时： Q qhcph T1 T2 qccpc t2 t1
有相变时： Q qr
T2
t1
T Tw tw
t
T1
t2
15
K的计算
（1）查经验数据：P156表9-1 （2）现场测定 （3）公式计算
以冷、热流体均为等温变化为例。
T Q
Tw
Tw
tw
tw
t
1
b
1
1 A1
Am
2 A2
⑤蒸汽----（便于排放冷凝液及不凝性气体）壳程 ⑥粘度大的或流量较小的流体---- 壳程
管径、管长、管数
32
设计方法及步骤：
根据换热任务，选定一些参数，如流速、K 等
试算 A
校核 K、A
初选换热器型号及规格
33
其它类型的换热器 强化管式换热器：
翅片管式------横向传热面积大，传热效率高，总传 热系数为光管的四至八倍。
倍
▲阻力小 以较低的压力损失，处理大容
量蒸气或气体；有自清刷能力，因 其介质呈螺旋形流动，污垢不易沉 积；清洗容易，可用蒸气或碱液冲 洗，简单易行，适合安装清洗装置； 介质走单通道，允许流速比其它换 热器高。
37
冷入
冷出 热入
热出
38
冷出
冷入 热入
热出
39
40
• 9.5.5 换热器安全运行分析
辐 射 传 热 ：靠电磁波传热
电热炉4 烧水
对流传热：
t
自然对流
强制对流
tw
Q
Q
t1
t2
边界层是对流传热
Q
的主要热阻所在。
电热炉烧水
流动的流体与外界的传热
静止流体与外界的传热
牛顿冷却定律：Q At1 t2
对流传热系数，W/m2K 5
• 化工生产中的热交换
热流体 冷流体
加热剂：水蒸汽、热水、油 目的不同
• 最常用的加热剂，通常为饱和蒸汽 • 优点：
• 潜热大，消耗少 • 给定压力下，冷凝温度恒定 • 给热系数大，可在低温差下操作 • 价廉，无毒无失火危险
• 缺点：
• 温度高时，压力较大
• 100 oC：0.1Mpa • 200 oC：1.56Mpa
18
• 水蒸汽加热方法：
• 直接加热：鼓泡器 • 间接加热：排除器与疏水阀的应用
41
传热过程的强化
用较少的传热面积或较小的设备完成同样的传热任务（设计），或 力求使换热设备在单位时间、单位面积传递的热量尽可能地大。
Q KAtm
1．提高tm -----程度有限，一般不可随意改变
（1）采用逆流流动 （2）提高加热剂温度或降低冷却剂温度，但这种方法将受到工艺条件的限制。
2、增大 A----设计时可以，操作时不易改变
• 蒸汽或热水 • 载热体加热 • 电加热
3
9.2 工业传热过程机理与传热安全分析
• 9.2.1 传热过程机理分析
传热方式：
热 传 导 ：发生在相互接触的物质之间和物质（静止或层流流动）内部，
传热靠分子的无规则热运动，
(导热） 无物质的宏观位移
对
流
传
热
：自然对流 强制对流
发生在流体内部，且流体有宏观位移
23
• 9.5.2 按换热器传热面形状和结构分类
• 管式换热器 • 板式换热器 • 特殊形式换热器
24
• 9.5.3 按换热器所用材料分类
• 金属材料换热器 • 非金属材料换热器
25
9.5.4 换热器结构与性能特点
列管式换热器（管壳式换热器） 构造
壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板纵 横向 向
1
总推动力 总热阻
T t 1
1dA1 dAm 2dA2 1dA1 dAm 2dA2
K xdA
式中 A 可取 A1、Am、A2 等。
T2
t1
出
总传热系数，单位W/m2K
平均传热温差 T
Q K x tdA KAtm
进
-------总传热速率方程
Tw tw
t
14
T1
t2
Q KAtm
1 ------ 称 为 总 传 热 热 KA 阻
已知：换热任务（一种流体的进、出口温度、流量） 设计内容：
冷却剂或加热剂的选定： 常用的冷却剂有：水、空气、液氨Leabharlann Baidu 常用的加热剂有：水蒸汽、热空气、烟道气、热油、联苯混合物等
冷、热流体的走向：
一般原则： ①不洁净的或易结垢的流体----- 易于清洗侧
②腐蚀性流体------管程
③压力高的---- 管程 ④温度远高于环境的或远低于环境的流体----- 管程
T t
1 b 1
1 A1 Am 2 A2
T2
t1
T Tw tw
T1
T
t
t2
t
T Tw tw
t
16
T
t
1 1 b 1
K 1 2
T Tw tw
考虑到实际传热时间壁两侧还有污垢热
阻，则上式变为：
t
1 K
1
1
Ra1
b
Ra2
1
2
17
9.4 工业加热载体与冷却剂
• 9.4.1 加热剂与加热方法 • (1)水蒸汽
• 热能综合与回收
• 传热回收，综合利用
• 隔热与限热
• 减小能量的损失，维持系统温度，利于安全
2
• 传热过程安全分析：
• 加热过程：明确规定和严格控制升温上限和升温速度 • 放热过程：抑制反应速度，加设冷却装置和紧急放料装置
• 加热介质与方法
• 蒸汽或热水 • 载热体加热 • 电加热
• 加热过程危险性分析
t1 T1
t1 T2 T2 T1
t2
单管程、单壳程
t1
T2
t2
双管程列管式
T1
t2
双管程、双壳程
12
9.3 传热过程热平衡分析
三个串联传热环节： 热流体侧的对流传热 间壁的导热 冷流体侧的对流传热
T2
t1
T
Tw tw
t
T1
t2
13
dQ T Tw Tw tw tw t
1
b
1
1
T t b
19
• (2)热水 • 一般用于100 oC以下，需高温时，高压热水 • 优点：
• 得用二次热源，节约能量
• 缺点：
• 给热系数低 • 不稳定
20
• （３）高温有机物：400 oC • （４）无机熔盐：550 oC • （３）其他：
• 液体金属：300-800 oC • 烟道气：1100 oC • 电：3000 oC
1
9.1 化工生产中传热过程危险性分析
• 化学工业与传热
• 创造并维持化学反应需要的温度条件
• 合成氨：470-520度 • 氨氧化法制备硝酸：800度 • 涉及到的两个过程：吸热与放热
• 创造并维持单元操作过程需要的条件
• 蒸发、结晶、蒸馏、干燥等过程需要热量的传入或输出
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板式换热器
板式换热器是由一组波纹金属板 组成,板上有孔,供传热的两种流 体通过.金属板片安装在一个侧面 有固定板和活动压紧板的框架内, 并用夹紧螺栓夹紧. 板式换热器作为一种新型、高效、 节能的换热设备已越来越在众多 领域广泛应用,并且有逐步取代其 它类型之趋势.
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螺旋板换热器：
▲传热效率高 传热效率为列管式换热器的1~3
3、提高 K
11
b
1
KA h1 A1 Ra1 kAm Ra2 h2 A2
要设法减小热阻较大项，才能有效地提高 K 值。
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壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板纵 横向 向
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温度补偿问题：
温差在50℃以上时，要考虑温度补偿问题
T1
t0（环境）
Tw
T
tw
t
t1
t2
T2
列管式
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温度补偿问题： 补偿圈补偿-----固定管板式换热器 换热器两端管板和壳体是连为一体的。 其特点是结构简单、制造成本低，适用于壳体和管束温 差小、管外物料比较清洁、不易结垢的场合。 当壳体和管子之间的温差较大(60~70℃ )且壳体承受压 力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。
30
温度补偿问题： 浮头补偿------浮头式换热器 一端管板用法兰与壳体连接固定，另一端在壳体中自由 伸缩，整个管束可以由壳体中拆卸出来。 适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的 场合。
U型管补偿------U型管式换热器 用于壳体与管子间温差大的场合，但管内清洗比较困难。
31
选用、设计原则
21
• 9.4.2 冷却剂和冷却过程 • 水：通常10-30 oC，地下水4-15 oC
• 循环水的使用
• 空气： • 冷冻盐水: • 制冷剂：氨、氟里昂
22
9.5 换热器安全技术
• 9.5.1 按换热器的用途分类
• 加热器 • 预热器 • 过热器 • 蒸发器 • 再沸器 • 冷却器 • 冷凝器
冷流体：冷水、空气、盐水
6
9.2.2 典型换热过程安全分析
直接接触式 分类 间壁式
蓄热式
t
T 直接接触式
T
t
间壁式
冷热流流体体
蓄热式
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套管式
间壁式换热器 列管式
t1
夹套式
t1
T1
T2
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t2
套管式
T1
T2
夹套式
T2
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列管式
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列管式换热器 管程数：单管程、双管程、多管程 壳程数：单壳程、双壳程、多壳程
Q的计算
无相变时： Q qhcph T1 T2 qccpc t2 t1
有相变时： Q qr
T2
t1
T Tw tw
t
T1
t2
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K的计算
（1）查经验数据：P156表9-1 （2）现场测定 （3）公式计算
以冷、热流体均为等温变化为例。
T Q
Tw
Tw
tw
tw
t
1
b
1
1 A1
Am
2 A2
⑤蒸汽----（便于排放冷凝液及不凝性气体）壳程 ⑥粘度大的或流量较小的流体---- 壳程
管径、管长、管数
32
设计方法及步骤：
根据换热任务，选定一些参数，如流速、K 等
试算 A
校核 K、A
初选换热器型号及规格
33
其它类型的换热器 强化管式换热器：
翅片管式------横向传热面积大，传热效率高，总传 热系数为光管的四至八倍。
倍
▲阻力小 以较低的压力损失，处理大容
量蒸气或气体；有自清刷能力，因 其介质呈螺旋形流动，污垢不易沉 积；清洗容易，可用蒸气或碱液冲 洗，简单易行，适合安装清洗装置； 介质走单通道，允许流速比其它换 热器高。
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冷入
冷出 热入
热出
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冷出
冷入 热入
热出
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• 9.5.5 换热器安全运行分析
辐 射 传 热 ：靠电磁波传热
电热炉4 烧水
对流传热：
t
自然对流
强制对流
tw
Q
Q
t1
t2
边界层是对流传热
Q
的主要热阻所在。
电热炉烧水
流动的流体与外界的传热
静止流体与外界的传热
牛顿冷却定律：Q At1 t2
对流传热系数，W/m2K 5
• 化工生产中的热交换
热流体 冷流体
加热剂：水蒸汽、热水、油 目的不同
• 最常用的加热剂，通常为饱和蒸汽 • 优点：
• 潜热大，消耗少 • 给定压力下，冷凝温度恒定 • 给热系数大，可在低温差下操作 • 价廉，无毒无失火危险
• 缺点：
• 温度高时，压力较大
• 100 oC：0.1Mpa • 200 oC：1.56Mpa
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• 水蒸汽加热方法：
• 直接加热：鼓泡器 • 间接加热：排除器与疏水阀的应用
41
传热过程的强化
用较少的传热面积或较小的设备完成同样的传热任务（设计），或 力求使换热设备在单位时间、单位面积传递的热量尽可能地大。
Q KAtm
1．提高tm -----程度有限，一般不可随意改变
（1）采用逆流流动 （2）提高加热剂温度或降低冷却剂温度，但这种方法将受到工艺条件的限制。
2、增大 A----设计时可以，操作时不易改变
• 蒸汽或热水 • 载热体加热 • 电加热
3
9.2 工业传热过程机理与传热安全分析
• 9.2.1 传热过程机理分析
传热方式：
热 传 导 ：发生在相互接触的物质之间和物质（静止或层流流动）内部，
传热靠分子的无规则热运动，
(导热） 无物质的宏观位移
对
流
传
热
：自然对流 强制对流
发生在流体内部，且流体有宏观位移
23
• 9.5.2 按换热器传热面形状和结构分类
• 管式换热器 • 板式换热器 • 特殊形式换热器
24
• 9.5.3 按换热器所用材料分类
• 金属材料换热器 • 非金属材料换热器
25
9.5.4 换热器结构与性能特点
列管式换热器（管壳式换热器） 构造
壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板纵 横向 向
1
总推动力 总热阻
T t 1
1dA1 dAm 2dA2 1dA1 dAm 2dA2
K xdA
式中 A 可取 A1、Am、A2 等。
T2
t1
出
总传热系数，单位W/m2K
平均传热温差 T
Q K x tdA KAtm
进
-------总传热速率方程
Tw tw
t
14
T1
t2
Q KAtm
1 ------ 称 为 总 传 热 热 KA 阻
已知：换热任务（一种流体的进、出口温度、流量） 设计内容：
冷却剂或加热剂的选定： 常用的冷却剂有：水、空气、液氨Leabharlann Baidu 常用的加热剂有：水蒸汽、热空气、烟道气、热油、联苯混合物等
冷、热流体的走向：
一般原则： ①不洁净的或易结垢的流体----- 易于清洗侧
②腐蚀性流体------管程
③压力高的---- 管程 ④温度远高于环境的或远低于环境的流体----- 管程
T t
1 b 1
1 A1 Am 2 A2
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1 1 b 1
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考虑到实际传热时间壁两侧还有污垢热
阻，则上式变为：
t
1 K
1
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Ra1
b
Ra2
1
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9.4 工业加热载体与冷却剂
• 9.4.1 加热剂与加热方法 • (1)水蒸汽
• 热能综合与回收
• 传热回收，综合利用
• 隔热与限热
• 减小能量的损失，维持系统温度，利于安全
2
• 传热过程安全分析：
• 加热过程：明确规定和严格控制升温上限和升温速度 • 放热过程：抑制反应速度，加设冷却装置和紧急放料装置
• 加热介质与方法
• 蒸汽或热水 • 载热体加热 • 电加热
• 加热过程危险性分析
t1 T1
t1 T2 T2 T1
t2
单管程、单壳程
t1
T2
t2
双管程列管式
T1
t2
双管程、双壳程
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9.3 传热过程热平衡分析
三个串联传热环节： 热流体侧的对流传热 间壁的导热 冷流体侧的对流传热
T2
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Tw tw
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• (2)热水 • 一般用于100 oC以下，需高温时，高压热水 • 优点：
• 得用二次热源，节约能量
• 缺点：
• 给热系数低 • 不稳定
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• （３）高温有机物：400 oC • （４）无机熔盐：550 oC • （３）其他：
• 液体金属：300-800 oC • 烟道气：1100 oC • 电：3000 oC