冶金传输原理在冶金中的应用

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1、传输原理在冶金工业中的应用 在冶金工业中，大多数冶金过程都是在高温、多相条件下进 行的复杂物理化学过程，同时伴有动量、热量和质量的传输现象。 在实际的冶金生产中，为使某一冶金反应进行，必须将参与反应 的物质尽快地传输到反应进行的区域（或界面）去，并使反应产 物尽快地排除。其中最慢的步骤称为过程控制步骤或限制性环节。 高温、多相条件下的冶金反应大多受传质环节控制，即传质速率 往往决定了反应速度，而传质速率往往又与动量和热量传输有密 切关系。 传输原理是以物理学的三个基本定律（质量守恒定律、牛顿第 二定律和热力学第一定律）为依据的 【1】。是动量传输、热量传输 与质量传输的总称，简称“三传”或

2、传递现象。它可以看成是某 物质体系内描述其物理量（如速度、温度、组分浓度等）从不平 衡状态向平衡状态转移的过程。所谓平衡状态是指在体系内物理 量不存在梯度如热平衡是指物系内的温度各处均匀一致，反之则 成为不平衡状态。在不平衡状态，由于物系内物理量不均匀将发 生物理量的传输，如冷、热两物体接触，热量将从高温物体转移 到低温物体，直到两物体的温度趋于均匀，此时冷、热两物体即 可达到平衡状态，其温度差就是热量传输的动力。 传输原理主要是研究传输过程的传递速率大小与推动力及阻 力之间的关系。其传输的物理量为动量、热量和质量。动量传输 是指在流体流动中垂直于流体流动方向，动量由高速度区向低速 度区的转

3、移；热量传输是指热量由高温区向低温区的转移；质量 传输则是指物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转 移。当物系中存在着速度、温度与浓度梯度时，则分别发生动量、 热量和质量的传输过程。 传热即热量的传递，是自然界及许多生产过程中普遍存在的 一种极其重要的物理现象【3】。冶金过程离不开化学反应，而几乎 所有的化学反应都需要控制在一定的温度下进行，为了维持所要 求的温度，物料在进入反应器之前往往需要预热或冷却到一定程 度，在过程的进行中，由于反应本身需要吸收或放出热量，又要 及时补充或移走热量。如闪速炼铜过程，为了强化熔炼反应，需 将富氧空气预热至500°C以上；又如硫化锌精矿的流态化焙烧过

4、 程，由于反应发出大量的热，炉子外面需设置冷却水套及时移走 多余的热量。此外还有一些过程虽然没有化学反应发生，但需维 持在一定温度下进行，如干燥与结晶、蒸发与热流体的输送等。 总之，热量的传递与冶金过程有着密切的联系，可以说，在许多 场合，热量的传递对冶金过程起着控制作用。 热的传递是系统或物体内部的温度差而引起的。根据传热机理 的不同，传热的基本方式可分为三种：传导、对流和辐射。 热传导 当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度 差时，物体中温度较高的部分因分子的振动将热量传递给临济的 温度较低的部分，而同时并没有宏观的物质迁移的过程称为热传 导。 固体内部的热量传递过程是热传导

5、，静止的液体或气体的传热 也属于热传导。还应该指出，在层流流体中，在垂直于流动方向 上的传递亦属此类。 热对流 由于流体（液体或气体）本身的流动而将热能从空间 的一处传至另一处的传热现象称为热对流。 对流传热又因使流体产生运动的原因不同而分为自然对流和 强制对流两种。自然对流是由于流体内部各处的温度不同而引起 流体内部密度的差异所形成的流体流动。强制对流是流体因受外 力的作用（如泵。风机、搅拌等）而引起的流动。对流传热过程 往往伴有热传导。如换热器中冷、热两种流体经过固体壁面得传 热过程中，热流体在流动过程中将热量传递给壁面的一侧，而壁 面的另一侧将热量传递给流动中的冷流体。这种流动流体与

6、固体 壁面之间的传热，工程上称之为对流传热；二固体壁面内部的传 热称为热传导。 热辐射 以电磁波的形式发射或传递热能的过程叫做热辐射， 或称为辐射传热。 任何物体，只要其绝对温度不为零度，都会以电磁波的形式向 外辐射能量，当物体发射的辐射能被另一物体吸收又重新转变为 热能时，即为热辐射。物体发射辐射能的多少与物体的温度有关， 温度越高，所发射的辐射能越多。辐射能不仅能从温度高的物体 转移到温度低的物体，而且也能从温度低的物体转移到温度高的 物体。但因温度高的物体发射的辐射能较多，总的结果还是温度 高的物体失去能量，而温度低的物体得到能量。 热辐射与热传导及热对流不同，其主要区别在于热传导

7、是在固 体或层流流体中进行的，而热对流则是产生在流动的流体中。热 传导与热对流必须通过中间的介质（固体或液体）才能进行。而 热辐射则不需要通过任何介质，即便在真空中也能进行。 实际生产过程中，各种传热方式往往不是单独出现的，而是伴 随着其他传热方式同时出现。如高温炉壁在空气中的散热以及火 焰炉内火焰雨物料表面间的传热通常是对流与辐射的联合传热过程；而间壁式换热器的传热过程则是辐射、对流及传导三种传热 方式同时进行。 对上面介绍的传导、对流及辐射三种传热方式，我们均可用 下述方程来描述其传热过程，即 Q=KA^t=KA （t 厂 t2） 1 式中Q 单位时间内通过传热面传递的热量’W；

8、 A 传热面积，m2； At——两传热体的温差，。C K——传热系数，W・m-2・C-i。 显然，热传导过程： K= \ 0 对流传热过程：K= a —1— 4 辐射传热过程：K = C申 12 12 式一称为传热基本方程式。 1100 丿 t — t 12 换热器是冶金及化工生产中用以进行热交换操作的常用设 备。根据传热的原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、 混合式和蓄热式三大类 1. 间壁式换热器 间壁式换热器是在冷、热两流体间用以固体壁面隔开，两种 流体不相混合，通过间壁进行热量的传递。 2. 混合式换热器 混合式换热器又称直接接触式换热

9、器。此类换热器中，冷、 热流体以直接混合的方式进行热量传递，故其传热效果好。 3. 蓄热式换热器 蓄热式换热器又称蓄热器，其器内充填耐火砖等热容量较大 的固体填料。冷、热流体交替地流过蓄热器，利用固体填料来积 蓄和释放热量以达到热交换的目的。 实际工业生产中所应用的换热器种类繁多，我们作为冶金工 业者需要了解各种换热器的特点，并能根据工艺要求选用适当的 类型。 列管式换热器又称管壳式换热器，是目前应用最广的一种间 壁式换热器。其结构简单，易于加工，处理能力大，适应性强， 操作弹性大，尤其在高温、高压和大型装置中使用更为普遍。 列管式换热器由壳体、管束、管板（又称花板）和封头（又

10、称端盖）等部件组成。 在圆筒形壳体中装有由多根平行管组成的管束，管束两端胀 接或焊接在管板上。管子在管板上的排列方式可以是三角形、六 角形或正方形。为了增加管系间流体的流速，可在壳体内安装横 向或纵向折流挡板，挡板可以是半圆形或圆形。 当冷、热两种流体在列管式换热器中进行交换时，一种流体 在管内流过，其行程称管程；另一种流体从管外流过，其行程称 壳程。管束的表面积即为传热面积。管内流体每通过一次管束称 为一个管程，当所需传热面积较大时，为提高流体流速以增大传 热系数a ,在换热器的顶盖上可加挡板，使之变为双管程或多管 程。 列管式换热器操作时，由于两种流体温度不同，其壳体与管 束的膨胀程

11、度也不相同。情况严重时课导致设备变形，或是管子 弯曲，或是管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。因此，当温差 较大时，必须从结构上采取措施以减少甚至消除这种膨胀的影响。 目前常用的方法是补偿法，补偿法又分为：①浮头补偿②补偿圈 补偿③U形管补偿等。 目前国内使用的浮头式和U形管式等列管换热器均有定型产 品，所以我们可从生产实际出发，根据传热基本方程及其后期推 导公式进行设计计算，以确定换热器的主要参数，然后参考标准 系列的规格型号进行选择即可。其选用的主要内容和步骤如下： 掌握基本数据，明确工艺要求； ① 冷热流体的物性参数； ② 冷热流体的特性（如腐蚀性、悬浮物含量等）； ③ 两种流体

12、的流量，进、出口温度，操作压力等。 确定换热器的型号和流体的流动空间 选型计算 选型计算的主要内容包括： ① 根据工艺要求确定两种流体的定性温度，并进行计算热负 荷； ② 计算对数平均温差； ③ 根据总传热系数的经验值范围或按生产实际情况选取总传 热系数 K 值； ④ 由传热方程估算传热面积，按系列标准选择换热器规格； ⑤ 核算总传热系数； ⑥ 修正温差并进行计算传热面积。 流体流动空间的选择，可考虑一下原则：不清洁或易垢的流 体、腐蚀性流体、压力高的流体、温度高的流体宜走管程；而饱 和蒸汽、粘度大或流量小的流体以及需冷却的流体宜走壳程。 流体流速一般可根据经验选取，列管式

13、换热器常用的流速范 围见下表 列管式换热器常用的流速范围 流体种类 流速/m • s-1 管程 壳程 一般液体 0.5〜3 0.2〜1.5 易结垢液体 >1 >0.5 气体 5~30 3~15 通过以上的选择原则即可对列管式换热器进行选取。 近年来，化工、石油、轻工、冶金等过程工业得到了迅速发 展，随之而来的能源紧缺成为世界性的重大课题之一，各工业部 门都在努力发展大容量，高性能设备，以减少投资费用。这样， 尺寸小、质量轻、换热效率高的换热设备受到众多研究者的青睐。 目前对列管式换热器的研究主要有：传热强化，能量回收利用， 以及为高效化，大型化的进展所作的研究。 传热强化是一种改善传热性能的技术，它通过改善和提高热 传递的速率来达到用最经济的设备来传递一定热量的目的，简单 而言，强化传热就是提高流体和传热面之间的传热系数。 学习“冶金传输原理”有两个最基本的目的，第一，深入地 了解各类传输现象的机理，这对于改进各种冶金过程和设备的设 计、操作及控制提供理论依据。第二，为将来所研究的冶金过程 提供基础数学模型，有了这些数学模型，借助计算机的帮助，就 可以对冶金过程进行模拟研究，从而使过程从开始到使用的周期 大大缩短。