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zhelloleng

制冷(卷名:化工)

refrigeration

即致冷,又称冷冻,将物体温度减低到或维持在自然环境温度以下。实现制冷的途径有两种,一是天然冷却,一是人工制冷。天然冷却利用天然冰或深井水冷却物体,但其制冷量(即从被冷却物体取走的热量)和可能达到的制冷温度往往不能满足出产需要。天然冷却是一传热过程。人工制冷是利用制冷设备加入能量,使热量从低温物体向高温物体转移的一种属于热力科学过程的单元操作。凡是所说的制冷操作专指人工制冷,而其制冷温度不低于150K,制冷温度更低时称为深度冷冻(简称深冷)。人工制冷在工业上的应用已有一百多年的历史,现已在工业部门、科学研究及起居中广泛应用。化学工业与制冷技术的关系十分紧密感情好,这不仅因为许多化工出产过程,如合成橡胶、合成纤维、合成塑料、染料和医药等的制造以及气体混淆物的液化和分离等需要低温条件,而且制冷过程本身所施用的许多制冷剂也是由化工出产提供的。

原理 制冷须从低温物体中吸取热能,并将它传给较高温度的物体。根据热力科学第二定律(见化工热力科学),这样的热量传递只有在加入外功时才成为可能。制冷操作要经过如下热力科学循环来实现:起首制冷剂于低压条件下,在吸热器或蒸发器中从低温待冷物体吸取热量(如果是液体制冷剂则汽化为蒸气);再使气(汽)体制冷剂加压,这时消耗外能,同时制冷剂升高温度;然后制冷剂在冷却器或冷凝器内于等压条件下冷却或冷凝;最后制冷剂经节流阀或膨胀机降低压力降温,如果是液体制冷剂则将部分汽化。制冷剂经上述循环,使高温待冷物体的热量传给了较低温度的冷却剂。制冷过程产生的制冷量,与所消耗外部能量的比值称为制冷系数。制冷系数是衡量制冷操作好坏的重要指标。

方法 根据对制冷剂加压方法的不同,可分为:①压缩制冷。气(汽)态制冷剂经压缩机升压,接管外功而制冷的工作流程(见热力科学过程)。制冷剂用空气,称为空大气的压力缩制冷;制冷剂是低沸点液体(如氨、氟利昂),称为蒸大气的压力缩制冷。前者的长处是空气无毒、易得,但其缺点是热容小,所认为产生一定的制冷量时需要空气循环量大,因而动力消耗也大。后者靠汽化和冷凝传递热量,所需制冷剂循环量小,有较高的制冷系数,是目前应用最广的制冷方法。②吸收制冷(图1)。 利用吸收剂(如水)吸收蒸发器中产生的制冷剂蒸气(如氨蒸气),经泵加压后送入解吸器,于冷凝器的压力下加热逐出制冷剂蒸气。由吸收器、泵、解吸器和节流阀组成的循环系统起到了增压作用,同时,在解吸操作时消耗热能。此法最大的长处在于吸收剂的解吸,有可能利用廉价易得的低温热源,而不需要比较昂贵的压缩机和消耗电能,对于有余热可利用的化工厂尤为适宜。③蒸汽喷射制冷(图2)利用一定压力的蒸汽喷射作用,使制冷剂增加了压力。比较蒸汽压缩制冷和蒸汽喷射制冷可知,在此以汽锅和喷射泵代替了压缩机,蒸汽热能的消耗代替了压缩机电能消耗。蒸汽喷射制冷所用的制冷剂一般为水,故不能产生很低的制冷温度,但水蒸气无毒、易得,用于空调比较适宜。④半导体制冷。利用半导体的温差效应制冷。当两种不同的导体组成1个闭合回路,并使两接点处于不同温度,则回路内将产生电动势。相反,若在回路中接一直流电源,则1个接点温度上升,另外1个接点温度下降。普通导体的这种温差效应很弱,但半导体的效应却很显著,可用于制冷。半导体制冷器件体积小,操作方便、制冷温度易于控制,但价格昂贵。可用于某些制冷量小的场合(如医疗器械)。此外,还有多种获得低温的方法,如绝热去磁、涡流管制冷和气体吸附等。采用绝热去磁法可以获得0.001～0.005K的低温。

朱自强

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zhellolengji

制冷剂(卷名:化工)

refrigerant

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zhelloleng shebei

制冷设备(卷名:化工)

refrigeration equipment

制冷操作所用的设备。不同制冷方法施用不同的设备,目前应用最广的是蒸大气的压力缩制冷,首要设备有压缩机(见流体输送机械)、冷凝器、蒸发器和节流阀。

压缩机用于压缩和输送制冷剂蒸气,其中以活塞式和离心式的应用最广。

冷凝器的作用是将压缩机送出的高压高温的制冷剂蒸气冷凝成液体。常用的冷凝器有三类:①水冷式。以水作为冷却剂,有管式冷凝器、套管式冷凝器及螺旋板式冷凝器。②喷淋式。同时以水和空气作为冷却剂,有喷淋式冷凝器(空气为自然对流)和蒸发式冷凝器(空气为强制对流)。③空冷式。以空气作为冷却剂,即空气冷凝器。

蒸发器又称吸热器,是经由过程液态制冷剂的沸腾汽化使载冷剂或被冷却物体降温的传热设备。蒸发器可分两类:一类是冷却液体式,用于冷却液体载冷剂,有管壳式蒸发器及各种浸没式蒸发器(如立管式、螺旋管式、蛇管式)。浸没式蒸发器是将整个换热面浸入盛有载冷剂的槽中,槽内经搅拌,强化换热。另外一类是冷却空气式,用于冷却作为载冷剂的空气,又分为管排和凉风机两种。管排由垂直管、水平管或盘管组成,制冷剂在管内沸腾,管外空气作自然对流,凉风机则是由管组与风机组成,使管外空气作强制对流。

制冷剂(卷名:化工)

refrigerant

即致冷剂,在制冷操作中被用来进行热力循环的工作介质。对于蒸大气的压力缩式制冷,制冷剂通常为低沸点的液体,吸热后变成蒸气。理想的制冷剂具备下列性质:①沸点低,这是获得低温的1个必要条件;②汽化潜热大、蒸气比容小,以减小制冷剂的循环量及动力消耗;③冷凝压力不要过高,否则会增加动力消耗和设备用度;④在制冷温度下的蒸发压力不宜过低,否则空气或水会漏入,影响操作;⑤具有良好的化学稳定性,不易燃、不易爆、对人体无毒,对金属无腐蚀,且价格便宜。

目前,工业上常用的制冷剂有氨、氟利昂、乙烷和乙烯等。这些个制冷剂各有一定的优缺点,可根据用途及工作条件选定。氨是一种应用很广的制冷剂,多用于工业装置。其长处是价格便宜;单位容积的制冷能力大;但具有强烈的刺激气味。氟利昂是一类含氟和氯的烷烃衍有生命的物质。在常压下它们的沸点相当悬殊,分别具有不同的热力科学性质,施历时可根据具体环境选择。氟利昂的化学性质稳定,但单位容积的制冷能力小,循环量和能耗大。乙烷、乙烯等制冷剂首要用于石油化学工业,可产生很低的温度。

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liuti shusong jixie

流体输送机械(卷名:化工)

fluid transportation machellonery

用于流体输送的一类通用机械,其功效在于将电动机或其他原动机的能量传递给被输送的流体,以提高流体的能位(即单位流体所具有的机械能)。流过的单位流体得到的能量大小是流体输送机械的重要性能。用扬程或压头来暗示液体输送机械使单位重量液体所获得的机械能;用风压来暗示气体输送机械使单位体积气体所获得的机械能。气液两类输送机械的原理相似,但由于气体密度小,且有可压缩性,故两者在结构上有所不同。

液体输送机械 通称泵。在化工出产中,被输送的液体的性质各不相同,所需的流量和压头也相差悬殊。为满足多种输送任务的要求,泵的型式繁多。根据泵的工作原理划分为:①动力式泵。又称叶片式泵,包括离心泵、轴流泵和漩涡泵等,由这类泵产生的压头随输送流量而变化;②容积式泵。包括往复泵、齿轮泵和螺杆泵等,由这类泵产生的压头险些与输送流量无关;③流体作用泵。包括以高速射流为动力的喷射泵,以高压气体(凡是为压缩空气)为动力的酸蛋(因最初用来输送酸的容器,且呈蛋形而得名)和空气升液器。

离心泵 首要工作器件是叶轮和泵壳(图1), 叶轮由电动机或其他原动机驱动作高速旋转(凡是为1000～3000r/min)。液体受叶轮上叶片的作用而随之旋转。由于惯性离心力作用,液体由叶轮中间流向外缘,在流动过程当中同时获得动能和压力能,动能的大多又在蜗形泵壳中转化为压力能。根据泵内的叶轮数,离心泵可分为单级泵和多级泵。单级泵只有1个叶轮,产生的压头较小,一般不超过150m。多级泵则在统一轴上安装多个叶轮,液体依次经由过程各叶轮,因而产生的压头较高。离心泵的效率虽稍低于容积式泵,但其结构简单,流量和压头适用范围大,振动小,操作简便。若结构和材料作适当设计和选择,可用于输送具有腐蚀性、含固体悬浮物或粘度较高的各种液体,应用最广。离心泵的压头He和效率η随液体流量V而变化(图2)。对应于泵的最高效率点 A的流量和压头,是泵性能的额定值。为节省能耗,泵宜选择在额定值附近运转。靠高速旋转叶轮对液体作功的泵还有轴流泵,在它的泵壳中有高速回转的叶轮。液体受叶轮作用提高了压力能后,沿轴向排出。轴流泵适于输送流量大、压头要求低的液体,如在化工出产中用于液体循环。

往复泵 主体由活柱(或活塞)、泵缸及单向开启的吸入活门和排出活门组成(图3)。 寄托活柱的往复运动和活门的配合动作,液体经吸入活门进入泵缸后,受挤压提高压力能,然后经排出活门流出。与离心泵相比,往复泵可产生高压头,效率较高;但其结构复杂、输送流量较小。往复泵凡是用于输送流量不大但要求压头较高或需精确控制流量的清洁液体。输送含固体悬浮物的液体时,可采用弹性隔膜代替活柱(或活塞),这种往复泵称为隔膜泵。与往复泵的作用原理相似的有齿轮泵和螺杆泵。齿轮泵由泵壳和一对互相啮合的齿轮组成(图4)。靠齿轮在旋转时互相脱开和啮合而输送液体,首要用于输送流量小、压头要求较高的粘性液体(如润滑)。螺杆泵由螺杆和泵壳组成,根据泵的螺杆数,分为单螺杆泵和多螺杆泵。单螺杆泵寄托螺杆在具有内螺纹的泵壳中作偏心转动以输送液体;多螺杆泵则寄托螺杆间彼此啮合来输送液体。螺杆泵运转平稳,流量均匀,效率较高;但加工精度要求较高。在化工出产中多用于高粘度液体的输送。

气体输送机械 常根据进出口吻体的压力差,即出口压力的表压(凡是以101325Pa为基准)或压缩比(出口吻体的绝对压力与进口吻体的绝对压力之比)来分类(见表);也可根据结构和作用原理分类。

离心通风机、离心鼓风机和离心压缩机 它们的结构和作用原理与离心泵相似。离心通风机的风压低,凡是只具有1个叶轮,鼓风机则往往是多级的。通风机和鼓风机的压缩比小,不需要冷却装置,离心压缩机的压缩比大,机器转速很高(可达10000r/min以上),叶轮数也多,而且还设置中间冷却器,将经过几级叶轮压缩的气体冷却,以减少功耗。与往复压缩机相比,离心压缩机的加工要求较高,工作效率稍低,仅适于大宇量;但它具有体积小、重量轻、运转平稳、调节容易、维修方便和气体不受润滑污染等长处,应用一天一天地走向广泛。靠高速回转叶轮对气体作功的还有轴流式通风机。其特点是风压小,风量大,首要用于通风换气,如用在凉水塔、空气冷却器中。

往复式压缩机和往复抽气机 它们的工作原理与往复泵相似。由于气体具有可压缩性,必须尽量减少余隙容积(活塞运动到极限位置时,气缸中未能排出的高压气体所占的容积),以提高气缸容积利用系数(气缸容积的现实利用程度)。当压缩机的总压缩比大于8时,凡是采用多级压缩,并在级间设置中间冷却器。往复压缩机现仍广泛应用,特别在压力很高或送宇量较小的场合。抽气机凡是用单级压缩,压缩比大,对余隙的要求更严。作用原理与往复式压缩机(泵)类似的还有罗茨鼓风机和液环泵等。罗茨鼓风机由机壳和一对转子组成(图5),靠转子的脱开与啮合使大气的压力升高,其出口吻压一般不超过 80kPa(表压)。常用的液环泵称为纳氏泵,它由扁圆形泵壳和叶轮组成(图6)。泵内有数量适宜的液体,在旋转叶轮的作用下沿泵体内壁形成液环,靠液环与叶片间形成的若干密闭工作室的容积大小变化,将气体吸入或排出。这种泵可用作抽气机,也可用作压缩机。用作压缩机时出口压力可达 500～600kPa(表压)。

喷射抽气机 由喷嘴、混淆室与扩散管组成(图7)。 当具有一定压力的工作流体经喷嘴流出时,泵内形成真空,将气体吸入。两股流体在混淆室内进行动量交换,速度趋向相符,经扩散管时将大多动能转化为压力能,从而排出泵外。喷射抽气机的工作流体常用蒸汽,也可用水。用蒸汽时称为蒸汽喷射抽气机,用水时称为水喷射抽气机。单级喷射抽气机仅能达到90%的真空度。为获得更高的真空度,可采用多级喷射抽气机。喷射抽气机的长处是结构简单,抽宇量大,适应性强;缺点是效率低,能耗大。

梁明汉 吴俊生

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zhengfaqi

蒸发器(卷名:化工)

evaporator

用于进行蒸发操作的主体设备。原始的蒸发器是用直接火加热的锅,至今仍有施用。采用蒸汽作为加热介质后,出现了夹套式和盘管式蒸发器;随后又出现了多种结构的蒸发器,大多数采用管式加热面;近年来又出现了板式加热面的蒸发器。随着出产规模的大型化,单台蒸发器的加热面积已高达3000m2。

蒸发器由加热室和蒸发室所组成,加热室向溶液提供蒸发所需的热量,要求溶液在加热室的加热管内部策应具有较大的流动速度,以增加传热系数。蒸发室促进汽液两相的完善分离,它应具有足够大的空间与横截面积。蒸发室顶部凡是还设有除沫器。蒸发器的类型很多,按其结构特征分为:

中央循环管式蒸发器 又称标准式蒸发器(图1), 加热室的管束中央有一根直径较大的循环管,其截面积约为加热管总截面积的 40～100%。加热管内的溶液受热汽化,形成汽液混淆物,而循环管内的溶液含汽率低,密度大于加热管内的汽液混淆物,因而形成溶液由中央循环管下降,从各加热管上升的循环流动。中央循环管式蒸发器结构紧凑,操作可靠,应用相当广泛。但这种蒸发器的料液循环速度较低(一般低于0.5m/s),传热系数较低,清洗和维护也不够方便。

外热式蒸发器 加热室置于蒸发室一侧(图2),可减低整个设备高度,便于加热室的清洗和更换。常采用较长加热管束,因此溶液循环速度较高(可达1.5m/s)。

外沸式蒸发器 又称列文蒸发器(图3),在加热段的上部增设一沸腾段,由于沸腾段液体静压的作用,料液在加热段内只升温而不沸腾,可减轻加热面的结垢。当循环料液上升到沸腾段后,静压减小,就开始沸腾汽化。溶液在蒸发器中的循环是靠循环管中料液与沸腾段中汽液混淆物的密度差推动的。由于沸腾段较长,料液循环速度较高(1～2m/s),传热效果较好。外沸式蒸发器适用于蒸发烧碱、盐巴、无机盐等容易析出形成晶体的料液。

强制循环蒸发器 在外热式蒸发器的循环管中装置循环泵(见流体输送机械),即构成强制循环蒸发器。这种蒸发器适用于处理粘稠料液,但要消耗动力,维修也比较麻烦。

升膜蒸发器 料液预热到沸点,由加热室(图4)底部加入,在加热管内强烈汽化,生成的蒸汽带动料液沿管壁呈膜状上升。液膜在上升过程当中继续蒸发。溶液只需一次经由过程加热管即可达到所要求的浓度,这种蒸发器适用于浓缩程度不高的稀溶液及热敏性物料。

降膜蒸发器 料液从蒸发器顶部加入,在重力作用下沿加热管管壁呈膜状下降。液膜在下降过程当中持续蒸发,溶液只需一次经由过程加热管即可达到浓缩要求。为使料液沿管壁均布,须在加热器顶部装设液体分布器。降膜蒸发器可处理粘度稍高及热敏性物料,但形成均匀的液膜较困难,传热系数也不高。

刮膜蒸发器 蒸发器的加热面是圆筒形内壁,器内安装旋转刮板,将加入的料液均匀涂布在加热面上。在液膜下降的过程当中,刮板对液膜不断翻动,以强化传热和蒸发。这种蒸发器适用于高粘度易结垢的物料,但结构复杂,处理量小,动力消耗较大。

胡修慈

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zailengji

载冷剂(卷名:化工)

cooling medium

循环于制冷设备与低温被冷却物体之间的流体。它在制冷剂蒸发器中冷却后,用泵(见流体输送机械)送至冷却器或冷房,在此吸收被冷却物体的热量,因而温度升高,然后重新返回蒸发器。如此周转循环,使被冷却物体的热量不断地被制冷设备取走,实现制冷。选择载冷剂需考虑以下各点:①冻结温度低,必须低于制冷的操作温度;②传热分系数大,即热导率和热容要大,而粘度要小;③性质稳定,腐蚀性小;④安全无毒、价格低价。常用载冷剂有:①无机盐的水溶液,通称冷冻盐水,所用的盐有氯化钠、氯化钙、氯化镁等。冷冻盐水是应用最广泛的载冷剂。②醇类及其水溶液,如甲醇、乙醇、乙二醇和丙二醇及其水溶液等。③氯代或氟代烃类,如二氯甲烷、二氯乙烯、三氯一氟甲烷及其他各种氟利昂等。④液态氨。

朱自强

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fuli'ang

氟利昂(卷名:化工)

freon

氟氯烷的俗称。首要是含氟和氯的烷烃衍有生命的物质,少数是环烷烃卤素衍有生命的物质,有的还含有溴原子。商业上用F-xyz(或R-xyz)暗示氟利昂,其中x代表分子中碳原子数减1,当x为0时可省略;y代表氢原子数加1;z暗示分子中的氟原子数。从与碳原子相连的总原子数中减去氟和氢原子数之和即可求得氯原子数。如果还含有溴原子,则需在数字后面加之字母 B及溴原子数。工业上重要的氟利昂是甲烷和乙烷的卤代物(见表),其中最重要的是二氟二氯甲烷(R-12)、一氟三氯甲烷(R-11)和二氟一氯甲烷(R-22),这三种产品的产量约占碳氟化合物总产量的80%～90%。氟利昂在常温下,除R-112及R-113为液体外,均为无色、无臭的不燃性气体。

沿革 1931年西方强国动力化学品公司开始用甲烷氯化物为原料采用液相法出产R-11和R-12,1933～1936年,R-114、R-113和R-22又前后投入工业出产。1969年意大利蒙特爱迪生集团公司建成甲烷直接氟氯化制R-11和R-12的工厂。1981年世界氟利昂的产量约为1Mt。

出产方法 有氯代烃与氟化剂的置换法和甲烷的氟氯化法两种。由于用元素氟作氟化剂反应异样剧烈,工业上一般用氟化氢或氟化钙为氟化剂。

置换法 首要用于出产R-11、R-1二、R-2二、R-21、R-1三、R-113和R-114等。此法有液相法和气相法两种:①液相法技术较成熟,温度易控制,副产物少,是工业上采用的首要方法。所用的卤化锑催化剂(见固体酸催化剂)寿命也较长(约1～2年,每2～三个月需进行一次再生和补充)。根据原料和目的产品的不同而采取不同的反应温度(一般为45～200℃)和压力(最高可达 3.5MPa),以促使反应在均相下进行。不同的氯代烃原料可以制得不同的氟化合物,如以四氯化碳为原料,可以出产R-11和R-12;以三氯甲烷为原料,可以出产R-22;以四氯乙烯为原料可以出产R-113和R-114。反应生成物一般要经水洗、碱洗、干燥、压缩和蒸馏等后处理,才制得纯品。②气相法施用装有氟化铝、氟化铬和氟氧化铬催化剂的固定床反应器或流化床反应器,其后处理与液相法相似。

甲烷氟氯化法 以甲烷、氯气和氟化氢为原料,在催化剂存在下,一步合成氟氯甲烷(见图)。 反应产物中首要含R-11、R-12,沸点较高的氟化物和氯化氢,经汽提塔使部分氟化合物再循环,剩余气体进入氯化氢蒸馏塔,脱除氯化氢后经水洗、中和、干燥和精馏,得到R-11和R-12制品。所用催化剂是金属氟化物或氯化物,载体为活性炭、硫酸铝或碳酸钡。反应温度为370～470℃,接触时间约4～10s。反应收率以甲烷计为96%～99%;以氯计为97%;以氟计为94%。该过程的长处是工艺过程较简单、产品纯净度高。

用途 由于氟利昂化学性质稳定,具有不燃、无毒、介电常数低、临界温度高、易液化等特性,因而广泛用作冷冻设备和空气调节装置的制冷剂。此外,也大量用作雾化剂的组分,但由于它可能粉碎大气臭氧层,现已限制施用。氟利昂的另外一重要应用是作聚氨酯、聚苯乙烯和聚乙烯等泡沫塑料的发泡剂。R-11三、R-11与其他溶剂的混淆物还广泛用于电子工业和航空工业中作为溶剂,在纺织工业中用作纺织染整助剂(如打叠整顿油剂和洗涤剂)。氟利昂还是出产氟树胶的原料。由R-22可以出产四氟乙烯;由R-113可以出产三氟氯乙烯。三氟溴甲烷和1,1,2,2-四氟-1,2-二溴乙烷是效果良好的把火弄灭剂,1,1,1-三氟-二氯-二溴乙烷可作为麻醉剂。

王泰海

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chuanre fenxishu

传热分系数(卷名:化工)

individual heat transfer coefficient

又称传热膜系数、给热系数或放热系数,是衡量对传播热强弱程度的1个参数,是流体在单位时间内,在单位温度差推动下,经单位传热面积所传递的热量。传热分系数与传热面积乘积的倒数为对传播热的热阻,有时候亦以传热分系数的倒数表征对传播热的热阻。

传热分系数与传热时有无相变、流体流动状况、固体壁面结构和尺寸以及流体本身的物性(如热导率、粘度、密度、比热容)等有关(见表)。有相变对传播热的传热分系数,凡是比无相变对传播热时的大得多。提高传热分系数,是研究对传播热的目标之一。

工程上求取传热分系数的常用方法,是用相似论或因次分析来确定与对传播热过程有关的无因次数群,如普朗特数Pr、雷诺数Re和努塞尔数Nu等,然后经由过程实验求得它们之间的关系。传热分系数 α则可以由下式算出:

式中λ为流体的热导率;L为传热面的几何特征长度;Nu为努塞尔数,它是反映对传播热强弱的1个无因次数群(即没有限量纲参数),其表达式为:

此表达式也可改写成为:

式中 α*为一虚拟量,相当于传热过程仅以热传导方式进行时的传热分系数。从上式可看出努塞尔数的物理意义。

当湍流流动的流体与一定几何形状的换热面进行无相变对传播热时,努塞尔数是雷诺数和普朗特数的函数,即:

Nu=f(Re,Pr)

这是由于这种对传播热过程的强弱程度取决于速度场与温度场,而速度场特性取决于雷诺数,普朗特数又决定速度场与温度场间的关系。传热过程的实验研究成果,凡是用这个函数关系式来关联,并应用于传热设备的设计计算中。例如在圆管内作湍流流动的流体与管壁进行对流换热时,就象下经验关系:

Nu=0.023Re0.8Prb

式中指数b的数据,在流体加热时为0.4,在流体冷却时为0.3。算出Nu后,就不难求出传热分系数。由于建立此式时所用的流体物性都是按照流体进出口温度的算术均等值求得的,因此应用此式时也应参照这一规定确定物性参数。此均等温度称为定性温度。施用这类经验式时,必须注意关于定性温度和特征长度的规定,且经验式只能在建立此式的实验范围内部策应用。

此外,按边界层理论得出的解析解或数据解以及三传类比的规律,也可用以求得传热分系数。

李启恩

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redaolü

热导率(卷名:化工)

thermal conductivity

又称导热系数,反映物质的热传导能力。按傅里叶定律(见热传导),其定义为单位温度梯度(在1m长度内温度减低1K)在单位时间内经单位导热面所传递的热量。

各种物质的热导率数据首要靠实验标定,其理论估算是近代物理和物理化学中1个活跃的课题。热导率一般与压力关系不大,但受温度的影响很大。纯金属和大多数液体的热导率随温度的升高而减低,但水例外;非金属和气体的热导率随温度的升高而增大。传热计算时凡是取用物料均等温度下的数据。此外,固态物料的热导率还与它的含湿量、结构和孔隙度有关。一般含湿量大的物料热导率大。如干砖的热导率约为0.27W/(m·K)而湿砖热导率为0.87W/(m·K)。物质的密度大,其热导率凡是也较大。金属含杂质时热导率减低,合金的热导率比纯金属低。各类物质的热导率〔W/(m·K)〕的大致范围是:金属为50～415,合金为12～120,绝热材料为0.03～0.17,液体为0.17～0.7,气体为0.007～0.17。

李启恩

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niandu

粘度(卷名:化工)

viscosity

又称粘性系数、剪切粘度或动力粘度。流体的一种物理属性,用以衡量流体的粘性,对于牛顿流体,可用牛顿粘性定律定义之:

式中μ为流体的粘度;τyx为剪切应力;ux为速度分量;x、y为坐标轴;dux/dy为剪切应变率。流体的粘度μ与其密度ρ的比值称为运动粘度,以v暗示。

粘度随温度的不同而有显著变化,但凡是随压力的不同发生的变化较小。液体粘度随着温度升高而减小,气体粘度则随温度升高而增大。对于溶液,常用相对于粘度μr暗示溶液粘度μ和溶剂粘度μs之比,即:

相对于粘度与浓度C的关系可暗示为:

μr=1+[μ]C+K′[μ]2C2+…

式中[μ]为溶液的特性粘度,

K′为系数。[μ]、K′均与浓度无关。

不同流体的粘度差别很大。在压强为101.325kPa、温度为20℃的条件下,空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度为:

空气 μ=17.9×10-6Pa·s, v=14.8×10-6m2/s

水 μ=1.01×10-3Pa·s, v=1.01×10-6m2/s

甘油 μ=1.499Pa·s, v=1.19×10-3m2/s

由于粘度的作用,使物体在流体中运动时受到摩擦阻力和压差阻力,造成机械能的损耗(见流动阻力)。

各种流体的粘度数据,首要由实验测得。常用的粘度计有毛细管式、落球式、锥板式、转筒式等。在工业上有时候用特定形式的粘度计来标定特定的条件粘度。如炼油工业中常用恩氏粘度(或恩格拉粘度)作为石油产品的1个指标,它暗示某一温度下200cm3油品与同体积20℃纯水,从恩氏粘度计中流出所需时间之比。恩氏粘度与动力粘度的关系可按经验公式换算。又如橡胶工业中常用门尼粘度为衡量橡胶均等分子量及可塑性的1个指标。

在缺少粘度实验数据时,可按照情理论公式或经验公式估算粘度。对于压力不过高的气体,估算成果较准;对于液体则较差。对非均相流体(如低浓度悬浮液)的粘度,可以用爱因斯坦公式估算:

式中μm为悬浮液的粘度;μ为连续相液体的粘度;φ为悬浮液中分散相的体积分数;μd为分散相粘度。当分散相为固体颗粒时,μd→∞, ;当分散相为气泡时,μd→0,μm=(1+φ)μ 。

黄发瑞

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an

氨(卷名:化工)

ammonia

NH4 氮和氢的化合物,合成氨工业的主产品和炼焦工业的副产品。凡是为无色气体,有强烈刺激性气味,能灼伤肤质、眼睛、呼吸器官的粘膜,人吸入过多,能引起肺肿胀,以至死亡。常温下加压可液化,临界温度132.9℃,临界压力11.38MPa,常压下冷却到-33.35℃时液化。液氨挥发性很强,气化时吸热很大,在-77.75℃时凝固成无色形成晶体。氨极易溶于水,并放出热量。氨的水溶液称为氨水,呈弱碱性,易挥发。能和很多物质发生反应,与酸作用可得响应的铵盐。对大多物质没有腐蚀性,但在有水汽存在的条件下对铜、银等金属有腐蚀性。自燃点630℃,在空气中遇火能爆炸,常压、常温下在空气中的爆炸极限为16%～28%(体积)。

出产方法 20百年初,工业上开发了氰化法和合成氨法出产氨,前者因能耗远大于后者而被淘汰(见合成氨工业发展史)。目前,世上的氨,除从焦炉气中回收一些外,绝大多是在高压、高温和催化剂存在下由氮气和氢气合成制得。氮气首要来源于空气;氢气首要来源于含氢和一氧化碳的合成气(纯氢也来源于水的电解)。由氮气和氢气组成的混淆气即为合成氨原料气。从燃料化工来的原料气含有硫化合物和碳的氧化物,它们对于合成氨的催化剂是有毒物质(见催化剂中毒),在氨合成前要经过净化处理。

目前,世上出产合成氨的首要原料有天然气、石脑油、重质油和煤(或焦炭)等。1981年,全世界约有71%的氨产量是以天然气为原料出产的。中国、联邦德国有丰富的煤炭资源,首要以煤出产氨,中国用煤、焦炭为原料的合成氨产量约占总产量的60%以上。

天然气制氨 天然气先经脱硫,然后经由过程二次转化(见合成气),再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序,得到的氮氢混淆气,其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约0.1%～0.3%(体积),经甲烷化作用除去后,制得氢氮Mole比为3的纯净气(见合成氨原料气),经压缩机压缩而进入氨合成回路,制得产品氨。以石脑油为原料的合成氨出产流程与此流程相似。

重质油制氨 重质油包括各种深度加工所得的渣油,可用部分氧化法制得合成氨原料气,出产过程比天然气蒸汽转化法简单,但需要有空气分离装置。空气分离装置制得的氧用于重质油气化,氮作为氨合成原料外,液态氨还用作脱除一氧化碳、甲烷及氩的洗涤剂。

煤(焦炭)制氨 焦炭是早期合成氨出产的原料,现除中国、联邦德国外,其他国家已很少采用。煤直接气化(见煤气化)有常压固定床间歇气化、加压氧-蒸汽连续气化等多种方法。例如早期的哈伯-博施法合成氨流程(见图), 以空气和蒸汽为气化剂,在常压、高温下与焦炭作用,制得含(CO+H2)/N2Mole比为3.1～3.2的煤气,称为半水煤气。半水煤气经洗涤清除粉尘后,去气柜,经过一氧化碳变换,并压缩到一定压力后,用加压水洗涤除去二氧化碳,再进一步用压缩机压缩后用铜氨液进行洗涤,以除去少量一氧化碳、二氧化碳,然后送去合成。如用水将氨吸收,所得产品为氨水。商品氨水浓度为15%～30%(质量)。如用冷凝法分离氨,所得产品为液氨,含氮82.3%。氨水和液氨均可直接用作肥料。

用途 氨首要用于制造氮肥和复合肥料,氨作为工业原料和氨化家畜养料,用量约占世界产量的12%。硝镪水、各种含氮的无机盐及有机物中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。此外,液氨常用作制冷剂。

质量标准 合成氨的质量首要是控制氨、水、油三个含量指标,中国规定的质量标准如下:

贮运 商品氨中有一部分是以液态由制造厂运往他处。此外,为保证制造厂内合成氨和氨加工车间之间的供需平衡,防止因短期事故而停产,需设置液氨库。液氨库根据容量大小不同,有不冷冻、半冷冻和全冷冻三品类型(见表)。

液氨的运输方式有5种:①海运,凡是施用绝热良好的贮槽或船舱,保持-33℃下贮存液氨。②驳船运氨,用自行推进或牵引的驳船,容量为500～3000t氨,大驳船为全冷冻型,小驳船为半冷冻型。③管道运氨。④铁路运氨,采用槽车输送。⑤卡车运氨,采用钢瓶输送,钢瓶应符合耐压(3.04～3.54MPa)的要求。贮存时,应置于阴凉通风而干燥的库房中,附近严禁烟火。

陈五平

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jiaoban

搅拌(卷名:化工)

agitation

搅动液体使之发生某种方式的循环流动,从而使物料混淆均匀或使物理、化学过程加快的操作。搅拌在工业出产中的应用有:①气泡在液体中的分散,如空气分散于发酵液中,以提供发酵过程所需的氧;②液滴在与其不互溶的液体中的分散,如油分散于水中制成乳浊液;③固体颗粒在液体中的悬浮,如向树胶溶液中加入颜料,以调制涂料;④互溶液体的混淆,如使溶液稀释,或为加快互溶组分间的化学反应等。此外,搅拌还可以强化液体与固体壁面之间的传热,并使物料受热均匀。搅拌的方法有机械搅拌和气流搅拌。

搅拌槽内液体的运动,从尺度上分为总体流动和湍流脉动。总体流动的流量称为循环量,加大循环量有利于提高宏观混淆的调匀度(见混淆程度)。湍流脉动的强度与流体脱离搅拌器时的速度有关,加强湍流脉动有利于减小分隔尺度与分隔强度。不同的过程对这两种流动有不同的要求。液滴、气泡的分散,需要强烈的湍流脉动;固体颗粒的均匀悬浮,有赖于总体流动。搅拌时能量在这两种流动上的分配,是搅拌器设计中的重要问题。

在搅拌混淆物时,两相的密度差、粘度及界面拉力对搅拌操作有很大影响。密度差和界面拉力越小,物系越易于达到稳定的分散;粘度越大越不利于形成良好的循环流动和足够的湍流脉动,并消耗较大的搅拌功率。

搅拌槽内流体的运动是复杂的单相流或多相流,目前都尚无完整的描述方法。非牛顿流体的搅拌,在流动状况和功率消耗方面都有一些特殊的规律。搅拌槽内流体流动参数的测量,搅拌功率的预计,以及搅拌装置的放大方法等,都是搅拌理论研究和工程应用中的重要课题。

方图南

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huanre

换热(卷名:化工)

heat exchange

指冷热两流体间所进行的热量传递,是一种属于传热过程的单元操作。换热的目的首要有:①物料的加热、冷却、汽化或冷凝,以达到或保持出产工艺所要求的温度或相态;②热量的综合利用,用待冷却的热流体向待 加热的冷流体供热,以提高热量利用率。换热操作广泛应用于各工程领域,与化学工业的关系尤为紧密感情好。在化工出产中,换热在两种流体物料间进行,或在流体物料与载热体间进行。载热体是一类专门用来接管或提供热量的流体,最常用的载热体有蒸汽、水和空气。冷热两流体间的换热凡是在换热器中进行。按冷热流体的接触传热方式,换热器分为间壁式、接触式和蓄热式,尤以间壁式换热器的应用最广。

换热计算的重点是间壁式换热器的计算。或已知待冷却的热流健康水平量流量为 ,温度为T1,要求冷却后温度为T2,则所需换热面积的计算步骤为:①计算热流量:

式中 为热流体的比热容;②选择冷却剂及其进出口温度t2和t1,由热量衡算计儿算出冷却剂的质量流量:

式中 为冷却剂的比热容;③选定冷热流体的流动条件,计算或标定传热分系数及传热系数K;④由冷热两流体的进出口温度及选定的两流体的流动方式,计算均等温度差 Δtm;⑥根据传热基本方程式(见传热过程)算出传热面积:

A=Q/(KΔtm)

进行上述计算时,须作出若干选择,而不同的选择会得出不同的成果。设计者须对多种方案进行比较,从入选出1个经济上合理、技术上可行的方案。此外,若换热器对流体的流动阻力有限制,可从流速选择和换热器结构等方面予以调整。

还可用传热单元数法进行换热计算。这种方法用于原有换热器的传热性能核算更为方便。

罗运禄

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reliang hengsuan

热量衡算(卷名:化工)

heat balance

当物料经物理或化学变化时,如果其动能、位能或对外界所作之功,对于总能量的变化影响甚小可以纰漏时,能量守恒定律可以简化为热量衡算。它是建立过程数学模型的1个重要手眼,是化工计算的重要组成部分。进行热量衡算,可以确定为达到一定的物理或化学变化须向设备传入或从设备传出的热量;根据热量衡算可确定加热剂或冷却剂的用量以及设备的换热面积,或可建立起进入和脱离设备的物料的热状况(包括温度、压力、组成和相态)之间的关系,对于复杂过程,热量衡算往往须与物料衡算联立求解。

为进行热量衡算,起首必须根据需要规定1个衡算的空间范围,称为控制体。控制体可以是整个出产过程、出产过程的某一部分、单元操作、反应过程、设备的某一部分或设备的微分单元。根据能量守恒定律,在纰漏动能、位能和对外作功的条件下,出入控制体的热量之间存在如下关系:

对于连续定态过程,控制体内没有热量的积累。如果在控制体内不发生化学反应,又没有采用电加热等热源,则控制体内产生的热量为零,此时热量衡算式子可简化为:

对于间歇过程,采用热量J作为计算单位;对于连续过程,则采用热流量J/s。

物质具有的热能,是对照某一基准状况来计量的,相当于物质从基准状况加热到所处状况需要的热量。当物质发生相态变化时,须计入相变时的潜热,如汽化热(或冷凝热)、熔融热(或凝固热)等。不同液体混淆时,须计入由于浓度变化而产生的混淆热(或溶解热)。工程上常用热力科学参数焓暗示单位质量物质所具有的热量。单位质量物料状况变化所需的热量,等于两种状况下焓值的差。热量衡算的步骤,与物料衡算大致相同。

方图南 吴俊生

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chuanre guocheng

传热过程(卷名:化工)

heat transfer process

一类以热量传递为首要理论基础的单元操作,首要有换热和蒸发等。传热过程普遍存在于各工业出产过程当中,与化学工业的关系尤为紧密感情好,首要用于:①物料的加热、冷却、汽化和冷凝,以达到或维持出产工艺所要求的温度和相态;②热量的回收,以提高能量利用率;③设备的保温,以减少热量或冷量的损失,并改善劳动条件;④溶液的蒸发,以取得浓缩的溶液或纯净的溶剂。此外,化工出产中的许多单元操作(如蒸馏、干燥、制冷等)和反应过程均涉及热量传递,这些个过程的设计、操作和控制也都要利用传热过程的规律。

化工出产中冷热流体间的传热,大都经由过程间壁进行。单位时间内热流体经由过程设备的总传热面积传递给冷流体的热量,称为热流量φ。它可暗示为:

式中R为总热阻;K为传热系数;A为传热面积;T-t为热流体与冷流体的温差,是传热推动力。

冷热流体间经由过程间壁的传热,至少包括三个串联的步骤(见图): ①热量靠对传播热自热流体传给壁面;②热量自壁面高温侧靠热传导传至低温侧;③热量靠对传播热自壁面传给冷流体。对于定态过程,各步骤传递的热量肯定相等,当壁面两侧面积相等时,可以证明:

式中 α1和 α2分别为壁面两侧传热分系数;λ为间壁材料的热导率;δ为间壁厚度。此式表明传热的总热阻等于三个串联的分热阻之和。其中δ/λ的值,当间壁为金属材料时凡是比其余两项小得多。

单位时间内经由过程单位传热面积所传递的热量,称为热量通量(又称热流密度)q,也就是:

q=dφ/dA

热量通量是反映传热过程强度的特征量,可暗示为:

q=K(T-t)

当两流体经由过程间壁传热时,流体的温度往往沿壁面发发生变故化,为计算经由过程整个壁面的热流量,必须对热量通量沿整个壁面积分,这就是传热基本方程式,它可写作:

φ=KAΔtm

式中Δtm为均等温度差。

均等温度差的大小与冷热两流体沿壁面流动的方向有关。当两流体作逆流或并流流动时,均等温度差为壁面两端温度差Δt1和Δt2的自然对数均等值,即:

当冷热两流体的进出口温度一按时,逆流流动的均等温度差最大,并流时的最小,其他各种流动方式则介于两者之间。但当有1个流体温度傲然如故时(如冷凝、沸腾),则流动方式对均等温度差没有影响。

李启恩

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liudong zuli

流动阻力(卷名:化工)

flow resistance

流动边界的物体对流动流体的作使劲。它与流体流动的方向相反,由动量传递而产生。流动阻力是粘性流体中动量传递研究的基本问题之一。流动阻力的反作使劲,即流体对物体的作使劲,称为曳力(drag)。对于管流,流动阻力凡是用流体的压力降暗示,此压力降造成的机械能(压能)减低不能再恢复,亦即部分机械能遭受损失,通称阻力损失。对于绕流,更多地注意曳力。只要来流即物体上游流体速度均匀,流体绕过静止物体的流动,与物体在静止流体中的运动是等同的。因此,工程上常在流动流体中置入静止的模型,以模拟物体在静止流体中的运动。

1506年,意大利科学家达·芬奇起首提出物体在流体中运动会受到阻力的观点,此后I.牛顿等著名科学家都曾经作有关研究,然而直到边界层理论产生之后,才认识到流动阻力的实质。产生阻力的缘故原由,早期只考虑物体前部的形状,后来发现物体后部的形状才是量重要的。物体后部发生的边界层分离,对流动阻力起决定性的影响。

品类 分为摩擦阻力和压差阻力。摩擦阻力是物体表面剪切力产生的流动阻力,其方向与流体运动方向相反。压差阻力则是垂直于物体表面的压力产生的对流体流动的阻力,其方向也与流体运动方向相反。两种阻力常同时存在。以流体绕过某物体的流动为例,两种阻力的相对于大小取决于下列三个因素:①物体的形状,如果物体是球那样的钝体,边界层分离较早,压差阻力是首要的。对于流线型物体,边界层不分离或分离较迟,则压差阻力较小,摩擦阻力是首要的。②由物体特征长度决定的雷诺数的大小,雷诺数决定边界层中的流动状况。湍流边界层摩擦阻力较大,但因分离推迟,往往压差阻力较小;层流则相反,摩擦阻力较小,而压差阻力较大。③物体表面的光洁度,粗糙表面的摩擦阻力较大,但粗糙表面可促进边界层湍化,使分离推迟,从而减小压差阻力。

阻力计算 绕流时阻力F的计算式子为:

式中Cd为阻力系数;u为来流速度;A为物体在垂直于运动方向上的投影面积;ρ为流体密度。阻力系数 Cd的大小取决于物体型状和雷诺数。如液体绕流圆球时的阻力系数Cd与Re的关系曲线(见绕流)。

流体在管道中流动时,直管的阻力首要是摩擦阻力,又称沿程阻力。摩擦阻力暗示为壁面上的剪切应力τw,其计算式子为:

式中f称为范宁摩擦系数;u为流体均等速度。τw与管内压力降 Δp 成正比,所以管内摩擦阻力常以压力降暗示,计算式子为:

式中l为管长;d为管道直径;λ是摩擦系数(λ=4f),它是Re 数和光洁度ε(管壁上凸起物的均等高度)的函数,即:

λ=φ(Re,ε/d)

上述函数关系可由实验或理论计算得到(见管流)。管内流体流经各种局部停滞物(例如阀门和管内构件),或通道截面积突然扩大或缩钟头所产生的阻力首要是压差阻力,工程上称为局部阻力。这时虽然也有摩擦阻力存在,但一般很小,可以纰漏。对于管流局部阻力的计算常用下式:

式中ξ为局部阻力系数,其值由实验确定。

研究流动阻力的意义 在工程应用上,研究流动阻力的目的是:①计算能量消耗,确定所需加入流动系统的外功,以便选择流体输送机械。②寻求减小阻力的方法,以减少能耗。例如:为减低屈曲通道中的阻力,可设置导流叶片;为减小压差阻力,可以使物体具有圆头尖尾的细长外形(流线型);为减小通道截面变化时的局部阻力,可采用截面逐渐变化的通道;为减低降低压力精馏塔的塔板压力降,可采用渐缩通道小孔的文丘里塔板。③经由过程改变流动阻力进行流量的调节和分配或改善流动截面上的流速分布,即流体均布。例如:在流化床反应器中采用高压力降分布板,强迫做流体沿流动截面均匀分布,以消弭因床层颠簸而引起的流体分布不均现象。

林纪方 任德呈

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chuanre fenxishu

传热分系数(卷名:化工)

individual heat transfer coefficient

又称传热膜系数、给热系数或放热系数,是衡量对传播热强弱程度的1个参数,是流体在单位时间内,在单位温度差推动下,经单位传热面积所传递的热量。传热分系数与传热面积乘积的倒数为对传播热的热阻,有时候亦以传热分系数的倒数表征对传播热的热阻。

传热分系数与传热时有无相变、流体流动状况、固体壁面结构和尺寸以及流体本身的物性(如热导率、粘度、密度、比热容)等有关(见表)。有相变对传播热的传热分系数,凡是比无相变对传播热时的大得多。提高传热分系数,是研究对传播热的目标之一。

工程上求取传热分系数的常用方法,是用相似论或因次分析来确定与对传播热过程有关的无因次数群,如普朗特数Pr、雷诺数Re和努塞尔数Nu等,然后经由过程实验求得它们之间的关系。传热分系数 α则可以由下式算出:

式中λ为流体的热导率;L为传热面的几何特征长度;Nu为努塞尔数,它是反映对传播热强弱的1个无因次数群(即没有限量纲参数),其表达式为:

此表达式也可改写成为:

式中 α*为一虚拟量,相当于传热过程仅以热传导方式进行时的传热分系数。从上式可看出努塞尔数的物理意义。

当湍流流动的流体与一定几何形状的换热面进行无相变对传播热时,努塞尔数是雷诺数和普朗特数的函数,即:

Nu=f(Re,Pr)

这是由于这种对传播热过程的强弱程度取决于速度场与温度场,而速度场特性取决于雷诺数,普朗特数又决定速度场与温度场间的关系。传热过程的实验研究成果,凡是用这个函数关系式来关联,并应用于传热设备的设计计算中。例如在圆管内作湍流流动的流体与管壁进行对流换热时,就象下经验关系:

Nu=0.023Re0.8Prb

式中指数b的数据,在流体加热时为0.4,在流体冷却时为0.3。算出Nu后,就不难求出传热分系数。由于建立此式时所用的流体物性都是按照流体进出口温度的算术均等值求得的,因此应用此式时也应参照这一规定确定物性参数。此均等温度称为定性温度。施用这类经验式时,必须注意关于定性温度和特征长度的规定,且经验式只能在建立此式的实验范围内部策应用。

此外,按边界层理论得出的解析解或数据解以及三传类比的规律,也可用以求得传热分系数。

李启恩

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chuanre danyuanshu

传热单元数(卷名:化工)

number of heat transfer unit

反映冷热流体间换热过程难易程度的参数,也是衡量换热器传热能力的参数。热流体和冷流体的传热单元数(NTU) 和(NTU) 各按下式定义计算:

式中T1和T2分别为热流体的进出口温度;t1和t2分别为冷流体的进出口温度;T 和t分别为微元传热面两侧的热流体与冷流体温度;K为均等传热系数;A为传热面积;qm1和qm2分别为热流体和冷流体的质量流量;cp1和cp2分别为热流体与冷流体的等压比热容。由定义式可知:在设计换热器时,换热要求越高,则所需传热面积越大,传热单元数也越大。对操作中的换热器,传热单元数越大,表明其性能越好。

采用传热单元数法计算换热过程,还须引入传热效率的概念。换热器内传热效率是指两流体的现实传热量与理论上可能的最大传热量(即两流体逆流操作且传热面积为无限大时的传热量,此时t2=T1或T2=t1)的比值。热流体和冷流体的传热效率分别为:

对一定型式的换热器,传热单元数、传热效率和两相热容量流率qmcp间存在一定关系。对于逆流操作的换热器为:

式中 各种可能环境下的传热效率与传热单元数的关系已绘制成图,计算时可直接利用。若某流体在换热中汽化或冷凝, 则它的qmcp值为无限大。利用(NTU)H与η的关系式和热量衡算式子,可较方便地进行传热计算,特别是对已有换热器传热性能进行核算,可制止试差或减少试差次数。

罗运禄

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huanreqi

换热器(卷名:化工)

heat exchanger

又称热交换器,是冷热流体间进行换热的设备(见彩图),在化工、石油、动力、食品等部门,换热器广泛用作加热器、冷却器和冷凝器。为适应不同工作条件(温度、压力等)和物料特性,换热器品类繁多,结构各异,用材多样。根据冷热流体间的换热方式,换热器可分为三类:

①间壁式换热器 冷热流体被固体间壁隔开并经由过程间壁进行换热的设备。此类换热器可保证冷热流体不相混淆,所以应用最广。按传热面的结构形式,间壁式换热器又分为管式换热器(如管壳式换热器、蛇管换热器、套管换热器、喷淋式换热器、空气冷却器等)和板式换热器(如螺旋板式换热器、平板式换热器、板翅式换热器等)。

②接触式换热器 冷热流体直接接触进行换热的设备,又称混淆式换热器。如凉水塔、用于气体冷却的填充塔和混淆式冷凝器等。接触式换热器传热效果好,但只限于冷热流体不互溶又允许彼此混淆的场合。

③蓄热式换热器 冷热流体借助于蓄热填充物(如耐火砖,波纹铝带)进行换热的设备,又称蓄热器。有的蓄热器使冷热流体交替经由过程固定的蓄热填充物,进行间歇式换热,如窑炉燃烧现象用空气的预热室。有的蓄热器蓄热填充物装填于慢速转动的多室设备中,冷热流体则连续经由过程设备的不同部位而进行换热,其典型设备是回转式蓄热器。蓄热器用于冶金、制氧、动力、石油化工等部门,首要作为空气预热器。

罗运禄 陆震维

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kongqi lengqueqi

空气冷却器(卷名:化工)

air-cooled heat exchanger

简称空冷器,以空气作为冷却剂的间壁式换热器,可用作冷却器,也可用作冷凝器。空冷器首要由管束、支架和风机组成。热流体在管内流动,空气在管束外吹过。由于换热所需的通风量很大,而风压不高,故多采用轴流式通风机(见流体输送机械)。

管束的型式和材质对空冷器的性能影响很大。由于空气侧的传热分系数很小,故常在管外加翅片,以增加传热面积和流体湍动,减小热阻。空冷器大都采用径向翅片。目前,空冷器中凡是采用外径为25mm的光管,翅片高为12.5mm的低翅管和翅片高为16mm的高翅管。翅片一般用热导率高的材料(最常用的是铝)制成,缠绕或嵌入到光管上。为强化空冷器的传热效果,可在进口空气中喷水增湿。这样既减低了空气温度,又增大了传热系数。采用空冷器可节省大量工业用水,减少环境污染,减低基建用度。特别在缺水田区,以空冷代替水冷,可以缓和水的源头不足的矛盾。(见彩图)

罗运禄

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guanqiaoshello huanreqi

管壳式换热器(卷名:化工)

shell and tube heat exchanger

又称列管式换热器。是以关闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单,操作可靠,可用各种结构材料(首要是金属材料)制造,能在高温、高压下施用,是目前应用最广的类型。

结构 由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等器件组成(见图)。壳体多为圆筒形,内部装有管束,管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动,称为管程流体;另外一种在管外流动,称为壳程流体。为提白领外流体的传热分系数,凡是在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度,强迫做流体按规定路程多次横向经由过程管束,增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑,管外流体湍动程度高,传热分系数大;正方形排列则管外清洗方便,适用于易结垢的流体。

流体每经由过程管束一次称为1个管程;每经由过程壳体一次称为1个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提白领内流体速度,可在两端管箱内设置隔板,将全部管子均分成若干组。这样流体每次只经由过程部分管子,因而在管束中往返多次,这称为多管程。同样,为提白领外流速,也可在壳体内安装纵向挡板,强迫做流体多次经由过程壳体空间,称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。

类型 由于管内外流体的温度不同,因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大,换热器内将产生很大热应力,导致管子屈曲、断裂,或从管板上拉脱。因此,当管束与壳体温度差超过50℃时,需采取适当补偿办法,以消弭或减少热应力。根据所采用的补偿办法,管壳式换热器可分为以下几种首要类型:

① 固定管板式换热器 管束两端的管板与壳体联成一体,结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不过高时,可在壳体上安装有弹性的补偿圈,以减小热应力。

② 浮头式换热器 管束一端的管板可自由浮动,完全消弭了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广,但结构比较复杂,造价较高。

③ U型管换热器 每根换热管皆弯成U形,两端分别固定在统一管板上下两区,借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消弭了热应力,结构比浮头式简单,但管程不易清洗。

非金属材料换热器 化工出产中强腐蚀性流体的换热,需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。这类换热器的换热性能较差,只用于压力低、振动小、温度较低的场合。

流道的选择 进行换热的冷热两流体,按以下原则选择流道:①不洁净和易结垢流体宜走管程,因管内清洗较方便;②腐蚀性流体宜走管程,以避免管束与壳体同时受腐蚀;③压力高的流体宜走管程,以避免壳体承受压力;④饱和蒸汽宜走壳程,因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出;⑤若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时,宜使传热分系数大的流体走壳程,以减小热应力。

操作强化 当管壁两侧传热分系数相差很大时(如粘度小的液体与气体间的换热),应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小,可采用外螺纹管(低翅片管),以增大管外一侧的传热面积和流体湍动,减小热阻。如果管内传热分系数小,可在管内设置麻糖铁,螺旋圈等添加物,以增强管内扰动,强化换热,当然这时流体的流动阻力也将增大。

罗运禄

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banshello huanreqi

板式换热器(卷名:化工)

plate heat exchanger

用板材构成传热面的间壁式换热器。这类换热器结构紧凑,单位体积的传热面积较大。首要类型有:

① 螺旋板式换热器 由两张保持一定间距的平行金属板卷制而成(图1),冷、热流体分别在金属板两侧的螺旋形通道内流动。这种换热器的传热系数高(约比管壳式换热器高1～4倍),均等温度差大(因冷、热流体可作完全的逆流流动),流动阻力小,不易结垢;但维修困难。施用压力不超过2MPa。

② 平板式换热器 由一定形状的波纹薄板和弥缝垫片交互叠合,并用框架夹紧组装而成(图2)。冷、热流体分别在波纹板两侧的流道中流过,经板片进行换热。波纹板凡是由厚度为0.5～3mm的不锈钢、铝、钛、钼等薄板冲制而成。平板式换热器的长处是传热系数高(约比管壳式换热器高2～4倍),容易拆洗,并可增减板片数以调整传热面积。操作压力凡是不超过2MPa,操作温度不超过250℃。

③ 板翅式换热器 由关闭在带有冷、热流体进出口的集流箱中的换热板束构成。板束由平板和波纹翅片交互叠合,钎焊固定而成(图3)。冷、热流体流经平板两侧换热,翅片增加了传热面积,又促进了流体的湍动,并对设备有增强作用。板翅式换热器结构非常紧凑(换热面积达4400m2/m3),传热效果好,且施用压力可达15MPa。但它的制造工艺复杂,流道小,内漏不易修复,因而限用于清洁的无腐蚀性流体,如作空气分离用的换热器。

罗运禄

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liangshuita

凉水塔(卷名:化工)

cooling tower

用空气以直接接触方式使热水冷却的设备。凉水塔内发生的冷却过程遵循水对空气增湿的原理。在工厂中,为了节约用水和控制水质,把施用后已变热的冷却水(热水)进行冷却然后循环施用,而凉水塔则是最常用的热水冷却设备。在逆流操作的凉水塔内,热水从塔顶淋下,与上升的空气进行热量传递和质量传递。在塔的上部,一般热水的温度和响应的平衡水汽分压都较高,热量和质量由热水传给空气(见图)。在塔的下部,水温降到气温以下,但比空气湿球温度高,这时由于空气仍是不饱和状况,水继续汽化为水蒸气使空气增湿,进行质量传递,其所需的汽化热,部分由空气传热给水流进行热量传递,不足部分的热由水本身温降提供,因此水温可继续减低。当塔高足够时,水温可能接近的极限是进口空气的湿球温度。凉水塔内装有填料,以增加水与空气的接触表面积。常用的填料形式有点波填料、斜波填料、蜂窝填料以及各种形状的板条。

气液两相在凉水塔内的流动方向有多种,但常用的是逆流。为了加强热湿交换,可提高空气流速,则需要采用轴流式风机(见流体输送机械)进行强制通风。

戴元熙

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tianchongta

填充塔(卷名:化工)

packed column

又称填料塔,是一类用于气液和液液系统的微分接触传质设备,首要由圆筒形塔体和堆放在塔内对传质起关键作用的填料等组成,用于吸收、蒸馏和萃取,也可用于接触式换热、增湿、减湿和气液相反应过程。

填充塔的应用始于19百年中叶,起初在空塔中填充碎石、砖块和焦炭等块状物,以增强气液两相间的传质。1914年德国人F.拉西起首采用高度与直径相等的陶瓷环填料(现称拉西环)推动了填充塔的发展。此后,多种新填料相继出现,填充塔的性能不断得到改善,近30年来,填充塔的研究及其应用取得巨大进展,不仅开发了数十种新型高效填料,还较好地解决了设备放大问题。到60年代中期,直径数米乃至十几米的填充塔已不足为奇。现在,填充塔已与板式塔并驾齐驱,成为广泛应用的传质设备。

结构 用于气液系统的填充塔(图1),由塔体、填料、填料的压板和支承板、液体分布器和液体再分布器等组成。填料堆于支承板上,有些可以肆意堆放,有些则必须规整排列。填充塔逆流操作时,气体自塔底进入,在填料间隙中向上流动;液体自塔顶加入,经由过程液体分布器均匀喷洒于整个塔截面上。液体分布器(图2)的性能对塔的性能有很大影响,液体在填料表面形成液膜,向下流动时形成不断更新的传质表面。液体沿肆意堆放的填料层向下流动时,沿塔壁流动的液体逐渐增多,称为壁流现象。壁流现象影响到气液的均匀接触,因此填料层较高时,宜每隔一定间隔设置液体再分布器,使液身体的重量新均匀分布。规整排列的填料,一般可不设再分布器,但对液体在塔顶初始分布的均匀性要求则更高。有时候在塔顶还设置除沫器,以除去气流中的雾沫。

用于液液系统的填充塔的结构,与气液系统的填充塔基真相同。但操作时凡是将一相分散成液滴,以液滴表面作为相间传质表面,填料则促进液滴的多次凝聚和分散,以利于传质表面的不断更新和增强液滴湍流,并减少两相轴向返混。因此制作填料的材料,必须不被分散相所润湿。为增强两相的接触传质,还可以利用外加机械能使塔内液体脉动,这种填充塔称为脉动填充塔。

填料 是填充塔的基本构件,填充塔内两相接触传质状况首要由填料特性决定。填料的首要特性参数是:①比表面积。即单位体积填料层所具有的表面积,比表面积应尽可能大;②空地率。填料层内空地所占的体积分率,为减少气体的流动阻力,提高填充塔的经由过程能力,空地率应尽可能大。此外,性能优良的填料还必须易于制造,价格低价,耐腐蚀并具有一定的机械强度。

工业上常用的填料(图3) 品类很多,按填料在塔内的填充方式,可分为乱堆填料与整砌填料。按几何形状可分为:①环形填料,包括拉西环、鲍尔环和台阶环等。②鞍形填料,包括弧鞍形填料、矩鞍形填料及环鞍形填料等。③规整填料,有格栅填料、波纹填料和丝网填料等。填料还可分为用陶瓷、塑料、金属等制成的实体填料,和用金属丝网制成的网体填料。实体填料价格便宜,是常用的类型,但当液气流量比很钟头,为保证填料表面充分润湿,宜采用网体填料。

流动特性气液两相在填充塔内的流动特性,可用气体经由过程填料层的压力降与气液两相流量的关系曲线(图4)来表述。在低气速下,气体与液膜之间的摩擦阻力极小 ,填料层内的液膜厚度首要取决于液体流量,气体流量的影响可纰漏,气体经由过程湿填料层的压降,与气体流量的关系险些同干填料层一样,即与气体流量的1.8～2.0次方成正比(图中的线1～2)。增加液体流量,液膜增厚,气体在填料间隙中的现实流速增加,压力降也随之增大(线1′～2′)。当气体流量增加到某一数据时,气体对液膜的摩擦阻力已不能纰漏,开始拦液,此时液膜随气体流量增加而增厚,压力降曲线变陡(线2～3与线2′～3′)。压力降曲线变陡的起点(点 2与点2′)称为载点。当气体流量高达某一值时,填料层内的液膜急剧增厚,压力降急剧增加,压力降曲线近乎垂直,最终或使液体转化为连续相,而气体成分散相以气泡形式穿过液层;或使液体从塔顶溢出,此种现象称为液泛。操作进入液泛的转折点(点3与点3′)称为泛点。在设计填充塔时,一般取泛点气速的50%～80%作为操作气速。

填充塔的特点 填充塔用于气液系统时,与板式塔相比,就象下特点:①气相压力降小;②易用耐腐蚀材料制造;③塔内持液量小;④有破碎泡沫的作用;⑤小直径塔(0.6m以下)的造价便宜;⑥为保证填料的充分润湿,液气比太小的操作不相宜;⑦对于气、液相流量变化的适应性差;⑧易被固体杂质拥塞,清理又不方便;⑨塔内部很难进行换热,难于从侧线抽出产品。

填充塔用于液液系统时,因其分离效果较差,施用不广。随着对填充塔研究的深入,将会继续创制新型高效填料,放大问题将得到更可靠的解决,填充塔的应用范围可望进一步扩大。(见彩图)

参考书目

萧成基等著:《气液传质设备》(《化学工程手册》第13篇),化学工业出版社,北京,1979。

陆震维

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