第三章-化工單元過程設(shè)備的節(jié)能-黑

節(jié)能原理與技術(shù)蔣靜智河北科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院熱能與動力系第三章單元過程與設(shè)備的節(jié)能單元過程與設(shè)備的節(jié)能原理：流體流動與流體的輸送機(jī)械傳熱蒸發(fā)精餾干燥化學(xué)反應(yīng)3.1流體流動與流體的輸送機(jī)械（1）流體流動的

損失保溫減少彎頭、縮擴(kuò)變化、閥門等加大管經(jīng)采用添加減阻劑火用損失傳熱損失壓頭損失局部阻力沿程阻力火用（2）流體機(jī)械：泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等選用合適的流體機(jī)械選擇合適的流量調(diào)節(jié)方法3.1流體流動與流體的輸送機(jī)械離心泵離心泵離心泵的工作點(diǎn)離心泵的特性曲線選擇合適的泵，使工作點(diǎn)在最高效率的92％以上。泵的流量調(diào)節(jié)方式改變出口閥開度改變管路特性曲線優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)迅速方便，流量可連續(xù)變化；缺點(diǎn)：流量阻力加大，要多消耗動力，不經(jīng)濟(jì)泵的流量調(diào)節(jié)方式優(yōu)點(diǎn)：流量隨轉(zhuǎn)速下降而減小，動力消耗也相應(yīng)降低，節(jié)能；缺點(diǎn)：需要變速裝置或價格昂貴的變速電動機(jī)。改變泵的轉(zhuǎn)速改變泵的特性曲線3.2換熱在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱過程是最重要的單元操作之一，而換熱造成的損失占石油化工總損失的10％以上?；鹩没鹩?.2換熱3.2換熱假定：換熱器的絕熱良好。散熱損失略去不計(jì)，動能變化和位能變化均不考慮。在穩(wěn)定的流動下，微元的換熱量為：pH，TH熱流體冷流體pL，TL逆流換熱器的微元體積該微元過程的損失為：火用換熱器的損失根據(jù)熱力學(xué)的基本關(guān)系式所以因?yàn)闇p小傳熱溫差同樣溫差ΔT損失小損失大傳熱損失火用流動阻力損失火用高溫低溫傳熱損失火用設(shè)備和管道的保溫管道平面壁管道保溫每米管長的散熱損失：d0d1d2d3平面壁保溫每平方米平面壁的散熱損失：δ壁δ保α1α23.3蒸發(fā)（1）蒸發(fā)操作的目的①獲得濃縮的溶液直接作為化工產(chǎn)品或半成品。②脫除溶劑，將溶液增溶至飽和狀態(tài)，隨后加以冷卻，析出固體產(chǎn)物，即采用蒸發(fā)，結(jié)晶的聯(lián)合操作以獲得固體溶質(zhì)。③

除雜質(zhì)，獲得純凈的溶劑。（2）蒸發(fā)的流程蒸發(fā)流程示意圖料液二次蒸汽加熱蒸汽冷凝水完成液水冷凝器（3）加熱蒸汽和二次蒸汽蒸發(fā)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常為水蒸氣，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸汽也是水蒸氣。為了區(qū)別，將加熱的蒸汽稱為加熱蒸汽，而由溶液蒸發(fā)出來的蒸汽稱之為二次蒸汽。（4）分類

①按蒸發(fā)操作空間的壓力可分為：常壓，加壓，或者減壓（真空）蒸發(fā)。②按二次蒸汽的利用情況可以分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。（5）特點(diǎn)：沸點(diǎn)升高蒸發(fā)的物料是溶有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液。由拉烏爾定律可知：在相同溫度下，其蒸汽壓比純?nèi)軇┑牡停虼?，在相同的壓力下，溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。故當(dāng)加熱蒸汽溫一定時，蒸發(fā)溶液時的傳熱溫差就比蒸發(fā)純?nèi)軇r來得小，而溶液的濃度越大，這種影響就越顯著。蒸發(fā)節(jié)能的途徑多效蒸發(fā)額外蒸汽的引出二次蒸汽的再壓縮冷凝水熱量的利用3.3.1多效蒸發(fā)

①利用二次蒸汽的潛熱②利用冷凝水的顯熱（如預(yù)熱原料液)

多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率）

多效蒸發(fā)示意圖料液二次蒸汽加熱蒸汽冷凝水完成液水冷凝器（D）（W）多效蒸發(fā)示意圖料液二次蒸汽加熱蒸汽冷凝水完成液料液二次蒸汽完成液冷凝水料液二次蒸汽完成液冷凝水冷凝器冷凝器3.3.1多效蒸發(fā)

①利用二次蒸汽的潛熱②利用冷凝水的顯熱（如預(yù)熱原料液)

多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率）

第一效：，1kg生蒸汽在第一效中可產(chǎn)生1kg的二次蒸汽，將此1kg二次蒸（）引入第二效又可蒸發(fā)1kg水，即第二效：，1kg生蒸汽在雙效中的總蒸發(fā)量，所以依次類推：三效，……，效多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率）效數(shù)

單效

雙效

三效

四效

五效

1.10.570.40.30.270.911.752.53.333.70但實(shí)際上，由于熱損失，溫度差損失等原因，單位蒸汽消耗量不可能達(dá)到如此經(jīng)濟(jì)的程度，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，最大的的值大致如下：節(jié)能率若忽略熱損失和蒸發(fā)濃縮熱效應(yīng)，則蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力用下列方式來表示：(1)單位時間內(nèi)水分的總蒸發(fā)量W；(2)通過傳熱面的傳熱速率。多效蒸發(fā)的生產(chǎn)（蒸發(fā)）能力在三效蒸發(fā)器中，各效單位時間內(nèi)所傳遞的熱量為：多效蒸發(fā)的生產(chǎn)能力、蒸發(fā)強(qiáng)度和效數(shù)的限制假設(shè):各效的傳熱面積相等，即A1＝A2＝A3＝A

各效的總傳熱系數(shù)也相等，即K1＝K2＝K3＝K三效的總傳熱速率為：那么式中：ΔtT

為總傳熱溫度差，等于第一效加熱蒸汽的溫度與末效蒸發(fā)室壓力下蒸汽的飽和溫度之差。如果單效的傳熱溫度差為ΔtT

，那么單效和三效的蒸發(fā)能力（生產(chǎn)能力）相同。但三效的傳熱面積為3A，而單效為A。T0T1t料液加熱蒸汽完成液T1tT0單效加熱蒸汽T0料液完成液完成液T2t1t2T1T0T2t1T1t2雙效多效蒸發(fā)的蒸發(fā)強(qiáng)度

蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力可用單位時間內(nèi)水分總蒸發(fā)量W來表示，而生產(chǎn)強(qiáng)度為單位傳熱面積的蒸發(fā)量（），在三效蒸發(fā)器中，蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度為

假設(shè)各效傳熱面積相等，即，不考慮溫差損失及濃縮熱等，且各效蒸發(fā)器的傳熱面積系數(shù)相等，，由前面學(xué)過的我們可以知道，、、相差不大，可近似認(rèn)為相等，即則

多效蒸發(fā)的蒸發(fā)強(qiáng)度

真空蒸發(fā)：提高生產(chǎn)強(qiáng)度（）的途徑之一是增大傳熱溫差，提高加熱蒸汽的溫度或是降低溶液的沸點(diǎn)均可增加。加熱蒸汽的溫度（及相應(yīng)壓強(qiáng)）受鍋爐額定壓強(qiáng)的限制，因此，在許多情況下，需要采用真空蒸發(fā)以降低溶液免遭破壞，并可利用工廠中低溫的水蒸氣作為熱源。缺點(diǎn)：但是，溶液沸點(diǎn)的降低使粘度增大，傳熱系數(shù)有所降低，此外，為維持真空操作須添加真空設(shè)備費(fèi)用和一定量的動力費(fèi)，這也是它的缺點(diǎn)。提高：提高的另一措施是提高，而的主要取決于蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，操作方式和溶液的物理性質(zhì)。合理的設(shè)計(jì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)以建立良好的溶液循環(huán)流動及時排除加熱室中不凝性氣體，經(jīng)常清除污垢等均可提高。多效蒸發(fā)的蒸發(fā)強(qiáng)度

提高蒸發(fā)強(qiáng)度的措施：由于可以看出，蒸發(fā)設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度取決于和，因此要提高，必須提高和。

多效蒸發(fā)的效數(shù)的限制前面我們講過，效數(shù)增多，設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度降低，而加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)性提高，因此，必須合理選擇效數(shù)以便設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)之和最少。這是一個優(yōu)化問題。

多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)操作蒸汽與物料的流向有多種組合，常見的有：并流：溶液與蒸汽的流向相同，稱并流。逆流：溶液與蒸汽的流向相反，稱逆流。錯流：溶液與蒸汽在有些效間成并流，而在有些效間成逆流。平流：每一效都加入原料液的方法。下面以三效為例加以說明：（1）并流（順流）流程蒸汽流動方向：1→2→3

溶液流動方向：1→2→3多效蒸發(fā)流程（1）并流流程優(yōu)點(diǎn)：①由于前效的壓強(qiáng)較后效高，P1>P2>P3，料液可借此壓強(qiáng)差自動地流向后一效而無須泵送；②T1>T2>T3，溶液由前一效流入后一效處于過熱狀態(tài)會放出溶液的過熱量形成自蒸發(fā)，可產(chǎn)生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸發(fā)量最大。缺點(diǎn)：溶液濃度，C1<C2<C3，C↑，黏度μ↑,便使得μ1<μ2

<μ3

溶液溫度，T1>T2>T3，T↓，黏度μ↑，便使得μ1<μ2

<μ3

總傳質(zhì)系數(shù)↓

多效蒸發(fā)流程（2）逆流流程圖蒸汽流動方向：1→2→3

溶液流動方向：3→2→1

優(yōu)點(diǎn)：C1>C2>C3

，μ1>μ2

>μ3T1>T2>T3,μ1<μ2<μ3

濃度和溫度對黏度的影響大致抵消，各效的傳熱系數(shù)也大致相等。

缺點(diǎn)：①由于前效壓強(qiáng)較后效高，P1>P2>P3

，料液從后效往前效要用泵輸送。②各效進(jìn)料（末效除外）都較沸點(diǎn)低，自蒸發(fā)不會發(fā)生，所需要熱量大。多效蒸發(fā)流程（3）錯流流程溶液流向：3→1→2或2→3→1

蒸汽流向：1→2→3優(yōu)點(diǎn)：兼有逆流與并流的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：操作較復(fù)雜。錯流流程示意圖溶液流向：3→1→2蒸汽流向：1→2→3多效蒸發(fā)流程（4）平流流程圖各效分別進(jìn)料并分別出料，二次蒸汽多次利用，對易結(jié)晶的物料較合適（因?yàn)榻Y(jié)晶體不便在效與效之間輸送）。3.3.2額外蒸汽的引出忽略不同壓力下蒸發(fā)潛熱的差別、自蒸發(fā)的影響和熱損失等因素，假定沸點(diǎn)進(jìn)料，1kg加熱蒸汽可以蒸發(fā)1kg的水。以3效蒸發(fā)器為例，那么式中：D，生蒸汽用量；W，二次蒸汽量；E，引出的額外蒸汽量水的總蒸發(fā)量：生蒸汽的需要量：n效時：3.3.3二次蒸汽的再壓縮單效蒸發(fā)生蒸汽二次蒸汽（高溫位）（低溫位）

蒸發(fā)器

再生蒸汽（高溫位）壓縮升溫機(jī)械壓縮能量利用率高（接近8效）用水少消耗電能（高級能量）總成本介于3～4效蒸汽動力壓縮節(jié)能效果2～3效結(jié)構(gòu)簡單、費(fèi)用低，消耗蒸汽不耗電噴射泵3.3.4冷凝水熱量的利用排出加熱室冷凝液利用其顯熱來預(yù)熱料液利用自蒸發(fā)方式回收潛熱3.4精餾3.4精餾精餾塔再沸器冷凝器常規(guī)精餾裝置示意圖F，xFD，xDL，xDW，xWQSQFQCQDQW精餾精餾塔的熱量衡算式為精餾塔的節(jié)能：回收熱量QC、QD、QW

減少向塔內(nèi)供應(yīng)熱量QSF，xFD，xDL，xDW，xWQSQFQCQDQW精餾節(jié)能的主要方法3.4.1預(yù)熱進(jìn)料3.4.2塔釜液余熱的利用3.4.3塔頂蒸汽余熱的回收利用3.4.4多效精餾3.4.5熱泵精餾2.4.6減小回流比3.4.7增設(shè)中間再沸器和中間冷凝器3.4.8多股進(jìn)料和側(cè)線出料3.4.9熱偶精餾3.4.1預(yù)熱進(jìn)料利用精餾塔采出液熱能預(yù)熱進(jìn)料，以較低溫位的熱能代替再沸器所要求的高溫位熱能。預(yù)熱進(jìn)料q＝1.2q＝1q＝0.5q＝0q<03.4.2塔釜液余熱的利用0.5%乙腈+水10-6乙腈+水分離每噸丙烯腈可節(jié)省3~4噸蒸汽塔釜液余熱回收減壓罐塔釜排出液吸入蒸汽廢液排出蒸汽驅(qū)動蒸汽蒸汽噴射泵3.4.3塔頂蒸汽余熱的回收利用（1）直接利用通常產(chǎn)生低壓蒸汽。（2）余熱制冷采用吸收式制冷裝置（例如溴化鋰制冷機(jī)）產(chǎn)生冷量，通常產(chǎn)生高于0度的冷量。（3）余熱發(fā)電用塔頂余熱產(chǎn)生低壓蒸汽驅(qū)動透平發(fā)電。塔頂蒸汽余熱發(fā)電水－蒸汽系統(tǒng)發(fā)電3.4.4多效精餾方式：并流、逆流和平流壓力：加壓－常壓、加壓－減壓、常壓－減壓、減壓－減壓。節(jié)能：30～40％不同形式的多效精餾熱量的方向物流的方向影響多效精餾的因素：（1）效數(shù)受投資的限制（2）效數(shù)受操作條件的限制如1塔中溫度、壓力等空氣分離

bpN277.35KO290.15K蒸汽消耗量(kg/h)：單塔：23300

二塔系統(tǒng)：1400014.0t/h甲醇-水106oC250%3.4.5熱泵精餾原理：把塔頂蒸汽加壓升溫，使其返回用作本身的再沸熱源，回收其冷凝潛熱。方式：蒸汽壓縮機(jī)方式蒸汽噴射泵方式一、蒸汽壓縮機(jī)方式（1）塔頂和塔底溫度接近（2）被分離物質(zhì)沸點(diǎn)接近、分離困難、回流比高應(yīng)用：丙烯－丙烷、丁烯－2－異丁烷、乙烯－乙烷等丙烯－丙烷的分離塔壓/MPa：0.862塔底溫度/oC:23.9冷凝壓力/MPa:1.28再沸器溫差/oC:5.551.86MPa1.37MPa1.86MPa丙烯－丙烷的分離塔壓/MPa：0.862塔底溫度/oC:23.9冷凝壓力/MPa:1.28再沸器溫差/oC:5.551.86MPa1.37MPa1.86MPa乙醇水化合物的精餾在接近共沸組成的塔頂附近，相對揮發(fā)度很小，要求回流比很大，需要的熱量大，而溫度差很小。適合熱泵精餾。單獨(dú)工質(zhì)循環(huán)式塔頂氣體具有腐蝕性等原因閃蒸再沸二、蒸汽噴射泵方式使用條件：（1）精餾塔塔底和塔頂?shù)膲翰畈淮?；?）減壓蒸餾的真空度比較低。2.4.6減小回流比減小回流比:減小精餾過程的不可逆性，減少能耗增加塔板數(shù)，增加費(fèi)用3.4.7增設(shè)中間再沸器和中間冷凝器二級再沸、二級冷凝精餾3.4.8多股進(jìn)料和側(cè)線出料多股進(jìn)料側(cè)線出料側(cè)線出料3.4.9熱偶精餾熱偶精餾：通過氣、液互逆流動接觸來直接進(jìn)行物料輸送和能量傳遞流程結(jié)構(gòu)的精餾。典型的熱偶精餾結(jié)構(gòu)Petlyuk塔側(cè)線精餾塔3.5