2.1　传热的方式和方法

过程工业与传热过程的关系尤为密切，因为无论是生产中的反应过程，还是物理过程（即化工单元操作），几乎都伴有热量的传递。传热在过程工业中的应用主要有以下几个方面。

（1）为化学反应创造必要的条件

化学反应是化工生产的核心，几乎所有的化学反应都要求有一定的温度条件，例如：合成氨的操作温度为470～520℃；氨氧化法制备硝酸过程中氨和氧的反应温度为800℃等。为了达到要求的反应温度，必须先对原料进行加热，而这些反应都是明显的放热反应，为了保持最佳反应温度，又必须及时移走放出的热量；若是吸热反应，要保持反应温度，则需及时补充热量。

（2）为单元操作创造必要的条件

对某些单元操作过程（如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等）往往需要输入或输出热量，才能保证操作的正常进行。如蒸馏操作中，为使塔釜内的液体不断汽化从而得到操作所必需的上升蒸气，需要向塔釜内的液体输入热量，同时，为了使塔顶出来的蒸气冷凝得到回流液和液体产品，又需要从塔顶冷凝器中移出热量。

（3）提高热能的综合利用和余热的回收

如在合成氨的生产过程中，合成塔出口气体的温度很高，为将反应产物与原料气加以分离必须要降温，为提高热量的综合利用和回收余热，可用其加热循环气。

（4）减少设备的热量（或冷量）损失

为减少设备的热量（或冷量）损失，以降低生产成本，提高劳动保护条件，往往需要对设备和管道进行保温。因此，传热设备不仅在化工厂的设备投资中占有很大的比重，而且它们所消耗的能量也是相当可观的。

现代过程工业生产中对传热的要求可分为两种情况：一种是强化传热，如各种换热设备中的传热，要求传热速率快，传热效果好；另一种是削弱传热，如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减少热量（或冷量）的损失。

传热过程既可连续进行也可间歇进行。对于前者，传热系统（例如换热器）中的温度仅随位置变化而不随时间变化，此种传热称为稳定传热，其特点是系统中不积累能量（即输入的能量等于输出的能量），传热速率（单位时间传递的热量）为常数。对于后者，传热系统中各点的温度既随位置变化又随时间变化，此种传热称为不稳定传热。对连续生产中的传热大多可视为稳定传热。

2.1.1　传热的基本方式

根据传热机理的不同，热量传递有三种基本方式：热传导、对流传热和辐射传热。传热可依靠其中的一种或几种方式进行。无论以何种方式传热，热量总是由高温处向低温处传递。

（1）热传导

热传导又称导热，是不同温度的物体之间通过直接接触，或同一物体中不同温度的各部分之间，由于分子、原子或自由电子等微粒的热运动而发生的热量传递，导热一般发生于固体、静止的流体或与层流流体流动方向相垂直的传热。

（2）对流传热

流体微团发生相对位移，将热量由一处转移到另一处的传热过程。

（3）辐射传热

物体将热能以电磁波的形式辐射传递，即由于物体自身具有一定的温度而使电子在核外轨道上跃迁，辐射出电磁波。物体的温度越高，热辐射的能力也越强。

2.1.2　工业传热的方法

根据工作原理和设备结构种类的不同，现代过程工业生产中的传热方法可分为以下三种。

（1）间壁式传热

间壁式传热是现代过程工业生产中普遍采用的一种方法。在设备中，冷热两种流体以间壁（或隔板）隔开，使高温和低温流体介质分别在间壁两边流动。在流动过程中，高温流体首先将热量传到间壁表面，然后由间壁侧将热量传导到另一侧，最后又从间壁另一侧的表面将热量传给被加热的冷流体。使用这样的方法来完成传热的设备叫间壁式换热器。这类换热器种类很多，如套管式换热器、夹套反应釜、螺旋板式换热器等。

图2-1所示为套管式换热器，由两个直径不同的同心套管组成，形成管内和管间两个空间，其中小管内流过一种介质，内、外管构成的环形空间流过另一种介质，实现冷热流体的传热。间壁式传热适合于不能直接混合的两种流体间的传热，这在过程工业生产中有着最广泛的应用。

（2）混合式传热

混合式传热是让冷、热两种流体直接接触与混合来实现传热的方法，效率高、设备简单，如混合式冷凝器、喷淋式冷却塔和冷却吸收塔等。

图2-2所示为湿式混合冷凝器。此种换热器适于水蒸气的冷凝，或用于两种流体直接接触混合冷凝的场合。

（3）蓄热式传热

通过器内填充物壁面周期性的加热和冷却来完成冷热两股流体间的热量传递，这种设备称蓄热式换热器。器内装有耐火砖之类的固体填充物，用来贮蓄热量。具体工作过程如下：当热流体流经蓄热器时，加热填充物吸收热量，贮蓄在填充物内；然后切换流体，使冷流体流入蓄热器，填充物把贮存的热量又传给冷流体。使冷热两种流体交替流过填充物，利用器内填充物来贮蓄热量和放出热量，达到冷热两种流体交换热量的目的。这种方式适用于气体介质间的传热。蓄热式传热在切换两种流体时，难免不发生混合现象，对于要求介质不含杂质的过程工业，如制药生产中很少使用这种传热方式。

2.1.3　稳定传热和不稳定传热

在传热过程中，若各处的温度仅随位置变化而不随时间变化，则称该传热过程为稳定传热。例如，在正常生产条件下，一台连续运行的间壁换热器中，冷热两种流体在进出口部位具有稳定的流量和不变的温度值；虽然在器内流体的温度沿着壁面有变化，但与流体流动方向垂直的任意一个截面上流体各点的温度有一个确定的数值，不随时间变化。

相反，在传热过程中，各点的温度或其他参数既随时间变化，又随位置变化，称为不稳定传热。本章只讨论稳定传热过程。在过程工业生产中，连续过程在正常操作时，可看作稳定传热，而间歇操作都为不稳定传热。本章讨论的传热问题在没有特别指明时均为连续稳定传热。