项目三 课题三 换热器的操作-章节过关卷-《化工单元操作》（化工版第三版）（原卷版+解析版）

《化工单元操作》（化工版第三版） 项目三 传热 课题三 换热器的操作 时间：60分钟 总分：100分 班级 姓名 学号 成绩 一、填空题（本大题共10小题，每小题3分，共30分） 1. 换热器操作前应检查 、 、 、 等是否正常。 2. 在传热实训装置中，列管式换热器投用时应先投用 ，后投用 。 3. 为最大限度的增大传热效果，因此在列管式换热器使用时冷流体走 ，热流体走 。 4. 当换热器出现泄漏时，应及时 并进行处理。 5. 换热器开车后，应及时 ，防止腐蚀。 6. 对于管壳式换热器，壳程和管程的流体流速应根据 确定。 7. 换热器的操作压力不得超过 。 8. 在换热器操作中，应定期检查 的密封情况。 9. 当换热器的传热效率下降时，可以采取 等方法提高效率。 10. 对于板式换热器，板片之间的间隙应保持在 范围内。 二、选择题（本大题共10小题，每小题3分，共30分） 1. 一般而言，启动换热器时，应先（ ）。 A. 打开冷流体进口阀 B. 打开热流体进口阀 C. 同时打开冷热流体进口阀 D. 不确定 2. 换热器操作中，提高传热系数最有效的方法是（ ）。 A. 提高流体流速 B. 增大传热面积 C. 采用逆流操作 D. 提高流体温度 3. 当换热器中冷热流体的进出口温度一定时，采用（ ）操作，可获得较大的平均温差。 A. 并流 B. 逆流 C. 错流 D. 折流 4. 在换热器的操作中，若发现传热效果下降，可能的原因是（ ）。 A. 流体流量增大 B. 流体温度升高 C. 换热器结垢 D. 以上都不是 5. 换热器停车时，应先（ ）。 A. 关闭冷流体进口阀 B. 关闭热流体进口阀 C. 同时关闭冷热流体进口阀 D. 不确定 6. 对于管壳式换热器，当壳程流体有腐蚀性时，应选择（ ）。 A. 普通碳钢换热管 B. 不锈钢换热管 C. 铜换热管 D. 钛换热管 7. 换热器在操作过程中，为了防止流体泄漏，应经常检查（ ）。 A. 进出口阀门 B. 换热管 C. 密封垫片 D. 以上都不是 8. 在换热器操作中，若要提高热流体的出口温度，可以（ ）。 A. 增大冷流体流量 B. 减小冷流体流量 C. 增大热流体流量 D. 减小热流体流量 9. 当换热器的换热面积一定时，提高传热效率的方法是（ ）。 A. 降低流体流速 B. 减小传热温差 C. 提高流体流速 D. 以上都不是 10. 对于板式换热器，当需要清洗时，可以采用（ ）。 A. 化学清洗 B. 机械清洗 C. 高压水冲洗 D. 以上都可以 三、简答题（本答题共4小题，第1、2、3、4小题分值分别为13、7、10、10分，共计40分） 1.（本小题13分）简述列管式换热器的开、停车步骤。 2.（本小题7分）分析列管式换热器在操作过程中可能出现的问题及解决方法。 3.（本小题10分）板式换热器在运行时，如果突然停电，则如何处理？ 4.（本小题10分）列管式换热器实训开车时，为何要打开冷却水？作用是什么？ 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$ 《化工单元操作》（化工版第三版） 项目三 传热 课题三 换热器的操作 时间：60分钟 总分：100分 班级 姓名 学号 成绩 一、填空题（共10小题，每小题3分，共30分） 1. 换热器操作前应检查 、 、 、 等是否正常。 【答案】水；电；仪表；阀门 【解析】换热器操作前应检查水、电、仪表、阀门等是否正常。 2. 在传热实训装置中，列管式换热器投用时应先投用 ，后投用 。 【答案】冷流体；热流体 【解析】在传热实训装置中，列管式换热器投用时应先投用冷流体，后投用热流体。 3. 为最大限度的增大传热效果，因此在列管式换热器使用时冷流体走 ，热流体走 。 【答案】管程；壳程 【解析】为最大限度地增大传热效果，在列管式换热器使用时冷流体走管程，热流体走壳程。 4. 当换热器出现泄漏时，应及时 并进行处理。 【答案】停车 【解析】当换热器出现泄漏时，应及时停车并进行处理 5. 换热器开车后，应及时 ，防止腐蚀。 【答案】排除系统中的空气 【解析】换热器开车后，应及时排除系统中的空气，防止腐蚀。 6. 对于管壳式换热器，壳程和管程的流体流速应根据 确定。 【答案】流体的性质、流量、允许的压力降、传热系数要求以及换热器的结构 【解析】对于管壳式换热器，壳程和管程的流体流速应根据流体的性质、流量、允许的压力降、传热系数要求以及换热器的结构等因素确定。 7. 换热器的操作压力不得超过 。 【答案】设计压力 【解析】换热器的操作压力不得超过设计压力。 8. 在换热器操作中，应定期检查 的密封情况。 【答案】换热管与管板连接处、法兰连接处、密封垫片 【解析】在换热器操作中，应定期检查换热管与管板连接处、法兰连接处、密封垫片密封情况 9. 当换热器的传热效率下降时，可以采取 等方法提高效率。 【答案】清洗换热器；优化流体流速；检查并修复泄漏部位；采用逆流操作；更换或升级换热元件 【解析】当换热器的传热效率下降时，可以采取清洗换热器、优化流体流速、检查并修复泄漏部位、采用逆流操作、更换或升级换热元件等方法提高效率。 10. 对于板式换热器，板片之间的间隙应保持在 范围内。 【答案】3 - 5mm 【解析】对于板式换热器，板片之间的间隙通常应保持在 3 - 5mm 范围内。 二、选择题（共10小题，每小题3分，共30分） 1. 一般而言，启动换热器时，应先（ ）。 A. 打开冷流体进口阀 B. 打开热流体进口阀 C. 同时打开冷热流体进口阀 D. 不确定 【答案】A 【解析】一般而言，启动换热器时，应先打开冷流体进口阀，再打开热流体进口阀。 2. 换热器操作中，提高传热系数最有效的方法是（ ）。 A. 提高流体流速 B. 增大传热面积 C. 采用逆流操作 D. 提高流体温度 【答案】A 【解析】根据对流传热的原理，传热系数与流体的流动状态密切相关。当流体流速提高时，流体的湍流程度增加。在层流状态下，流体的热量传递主要依靠分子的导热，传热系数较小。而当流体变为湍流时，流体内部的质点混合更加剧烈，边界层变薄。边界层是热量传递的主要热阻之一，边界层变薄意味着热阻减小，从而使传热系数显著提高。 3. 当换热器中冷热流体的进出口温度一定时，采用（ ）操作，可获得较大的平均温差。 A. 并流 B. 逆流 C. 错流 D. 折流 【答案】B 【解析】当换热器中冷热流体的进出口温度一定时，采用逆流操作，可获得较大的平均温差。 4. 在换热器的操作中，若发现传热效果下降，可能的原因是（ ）。 A. 流体流量增大 B. 流体温度升高 C. 换热器结垢 D. 以上都不是 【答案】C 【解析】在换热器的操作中，若发现传热效果下降，可能的原因是换热器结垢。 5. 换热器停车时，应先（ ）。 A. 关闭冷流体进口阀 B. 关闭热流体进口阀 C. 同时关闭冷热流体进口阀 D. 不确定 【答案】B 【解析】换热器停车时，先关闭热流体进口阀，等换热器的温度降低到规定范围内时，保证安全的前提下，再关闭冷流体进口阀。 6. 对于管壳式换热器，当壳程流体有腐蚀性时，应选择（ ）。 A. 普通碳钢换热管 B. 不锈钢换热管 C. 铜换热管 D. 钛换热管 【答案】D 【解析】钛是一种具有优异耐腐蚀性的金属材料。它在许多腐蚀性介质环境中，如含有氯离子（Cl-）的海水、酸性溶液（除氢氟酸等少数强酸外）和碱性溶液中，都能表现出良好的抗腐蚀性能。对于壳程流体有腐蚀性的情况，钛换热管可以有效地防止被腐蚀，从而保证换热器的长期稳定运行。 7. 换热器在操作过程中，为了防止流体泄漏，应经常检查（ ）。 A. 进出口阀门 B. 换热管 C. 密封垫片 D. 以上都不是 【答案】C 【解析】在换热器中，密封垫片是防止流体泄漏的关键部件。密封垫片位于换热器的各个密封部位，如管板与封头之间、管束与管板连接处（对于可拆卸的部分）、法兰连接部位等。它的主要作用是填充两个连接部件之间的间隙，阻止流体从这些间隙中泄漏出来。 8. 在换热器操作中，若要提高热流体的出口温度，可以（ ）。 A. 增大冷流体流量 B. 减小冷流体流量 C. 增大热流体流量 D. 减小热流体流量 【答案】B 【解析】减小冷流体流量，冷流体吸收热量的速度减慢。热流体放出的热量不能被冷流体及时带走，那么热流体在换热器内温度下降的幅度就会减小，热流体出口温度会升高。例如，在一个以蒸汽为热源加热液体的换热器中，当液体流量减小时，蒸汽的热量不能被液体充分吸收，蒸汽的温度（即热流体出口温度）就会升高。 9. 当换热器的换热面积一定时，提高传热效率的方法是（ ）。 A. 降低流体流速 B. 减小传热温差 C. 提高流体流速 D. 以上都不是 【答案】C 【解析】当换热器的换热面积一定时，提高传热效率的方法是提高流体流速。 10. 对于板式换热器，当需要清洗时，可以采用（ ）。 A. 化学清洗 B. 机械清洗 C. 高压水冲洗 D. 以上都可以 【答案】D 【解析】对于板式换热器，当需要清洗时，可以采用化学清洗、机械清洗、高压水冲洗。 三、简答题（本大题共4小题，第1、2、3、4小题分值分别为13、7、10、10分，共计40分） 1.（本小题13分）简述列管式换热器的开、停车步骤。 【答案】 开停车环节 主要步骤 步骤具体内容 开车步骤 检查准备工作 首先要对列管式换热器进行全面检查。检查设备的连接部位，如管道、法兰连接处是否紧密，螺栓有无松动。确保所有的阀门处于正确的开闭状态，通常进出口阀门是关闭的，放空阀和排净阀是打开的。 检查仪表是否完好，包括温度表、压力表等，并且要保证仪表的连接正常，能够准确显示数据。同时，还要检查换热介质的供给系统是否正常，如泵、压缩机等设备是否能正常工作，介质的储量是否足够。 充液排气 对于管程走液体的情况，先缓慢打开管程进口阀门，让液体介质进入换热器管程。在液体进入的过程中，要注意观察放空阀，当有连续的液体流出时，说明管程内的空气已基本排净，此时关闭放空阀。这个过程要缓慢进行，以防止液体冲击过大对设备造成损坏。 对于壳程走液体的情况，操作方法类似。打开壳程进口阀门，让液体进入壳程，同时通过壳程的放空阀排气，排净空气后关闭放空阀。 升温升压 当管程和壳程都充满液体后，如果是进行加热操作，先开启加热介质的供给系统，如蒸汽阀门，缓慢向壳程（假设壳程为加热介质）引入加热介质。控制加热介质的流量和压力，使温度缓慢上升。要密切关注温度表和压力表的变化，升温速度一般不宜过快，避免因热应力过大对换热器造成损坏。 根据工艺要求，当温度和压力达到设定的操作条件后，检查设备是否有泄漏等异常情况。如果一切正常，将设备调整到稳定的操作状态，使换热器正常运行。 停车步骤 降温降压 首先要停止加热或冷却介质的供应。如果是壳程为加热介质，关闭壳程的加热介质进口阀门，如蒸汽阀门。然后，让换热器内的温度自然下降。如果需要加快降温速度，可以适当开启冷却介质阀门，但要注意降温速度不能过快，以免造成设备损坏。在降温过程中，同样要密切关注温度表和压力表的变化。 排液 当温度和压力降到安全范围后，先打开管程和壳程的排净阀，将管程和壳程内的液体介质排出。在排液过程中，要注意将液体排净，尤其是一些易结晶、易凝固的介质，要防止在设备内残留。 清洗维护 排液完成后，如果换热器需要进行清洗或者维护，可以拆卸一些连接部件，如法兰连接，将管束等部件取出进行清洗。对于一些难以拆卸的部分，可以采用化学清洗或者冲洗的方法，将设备内的污垢、杂质等清除干净。清洗完成后，将设备重新组装好，以备下次使用。 2.（本小题7分）分析列管式换热器在操作过程中可能出现的问题及解决方法。 【答案】 故障 原因 解决办法 泄漏问题 管束与管板连接处泄漏：连接方式（如胀接、焊接或胀焊并用）出现缺陷是主要原因。例如，胀接时胀管率不合适，胀管过度会使换热管管壁减薄，胀管不足则不能保证良好的密封；焊接质量差，如焊接处存在气孔、夹渣、未焊透等问题，容易导致泄漏。另外，长期的温度变化和流体的冲刷也可能使连接处松动而泄漏。 壳体泄漏：壳体本身可能由于制造过程中的缺陷，如存在砂眼、裂缝等。在运行过程中，若受到过高的压力冲击、腐蚀作用或者外部机械损伤，也会导致壳体破裂泄漏。 对于管束与管板连接处泄漏，如果是胀接问题，可以考虑重新胀接，但要控制好胀管率。对于焊接处泄漏，先将换热器内的介质排空，然后对泄漏部位进行补焊，补焊后要进行无损检测确保焊接质量。如果泄漏较为严重，可能需要更换部分管束。对于壳体泄漏，轻微的裂缝可以采用补焊修复，但如果裂缝较大或者壳体损坏严重，可能需要更换壳体。 结垢问题 当换热介质中含有杂质、溶解盐类或者微生物时，在换热器运行过程中，这些物质容易在换热管表面和壳体内壁沉积，形成污垢。例如，水中的钙、镁离子在受热后可能会生成碳酸钙、氢氧化镁等水垢；流体中的悬浮颗粒也会逐渐积累。另外，在某些化工过程中，反应产物也可能在换热器表面结垢。 定期进行清洗是解决结垢问题的关键。对于轻度结垢，可以采用化学清洗方法，根据垢的成分选择合适的清洗剂。如对于水垢，可以使用稀盐酸等酸性清洗剂；对于油垢，可以使用碱性清洗剂。清洗时要注意控制清洗液的浓度、温度和清洗时间，避免对设备造成腐蚀。对于严重结垢，可能需要拆卸换热器，采用机械清洗方法，如用刷子、高压水枪等清除污垢。同时，也可以在换热器前安装过滤装置，减少进入换热器的杂质。 温度控制问题 传热效率下降：结垢是导致传热效率下降的一个重要原因，污垢层会增加热阻，使热量传递受阻。另外，流体的流速变化也会影响传热效率。如果流速过低，流体的湍流程度不够，对流传热系数减小；如果流速过高，可能会导致压力降过大，同时也可能影响流体在换热器内的停留时间，进而影响传热效果。 温度波动过大：可能是由于加热或冷却介质的流量、温度不稳定。例如，蒸汽供应系统压力波动，会使壳程加热介质的温度不稳定；或者冷流体的流量由于泵的故障等原因发生变化，导致温度不能有效控制。 针对传热效率下降，除了采取措施解决结垢问题外，还可以优化流体的流速。通过调节阀门，控制管程和壳程流体的流量，使其达到合适的流速，增强流体的湍流程度，提高传热系数。对于温度波动过大的问题，要稳定加热或冷却介质的供应。可以安装流量控制器和温度控制器，对介质的流量和温度进行自动调节。例如，对于蒸汽供应系统，安装压力调节阀，使蒸汽压力保持稳定。 压力降问题 流体在换热器内流动时，由于管道的摩擦阻力、管件（如弯头、三通等）的局部阻力以及管束的阻力等因素，会产生压力降。如果换热器设计不合理，如换热管排列过密、管径过小或者流体流速过高，都会导致压力降过大。另外，结垢和堵塞也会增加流体的阻力，使压力降增大。 在设计阶段，要合理设计换热器的结构，包括换热管的管径、排列方式和管间距等，根据流体的性质和流量确定合适的流速，以控制压力降在允许范围内。对于已经运行的换热器，如果出现压力降过大的情况，首先要检查是否存在堵塞现象。如果是堵塞，可以采用清洗的方法清除堵塞物。如果是设计问题导致的压力降过大，在条件允许的情况下，可以对换热器进行改造，如适当增大管径或者调整换热管的排列方式。 3.（本小题10分）板式换热器在运行时，如果突然停电，则如何处理？ 【答案】 （1）紧急关闭进出口阀门 当板式换热器突然停电时，首先要迅速关闭热流体和冷流体的进出口阀门。这是为了防止在没有动力（如泵停止工作）的情况下，流体因自身的压力差和重力作用继续流动，导致流体流量失控，引起不必要的热交换波动或其他潜在问题。例如，如果热流体继续大量流入换热器，而冷流体供应停止，可能会使换热器内的温度急剧上升，损坏设备。 （2）记录相关参数 在关闭阀门后，要尽快记录停电时刻的相关参数，如换热器进出口的温度、压力等。这些参数对于后续分析停电对设备和工艺流程的影响非常重要。通过对比停电前后的参数，可以评估换热器内流体的状态变化，以及是否可能出现诸如泄漏、压力异常升高等情况。 （3）检查设备状况 对板式换热器的外观和连接部位进行初步检查。查看是否有泄漏现象，特别是在密封垫片周围和进出口管道的连接处。因为停电可能导致流体压力瞬间变化，这可能会对密封部位产生影响，引发泄漏。同时，检查设备的固定部件是否有松动，例如夹紧螺栓是否依然牢固，因为流体的冲击或者设备自身的振动可能在停电后有所变化。 （4）等待来电后的操作 等待电力恢复后，不要立即开启进出口阀门。首先要检查与板式换热器配套的动力设备（如泵、压缩机等）是否能正常启动，确认其运行状态稳定。然后，缓慢开启冷流体的进口阀门，使冷流体先进入换热器，观察设备的压力和温度变化情况。当冷流体充满换热器并且运行正常后，再缓慢开启热流体的进口阀门，逐步恢复正常的换热过程。在整个过程中，要密切关注设备的运行参数，确保换热器安全、稳定地恢复运行。 4.（本小题10分）列管式换热器实训开车时，为何要打开冷却水？作用是什么？ 【答案】 （1） 防止过热损坏设备： 在列管式换热器实训开车过程中，打开冷却水主要目的之一是防止设备过热。当热流体进入换热器管程或壳程时，如果没有冷却水及时带走热量，换热器的温度会迅速上升。例如，在化工生产过程中，热流体可能是高温的蒸汽或者反应后的热物料，这些高温流体具有较高的热量。若没有冷却措施，过高的温度会使换热器的金属材料性能发生变化，如强度降低、发生热膨胀变形等，严重时可能导致设备损坏，如管子破裂、管板变形等。 （2） 建立稳定的温度梯度，保证正常换热： 打开冷却水有助于建立稳定的温度梯度，这是实现正常换热的关键。在换热器中，热量是从高温的热流体通过管壁传递给低温的冷却水。只有存在足够的温度差，才能保证热量的有效传递。冷却水的流动可以维持冷流体侧较低的温度，使得热交换能够持续、稳定地进行。例如，在一个冷却工艺中，热流体的热量被冷却水带走，从而达到冷却的目的。如果不开启冷却水，热流体和冷流体之间的温度差会逐渐减小，最终导致热交换停止。 （3） 控制工艺过程温度，满足后续流程需求： 对于整个工艺流程来说，列管式换热器的温度控制至关重要。开启冷却水可以根据工艺要求将热流体冷却到合适的温度，以满足后续工艺步骤的需要。比如在制药过程中，经过反应后的物料需要在特定温度下进入下一个反应步骤或者进行分离、提纯等操作，通过列管式换热器和冷却水的作用，将物料温度调节到合适范围，确保整个工艺流程的顺利进行。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$