化工节能技术

1.1.能量及其二重性（1）几个基本概念第一章绪论能量：物质的基本性质，通常指物体能做功的本领。能源：能源是产生各种能量的自然资源一次能源再生能源非再生能源二次能源能源一次能源：指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源二次能源：由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品热：能量传递的一种形式,其推动力为温度。属“无序能功：能量传递的另一种形式，除温度之外的推动力而传递的能量，有多种形式，主要有体积功、表面功、机械功等，还有其他形式。（2）热力学基本定律热力学第零定律：与第三个体系处于热力学平衡的两个体系彼此处于热力学平衡。热力学第一定律：自然界的能量既不能被创造，也不能被消灭，只能相互转化，在转化过程中其数量守恒。其数学表达式为：进入体系的能量－离开体系的能量=体系贮藏能量的变化。能量的转换和守恒定律在热现象上的应用，热力学第二定律：即熵增原理，体系和环境的总熵变有增无减，ΔS总≥0其他表达方式：（1）热自发地从高温流向低温；（2）有序能（功）完全转变为无序能（热）的自发倾向不可逆转；（3）在循环过程中，不能从一个热源把热转变为功而不同时把一部分热传给冷源。提供了不可逆过程的方向和限度热力学第三定律：在T0K的极限下，由一可逆过程联系起来的状态之间的熵差趋于零。（3）能量二重性（重点）按热力学第一定律，不同形式能量是等价和守恒的。数量：能量的多少质量：能量的可用性•能量的质量不同，其使用价值也就不同。从用能的观点看，后者是主要的。•只有当能量的质量达到使用要求时，能量的使用价值才能体现出来，此时，能量的数量才有实际意义，因而能量的使用在本质上是指能量质量的使用。•大量的实践事实证明：能量在使用过程中虽然其数量是守恒的，但其质量却是下降的。能量在使用过程中的降降质变废质变废才是造成能耗的根本原因。1.2能量开发利用的现状与发展•能量的开发利用，实际上是指能源的开发利用。能源开发利用的技术水平直接影响着人类物质水平的提高和社会经济的发展。•能源问题是当今世界上最重大的课题之一，人类发展的历史在某种意义上反映出人们认识能源、开发能源、利用能源的历史。•十九世纪初，一些科学家就对能量的二重性有所认识•但此后100多年，实际上只有“能量”的概念为工程界所普遍接受，而“能质”的概念，长期未被接受，致使人们受能量守恒原理局限性的束缚，能量的开发利用技术止步不前，始终处于相当低的水平。1824年，原始的能质概念就由卡诺提出，他确定了热量Q中只有Q(1-T0/T)部分是可用的20世纪30年代初，凯南(Keenan)明确提出了“有效能”的概念。直到1956年著名学者朗特(Z·Rant)提出将有效能作为一个热力学参数的概念，从而获得了科学定量地表示能质的方法后，人们才真正开始了用能理论的研究和能量利用技术的开发。1973年，原油价格突然猛涨了4倍，出现了世界上第一次石油危机现在用能理论和技术的各个方面及石化各领域都取得了重大成就：•废热回收利用：已能利用100℃以下的热能进行动力回收和冷冻；•能量有效利用：强化了能量的梯级利用和多效利用技术；•能量充分利用：强化了“堵塞漏洞，减少余热排放”；•能量综合利用：发展了热电合供、改进工艺、提高自动化水平，出现了各种低能耗工艺等新的用能技术。•新能源的开发利用：核能技术的研究已进入受控核聚变能的利用阶段；太阳能新技术中太阳光电转换技术发展迅速；氢能已广泛应用于空间技术中；地热发电技术在30多个国家有了工业装置；其它新能源：风力发电、海洋温差发电等也被人们开发利用。总之，随着能源技术的不断创新，新能源的不断开发利用，世界已逐步进入“复合能源时代”。各国的能源结构将朝着多样化、优质化和更加合理化的方向发展。1.3化工节能的重要地位能源是发展国民经济和保障人民生活的重要物质基础。在正常情况下，能源消费量的增长速度和国民生产总值的发展速度之间成正比关系。化学工业既是能耗极大的工业部门，又是副产能量的工业部门•一方面，煤、石油、天然气等，既是化学工业的能源，又是化学工业的原料，约占产品成本25%～40%。化学工业是用能大户。可见，节能在化学工业中有着极为重要的意义。•另一方面，化学反应，有吸热、放热。而且往往需要在较高的温度、压力下操作，有的甚至采用电解、电热等操作，因而对热能和电能的需求量较大。被加热了的物料往往还要进行冷却，也是用水大户。化工能量消费的复杂性，使工艺与动力系统紧密结合成为现代化学工业的一个显著特点。因此，在某种意义上讲，节能是化学工业现代化的一个关键。与发达国家相比，我国石油化工能耗水平差距较大大、中企业相差20%～50%，小企业相差达67%～68%。要从根本上解决能源紧张、完善能源结构，必须推广新能源技术、开发新能源。但由于技术进步的差异和滞后，在新能源技术开发未取得突破性进展之前，节能及合理用能，使宝贵的资源用得恰到好处，意义深远。节能---应用技术上可行、经济上合理、环境和社会可以接受的方法有效地利用能源。其实质是充分有效地发挥能源的作用一是通过节能可以改革不合理的工业结构与产业结构，把一些费能型的经济模式逐步转变为比例恰当的省能型经济模式；二是通过节能可以促进工业技术改造和设备更新换代，以带动整个工业部门的发展和提高；三是通过节能以加强能源管理，改善经济工作，提高整个工业的科学管理水平；四是通过节能以降低产品的成本，提高市场竞争力和企业经济效益；五是节能有利于保护环境。节能意义1.4化学工业节能的潜力和途径节能潜力有两种涵义：(1)节能总潜力：为一技术极限值，取决于现有的技术以及根据热力学计算的理论极限值。(2)可实现的节能潜力：是指技术成熟、经济合理、预计在一定时期内可以实现的节能量，取决于技术、投资、社会、环境和其他政策等因素。我国化学工业的节能潜力：①从单位产值能耗分析②从提高能源利用率分析③从主要产品单位能耗的差距分析④从主要耗能设备的技术水平分析影响能耗水平的因素自然条件经济体制管理水平社会因素技术水平节能途径：①结构节能：产业结构、产品结构、企业结构和地区结构等的优化配置；②管理节能：宏观调控和企业经营管理两个层次；③技术节能：工艺节能、化工单元操作设备节能、化工过程系统节能和控制节能等。节能技术工作的三个阶段：第一阶段：加强日常能量管理，堵塞跑冒滴漏等浪费现象；第二阶段：对设备进行小规模节能改进，以挖掘现有设备潜力；第三阶段：通过对设备的彻底改造和新工艺的开发实现节能。1.5本课程的性质、任务和内容1.5.1本课程的性质和任务将热力学的基本原理与化工厂生产的节能实践相结合的一门课程。主要讲授化工过程节能的基本原理与技术、能量分析原理与方法，介绍当前最先进的过程节能技术和前沿成果。要求：熟悉化工过程能量分析的基础知识、基本理论、基本方法和基本计算技能，掌握化工生产装置节能技术的开发方法和现代用能理论，了解化工节能技术发展动向和经济评价。注重节能技术的工程应用和系统节能思想的建立，具备解决化工节能一般技术问题的初步能力，为以后从事相关设计与技术创新奠定基础。1.5.2本课程的内容和研究方法(1)课程的内容以有效能分析法为主体，主要分为化工节能技术理论基础、化工过程与设备节能技术、.新型节能技术及设备三部分。(2)课程的研究方法采用了热力学的宏观研究方法。它是研究大量分子中发生的平均变化，而不是单个分子的微观变化。它把由大量粒子组成的物质视为一个整体，用宏观物理量来描述它的状态，以宏观观点考察物质间的相互作用。宏观研究方法的特点是：通过对大量宏观现象的直接观察与实验，总结出具有普遍性的规律，也即从热力学的基本定律出发，将其运用于化工节能实践，通过比较严密地逻辑推理而得到化工节能原理。因而不管是原理本身或结论，均具有普遍性与可靠性。宏观研究方法的优点是简单、可靠、解决工程实际问题比较容易。(3)课程的学习方法基础：物理化学、化工原理及工艺学等知识任务：获得化工生产过程能量分析基本理论、基本方法与技能要求：正确理解化工节能热力学的基本概念和基本原理，掌握化工节能的基本计算和分析方法，能查阅和使用常用的热力学图表与资料，并了解化工企业的有关节能技术。方法：树立经济观点、工程技术观点、理论密切联系实际的观点。对概念的引出、理论的阐述，既要注意与前序课程的联系，又要注意全书的知识体系和研究方法。对理论的应用，要特别注意与工艺学知识的衔接和工程实例分析的结合，使理论与实践密切结合，并通过作业、课堂讨论、实习和设计等实践环节加深对概念的理解，提高对理论的应用能力。作业自选一题，要求字数3000以上，论点正确、论据充分。1.为什么在《国务院关于加强节能工作的决定》中提出要从战略和全局高度，充分认识做好能源工作的重要性，高度重视能源安全，实现能源的可持续发展？2.试述我国化学工业的能量利用及现状及节能的必要性与重要性.3.为什么说解决我国能源问题的根本出路是坚持开发与节约并举、节约优先的方针？研究化工过程能量变化的规律，对降低能耗与合理用能十分重要。要搞好节能首先要了解：（1）能量是如何使用的？（2）在能量使用过程中遵循什么规律？其次要搞清：（1）造成能量损耗和损失的真正原因是什么？（2）如何分析、评价和使用能量，才能达到节能的目的？第二章化工节能技术理论基础2.1能量转换与传递原理2.2能量降级原理2.3化工节能的热力学原理2.4能量分析原理2.5能量的合理利用本章主要内容2.1能量转换与传递原理2.1.1能量的转化和守恒定律--热力学第一定律通常，能量可以区分为:(1)体系蓄积的能量:如热力学能（内能）、动能和位能。热力学能--体系微观基准上的各种能量(内能)。动能和位能--体系宏观状态的能量。内能、动能和位能都是体系的状态函数。(2)体系与环境通过边界传递的能量:热量和功，是过程函数。热力学第一定律实质:不同形式的能量是等价的对外界无质量交换的封闭体系，第一定律表达式为：ΔU＝Q＋W物理意义：体系的内能变化ΔU等于体系与环境交换的热量Q和功W的代数和。稳流体系:稳定流动敞开体系,稳定生产时实际的连续生产过程(近似)稳流体系的主要特点:1.体系中任一点的状态不随时间的变化而变化，但可随位置的不同而不同；2.每股物流的质量流量不随时间而变；3.每股能流的流速不随时间而变；4.整个体系内的总质量和总能量均不随时间而变，体系中没有物质和能量的积累。流入体系的能量之和＝流出体系的能量之和即E1＋Q＝E2—WS或ΔH＋gΔZ＋21Δu2＝Q＋WS－－稳流体系总能量平衡式2.1.2第一定律在化工过程中的应用∑(Hi—Hi0)∑(He—He0)Qi工艺过程QeWiWe对一般工艺过程体系的能量平衡式为：∑(Hi—Hi0)+Qi+Wi=∑(He—He0)+Qe+We2.1.3稳流体系能量平衡能量平衡－按照能量守恒原理研究过程中能量传递和能量转化的数量关系目的：（1）已知参数未知量；（2）了解工艺过程能量及损耗情况（如热损失等），确定设备尺寸、载热体用量及过程的能量利用效率；（3）考察能量的传递和转化对过程操作条件的影响。效率：过程的收益量与消耗量之比，常用表示＝收益量/消耗量＝EN/EAT＝WS/QH热效率：过程所得到的能量与完成该过程所消耗的热量之比热力过程特点过程期望的能量小于实现期望所消耗的能量对传热过程：T＝低温流体得到的热量/高温流体放出的热量＝QL/QH广义的热效率：T＝(E产品+E蒸汽(出)＋E电(出)＋E有用物质)/(E原料＋E燃料＋E电(入)＋E蒸汽(入))热功转化过程过程总能量的利用率热效率只能考虑能量在数量上的利用情况－－热力学第一定律的局限性能量平衡的一般步骤为：（1）画出流程示意图并根据计算要求确定衡算体系（2）选择适当的物料计算基准和能量衡算的基准态（3）根据具体计算要求收集有关数据（4）列出物料平衡方程和能量平衡方程并求解（5）校核检验2.2能量降级原理2.2.1热力学第一定律局限性热力学第一定律只确定了热功转化的等当量关系，但没有反映热和功的不等价性及其相互转化的限制。根据能量平衡原理，各种形式的能量都可以等量齐观，相互完全转化，而且在传递