化学工程手册.第2卷（第三版）

作为化学工程领域标志性的工具书，本次修订秉承“继承与创新相结合”的编写宗旨，分5卷共30篇全面阐述了当前化学工程学科领域的基础理论、单元操作、反应器与反应工程以及相关交叉学科及其所体现的发展与研究新成果、新技术。在前版的基础上，各篇在内容上均有较大幅度的更新，特别是加强了信息技术、多尺度理论、微化工技术、离子液体、新材料、催化工程、新能源等方面的介绍。本手册立足学科基础，着眼学术前沿，紧密关联工程应用，全面反映了化工领域在新世纪以来的理论创新与技术应用成果。

本手册可供化学工程、石油化工等领域的工程技术人员使用，也可供相关高等院校的师生参考。

第7篇传热及传热设备

1概论7-2

1.1热量传递的基本方式7-2

1.2换热器的类型和选取7-2

1.2.1换热器按传递过程分类7-2

1.2.2换热器按传热表面紧凑度分类7-3

1.2.3换热器按结构分类7-3

1.2.4换热器按流动方式分类7-4

1.2.5传热设备的选取7-5

1.3传热设备在化学工业中的应用7-6

参考文献7-7

2导热7-8

2.1导热基本定律及热导率7-8

2.1.1傅里叶定律7-8

2.1.2三维导热方程7-8

2.1.3热导率7-9

2.2定态导热7-12

2.2.1一维导热7-13

2.2.2二维导热7-16

2.3非定态导热7-16

2.3.1一维非定态导热7-16

2.3.2二维及三维非定态导热的求解7-18

2.3.3导热问题数值计算原理7-19

2.3.4非定态导热的数值解法7-19

2.3.5有相变的导热7-21

参考文献7-21

3对流传热7-22

3.1概述7-22

3.2对流传热膜系数7-22

3.2.1能量方程7-22

3.2.2传热膜系数7-23

3.2.3总传热系数7-24

3.2.4传热膜系数求解法7-24

3.2.5相似原理和量纲分析7-24

3.3自然对流传热7-25

3.3.1各种几何形状物体的Nusselt方程式7-25

3.3.2简化的量纲分析式7-26

3.3.3伴随有辐射热损失的自然对流7-26

3.3.4密闭空间内的自然对流7-27

3.4强制对流传热7-28

3.4.1动量传递与热量传递的类比理论7-28

3.4.2层流传热7-29

3.4.3过渡区域的传热7-32

3.4.4湍流传热7-32

3.5非牛顿流体的传热7-39

3.5.1非牛顿流体的黏性7-39

3.5.2非牛顿流体的热导率7-40

3.5.3管内强制对流传热膜系数7-40

3.6液态金属的传热7-42

3.6.1管内流动7-43

3.6.2横掠管束7-43

参考文献7-44

4有相变时的传热7-45

4.1引言7-45

4.2冷凝换热7-45

4.2.1冷凝现象与机理7-45

4.2.2冷凝膜系数的计算公式7-45

4.2.3直接接触凝结7-50

4.3沸腾换热7-54

4.3.1沸腾现象与机理7-54

4.3.2池内沸腾7-54

4.3.3流动沸腾7-59

参考文献7-68

5辐射换热7-70

5.1热辐射和辐射特性7-70

5.1.1基本概念7-70

5.1.2基本定律和辐射特性7-71

5.2辐射换热7-81

5.2.1角系数7-81

5.2.2黑体表面间的辐射换热7-81

5.2.3灰体表面间的辐射换热7-81

5.2.4遮热板7-83

5.2.5气体与管壁间的辐射换热7-84

5.3太阳能热辐射与太阳能利用7-84

5.3.1太阳能热辐射与太阳能利用基础知识7-84

5.3.2太阳能热发电技术7-86

5.3.3太阳能热化学利用7-93

参考文献7-96

6传热过程计算7-97

6.1传热过程分析7-97

6.2平均温度差7-97

6.3总传热系数7-100

6.4污垢7-105

6.5有效因子及传热单元数7-107

6.6从实验数据推求传热膜系数7-113

参考文献7-115

7传热强化和节能技术7-116

7.1传热强化7-116

7.1.1概述7-116

7.1.2槽管7-116

7.1.3翅片7-118

7.1.4多孔介质7-121

7.1.5旋流流动7-122

7.1.6螺旋管7-122

7.1.7管内添加物7-123

7.1.8流体添加物7-124

7.1.9冷凝传热强化7-125

7.2节能技术7-126

7.2.1概述7-126

7.2.2燃料燃烧的合理化7-126

7.2.3加热、冷却等传热过程的合理化7-127

7.2.4蒸汽的有效使用7-127

7.2.5压缩空气的有效运行7-127

7.2.6废热回收7-128

参考文献7-129

8换热器7-131

8.1管壳式换热器7-131

8.1.1管壳式换热器的结构型式7-131

8.1.2管程结构7-133

8.1.3壳程结构7-137

8.1.4管壳式换热器的设计计算7-140

8.1.5缠绕管换热器7-156

8.2板式换热器7-165

8.2.1板式换热器简介7-165

8.2.2螺旋板式换热器7-169

8.2.3板翅式换热器7-173

8.2.4伞板式换热器7-178

8.2.5板壳式换热器7-179

8.2.6T-P板式换热器7-180

8.3其他换热器7-184

8.3.1套管式换热器7-184

8.3.2蛇管式换热器7-187

8.3.3刺刀管式换热器7-189

8.3.4降膜式换热器7-189

8.3.5特种材料换热器7-190

8.4空冷器7-196

8.4.1空冷器基本特点7-196

8.4.2空冷器的型式与构造7-196

8.4.3自然通风空冷器7-199

8.4.4机械通风空冷器7-199

8.4.5增湿空冷器7-200

8.4.6表面蒸发式空冷器7-201

8.4.7空冷器设计计算7-202

8.5换热器的优化设计7-208

8.5.1换热器型式的选择7-208

8.5.2换热表面设计的优化7-209

8.5.3系统优化7-210

8.5.4计算机辅助优化设计7-214

参考文献7-216

9再沸器、冷凝器与废热锅炉7-218

9.1再沸器7-218

9.1.1再沸器的分类和特性7-218

9.1.2立式热虹吸再沸器7-219

9.1.3卧式热虹吸再沸器7-222

9.1.4强制循环再沸器7-223

9.1.5釜式再沸器7-223

9.2冷凝器7-224

9.2.1冷凝器的选型7-224

9.2.2冷凝器结构7-224

9.2.3冷凝器传热7-227

9.2.4混合物的冷凝7-228

9.3废热锅炉7-229

9.3.1废热锅炉的作用、特点与分类7-229

9.3.2废热锅炉结构7-232

9.3.3废热锅炉设计特点7-239

9.4热管换热器7-242

9.4.1热管工作原理与特点7-242

9.4.2热管工作性能7-244

9.4.3热管换热器7-247

参考文献7-250

10直接接触式换热器7-251

10.1工作特点和传热原理7-251

10.2直接接触式冷凝器7-252

10.3冷却塔7-257

10.4蒸发冷却器7-259

10.5泡沫接触式换热器7-260

参考文献7-261

11工业炉7-262

11.1概述7-262

11.1.1化学工业中的工业炉7-262

11.1.2工业炉的技术要求7-262

11.2工业炉的燃烧过程7-263

11.2.1燃烧设备7-263

11.2.2燃烧技术7-265

11.3工业炉的传热问题7-267

11.3.1内混式工业炉的工作过程7-268

11.3.2工业炉的辐射传热7-268

11.3.3对流传热7-271

11.4气化炉7-271

11.4.1煤气化的基本化学反应7-271

11.4.2煤的气化工艺与技术7-272

11.4.3气化炉7-273

11.5转化炉7-279

11.5.1一段转化炉7-279

11.5.2其他型式一段转化炉7-282

11.5.3二段转化炉7-284

11.6裂解炉7-286

11.6.1乙烯装置7-286

11.6.2裂解炉结构7-287

11.7加热炉7-293

11.7.1管式加热炉7-293

11.7.2热载体加热炉7-298

11.8焚烧炉7-301

11.8.1焚烧炉中焚烧过程的控制7-302

11.8.2焚烧炉类型7-303

11.8.3焚烧炉的污染抑制7-304

参考文献7-306

12数值传热7-308

12.1概述7-308

12.2数学背景7-309

12.3数值模拟7-311

12.4传热模型与应用7-318

参考文献7-319

13绝热与保温材料7-320

13.1绝热材料7-320

13.1.1绝热材料的种类7-320

13.1.2绝热材料使用温度7-321

13.1.3绝热材料的形态7-321

13.2常用绝热材料7-322

13.2.1硅藻土7-322

13.2.2蛭石7-322

13.2.3膨胀珍珠岩7-322

13.2.4人造矿物纤维7-322

13.2.5矿渣棉7-322

13.2.6玻璃棉7-322

13.2.7石棉7-323

13.2.8硅酸钙7-323

13.2.9泡沫玻璃7-323

13.2.10有机绝热材料7-323

13.3低温隔热7-323

13.4保温层厚度7-324

参考文献7-325

符号说明7-326

第8篇制冷

1机械制冷及其应用8-2

参考文献8-3

2制冷剂和载冷剂8-4

2.1制冷剂的种类和编号表示方法8-4

2.1.1卤代烃以及碳氢化合物8-4

2.1.2醚基制冷剂8-5

2.1.3混合制冷剂8-5

2.1.4有机化合物8-6

2.1.5无机化合物8-6

2.2制冷剂的热力学性质及环境影响指数8-7

2.2.1制冷剂的热力学性质8-7

2.2.2制冷剂的环境影响指数8-8

2.3制冷剂的实用性质8-9

2.3.1制冷剂的相对安全性8-9

2.3.2制冷剂的热稳定性8-10

2.3.3制冷剂对材料的作用8-10

2.3.4制冷剂同水的溶解性8-11

2.3.5制冷剂同润滑油的溶解性8-11

2.3.6制冷剂的泄漏判断8-12

2.4常用制冷剂的特性8-13

2.4.1无机化合物8-13

2.4.2卤代烃8-13

2.4.3碳氢化合物8-15

2.4.4混合制冷剂8-15

2.5制冷剂的选用8-16

2.5.1选用制冷剂应考虑的问题8-16

2.5.2制冷剂的代用问题8-16

2.6载冷剂8-18

2.6.1载冷剂的种类及选用8-18

2.6.2水8-19

2.6.3盐水8-19

2.6.4有机物载冷剂8-19

2.6.5二氧化碳8-20

参考文献8-21

3蒸气压缩制冷循环8-22

3.1单级压缩制冷循环8-22

3.1.1单级压缩制冷机的基本组成和工作过程8-22

3.1.2理论循环及其性能指标8-22

3.1.3液体过冷、吸气过热对循环的影响和回热循环8-24

3.1.4实际循环8-28

3.2冷凝温度、蒸发温度变化对制冷机性能和工况的影响8-29

3.2.1冷凝温度变化的影响8-30

3.2.2蒸发温度变化的影响8-30

3.2.3单级压缩制冷机的工况8-31

3.2.4单级压缩制冷机的工作温度范围8-32

3.3两级压缩制冷循环8-32

3.3.1两级压缩制冷循环的型式8-33

3.3.2两级压缩制冷循环中间压力的确定8-37

3.3.3两级压缩制冷机的变工况特性8-38

3.4复叠式制冷循环8-39

3.4.1复叠式制冷循环的型式8-40

3.4.2有关复叠式制冷循环的几个问题8-42

3.5混合制冷剂制冷循环8-43

3.5.1常规的单级压缩循环8-43

3.5.2自复叠制冷循环系统8-43

参考文献8-46

4制冷压缩机8-47

4.1制冷压缩机的种类和工作特点8-47

4.2活塞式制冷压缩机8-48

4.2.1活塞式制冷压缩机的结构和特点8-48

4.2.2活塞式制冷压缩机的性能8-49

4.3螺杆式制冷压缩机8-51

4.3.1螺杆式制冷压缩机的构造及基本参数8-51

4.3.2螺杆式制冷压缩机工作过程的特点及性能8-54

4.3.3螺杆式制冷压缩机的变频技术8-55

4.4离心式制冷压缩机8-55

4.4.1离心式制冷压缩机的构造及特点8-55

4.4.2离心式制冷压缩机的性能8-57

参考文献8-58

5蒸气压缩式制冷机的设备和工艺流程8-59

5.1蒸气压缩式制冷机的传热设备8-59

5.1.1冷凝器和过冷器8-59

5.1.2蒸发器和冷凝蒸发器8-60

5.1.3中间冷却器和回热器8-63

5.2蒸气压缩式制冷机的节流机构8-63

5.2.1节流机构的功用及种类8-63

5.2.2浮球调节阀8-63

5.2.3热力膨胀阀8-64

5.2.4电子膨胀阀8-66

5.3蒸气压缩式制冷机的辅助设备8-68

5.3.1制冷剂的储存和分离设备8-68

5.3.2制冷剂的净化设备8-68

5.3.3润滑油的分离及收集设备8-69

5.4制冷工艺流程简介8-70

5.4.1冷水机组的工艺流程8-70

5.4.2冷库用氨制冷工艺流程8-71

5.4.3石油化工用制冷工艺流程8-71

参考文献8-73

6低温制冷与气体液化8-74

6.1低温工质的性质8-74

6.1.1低温工质的种类及热力学性质8-74

6.1.2空气及其组成气体8-75

6.1.3天然气及其组成气体8-76

6.1.4氢8-76

6.1.5氦8-78

6.2低温制冷方法8-79

6.2.1气体的绝热节流8-79

6.2.2气体的等熵膨胀8-80

6.3气体液化的热力学分析8-81

6.3.1气体液化的理论*小功8-81

6.3.2气体液化循环的性能指标8-83

6.4绝热节流气体液化循环8-83

6.4.1一次节流液化循环8-83

6.4.2有预冷的一次节流液化循环8-86

6.4.3二次节流液化循环8-88

6.5带膨胀机的气体液化循环8-90

6.5.1克劳特循环8-90

6.5.2海兰德循环和卡皮查循环8-92

6.5.3带膨胀机的双压循环8-93

6.6其他型式的气体液化循环8-95

6.6.1复叠式制冷气体液化循环8-95

6.6.2混合制冷剂制冷天然气液化循环8-96

6.6.3氦制冷气体液化循环8-97

6.7气体液化及分离装置流程简介8-98

6.7.1大型氢液化装置8-98

6.7.2大型氦液化装置8-100

6.7.3合成氨生产用大型空气液化分离装置8-102

参考文献8-102

7吸收制冷8-104

7.1吸收制冷原理8-104

7.2吸收式制冷机的工质8-106

7.2.1工质的种类8-106

7.2.2溴化锂水溶液8-106

7.2.3氨水溶液8-107

7.3溴化锂吸收式制冷机8-107

7.3.1单效溴化锂吸收式制冷机8-108

7.3.2双效溴化锂吸收式制冷机8-110

7.3.3两级吸收溴化锂吸收式制冷机8-111

7.4氨水吸收式制冷机8-112

参考文献8-112

8热泵及能量回收8-113

8.1热泵8-113

8.1.1热泵的含义及特点8-113

8.1.2热泵按工作原理分类8-113

8.1.3热泵的应用8-115

8.2能量回收8-116

8.2.1ORC的基本组成和工作过程8-117

8.2.2ORC的特点8-118

8.2.3ORC系统的优化和改进8-119

8.2.4工质的选择8-120

8.2.5ORC系统组成部件8-121

8.2.6ORC的应用场合8-125

参考文献8-127

符号说明8-128

第9篇蒸发

1蒸发及应用概述9-2

参考文献9-2

2蒸发的类型与计算9-3

2.1单效蒸发9-3

2.1.1单效蒸发的操作压力9-3

2.1.2连续蒸发与分批蒸发9-4

2.1.3连续单效蒸发计算9-5

2.2多效蒸发9-9

2.2.1多效蒸发流程9-9

2.2.2多效蒸发的计算9-11

2.2.3多效蒸发系统的计算机程序介绍9-16

2.3热泵蒸发9-17

2.3.1蒸汽喷射式热泵蒸发9-18

2.3.2机械压缩式热泵蒸发9-21

2.3.3多效蒸发与热泵组合式蒸发9-25

2.4减压闪蒸9-27

2.5蒸发系统的热能利用9-30

2.6蒸发系统的优化9-31

参考文献9-32

3蒸发器的类型与选择9-33

3.1夹套釜式蒸发器9-33

3.2竖管循环型蒸发器9-34

3.2.1自然循环蒸发器9-34

3.2.2强制循环蒸发器9-36

3.3竖管膜式蒸发器9-37

3.3.1升膜蒸发器9-37

3.3.2降膜蒸发器9-37

3.4板式蒸发器9-41

3.4.1板式升膜蒸发器9-41

3.4.2板式降膜蒸发器9-42

3.5刮膜蒸发器9-42

3.6直接加热蒸发器9-43

3.7蒸发器的选型9-44

3.7.1选型考虑的因素9-44

3.7.2有关选型的说明9-44

3.7.3蒸发设备选