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1、化工传热过程与控制教 案（2012 2013 学年第一 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 教 师 姜春扬 能力训练项目一: 丙烯酸甲酯生产用换热器的选型、操作、故障处理案例：在丙烯酸的生产过程中，预热工段需将每小时1841.36kg原料丙烯酸从25预热到75需要完成的项目任务1-1：丙烯酸预热方案的制定-1一、本次课的能力目标：能根据工艺要求制定丙烯酸预热方案；能够认识常见换热器结构、操作原理及流程。二、教学组织设计（一）学习情境介绍：把学生带到丙烯酸甲酯生产车间（虚拟，而实际是实训车间），介绍教学内容，情境设计，分配角色。（15分钟）1告知教学目
2、标与学习背景项目。2分配角色：教师作为学习背景项目车间的工程师；同学们是新到车间实习培训的生产操作与技术管理人员。实习期间，由工程师带领大家进行轮岗实习，每五人一个培训班组，每组推荐一名班组长。实习结束，总评成绩优秀的学员被聘为车间技术管理人员；成绩良好与合格的学员被车间留用为现场操作人员；不及格的学员不能留在车间工作，不签定劳动合同，自谋职业。（二）告知：课程的教学模式与教学方法、学习方法、参考资料、考核方法等。（10分钟）1教学模式与教学方法：以化工生产项目为背景、以工作任务引领，采用现场教学、工学交替；工程师通过案例分析、分组讨论、启发引导等方法指导学生完成任务。2学习方法：自主学习；任
3、务驱动法；问题引导法；实践导向法；头脑风暴法等3参考资料：化学工程手册系列；各种版本的化工原理教材；化工过程单元操作网络精品课程等；4考核方法：本课程的考核分成过程考核与终结性考核两块。过程考核就是同学在学习、训练过程中的态度、表现、任务单完成质量、操作结果、提问与回答问题情况等产生的成绩，占总成绩的25%；终结性评价是最后的操作项目抽考和笔试，操作考核成绩占总成绩的25%，笔试成绩占总成绩的50%。（三）子任务1-1丙烯酸预热方案的制定-11.任务提出：认识工业上常用的换热方法、原理及适用情况，选用合适的换热器类型，发工程师引领的任务单1-1-1。（5分钟）2.分组完成：各班组借助教材、工程
4、手册等，通过自主学习、讨论、分析、归纳、整理等过程，逐步完成任务单内容，并学习到相应的知识，掌握相应的能力。教师巡回指导，答疑解惑，过程评价。（30分钟）3.集中汇报与小组互评：（1）集中汇报，各班组上来汇报并展示成果。（5分钟）（2）各班组相互点评。（5分钟）4.教师点评与总结：（20分钟）（1）传热在化工生产中的应用化工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：一是强化传热，在传热设备中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行热量传递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设备紧凑，节省设备费用；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。（2）传热的基本
5、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。（3）冷、热流体的工业换热方式直接接触式换热；蓄热式换热；间壁式换热5. 分组完成：各班组借助教材、传热实训室中各种传热设备，完成任务单中认识常见换热器结构、操作原理及流程部分（40分钟）6.集中汇报与小组互评：（1）集中汇报，各班组上来汇报并展示成果。（5分钟）（2）各班组相互点评。（5分钟）7.教师点评与总结：点评（常用换热装备的特点、结构和适用场合）。（20分钟）（1）管式换热器：管壳式换热器、套管式换热器、蛇管换热器、翅片管换热器（2）板式换热器：夹套换热器、平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器（3）热管
6、换热器 根据换热器的特点、适用情况，再结合丙烯酸生产的特点，选用固定管板式换热器。（四）布置任务（5分钟）加热剂的选用及用量的确定能力训练项目一: 丙烯酸甲酯生产用换热器的选型、操作、故障处理案例：在丙烯酸甲酯的生产过程中，丙烯酸预热工段需将每小时1841.36kg原料丙烯酸从25预热到75需要完成的能力训练任务1-1：丙烯酸预热方案的制定-2 1-2：预热器的选型-1一、本次课的能力目标：能根据工艺要求制定丙烯酸预热方案选用加热剂并确定用量；能根据工艺要求选用换热器形式及规格。二、教学组织设计（一）课外任务完成情况汇报1.任务回顾：以教师引导、提问的方式回顾项目的进展，及涉及的知识点，如工业
7、换热方式、常见换热器（10分钟）2.任务汇报：各班组展示与汇报课外任务加热剂的选用及用量的确定；提出完成课外任务是的问题和困惑，教师记录。（15分钟）3.任务评估：教师点评，知识归纳、指导。（40分钟）（1）工业加热载体和冷却剂载热体的选用原则常用加热剂和加热方法（2）热负荷及传热量热负荷与传热速率热负荷是由生产工艺条件决定的，是换热器的生产任务。为确保换热器能完成生产任务，必须使其传热速率等于（或略大于）热负荷。在实际设计换热器时，通常将传热速率和热负荷数值上认为相等。热量衡算与热负荷的确定QhQc QL 当热损失忽略不计时，则：QL = 0，此时，热负荷取Qh或 Qc均可。当QL0时，热负
8、荷取Qh还是Qc，需根据具体情况而定。（3）传热量的计算焓差法 Qh = Wh(H1H2) Qc = Wc(h2h1) 焓差法计算传热量较为简便，但仅适用于流体的焓值可查取的情况。显热法 若流体在换热过程中没有相变，且流体的比热容可视为常数或可取为流体进出口平均温度下的比热容时，其传热量可按下式计算： Qh = Wh cph (T1T2) Qc = Wc cpc (t2t1) 潜热法 若流体在换热过程中仅仅发生恒温相变，其传热量可按下式计算： Qh = Wh rh Qc = Wc rc 两步法 若流体在换热过程中既有相变又有温变时，则可用两种方法联合起来求取其热量，称为“两步法”。对温变过程采
9、用显热法计算、恒温相变过程采用潜热法计算，总热量为两者之和。 （二）子任务1-2预热器的选型-11.任务提出：根据上次分析的工作过程，在确定了使用固定管板式换热器后，请大家再确定具体的换热器规格，先要计算出平均温度差和传热面积，发放引领任务单1-2-1（5分钟）2.任务计划与实施：各班组借助教材、工程手册等参考资料等来完成确换热器的初步选型，教师巡回指导，答疑解惑，过程评价。（40分钟）3.任务交流与讨论：1）集中汇报，抽2组进行汇报。（10分钟） 2）各班组互评。（10分钟）4.任务评估：教师点评，归纳总结与重、难点知识提示。（35分钟） （1）平均温度差计算恒温传热过程的传热平均温度差当冷
10、、热两流体在换热过程中均只发生恒温相变时tm =T t 变温传热过程的传热平均温度差（2）变温传热过程的传热平均温度差并、逆流时的传热平均温度差 逆流时：t1=T1t2，t2=T2t1并流时：t1=T1t1，t2=T2t2。当换热器两端温度差t1/t22时，可近似用算术平均值来代替对数平均值，即 错、折流时的传热平均温度差tm =ttm式中 t称为温差校正系数， t f (R、P ) 不同流向传热温度差的比较 一侧恒温、一侧变温 此种情况下，平均温度差的大小与流向无关，即tm 逆 tm 并 tm 错、折 ， t 1.0 。 两侧均变温 此种情况下，若热、冷流体的进出口温度相同，平均温度差以逆流
11、时最大，并流时最小，即tm 逆 tm 错、折 tm 并 。（3）传热面积 在化工生产中使用广泛的套管式和列管式换热器，其面积可按下式计算：SndL （三）布置作业：继续完成初选换热器的规格（5分钟）能力训练项目一: 丙烯酸甲酯生产用换热器的选型、操作、故障处理案例：在丙烯酸甲酯的生产过程中，预热工段需将每小时1841.36kg原料丙烯酸从25预热到75需要完成的能力训练任务1-2：预热器的选型-2一、本次课的能力目标：能根据工艺要求选用换热器形式及规格。二、教学组织设计（一）课外任务完成情况汇报1.任务汇报与讨论：各班组展示与汇报课外任务换热器规格的确定。（15分钟）2.任务评估：教师点评，知
12、识归纳、指导。（20分钟）（1）管壳式换热器的标准参见图1-38我国对列管式换热器的分类与设计是按照GBl51钢制管壳式(即列管式)换热器进行的。3.任务整改：修改任务单，教师巡回指导、答疑。（二）子任务1-2预热器的选型-21. 布置任务：前面我们已经确定了换热器的规格，下面我们要通过计算来核算换热器压降，核算传热系数K和传热面积，看看所选用的换热器是否合用。发放引领任务单1-2-2（5分钟）2.任务计划与实施：各班组借助教材、工程手册等参考资料等来完成确换热器的核算，教师巡回指导，答疑解惑，过程评价。（60分钟）3.任务交流与讨论：1）集中汇报，抽2组进行汇报。（10分钟） 2）各班组互评。（10分钟）4.任务评估：教师点评。（55分钟）（1）总传热系数 传热面为平面时K的计算 当传热面为平面时，S=Si=Sm=So，则上式可简化为： 传热面为圆筒壁时K的计算 以换热管外表面为传热基准面： 或 （2）流体通过换热器的阻力（压力降）计算对选用合理的换热器而言，管、壳程流体的压力降一般应控制在：液体为10100kPa，气体为110kPa。管程压力降 管程总阻力的计算式为： 回弯管阻力由经验式估算： 壳程压力降
