加热及传热过程的安全分析

19、加热及传热过程的安全分析29.1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：：：：470-520470-520470-520470-520度•氨氧化法制备硝酸：：：：800800800800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•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3•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•蒸汽或热水•载热体加热•电加热4传热方式：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎩⎩⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎨⎨⎨⎧⎧⎧⎧辐射传热：对流传热：导热）热传导：((((电热炉烧水靠电磁波传热无物质的宏观位移运动，传热靠分子的无规则热流流动）内部，之间和物质（静止或层发生在相互接触的物质体有宏观位移发生在流体内部，且流强制对流自然对流⎩⎩⎩⎩⎨⎨⎨⎨⎧⎧⎧⎧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5牛顿冷却定律：(((())))22221111ttttttttAAAAQQQQ−−−−====αααα对流传热：流动的流体与外界的传热静止流体与外界的传热1111tttt2222ttttQQQQQQQQ电热炉烧水强制对流自然对流对流传热系数，W/m2K边界层是对流传热的主要热阻所在。tttttttt•化工生产中的热交换热流体冷流体目的不同加热剂：水蒸汽、热水、油冷流体：冷水、空气、盐水7⎪⎩⎪⎨⎧蓄热式间壁式直接接触式Tt间壁式热流体蓄热式tT直接接触式冷流体分类9.2.2典型换热过程安全分析8⎪⎪⎪⎪⎩⎩⎩⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎨⎨⎨⎧⎧⎧⎧夹套式列管式套管式t1T1T2t2套管式T1T2夹套式t1T1T2t2列管式间壁式换热器9101112管程数：单管程、双管程、多管程壳程数：单壳程、双壳程、多壳程t1T1T2t2单管程、单壳程t1T2T1t2双管程列管式t1T2T1t2双管程、双壳程列管式换热器13TTTTTTTT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9.3传热过程热平衡分析14dAdAdAdAKKKKttttTTTTdAdAdAdAdAdAdAdAbbbbdAdAdAdAttttTTTTdAdAdAdAttttttttdAdAdAdAbbbbttttTTTTdAdAdAdATTTTTTTTdQdQdQdQxxxxmmmm−−−−========++++++++−−−−====−−−−====−−−−====−−−−====总热阻总推动力ααααλλλλααααααααλλλλαααα式中A可取A1、Am、A2等。mmmmxxxxttttKAKAKAKAtdAtdAtdAtdAKKKKQQQQ∆∆∆∆====∆∆∆∆====∫∫∫∫出进-------总传热速率方程平均传热温差总传热系数，单位W/m2KTTTTTTTT∆∆∆∆====无相变时：()()1221ttcqTTcqQpccphh−=−=有相变时：qrQ=TTTT1111TTTT2222tttt1111tttt2222------称为总传热热阻KAKAKAKA1111QQQQ的计算16TTTTTTTT以冷、热流体均为等温变化为例。222222221111111122222222111111111111111111111111AAAAAAAAbbbbAAAAttttTTTTAAAAttttttttAAAAbbbbttttTTTTAAAATTTTTTTTQQQQmmmmααααλλλλααααααααλλλλαααα++++++++−−−−====−−−−====−−−−====−−−−====TTTT1111TTTT2222tttt1111tttt2222TTTTttttTTTTttttTTTTTTTT的计算（1111）查经验数据：P156P156P156P156表9-19-19-19-1（2222）现场测定（3333）公式计算1721111αλα++=∴bK2211111αλα++++=RabRaKTTTTTTTT考虑到实际传热时间壁两侧还有污垢热阻，则上式变为：189.4工业加热载体与冷却剂•9.4.19.4.19.4.19.4.1加热剂与加热方法•(1)(1)(1)(1)水蒸汽•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•100100100100ooooCCCC：：：：0.1Mpa0.1Mpa0.1Mpa0.1Mpa•200200200200ooooCCCC：：：：1.56Mpa1.56Mpa1.56Mpa1.56Mpa19•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20•(2)(2)(2)(2)热水•一般用于100100100100ooooCCCC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21•（３）（３）（３）（３）高温有机物：：：：400400400400ooooCCCC•（４）（４）（４）（４）无机熔盐：：：：550550550550ooooCCCC•（３）（３）（３）（３）其他：：：：•液体金属：：：：300-800300-800300-800300-800ooooCCCC•烟道气：：：：1100110011001100ooooCCCC•电：：：：3000300030003000ooooCCCC22•9.4.29.4.29.4.29.4.2冷却剂和冷却过程•水：：：：通常10-3010-3010-3010-30ooooCCCC，，，，地下水4-154-154-154-15ooooCCCC•循环水的使用•空气：：：：•冷冻盐水::::•制冷剂：：：：氨、、、、氟里昂239.5换热器安全技术•9.5.19.5.19.5.19.5.1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24•9.5.29.5.29.5.29.5.2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25•9.5.39.5.39.5.39.5.3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269.5.4换热器结构与性能特点壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板⎩⎩⎩⎩⎨⎨⎨⎨⎧⎧⎧⎧纵向横向列管式换热器（管壳式换热器）构造2728壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板⎩⎩⎩⎩⎨⎨⎨⎨⎧⎧⎧⎧纵向横向29温度补偿问题：T1t0（环境）TwTt1t2T2列管式ttw温差在50505050℃以上时，要考虑温度补偿问题30温度补偿问题：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((((60~7060~7060~7060~70℃))))且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。补偿圈补偿--------------------固定管板式换热器31温度补偿问题：浮头补偿------------------------浮头式换热器UUUU型管补偿------U------U------U------U型管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。用于壳体与管子间温差大的场合，但管内清洗比较困难。32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：�冷、热流体的走向：�管径、管长、管数常用的冷却剂有：水、空气、液氨等常用的加热剂有：水蒸汽、热空气、烟道气、热油、联苯混合物等一般原则：①不洁净的或易结垢的流体-----②腐蚀性流体------③压力高的----④温度远高于环境的或远低于环境的流体-----⑤蒸汽----⑥粘度大的或流量较小的流体----易于清洗侧管程管程管程壳程（便于排放冷凝液及不凝性气体）壳程选用、设计原则33根据换热任务，选定一些参数，如流速、K等试算A初选换热器型号及规格校核K、A设计方法及步骤：34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。其它类型的换热器3536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....37螺旋板换热器：▲传热效率高　　传热效率为列管式换热器的1~31~31~31~3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。38冷入冷出热入热出39冷入冷出热入热出4041•9.5.59.5.59.5.59.5.5换热器安全运行分析42mmmmttttKAKAKAKAQQQQ∆∆∆∆====（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。1．提高mmmmtttt∆∆∆∆-----程度有限，一般不可随意改变2、增大A----设计时可以，操作时不易改变3、提高K222222222222111111111111111111111111AAAAhhhhRaRaRaRakAkAkAkAbbbbRaRaRaRaAAAAhhhhKAKAKAKAmmmm++++++++++++++++====要设法减小热阻较大项，才能有效地提高K值。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。