化工过程系统节能节水原理与案例

2015/7/241邓春博士副教授[e-mail]邓春博士副教授[e-mail]化工过程系统节能原理与案例化工过程系统节能原理与案例1主要内容主要内容2化工过程系统的构成及分解换热网络优化工艺系统节能蒸汽动力系统的优化化工过程系统的构成及分解换热网络优化工艺系统节能蒸汽动力系统的优化反应器分离系统换热网络公用工程(Linnhoffetal.,1982;Smith1995,2005)3过程系统的洋葱图(Oniondiagram)过程系统的洋葱图(Oniondiagram)基本组成：反应部分分离部分换热部分公用工程部分2015/7/2424化工过程系统流程简图化工过程系统流程简图5化工过程系统中的热量化工过程系统中的热量反应热——吸热反应，放热反应分离——热量为分离剂（例如：精馏，蒸发，干燥）换热——物料的升温与降温公用工程——提供热量、冷量和动力等6如何实现化工过程系统节能？如何实现化工过程系统节能？现行的能量系统是否合理？若不合理，哪些用能环节不合理？系统有多大的节能潜力？应如何进行节能改造？2015/7/2437热集成的方法热集成的方法数学规划法基于热力学的图示法（夹点技术）换热网络超结构模型夹点图8夹点技术的定义夹点技术的定义夹点技术是以热力学为基础，运用拓扑学的概念和方法，对过程系统作出直观、形象的描述与处理，从客观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给以“解瓶颈”的一种方法。夹点图总复合曲线9夹点技术的应用成果夹点技术的应用成果新设计降低操作成本30—50%节省投资10—20%老厂改造降低操作成本20—30%投资费用回收期1—2年2015/7/244主要内容主要内容10化工过程系统的构成及分解换热网络优化工艺系统节能蒸汽动力系统的优化化工过程系统的构成及分解换热网络优化工艺系统节能蒸汽动力系统的优化夹点的形成及其意义换热网络优化目标换热网络优化设计换热网络改造综合装置/厂际之间的热联合11热容流率热容流率pHmCTQkW()℃pHCPmCT用CP表示质量流率与定压比热容的乘积kgkJkW×=kg℃℃s用温-焓图上的一条直线表示一股冷流被加热或一股热流被冷却的过程；可左右平移；直线斜率的倒数即CP值。CP值越大，温焓T-H图上的线越平缓。T℃H(kW)2050ab∆H∆T=30℃2050ab∆H=50(kW/℃)×30(℃)=1500(kW)CP=50kW/℃12最小允许传热温差最小允许传热温差2015/7/24513换热器热负荷换热器热负荷hotmincold3040201200kW4030℃HTQH14两流股的热量回收问题两流股的热量回收问题流股类型供应温度Ts(℃)目标温度Tt(℃)ΔH(kW)热容流率CP(kW/℃)1冷流股401101400202热流股1604012001015两流股的热量回收问题直接加热/冷却两流股的热量回收问题直接加热/冷却利用蒸汽加热冷流股：QH=20×(110－40)=1400kW利用冷却水冷却热流股：QC=10×(160－40)=1200kW40°110°160°40°1400kW1200kWSteamT(℃)H(kW)20°110°40°160°180°HotstreamColdstreamQCmin=1200kWQrec=0kWQHmin=1400kWSteamCW2015/7/24616两流股的热量回收问题利用换热器回收热量两流股的热量回收问题利用换热器回收热量outminhotoutcoldHminCmin4040408080010(16080)800kW40802020(11080)600kW10(8040)400kW℃℃℃RECTTQTQQ17两流股的热量回收问题利用换热器回收热量两流股的热量回收问题利用换热器回收热量ΔTmin=40℃：回收热量QREC=800kW蒸汽加热负荷：QHmin=600kW冷却水冷却负荷：QCmin=400kW18两流股的热量回收问题利用换热器回收热量两流股的热量回收问题利用换热器回收热量ΔTmin=30℃：回收热量QREC=900kW蒸汽加热负荷：QHmin=500kW冷却水冷却负荷：QCmin=300kW2015/7/24719两流股的热量回收问题利用换热器回收热量两流股的热量回收问题利用换热器回收热量ΔTmin=20℃：回收热量QREC=1000kW蒸汽加热负荷：QHmin=400kW冷却水冷却负荷：QCmin=200kW20两流股的热量回收问题利用换热器回收热量两流股的热量回收问题利用换热器回收热量ΔTmin=10℃：回收热量QREC=1100kW蒸汽加热负荷：QHmin=300kW冷却水冷却负荷：QCmin=100kW21两流股的热量回收问题结论两流股的热量回收问题结论加热公用工程量越多，冷却公用工程用量越多！QHmin+X=QCmin+XΔTmin越小→热回收量越大，换热器的面积越大ΔTmin(℃)∞…40302010…QREC(kW)0…80090010001100…QHmin(kW)1400…600500400300…QCmin(kW)1200…400300200100…2015/7/24822两热两冷流股的热量回收问题两热两冷流股的热量回收问题流股名称供应温度Ts(℃)目标温度Tt(℃)ΔH(kW)热容流率CP(kW/℃)H1产品22060352022H2反应器出口流股270160198018C1进料50210320020C2循环流股160210250050案例123两热两冷流股的热量回收问题热复合曲线两热两冷流股的热量回收问题热复合曲线CP=18CP=1824两热两冷流股的热量回收问题冷复合曲线两热两冷流股的热量回收问题冷复合曲线2015/7/24925两热两冷流股的热量回收问题冷/热复合曲线两热两冷流股的热量回收问题冷/热复合曲线绘制冷/热复合曲线→确定加热/冷却公用工程用量ΔTmin=20℃QREC=4700kWQHmin=1000kWQCmin=800kWΔTmin=40℃QREC=4200kWQHmin=1500kWQCmin=1300kW26夹点的形成夹点的形成夹点处热、冷物流间传热温差最小，限制了进一步回收过程系统的能量，构成了系统用能的“瓶颈”。夹点把过程系统分为两个独立的子系统：夹点上方为净热阱，夹点下方为净热源。HTQHminQCminABCDEFGH27HTQHminQCminPQ热平衡热平衡夹点夹点下方夹点上方热阱热源夹点的分析夹点的分析2015/7/241028①夹点之上不应设置任何公用工程冷却器②夹点之下不应设置任何公用工程加热器③不应有跨越夹点的传热夹点设计“三原则”夹点设计“三原则”29夹点位置的确定方法夹点位置的确定方法温焓图法（T-H图）问题表法•划分温区•计算各温区的热平衡•进行外界无热量输入时的热级联计算•外界输入最小加热公用工程时的热级联计算•热通量为零处即为夹点问题表法问题表法案例2某过程系统含有的工艺物流为2个热物流及2个冷物流，给定的数据列于下表，并选热、冷物流间最小允许传热温差ΔTmin=10℃，试确定该过程系统的夹点位置。流股热容流率CP(kW/℃)供应温度Ts(℃)目标温度Tt(℃)ΔH(kW)H1317060330H21.515030180C12.020135230C24.0801402402015/7/2411划分温区：分别将所有热流/冷流的进出口温度从小到大排列起来：热流体：30，60，150，170冷流体：20，80，135，140计算冷热流体的平均温度(或称虚拟温度)，即将热流体温度下降ΔTmin/2，将冷流体温度上升ΔTmin/2：(ΔTmin=10℃)热流体：25，55，145，165冷流体：25，85，140，145将所有冷热流体的平均温度从小到大排列起来：冷热流体：25，55，85，140，145，165划分温区：整个系统可以划分为五个温区，为：第一温区：165→145；第二温区：145→140；第三温区：140→85；第四温区：85→55；第五温区：55→25问题表法问题表法31温区1CP=1.5(140)145(150)温区2(135)140(145)温区3(80)85(90)温区4CP=4.0(50)55(60)温区5(20)25(30)CP=2.0(160)165(170)CP=3.0问题表法问题表法32温区内热平衡计算：第一温区：ΔH1=–3.0×(165–145)=–60第二温区：ΔH2=(4.0–3.0–1.5)×(145–140)=–2.5第三温区：ΔH3=(4.0+2.0–3.0–1.5)×(140–85)=82.5第四温区：ΔH4=(2.0–3.0–1.5)×(85–55)=–75第五温区：ΔH5=(2.0–1.5)×(55–25)=15问题表法问题表法1coldhot()()(00)ichiiHCPCPTT亏缺；剩余332015/7/2412温区物流亏缺热量(kW)累积热量(kW)热通量(kW)输入输出输入输出165℃温区1–60145℃温区2–2.5140℃温区382.585℃温区4–7555℃温区51525℃3.01.52.04.0问题表法问题表法34计算外界无热量输入时各温区之间的热通量：第一温区：输入热量=0，输出热量=0–(–60)=60第二温区：输入热量=60，输出热量=60–(–2.5)=62.5第三温区：输入热量=62.5，输出热量=62.5–82.5=–20第四温区：输入热量=–20，输出热量=–20–(–75)=55第五温区：输入热量=55，输出热量=55–15=40问题表法问题表法=iH输出输入35温区物流亏缺热量(kW)累积热量(kW)热通量(kW)输入输出输入输出165℃温区1–60060145℃温区2–2.56062.5140℃温区382.562.5–2085℃温区4–75–205555℃温区515554025℃3.01.52.04.0问题表法问题表法362015/7/2413计算外界输入最小加热公用工程量时的热通量：第一温区：输入热量=20，输出热量=20–(–60)=80第二温区：输入热量=80，输出热量=80–(–2.5)=82.5第三温区：输入热量=82.5，输出热量=82.5–82.5=0第四温区：输入热量=0，输出热量=0–(–75)=75第五温区：输入热量=75，输出热量=75–15=60问题表法问题表法=iH输出输入37温区物流亏缺热量(kW)累积热量(kW)热通量(kW)输入输出输入输出165℃温区1–600602080145℃温区2–2.56062.58082.5140℃温区382.562.5–2082.5085℃温区4–75–205507555℃温区5155540756025℃3.01.52.04.0问题表法问题表法38温区物流亏缺热量(kW)累积热量(kW)热通量(kW)输入输出输入输出165℃加热公用工程温区1–600602080145℃温区2–2.56062.58082.5140℃温区382.562.5–2082.5085℃夹点温区4–75–205507555℃温区5155540756025℃冷却公用工程3.01.52.04.0问题表法问题表法392015/7/2414做出以下换热网络的问题表取Tmin=20C流股热容流率kW/C进口温度C出口温度CH11350115H23260150C1265310C20.5100170练习练习40主要内容主要内容41化工过程系统的构成及分解换