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1、换热器的设计毕业设计(论文)热力计算书学生姓名： 学 号： 所在学院： 能源学院 专 业： 热能与动力工程 设计(论文)题目： 85万吨/年芳烃生产中加氢工段能量利用分析 指导教师： 2008 年 4 月 30 日第一章 文 献 综 述1.1芳烃生产现状芳烃(苯、甲苯、二甲苯(BTX)是产量和规模仅次于乙烯和丙烯的重要有机化工原料。其衍生物广泛用于生产合成纤维，合成树脂，合成橡胶以及各种精细化学品。据统计，2002年全球苯、甲苯、二甲苯的消费量分别为33.6，15.0，23.3 Mt，预计2008年将分别达到42.1，19.1，33.5 Mt，年均增长速率分别为3.8 ，4.1 ，6.3。最初
2、芳烃生产以煤焦化得到的焦油为原料。随着炼油工业和石油化学工业的发展，芳烃生产已转向以催化重整油和裂解汽油为主要原料的石油化工路线1。芳烃是石油化工的重要基础原料，在总数约800万种的已知有机化合物中，芳烃化合物占了约30，其中BTX芳烃(苯、甲苯、二甲苯)被称为一级基本有机原料。由此可见，芳烃的社会需求量是非常大的，前景是非常诱人的2。1.2芳烃生产技术 目前，石油芳烃大规模的工业生产通过现代化的芳烃联合装置来实现。通常芳烃联合装置包括催化重整，裂解汽油加氢，芳烃转换，芳烃分离等装置3。但是目前，国内在催化重整、甲苯歧化烷基转移及二甲苯异构化等技术领域，都开发出具有国际同等水平的催化剂4。但是
3、国内芳烃生产技术与国外还有一定的差距，主要表现：缺乏具有自主知识产权的芳烃生产工艺，目前多数主要芳烃生产装置采用国外的工艺技术；现有芳烃生产技术缺乏有效的整合，至今尚未提出自主的芳烃生产组合技术及工艺流程，国内的芳烃联合装置全部都以国外的工艺流程为主体进行设计；国内芳烃生产在原料来源，产品系列化进程和工业化程度上与国外存在一定差距5。然而，随着各种资源的自然减少，我们所面临的能源危机愈加严重，煤炭，石油，天气等各种资源的供应已经呈现非常紧张的局面。然而，随着社会的工业化，反而需求更多的能源，因此能源的供求矛盾更加凸显出来4。因此，如何能够利用尽可能少的能源，创造出更大的工业利润来，是人们现在迫
4、切追求的。这就迫使人们认真研究各种动态能量的开发和合理利用，火用的概念引起了人们的高度重视并且得到了广泛应用，解决了热力学和能源科学长期没有任何一个参数可以单独评价能量的价值的问题。火用的概念具有深远的理论意义和重大的实际意义。随着“节能减排”的提出，节能工作的深入，火用分析在能源管理，石油化工，热能动力，制冷领域都得到广泛的应用78。1.3火用分析法的应用凡是实施把热量从一种介质传给另一种介质的设施都称为换热器,换热器已是各种能量系统中使用最为广泛的单元设备之一,因此,如何对换热器换热过程进行分析和评价,如何正确设计和选择换热器,对提高能源利用率,降低能量消耗具有重要意义9。为此,许多学者从
5、各个方面对换热器的性能进行了热力学分析,提出了许多换热器热力学性能的评价指标,诸如火用效率、熵产率、无因次熵产数、无因次熵产率等。无疑,这些指标在评价换热器的热力学性能上都起到了一定的作用,然而,在大多数情况下我们还需知道影响换热器性能的主要因素是什么。即在换热器的不可逆传热火用损失和流动火用损失中,在不同的设备尺寸和不同的工况下这两部分损失对换热器的性能有多少影 1011。在对热力系统进行热经济分析过程中,需要计算各设备的火用效率,从而指出热力学性能需要改进的设备,并提出改进的方案。换热器是热力系统中的一种常见设备,在对热力系统进行热经济分析时,当发现某换热器的火用效率较低时,人们通常会认为
6、是传热温差过大，热损失也过大或压力损失过大所致。因为,由热力学第二定律可知,温差传热过程是不可逆的,温差越大,不可逆性越大,因此火用效率越低；而热损失或压力损失均可造成火用损失,因此会造成火用效率降低1213。但在热经济分析中,有时会发现某些火用效率较低的换热设备,其换热温差、热损失及压力损失并不大。由此可见,当忽略热损失及压力损失时,换热器火用效率的影响因素除了换热温差之外,还有其他因素 14 15。为说明系统的火用效率,首先要说明燃料和产品的定义。产品是指系统的目的,以火用参数来衡量,符号为F。燃料是指系统为获得该产品所必需消耗的代价,也以火用参数来衡量,符号为P。就换热器来说,如果其目的
7、是用热流体来加热冷流体,则产品为冷流体火用的增加值,而燃料为热流体火用的减少值；如果其目的是用冷流体来冷却热流体,则产品为热流体火用的减少值,而燃料为冷流体火用的增加值161718火用效率定义为系统的产品与燃料的比值,即: = 在热力设备运行的过程中,收益的火用Eg 与付的火用Ep 的比值,称为该系统的火用效率。即E = (1) 根据热力学第二定律可知,任何不可逆过程都要引起火用的损失,但是任何系统或过程所引起的火用损失,用符号El 表示。即El = Ep- Eg (2)火用损失量El 与消耗火用量Ep 的比值,称为该系统的火用损失系数,用符号表示： = (3)将(1) 、(2) 及(3) 式
8、联立,则e = 1 - (4)可见,火用效率是消耗火用利用份额,而损失系数是消耗火用的损失份额。根据热力学第二定律,任何过程的火用效率都不可能大于1。对于理想的可逆过程,由于火用损失等于零,故火用效率等于1 ,而实际过程都是不可逆的,都有火用损失,故火用效率通过火用平衡分析,可通过综合能量的量和质两个方面来正确评价热力设备的完善性,用以指导这些设备节能技术改造的方向1819。 在一切实际过程中,由于存在不可逆损失,所以火用值不守恒。用火用的概念对过程进行热力学分析,把能量的“量”的大小和“质”的高低都考虑进去了。通过火用值的平衡计算可以找出真正的损失所在,从而为改进过程指出方向。值得注意的是火
9、用损失的数值是衡量过程不可逆程度的一种度量21。它可以对各种过程的好坏进行定量分析。火用损失是一个绝对量,它无法比较不同工作条件下各过程或各设备中火用的利用程度,为此,在火用分析中广泛使用火用效率概念。一般火用效率常用如下定义:ex = 获得、输出的火用/ 供给、输入的火用对可逆过程和可逆循环,不存在火用损失,所以火用效率等于1；对不可逆过程和不可逆循环,存在火用损失,其火用效率小于122 23。因此，一方面要强化目的传递过程的传递效率, 另一方面要准确估算和尽可能降低由于传递过程强化所引起的不可逆的火用损失的代价。上述给出的能量传递效率与能量损耗( 火用损) 及其与强化传递过程推动力之间的相
10、互约束关系表明, 降低能量损耗和提高能量传递效率,可以通过协调传递过程中所包含的不同推动力之间的关系或调整驱动力与火用损的关系得以控制,使能量传递单元设计最优化。如改变不同驱动力之间的交角、或者调整推动力的大小。所给出的目标函数可以作为能量传递过程强化的热力学判据, 以此发展能量传递单元或系统设计优化的方法, 为进一步研究能量传递过程单元或系统的优化设计提供了努力的方向24 25。 参考文献1 李燕秋,白尔铮,段启伟.芳烃生产技术的新进展.石油化工J. 2005年第34卷第4期2 米 多.国内外芳烃生产及消费预测.技术经济与市场.江苏化工J.第32卷第 6 期3 邱 江.芳烃生产技术现状及研究
11、进展.当代化工J.2006年10月.第35卷第5期4 刘一心,何智勇.轻烃芳构化技术进展J.石油与天然气化工.2005.34(3)1651675 胡德铭我国催化重整装置发展空问的探讨炼油技术与工程J.2004.34(10)596 杨宝贵. 石脑油加工流程问题的探讨.炼油技术与工程J.2004 年10月第34卷第10期 7 王松平，华贲，陈清林，尹清华.能量、火用、火无之间的转换关系.1997年第2期8 S.H. Amini, J.A.M. Remmerswaal, M.B. Castro, M.A. Reuter. Quantifying the quality loss and resour
12、ce efficiency of recycling by means of exergy analysis. Journal of Cleaner Production. 2007. 32. 281296 9 钱伟.浅论节能潜力分析方法.应用能源技术J.2003年第5期10 刘一心,杨维军.芳烃生产技术现状评述.石油与天然气化工J.第35卷第1期11 路守彦.降低芳烃抽提装置能耗的探讨.乙烯工业.2000.12(1)12 Geoffrey P. Hammond. Industrial energy analysis, thermodynamics and sustainability. Ap
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