化工传热过程与控制教案化工1311.docx
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化工传热过程与控制教案化工1311
《化工传热过程与控制》(项目化)
教案
(2013.9~2014.1学年第1学期)
学院常州工程职业技术学院
系(部)化学工程系
教研室化工原理
班级化工1211
教师潘文群
项目一、酒精回收生产中的预热器的选用
知识目标:
1、掌握传热操作的基本知识、基本理论与工艺计算;掌握传热过程的操作要领、常见事故及其处理方法;掌握热电阻、热电偶等常用温度测量仪表的使用方法。
2、理解间壁传热的热阻构成、强化传热的方法与途径,设备与管道的热损失及其保温措施;理解列管式换热器的选型方法。
3、了解工业换热器的类型、结构、特点、操作原理及其适用范围,新型换热器的发展;了解工业上常用测温仪表的分类、结构、工作原理适用范围及安装维护;了解换热器的自动控制方案及其选用方法。
能力目标:
1、能根据生产任务对列管换热器、套管换热器、板式换热器等常用换热器实施基本操作,能正确使用各类常见的温度测量仪表和对换热器实施自动控制,并能根据生产工艺与设备特点制定传热过程的安全操作规程。
2、能运用传热基本理论与工程技术观点分析和解决传热操作中诸如传热效率下降、振动、工艺介质控制参数不达标等常见故障。
3、能根据工艺过程需要正确查阅和使用一些常用的工程计算图表、手册、资料等,并进行必要的换热计算,如传热量的计算、载热体用量计算、平均传热温差计算、换热面积计算、对流传热系数与总传热系数的计算及列管换热器的选型计算。
素质目标:
1、帮助学生逐步建立工程技术观念,培养学生追求知识、严谨治学、勇于创新的科学态度和理论联系实际的思维方式;
2、培养学生逐步形成安全生产、节能环保的职业意识和敬业爱岗、严格遵守操作规程的职业操守;
3、培养学生团结协作、积极进取的团队合作精神。
任务单(总)(A)
常州新东化工有限公司拟将已用过的低浓度的酒精回收,已知低浓度的酒精浓度为15%(摩尔分数),回收后的酒精浓度为85%(摩尔分数)。
年生产时间为300天,预热器的热损失为加热量的5%。
其工艺流程图如下:
现将原料液经过预热到750C后进入精馏塔,现要求各自小组根据不同的生产能力选用和计算此换热器的相关尺寸和参数。
分为10组:
第1组:
50000t/Y;第6组:
70000t/Y;
第2组:
54000t/Y;第7组:
74000t/Y;
第3组:
58000t/Y;第8组:
78000t/Y;
第4组:
62000t/Y;第9组:
82000t/Y;
第5组:
66000t/Y;第10组:
86000t/Y;
以上处理量是指处理15%的酒精量。
完成下列任务
(1)换热设备的选用(结构形式);
(2)换热方式的确定;
(3)加热剂和冷却剂的选用(加热剂用量和冷却剂用量的计算);
(4)热负荷的计算;
(5)传热系数K的来源;
(6)换热器的结构尺寸的计算(面积,列管的规格、管子在管板上的排列方式、流体流入空间的选择、管程数和壳程数的确定等);
(7)传热过程中的DCS控制;
(8)换热器的操作与维护;
(9)换热器中的常用仪表—温度的使用。
任务单(总)(B)
常州亚邦集团生产丙烯酸甲酯,选取酯化反应器的预热器作为A线项目,将反应物料甲醇和丙烯酸混合后,加热到750C送入酯化反应器。
甲醇的进料量在750Kg/h之间,丙烯酸的进料量在1800Kg/h之间,醇和酸的摩尔比为1:
0.75计,预热器的热损失为加热量的5%。
年生产时间为300天。
现要求各自小组根据不同的生产能力选用和计算此预热器的相关尺寸和参数。
分为10组:
(甲醇)
第1组:
40000t/Y;第6组:
60000t/Y;
第2组:
44000t/Y;第7组:
64000t/Y;
第3组:
48000t/Y;第8组:
68000t/Y;
第4组:
52000t/Y;第9组:
72000t/Y;
第5组:
56000t/Y;第10组:
76000t/Y。
完成下列任务
(1)换热设备的选用(结构形式);
(2)换热方式的确定;
(3)加热剂和冷却剂的选用(加热剂用量和冷却剂用量的计算);
(4)热负荷的计算;
(5)传热系数K的来源;
(6)换热器的结构尺寸的计算(面积,列管的规格、管子在管板上的排列方式、流体流入空间的选择、管程数和壳程数的确定等);
(7)传热过程中的DCS控制;
(8)换热器的操作与维护;
(9)换热器中的常用仪表—温度的使用。
任务单(总)(B)
常州亚邦集团生产丙烯酸甲酯,选取酯精馏塔的塔顶冷却器作为B线项目,将丙烯酸甲酯由饱和蒸汽冷却到常温。
丙烯酸甲酯生产能力在2000Kg/h之间,预热器的热损失为加热量的5%。
年生产时间为300天。
现要求各自小组根据不同的生产能力选用和计算此预热器的相关尺寸和参数。
分为10组:
第1组:
100000t/Y;第6组:
120000t/Y;
第2组:
104000t/Y;第7组:
124000t/Y;
第3组:
108000t/Y;第8组:
128000t/Y;
第4组:
112000t/Y;第9组:
132000t/Y;
第5组:
116000t/Y;第10组:
136000t/Y。
完成下列任务
(1)换热设备的选用(结构形式);
(2)换热方式的确定;
(3)加热剂和冷却剂的选用(加热剂用量和冷却剂用量的计算);
(4)热负荷的计算;
(5)传热系数K的来源;
(6)换热器的结构尺寸的计算(面积,列管的规格、管子在管板上的排列方式、流体流入空间的选择、管程数和壳程数的确定等);
(7)传热过程中的DCS控制;
(8)换热器的操作与维护;
(9)换热器中的常用仪表—温度的使用。
编制部门Dept:
化工原理教研室编制时间Date:
2013-9
任务单编号(No.)
A1-1-1
项目名称(Item)
子项目一酒精回收生产中的预热器的设备选用
训练对象(Class)
高职二年级
训练时间(Time)
班级
组别
姓名
班组成员
传热基本方式
热传导
物体内部分子微观运动的一种传热方式。
是由于物体内部的分子或自由电子的运动,将热能以动能的形式传给相邻温度较低的分子的过程称为“热传导”,简称“传导”,又称“导热”。
热对流
流体中质点发生相对位移而引起的热交换称为“对流传热”。
对流传热过程中必然伴有热传导。
流体质点的相对位移是由于流体各处温度的不同而引起的热交换称为自然对流。
若流体质点的相对位移是由于外力的作用所致而引起的热交换称为强制对流。
热辐射
热量以电磁波形式传递的现象称为“热辐射”,简称“辐射”。
任何物体都能将热能以电磁波的形式发射出去,也能吸收别的物体辐射出的电磁波而转变成热能。
辐射传热不需要任何物质做介质。
任何物体只要在0K以上,都能发射辐射能。
工业换热方式
原理
典型设备
间壁式换热
冷热流体被一固体壁面隔开,以免相混,传热时热流体将热量传给设备壁面,再由壁面传给冷流体。
夹套式、蛇管式、套管式、列管式、螺旋板式
混合式换热
冷热流体直接接触,在混合过程中进行传热。
凉水塔、喷洒式冷塔、
喷射冷凝器
蓄热式换热
在蓄热设备内装有耐火砖这类填充物,传热时冷热流体交替地流过蓄热器,通过填充物的贮存和释放热量而达到传热的目的。
气化炉、裂解炉
蓄热式换热
在蓄热设备内装有耐火砖这类填充物,传热时冷热流体交替地流过蓄热器,通过填充物的贮存和释放热量而达到传热的目的。
气化炉、裂解炉
中间载热体式换热;又称热媒式换热
换热器是将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体(称为热媒)连接起来,载热体在高温流体换热器中从热流体吸收热量后,带至低温流体换热器传给冷流体。
热管式换热器
酒精预热器的选用
将酒精从常温预热到75C0,没有到酒精的沸点(15%的酒精溶液的沸点为84.6C0),为没有相变化的过程,且温度升高的不是很大。
蓄热式换热法—回收热量,预热空气或气体,且温度很高;
混合式换热法—两种流体可以直接混合的场合;
热媒换热法—新型换热设备,传热性能好,价格贵,通常用在核工业上。
只里用间壁式换热法即可。
间壁式换热法。
其中列管式换热器最为常见,即选用列管式换热器。
得分
编制部门Dept:
化工原理教研室编制时间Date:
2013-9
任务单编号(No.)
A1-1-2
项目名称(Item)
子项目一、酒精回收生产中的的预热器—加热剂和冷却剂的选用
训练对象(Class)
高职二年级
训练时间(Time)
班级
组别
姓名
班组成员
传热的常用术语
传热
热量的传递
载热体
参与热交换的流体。
温度较高而放出热量的载热体称“热载热体”。
而温度较低获得热量的载热体称为“冷载热体”。
加热剂
传热过程的目的是将冷载热体加热,则所用的热载热体称为“加热剂”。
冷却剂
传热过程的目的是将热载热体冷却,则所用的冷载热体称为“冷却剂”。
稳定传热过程
在传热过程,把温度只随位置的变化而变化,但不随时间的变化而变化的传热过程称为“稳定传热过程”。
不稳定传热
过程
在传热过程中,温度既随时间的变化而变化,也随位置的变化而变化的传热过程称为“不稳定传热过程”。
传热的应用
为化学反应创造必要的条件
为单元操作创造必要的条件
提高热能的综合利用和余热的回收
减少设备热量(冷量的损失)
传热的目的
加热或冷却
换热
保温
载热体的选用
①载热体应能满足所要求达到的温度;②载热体的温度调节应方便;③载热体的比热或潜热应大;④载热应具有化学稳定性,不会分解;⑤载热体必须操作毒性小、不易燃、不易爆、对设备腐蚀性小;⑥价格便宜,来源充分。
乙醇预热的加热剂
常用的加热剂有:
饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐、烟道气、电加热。
饱和水蒸汽加热温度可到150C0;矿物油加热温度可到250C0;联苯混合物加热温度可到500C0;熔盐加热温度可到800C0;烟道气加热温度可到1000C0;电加热可以任意调节温度。
可以选择饱和水蒸汽作为加热剂。
得分
教学安排
1.本课程的性质、内容、要求、学习方法、考核等
2.情景引入
2.1产品的生产背景:
酒精是一种无色透明、易挥发,易燃烧,不导电的液体。
主要用于食品、化工、军工、医药等领域。
例如药用酒精(乙醇)是医疗单位和家庭药箱的必备药品,值得注意的是,不同的用途要求不同的浓度。
95%的酒精医疗单位常用于酒精灯、酒精炉;70%~75%的酒精可用于灭菌消毒;40%~50%的酒精用于预防褥疮;25%~50%的酒精用于物理退热。
2006年1-12月,中国酒精制造行业实现累计工业总产值25,656,601千元,比上年同期增长了52.48%;实现累计产品销售收入24,727,596千元,比上年同期增长了55.67%,;实现累计利润总额1,222,718千元,比上年同期增长了100.82%。
2007年1-11月,中国酒精制造行业实现累计工业总产值33,921,257千元,比上年同期增长了38.41%;实现累计产品销售收入29,550,616千元,比上年同期增长了26.49%;实现累计利润总额1,132,282千元,比上年同期增长了25.44%。
2.2常州东方化工集团
常州东方化工集团,下设化工厂、氯碱厂、树脂厂、制药厂四个生产厂家,分别生产如下产品:
醋酸、甲基丙烯酸甲酯、苯酐、浓碱、PVC树脂、苹果酸、卡托普利、强力霉素等产品。
化工厂需要用酒精作为溶剂,现有一套现存的酒精精馏装置,为了达到综合利用的目的,将用剩下的浓度较低的酒精回收来获得所需要的酒精溶液。
年生产能力为30万t/a。
由于集团紧急上马,使得集团人手不够,委托化工1211车间负责酒精回收生产过程。
3.生产委托合同
由常州东方化工集团与下属生产单位(化工1211车间)签定《酒精回收项目的委托协议书》。
由化工1211车间主任向完成各具体项目(或任务)的工段长分配任务,由工段长组织人员完成具体项目(或任务)。
老师作为化工1211车间主任,化工1211的学生作为车间工人(含技术员)。
4.对项目组织实施
对课内项目,将围绕项目工作过程,每一工作小组需完成17项工作任务,由小组长组织实施,最后对完成的结果要写出完整的操作规程和项目总结报告等。
指导教师在项目实施过程中,注意培养学生以“工作方案的制定”、“工艺条件的确定”、“操作规程的编制”、“安全正确地操作”、“工作效果的评估”等为工作过程导向的职业能力,培养学生劳动保护意识、团队协作意识、经济意识和节能环保意识,引导学生学习查阅图书与网络资料、学会资料整理等,注重学生自主学习能力的培养。
项目一、酒精回收生产中的预热器的选用
子项目一、酒精回收生产中的预热器设备选用
1.认识传热过程
1.1告知:
生产任务及完成要求
1.2发任务单及说明
1.3工人完成任务。
学生以学习小组为单位(全班分成10个学习小组)按任务单要求完成任务,教师指导。
1.4工人(职工)之间相互检验或点评
1.5车间主任(教师)点评
点评内容如下:
1.5.1传热过程及传热在化工生产中的应用
—为化学反应创造必要的条件、为单元操作创造必要的条件、提高热能的综合利用和余热的回收、减少设备热量(冷量)的损失)。
1.5.2传热的目的
—加热或冷却、换热、保温。
1.5.3传热的基本方式
—热传导:
物体内部分子微观运动的一种传热方式。
是由于物体内部的分子或自由电子的运动,将热能以动能的形式传给相邻温度较低的分子的过程称为“热传导”,简称“传导”,又称“导热”。
—对流传热:
流体中质点发生相对位移而引起的热交换称为“对流传热”。
对流传热过程中必然伴有热传导。
流体质点的相对位移是由于流体各处温度的不同而引起的热交换称为自然对流。
若流体质点的相对位移是由于外力的作用所致而引起的热交换称为强制对流。
—热辐射:
热量以电磁波形式传递的现象称为“热辐射”,简称“辐射”。
任何物体都能将热能
以电磁波的形式发射出去,也能吸收别的物体辐射出的电磁波而转变成热能。
(不需要任何介质),其能量只与温度有关。
1.5.4工业上的换热方法
—间壁式换热:
冷热流体被一固体壁面隔开,以免相混,传热时热流体将热量传给设备壁面,再由壁面传给冷流体。
—混合式换热:
冷热流体直接接触,在混合过程中进行传热。
—蓄热式换热:
在蓄热设备内装有耐火砖这类填充物,传热时冷热流体交替地流过蓄热器,通过填充物的贮存和释放热量而达到传热的目的。
1.6完善任务单。
2.载热体的选用
2.1情景引入
—需将酒精加热到一定温度后进入精馏塔,如何将酒精加热?
用什么可以将酒精加热?
2.2发放任务单
2.3完成任务单
2.4工人之间相到讨论、分析各自完成任务单的情况
2.5工程师点评
—针对问题进行分析和点评,同时将相关的涉及到的理论和概念进行讲解,涉及到的内容有:
2.5.1传热过程的常用术语
2.5.2载热体的选用
—选用原则
—常用的加热剂和冷却剂及适用场合
2.5.3典型换的换热器的简介
以列管换热器为例。
2.6工人们修改任务单。
建议选用:
列管式换热器
建议选用:
加热蒸汽作为加热剂。
编制部门Dept:
化工原理教研室编制时间Date:
2013-9
任务单编号(No.)
A1-2-1
项目名称(Item)
子项目二、预热器的工艺参数—热负荷和加热剂用量
训练对象(Class)
高职二年级
训练时间(Time)
班级
组别
姓名
班组成员
热负荷的概念
热负荷
当生产上需要加热或冷却某物料时,要求换热器在单位时间内向该物料输入或输出一定的热量,这是生产对换热器换热能力的要求,称为该换热器的热负荷。
传热速率
单位时间内通过传热面的热量。
热负荷与传热速率的区别
热负荷是生产上要求换热器单位时间传递的热量,是换热器的生产任务
传热速率是换热器单位时间能够传递的热量,是换热器的生产能力;是换热器自身的性能。
一个满足要求的换热器,其传热速率应略大于或等于换热器的热负荷。
热负荷的计算
查物性数据:
密度、粘度、潜热、比热容
15%的酒精的密度为:
789Kg/m3;汽化潜热846Kj/Kg;定压比热容2.39Kj/Kg.C0;粘度1.15mPa.s。
以年生产能力为80000T/Y为例
质量流量Qm=80000×1000/300×24×3600=3.09Kg/s
热负荷的计算:
热负荷是生产上要求换热器单位时间传递的热量,是换热器的生产任务,即酒精预热所需吸收的热量即为热负荷。
加热剂用量的计算
已知选用的加热蒸汽为200KPa的饱和蒸汽。
认为饱和蒸汽冷凝成饱和液体。
查饱和蒸汽压表得:
200KPa的饱和蒸汽的冷化潜热为2205Kj/Kg;温度为120C0
由热量守恒得:
—热损失
得:
得分
编制部门Dept:
化工原理教研室编制时间Date:
2013-9
任务单编号(No.)
A1-2-2
项目名称(Item)
子项目二、预热器的工艺参数的确定—温度和流动方向
训练对象(Class)
高职二年级
训练时间(Time)
班级
组别
姓名
班组成员
温度的确定
项目
说明
热载热体的进口温度
1200C
选用的加热蒸汽为200KPa的饱和蒸汽。
认为饱和蒸汽冷凝成饱和液体。
热载热体的出口温度
1200C
选用的加热蒸汽为200KPa的饱和蒸汽。
认为饱和蒸汽冷凝成饱和液体。
冷载热体的进口温度
200C
进料温度,为常温,取200C~250C
冷载热体的出口温度
750C
为工艺上要求的温度,为750C
流体流入空间的选择
管程流体
(1)不洁净或易结垢的流体宜走管内,因为管子清洗较方便。
(2)腐蚀性流体宜走管内,以免管子和壳体同时被腐蚀。
(3)压力高的流体宜走管内,以免壳体受压,且可节省壳体金属消耗量。
(4)有毒有害的流体宜走管内,易防止或减少泄漏。
(5)高温加热剂与低温冷却剂宜走管内,以减少设备的热量或冷量的损失。
(6)需要提高流速以增大膜系数的流体宜走管内,可采用多管程来增大流速。
壳程流体
(1)饱和蒸汽宜走管间,以便及时排除冷凝水。
蒸汽冷凝的膜系数很大,可使管和壳的温度都接近蒸汽的温度,这样能减小管壳间的温差应力;且能提高冷凝传热膜系数。
(2)被冷却的流体宜走管间,便于散热,增强冷却效果。
(3)粘度大的液体宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程中流动,流速与流向不断改变,在低Re(Re>100)的情况下即可达到湍流,以提高传热效果。
结论
酒精走管程,加热蒸汽走壳程。
流动方式的确定
流动方式
并流:
参与热交换的两种流体在传热面的两侧分别发相同的方向流入。
逆流:
参与热交换的两种流体在传热面的两侧分别发相反的方向流入。
错流:
参与热交换的两种流体在传热面的两侧的流动方向互相垂直。
折流:
参与热交换的两种流体在传热面的两侧,其中之一只沿一个方向流动,而另一侧的流体则先沿一个方向流动,然后折回以相反的方向流动或反复地作折流流动,这种称为“简单折流”。
若两侧流体均作折流流动称为“复杂折流”。
结论
逆流的传热效果最好。
选择逆流。
得分
编制部门Dept:
化工原理教研室编制时间Date:
2013-9
任务单编号(No.)
A1-2-3
项目名称(Item)
传热温度差的计算和传热系数K的初选
训练对象(Class)
高职二年级
训练时间(Time)
班级
组别
姓名
班组成员
K说明及物理意义
从传热方程式
,总传热系数K在数值上等于单位传热面积、单位温度梯度下的传热速率。
是表示传热设备性能的重要参数,也是对传热设备进行计算和评价的依据。
主要取决于流体的物性、操作条件和换热器的类型。
来源
1.经验值
在进行换热器的传热计算中,常需要估算总传热系数。
在不能进行理论计算时,常根据经验来选取经验值,看下表(这里略)。
P65。
2.现场测定
已经在生产操作的换热设备,通过测定其传热温度差、热负荷、传热面积,计算出传热系数。
3.理论计算
通过推导,得出传热系数的理论计算式如下,具体来源后面的课上详述。
初选传热系数K
热流体为水蒸汽,冷流体为与水性质相近的流体,其传热系数K值:
K=1420~4250(W/㎡.·K)之间。
选择传热系数K为1200(W/㎡.·K)
传热温度差的计算
前面已算:
温度差:
得分
子项目二、预热器的工艺参数的确定—1
任务1、热负荷和加热蒸汽量的计算
1.1回顾
—回顾前面加热剂的确定(满足温度条件下来选定的),提问
1.2任务1的引入
—加热选定了,哪么加热剂的用量如何确定呢?
1.3任务单1的完成
—前面的课中已将任务发放给了工人,课内所用时间较少。
1.4任务单1的互评
—采用讨论式方式,请个别工人上台发言,阐述自已做的结果,并请大家点评,做好记录。
1.5工程师归纳总结
—采用讲授式方式,分析工人完成任务的情况,需要注意的情况和一些原则性问题。
涉及到的相关理论和概念如下:
1.5.1传热方程式
—传热速率、传热系数、传热温度差
1.5.2热负荷与传热速率
—热负荷:
当生产上需要加热或冷却某物料时,要求换热器在单位时间内向该物料输入或输出一定的热量,这是生产对换热器换热能力的要求,称为该换热器的热负荷。
—传热速率:
单位时间内通过传热面的热量。
一个满足要求的换热器,其传热速率应略大于或等于换热器的热负荷。
1.5.3热负荷的计算
—温差法、显热法、潜热法。
1.5.4载热体用量的计算
1.6工人修改完善工作任务1
任务2、预热器的温度和流动方向的确定
2.1回顾
—回顾前面热负荷和载热体用量的计算,提问
2.2任务2的引入
—温度和流体流动方向如何来确定?
2.3任务单2的完成
—前面的课中已将任务发放给了工人,课内所用时间较少。
2.4任务单2的互评
—采用讨论式方式,请个别工人上台发言,阐述自已做的结果,并请大家点评,做好记录。
2.5工程师归纳总结
—采用讲授式方式,分析工人完成任务的情况,需要注意的情况和一些原则性问题。
涉及到的相关理论和概念如下:
2.5.1流体的流动方向
—并流、逆流、错流和折流
—管程流体,什么样的流体走管内
—壳程流体,什么样的流体走管外
2.5.2流体流动方向的确定
2.6工人修改完善工作任务2
任务3、传热温度差的计算和传热系数K的初选
3.1回顾
—回顾前面流体流动方向的确定,提问
3.2任务3的引入
—加热选定了,哪么温度差如何来计算
3.3任务单3的完成
—前面的课中已将任务发放给了工人,课内所用时间较少。
3.4任务单3的互评
—采用讨论式方式
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- 关 键 词:
- 化工 传热 过程 控制 教案 1311