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1、化工节能技术,汪莉 TEL:15856917274,第四章 能量传递过程的节能,目 录,传热节能的理论基础,传热方程与传热节能,传热效率与传热单元及其合理选取,蒸发操作的节能,各种干燥装置,蒸发操作的节能,蒸发过程的热力学分析,传热过程的节能,干燥过程的节能,干燥介质对干燥过程的影响,正确选择影响干燥过程的因素,第一节 传热过程的节能,化工生产中传热的目的在于： 控制化学反应过程在一定的温度下进行； 加热与冷却，使物料达到指定的温度； 换热，以回收利用热量； 保温，以减少热损失。,一、传热节能的理论基础,有效能的利用与损耗是评价换热过程经济性的重要指标。对于稳定传热过程，传热速率为Q，则,高温
2、流体的有效能：,低温流体的有效能：,6,传热过程的有效能损失为：,传热过程的有效能效率：,可见： 有效能能损失愈大，有效能效率愈小，能量的降级愈大。例如热流体3000C，冷流体2700C（自2500C预热至2900C）的油品，环境温度250C，有效能损失5.6%，有效能效率94.4%；当冷流体为250C的空气时，有效能损失93.2%，有效能效率仅6.8%；,7,传热过程的温差愈大，有效能损失愈大。因此，对于增大温差提高传热速率的设备，存在节能潜力； 有效能损失与热力学温度成反比，对于深冷工程尤为重要； 若Tl=T0，因为Q与（Th-T0）成正比，因此有效能损失与(Th-T0)2/Th成正比，反
3、映了保温工作的重要性； 减小传热温差，会降低传热速率，就必须提高K。,8,换热器的热能图,热有效能图,根据此原理，任意换热过程均可表示在图上，有效能和有效能损失一目了然。,9,4、换热器的节能与经济效益,（1）换热过程中不同热载体温度的有效能损失 有效能损失是衡量换热器节能与经济效益的重要指标之一。 对给定的换热器，传热面积一定，为满足一定工艺热负荷要求，所需传热温差为：,10,对逆流换热器：,对所需的传热温差，各温度可相互推算，不同的热载体温度（T1、T2），有效能损失不同。因此，生产上既要满足工艺要求，又应使有效能损失最小。 如一工艺物料，从00C预热至1000C，维持传热温差50K，不同
4、温度热载体有效能损失如下表：,换热器的节能与经济效益,11,换热器的节能与经济效益,可见：选用1500C-500C的载热体最节能，因为传热过程的有效能损失最小。,12,经济排热温度： 对于温度为T1的热流体，在换热过程中存在着最经济的排出温度T2。热流体可提供的热量（可回收的热量）:,若用平均温度计算有效能，则：,（2）换热器的节能与经济效益,假设传热温差为，则流体的平均温度：,13,则有效能的计算可写成：,单位热容量流率的有效能为：,单位热容量流率的传热面积为：,假设余热回收中有效能的单价为k1，设备折旧费单价为k2，则该换热器的净收益为：,14,上式对T2求偏导：,整理得：,令 ，得最适宜
5、的排放温度：,表明：当能量费用k1愈大， 设备折旧费用k2愈小时， 则排放温度T2愈低。 故排放温度，应根据具体 情况综合予以考虑,15,（3）换热器的经济衡算：,化工生产中，工艺预热的回收是众所周知的问题。如下图所示：,换热器的节能与经济效益,流率为W的冷流体从温度t1预热到t2，如果仅用换热器2，全部用新鲜蒸汽加热，换热量为：,所需蒸汽的费用：,Sh新鲜高压蒸汽的价格，元/千焦； 换热器全年工作时间，小时。,16,所需传热面积：,换热器的节能与经济效益,换热器的设备投资折旧费用为：,Sf换热设备投资费用单价，元/米2年。总成本：,17,若采用余热回收联合方案时，系统中增加了一台换热器，换热
6、器1、2间的温度为 t ，而 t 的选取将直接影响系统的经济性。,换热器的节能与经济效益,18,换热器的节能与经济效益,则第一台换热器的成本为：,19,第二台换热器的成本为：,20,联合系统的总成本：,为了获得最经济的温度 t ，C 对 t 求导：,当 dC/dt=0 时，系统的总成本最低，则,由此式可求出最适宜温度 t ，一般在 t1 与 t2 之间。若 t 接近 t1 ，余热回收的意义不大；若 t 接近 t2 ，用新鲜蒸汽就显得有些浪费。,21,例：某工艺物料，需从 340K 预热到 395K ，全年工作时间为8000小时/年，换热器的传热系数均为0.3kW/(m2K)。设备折旧费为 Sf
7、=500元/（m2年），高压蒸汽温度440K，其费用为Sh=50元/吨蒸汽。现有温度为380K的余热蒸汽可利用，此蒸汽的费用为Sl=8元/吨蒸汽。若该工艺物料生蒸汽加热改造成为由废蒸汽、生蒸汽联合加热方案，比较此两种方案的经济性。,22,则：,23,工艺物料仅用新鲜蒸汽加热方案： 消耗蒸汽费用、设备折旧费用、传热面积、总成本：,2. 新鲜蒸汽与废蒸汽联合加热方案：先应求出最经济的中间温度 t 。,24,解得：t = 377.35K。 第一台换热器：,第二台换热器：,25,联合总成本：,联合方案所需费用同原方案相比较为：,26,二、传热方程与传热节能,稳定传热过程,传热基本方程：,可见要提高传热
8、速率： 提高传热系数K； 增大换热面积A； 增大传热平均温差。,1、提高传热系数以强化传热 对于洁净的换热器：,第二项与管子的材料有关，对于金属管，管壁的热阻可忽略不计。主要是增大管壁两侧的传热膜系数。,其中1，2为管壁 两侧的传热膜系数， 为管道的导热系数， H为管道的厚度。,2、扩展传热面积以强化传热 采用肋片管、螺纹管、波纹管、板式换热器、板肋式换热器等。,3、增大传热平均温差 逆流操作，传热平均温差最大。但生产工艺确定以后，一般不作较大改进，同时温差增大，有效能损失增大，适宜的传热温差，视情况而定。,二、传热方程与传热节能,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,1、传热效率,换热器的热
9、效率指：实际传热速率与理论上最大可能传热速率之比值。 对于无相变、无热损失的稳定传热过程，若所涉及的温度范围内两流体的定压热容变化不大，则传热速率为：,29,两流体间理论上最大可能的传热量为： 当热容量流率 时：,则，此时的热效率为：,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,当冷流体为沸腾液体时，T=0，表观热容量流率 GcCPc为无限大，热效率按此式计算。,30,当热容量流率 时：,则，此时的热效率为：,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,当热流体为饱和蒸汽时，T=0，表观热容量流率 GhCPh为无限大，热效率按此式计算。,31,2、传热单元数,在换热器中对微元传热面积 dA 的传热速率可写
10、成：,对面积为 A 的整个换热器，传热单元数 NTU 由下式确定：,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,32,传热效率与传热单元数关系,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,33,传热效率与传热单元数间关系经推到得如下关系式。 对逆流操作换热器：,或,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,34,对并流操作换热器：,或,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,为便于工程计算，往往将 三者间的关系绘制成图，如图4-6所示。 要提高传热效率，必须增加传质单元数； 余热回收的效率与设备投资应综合经济考虑；,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,提高传热系数 K， 可有效地提高传热效率； 当传热单元数增
11、大到一定值后，对传热效率的影响很小，因此传热单元数有一最适宜值，一般为 5 较合适； t2 越高，热效率越高，操作费用越少，但传热平均温差越小，传热面积越大，设备投资大。t2越小，有效能损失越大，能量利用效率低。,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,37,四、传热的节能与强化途径,1、改进工艺装置、提高燃料的热利用率,合理利用能源，采用热电联合装置； 改进工艺，提高热能利用率； 如由三效改为四效蒸发、单效改多效蒸馏、精馏系统利用热泵等。,2、热量充分回收利用,（1）有效利用工厂中大量低位热能； 据统计化工企业所消耗总热量的80%左右，最终以低品位热能形式排放。利用如：预热物料（精馏顶、侧、底
12、产品的显热及潜热）、预热锅炉给水（烟道气）。 作为干燥过程的热源； 作为溴化锂制冷的热源； 利用喷射泵提高二次蒸汽的压力； 利用低沸点介质发电。如利用异丁烷、戊烷、氟利昂等，热源为1500C。,四、传热的节能与强化途径,（2）化学反应热的充分利用 如：硫酸厂废热锅炉、甲醇氧化制甲醛、氨合成余热锅炉,39,3、减少热量传输过程中的热损失,（1）减少设备、管道的热损失。 一根一米长裸露的四英寸的蒸汽管道，每小时将冷凝2-5kg蒸汽。 （2）降低换热器的传热温差，但必须强化传热系数。,四、传热的节能与强化途径,4、减少换热器的压降损失，降低动力消耗。 要合理选择流体流速。 5、加强企业管理，杜绝跑、
13、冒、滴、漏。,40,6、提高传热系数K值。 传热膜系数、管壁污垢、层流底层厚度、沸腾过程增大传热面的汽化核心及生成气泡的频率、蒸汽冷凝减少冷凝液膜厚度、流体中加入表面活性剂。 7、采用新型高效的传热元件与传热设备 目的：减少传热面积、提高换热能力、维持较小的传热温差。 （1）换热表面粗糙法：横纹管、螺纹管等； （2）流体旋转法：管内插入扭带、螺旋叶片、螺旋线圈、螺纹管等； （3）换热表面扩展法：各种形状的肋片管等；,四、传热的节能与强化途径,41,（4）换热表面特殊处理法： 多孔换热面，可提高沸腾传热系数2-20倍、甚至50倍，传热温差较普通的低得多，目前主要用在海洋发电、普冷、深冷、天然气液化、乙烯分离等的蒸发器与再沸器。 （5）采用新型高效的换热设备： 一般管壳式（每立方米传热面积）150m2/m3，板式1500m2/m3，板肋式5000m2/m3。板翅式换热器250-4000m2/m3，重量为管壳式的1/10。,四、传热的节能与强化途径,
