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1、化工节能原理与技术,北京化工大学 2014. 3（春季学期）,1,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,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,2,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 t = 50 时的热效率和
2、火用 效率。,3,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,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. 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,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 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.
3、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,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,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 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）
4、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,9,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,PH TH,PL TL,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 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,11,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,12,第 3 章 化工单元过程
5、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,13,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,14,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,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
6、发的原理 每一个蒸发器称为一效，提高了生蒸汽的利用率,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,三效蒸发器,单效蒸发器,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 tT : 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
7、蒸汽温度 （单效）,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。 （1）并流加料,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。 （2）逆流加料,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。 （3）错流加料 ；（4）平流加料,21,第 3 章 化工单元过程与设备的节能,3. 3 蒸发 3.3.2 额外蒸汽的
8、引出 额外蒸汽的效数越往后移，生蒸汽的利用率越高。,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。,推广至 n 效,23,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。,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 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。,25,第 3 章 化工单元
9、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：,加热蒸汽变饱和蒸汽所注入水量,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 3.3.3.2 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。,27,第 3 章 化工单元过程与设备的节能,3. 3 蒸发
10、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；,喷射泵的高压工作蒸汽量,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?,29
11、,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,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 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,31,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。,32,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
12、用方法，分离依据是各组分挥发性不同,33,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；,34,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： 流体流动阻力造成的压力降（压差）； 不同温度物流间的传热或不同温度物流的混合（温度差）； 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）,35,第 3 章 化工单元过程与设备的节能,3. 4 精馏 预热进料，以
13、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？,36,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,37,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。,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,39,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,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 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。,41,
