化工节能原理与技术6

1化工节能原理与技术北京化工大学2014.3（春季学期）2第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.6化学反应的最大有用功•稳定流动系统化学反应产STSTHWA)()(maxSTHWA，GGGTSHTSHWA)()]()[(121122max，结论：可逆定温系统作出的最大反应有用功等于系统自由焓的减少。最大反应有用功是状态参数3第2章节能的热力学2.6装置的火用效率和火用损失系数•火用效率•火用效率反映了实际过程接近理想过程的程度，从能量的质来评价过程的优劣。例2-11试导出电热水器热效率与火用效率的数学表达式。设热水器绝热良好，通过器壁向环境散失的热量为0。并求当t1=t0=25℃Δt=50℃时的热效率和火用效率。•4第3章化工单元过程与设备的节能3.1流体流动及流体输送机械3.1.1流体流动•降低火用损失采取的途径•解决好能耗减少与投资增大的矛盾TTpvel/05第3章化工单元过程与设备的节能3.1流体流动及流体输送机械3.1.2流体机械•提高流体机械本身的性能•在流体机械的运行方面，提高节能潜力3.1.2.1选用合适的流体机械6第3章化工单元过程与设备的节能3.1流体流动及流体输送机械3.1.2流体机械3.1.2.1选用合适的流体机械7第3章化工单元过程与设备的节能3.1流体流动及流体输送机械3.1.2流体机械3.1.2.2选用合适的流量•改变管路特性曲线：通过调节阀门的开度实现•改变离心泵特性曲线：改变转速、切削叶轮直径以及采用泵的串联或并联QnnQ)/(HnnH2)/(NnnN3)/(8第3章化工单元过程与设备的节能3.1流体流动及流体输送机械3.1.2流体机械3.1.2.2选用合适的流量9第3章化工单元过程与设备的节能3.1流体流动及流体输送机械3.1.2流体机械3.1.2.2选用合适的流量•改变管路特性曲线：通过调节阀门的开度实现•改变离心泵特性曲线：改变转速、切削叶轮直径以及采用泵的串联或并联•推荐的流量调节方式：•（1）变频装置：负荷变化频繁且负荷变化大•（2）采用不同的泵：调节幅度大、时间长•（3）阀门调节：负荷变化频繁但负荷变化不大10第3章化工单元过程与设备的节能3.2换热3.2.1换热过程PHTHPLTLHLdHdHQ)(01LHdSdSTdE)//()/()(01LLLHHHLHLHTdpVTdpVTTQTTTdE11第3章化工单元过程与设备的节能3.2换热3.2.1换热过程•温差传热引起的火用损失：采用逆流换热、增大传热面积、强化传热以提高传热系数。•流动阻力引起的火用损失•作业：如何减少温差传热；如何减少流动阻力；从这两方面，总结出减少火用损失的措施)//()/()(01LLLHHHLHLHTdpVTdpVTTQTTTdEQTTTTTdELHLH)/()(0112第3章化工单元过程与设备的节能3.2换热3.2.2设备和管道的保温（1）管道)(2111ttkq)/(1)2/()/ln()2/()/ln()2/()/ln()/(1/132231201011ddddddddk护保12.2586.41213第3章化工单元过程与设备的节能3.2换热3.2.2设备和管道的保温（2）平面壁)(21ttkqpp21/1///1/1保保壁pk14第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发•蒸发的目的（1）获得浓缩的溶液（2）脱除溶剂，后续结晶（3）脱除溶剂中的杂质•一侧为蒸汽冷凝，一侧为液体沸腾•生蒸汽（或加热蒸汽）：作为热源的水蒸汽•二次蒸汽：蒸发产生的蒸汽15第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.1多效蒸发•多效蒸发的原理•每一个蒸发器称为一效，提高了生蒸汽的利用率•W:蒸发出的水量•D:加热蒸汽（生蒸汽）用量16第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.1多效蒸发•多效蒸发的原理•每一个蒸发器称为一效，提高了生蒸汽的利用率17第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.1多效蒸发•多效蒸发的生蒸汽利用率的提高是以降低其生产强度为代价获得的。•生产强度：通过单位传热面的传热速率表示1111tAKQ2222tAKQ3333tAKQ333222111321tAKtAKtAKQQQQTtKAtttKAQ)(321TtKAQ三效蒸发器单效蒸发器18第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.1多效蒸发•多效蒸发的生蒸汽利用率的提高是以降低其生产强度为代价获得的。•生产强度：通过单位传热面的传热速率表示•ΔtT:第一效加热蒸汽的温度-末效蒸发室压力下蒸汽的饱和温度•有效温度差：生蒸汽温度–溶液沸点（单效）•温度差损失：溶液沸点（过热蒸汽）-饱和蒸汽温度（单效）19第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.1多效蒸发•多效蒸发的生蒸汽利用率的提高是以降低其生产强度为代价获得的。•（1）并流加料20第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.1多效蒸发•多效蒸发的生蒸汽利用率的提高是以降低其生产强度为代价获得的。•（2）逆流加料21第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.1多效蒸发•多效蒸发的生蒸汽利用率的提高是以降低其生产强度为代价获得的。•（3）错流加料；（4）平流加料22第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.2额外蒸汽的引出•额外蒸汽的效数越往后移，生蒸汽的利用率越高。23第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.2额外蒸汽的引出•额外蒸汽的效数越往后移，生蒸汽的利用率越高。DW11112EDEWW21223EEDEWW2132123EED3/3/23/21EEWDnEnEnnEnnWDn/.../)2(/)1(/121推广至n效24第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.3二次蒸汽的再压缩•机械压缩•蒸汽动力压缩3.3.3.1机械压缩比较不同能源为动力的系统时，采用一次能源利用系数。ENWrPER/25第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.3二次蒸汽的再压缩3.3.3.1机械压缩经优化设计的机械压缩式热泵蒸发，其一次能源利用率高于八效蒸发。26第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.3二次蒸汽的再压缩3.3.3.1机械压缩•电热比价和压缩机的压比是决定经济效益的关键因素；•根据总费用最小来确定蒸发器的最佳传热温差；•经优化设计的机械压缩式热泵蒸发系统，其年度总成本介于三效到四效之间；•压缩机所需压缩功的计算式为：)(12hhWNcshhhh/)1212（32)hWWhWWh（加热蒸汽变饱和蒸汽所注入水量27第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.3二次蒸汽的再压缩3.3.3.2蒸汽动力压缩•与机械压缩式相比，蒸汽动力式的能量利用率较低，节能率介于二效和三效之间，经济效益也介于二效和三效之间。28第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.3二次蒸汽的再压缩3.3.3.2蒸汽动力压缩喷射系数：单位工作蒸汽所能引射的二次蒸汽量h2:喷射泵工作蒸汽的焓；h3:喷射泵喷嘴出口蒸汽的焓；h4:喷射泵扩压管出口混合蒸汽的理论焓；h5:喷射泵扩压管入口混合蒸汽的实际焓；)1/(umD喷射泵的高压工作蒸汽量1)/()(765.05432hhhhu29第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.3二次蒸汽的再压缩3.3.3.2蒸汽动力压缩喷射泵的热量衡算：h:喷射泵出口处混合蒸汽的实际焓；h1:二次蒸汽的焓；h2:喷射泵工作蒸汽的焓；m:被引射的二次蒸汽量作业：如何提高m,从而提高能量利用率?211Dhhmmh)/()(1221hhmhhm30第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.3二次蒸汽的再压缩3.3.3.2蒸汽动力压缩•采用多效蒸发提高能量利用率•喷射泵起到增加一效的作用31第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.3二次蒸汽的再压缩3.3.3.2蒸汽动力压缩•并列组合式热泵蒸发工艺•思考：画出完整的并列组合式热泵蒸发工艺示意图32第3章化工单元过程与设备的节能3.3蒸发3.3.4冷凝水热量的利用•直接利用冷凝液显热来预热料液，也可采用自蒸发方式回收潜热。33第3章化工单元过程与设备的节能3.4精馏•精馏是分离互溶液体混合物的最常用方法，分离依据是各组分挥发性不同34第3章化工单元过程与设备的节能3.4精馏•精馏塔的热量衡算•QS:再沸器的加热量；•QF:料液带进的热量；•QD:塔顶产品带出的热量；•QC:塔顶冷凝器的冷却量；•QW:塔底产品带出的热量；WCDFSQQQQQ35第3章化工单元过程与设备的节能3.4精馏•精馏过程是一个不可逆过程，火用损失由下列不可逆引起：(1)流体流动阻力造成的压力降（压差）；(2)不同温度物流间的传热或不同温度物流的混合（温度差）；(3)相浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流的混合（浓度差或化学势差）36第3章化工单元过程与设备的节能3.4精馏•预热进料，以较低温位的热能代替再沸器要求的高温位热能思考：对于难分离体系，为什么降低进料液预热温度有利于分离？37第3章化工单元过程与设备的节能3.4精馏3.4.2塔釜液余热的利用•塔釜液的显热变为潜热来利用38第3章化工单元过程与设备的节能3.4精馏3.4.3塔顶蒸汽余热的回收利用•直接热利用：产生低压蒸汽•余热制冷：采用吸收式制冷装置产生冷量•余热发电：用塔顶余热产生低压蒸汽驱动透平发电。39第3章化工单元过程与设备的节能3.4精馏3.4.3塔顶蒸汽余热的回收利用40第3章化工单元过程与设备的节能3.4精馏3.4.4多效精馏条件：所需温差小于实际温差的过程•并流•逆流•平流压力组合方式：•加压-常压•加压-减压•常压-减压•减压-减压41第3章化工单元过程与设备的节能3.4精馏3.4.4多效精馏限制因素：•效数受投资的限制•效数受操作条件的限制•一般多效精馏的效数为2。