工业加热载体与冷却剂方法及过程

化工生产中的换热通常在两流体之间进行，但是换热的目的不尽相同。主要有两种，或是将工艺流体加热(汽化)，或是将工艺流体冷却(冷凝)。

　　一  加热剂与加热方法

　　(一)  水蒸气

　　水蒸气是最常用的加热剂。通常，使用饱和水蒸气，在蒸汽过热程度不大(过热20一30°C)的条件下，允许使用过热蒸汽。

　　采用水蒸气作为加热剂的主要优点是：汽化潜热大，蒸汽消耗量相对较小；在给定压力下，冷凝温度恒定，故在有必要时，可通过改变加热蒸汽的压力来调节其温度。蒸汽冷凝时的给热系数很大[a＝5000～15000W／(m²·.K)]，能够在低的温度差下操作；价廉、无毒无失火危险等。

　　水蒸气的主要缺点是：饱和温度与压力一一对应，且对应的压力较高，甚至中等饱和温度(200℃)就对应着相当大的压力(1．56X10⁶Pa)，对设备的机械强度要求高，投资费用大。

　　用水蒸气加热的方法有两种：直接蒸汽加热和间接蒸汽加热。

　　当直接蒸汽加热时，水蒸气直接引入被加热介质中，并与介质混合。这种方法适用于允许被加热介质和蒸汽的冷凝液混合的场合。直接蒸汽由鼓泡器引入，鼓泡器通常布置在设备底部，鼓泡器一般为开有许多鼓泡器通常布置在设备底部，鼓泡器一般为开有许多小孔的盘管，蒸汽鼓泡时，通过并搅拌液层，与介质直接换热。

　　当间接蒸汽加热时，通过换热器的间壁传递热量。当蒸汽在换热器内没有完全冷凝时，一部分蒸汽将随冷凝液排出，造成蒸汽消耗量增加，为了使冷凝液能够顺利排出而不带走蒸汽，需要设置冷凝水排除器，最常用的排除器为浮球式冷凝水排除器。图9—5为一闭式浮球冷凝水排除器，由外壳、导向管、浮球(含导向杆)、针形阀等构成。蒸汽和冷凝水的混合物进入外壳内，当外壳内液位上升到一定高度时，浮球上浮，针形阀开启，排出冷凝水，液面下降，浮球下落，针形阀关闭，直至下次冷凝水再积累到一定高度，阀门再次开启。在冷凝水排除器内，始终维持一定的液位，以阻止蒸汽从冷凝水排除器内漏出。1m3)100℃的水变为l00°C的蒸汽，其体积为1700m3，若变为300°C以上的蒸汽则为3000m3以上。水蒸气爆炸的危险以及由水蒸气引起的爆炸事故十分普遍，相变引起的爆炸称为蒸汽爆炸。蒸汽爆炸事故中最常见的是水汽化后引起的爆炸事故。

　　(二)  热水

　　热水加热一般用于100~C以下的场合，热水通常可使用锅炉热水和从换热器或蒸发器得到的冷凝水。当要求加热到较高温度而仍然采用热水时，则要使用高压热水。但此时对设备的强度要求和操作费用都会很高，很不经济。

　　用热水加热的优点是：可利用二次热源，循环使用,节约能量。其缺点是：和蒸汽冷凝相比，给热系数低许多，许多加热过程中，温度下降，不能恒定；比较适合电镀缸,电镀槽等其他容器加热.

　　(三) 高温有机物

　　在将工艺流体加热到400°C的范围内，可使用液态(或气态)高温有机物作为加热剂。   

　　常用的有机物加热剂有：甘油、萘、乙二醇、联苯与二苯醚的混合物、二甲苯基甲烷、矿物油和有机硅液体等。

　　最常用的是由26.5％联苯和73.5％的二苯醚组成的混合物，称为二苯混合物。二苯混合物作为加热剂的主要优点：①不用高温就能够得到高温，当P＝0.1MPa时，沸点tb=258°C，汽化潜热r＝285kJ／kg；P＝0．8MPa时，tb＝380°C，r＝220kJ／kg；②热稳定性好无爆炸危险，无腐蚀。二苯混合物可以是液态或气态，液态二苯混合物用于加热250°C范围内的场合。气态二苯混合物的加热温度可达到380°C。高温有机物由于具有燃烧爆炸危险、高温结焦和积炭危险，因此运行中密闭性和温度控制必须严格。另外二苯混合物由于具有较强的渗透性，因此系统的密闭问题十分明显。

　　甘油作为加热剂，用于加热220—250°C范围内的场合。甘油无毒、无爆炸危险、易得、价格较低(仅为二苯混合物的1／4)，且加热均匀。

　　(四)  无机熔盐

　　当需要加热到550°C时，可用无机熔盐作为加热剂。应用最广的是含40％NaNOz、7％NaN03和53％KN03的熔化物，其熔点是142℃，熔盐加热装置应具有高度的气密性，并用惰性气体保护。由于硝酸盐和亚硝酸盐混合物具有强氧化性，因此，应避免和有机物质接触。

　　此外，工业生产中，还可以利用液体金属、烟道气和电等来加热，其中，液态金属可加热到300—800°C，烟道气可加热到1100°C。电加热最高可达到3000C。

　　二  冷却剂和冷却过程   

　　工业生产中，要得到10一30°C的冷却温度，使用最普遍的冷却剂是水和空气。

　　水的主要来源是江河和地下水，江河水的温度与当地气候以及季节有关，通常在10—30~C左右。地下水的温度则较低，大约在4—15℃左右。

　　为了节约用水和保护环境，生产上大多使用循环水，在换热器内用过的冷却水，送至凉水塔内，与空气逆流接触，部分汽化而冷却，再重新作为冷却剂使用。冷却水可用于间壁式换热器和混合式换热器中。

　　值得注意的是，工业用水常常会被污染，要求在最终排放前，必须进行水质净化，达到排放标准。

　　空气作为冷却剂，适用于有通风机的冷却塔和有增大的传热面的换热器(如翅片式换热器)的强制冷却。空气作为冷却剂的优点是不会在传热面产生污垢。其缺点是给热系数小，比热容较低，因此其耗量较大(达到同样的冷却效果，空气的质量流量大约是水的5倍)。

　　若要冷却到0°C左右，工业上通常采用冷冻盐水，由于盐的存在，使水的凝固温度大为下降(其具体数值视盐的种类和含量而定)，盐水的低温由制冷系统提供。

　　此外，为了得到更低的冷却温度或更好的冷却效果，还可使用沸点更低的制冷剂，例如氨和氟里昂，当然，还得借助于制冷技术。