第7章化工過程節(jié)能技術(shù)分析與評價

第7章化工過程節(jié)能技術(shù)分析與評價第一頁，共100頁。7.1化工節(jié)能概述7.2化工節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價7.3化工通用節(jié)能設(shè)備與技術(shù)分析7.4強(qiáng)化傳熱節(jié)能技術(shù)7.5精餾過程節(jié)能技術(shù)7.6能源管理體系簡介7.7能源審計(jì)簡介第二頁，共100頁。7.1化工節(jié)能概述7.1.1能源概述7.1.2節(jié)能定義7.1.3化工節(jié)能方法與準(zhǔn)則7.1.4化工節(jié)能工作中的幾個基本概念目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三頁，共100頁。7.1.1能源概述1、能源定義2、能源分類3、能源發(fā)展進(jìn)程目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四頁，共100頁。7.1.2節(jié)能定義簡單地說，節(jié)能就是節(jié)約能源。就狹義而言，節(jié)能就是節(jié)約石油、天然氣、電力、煤炭等能源；而更為廣義的節(jié)能是節(jié)約一切需要消耗能量才能獲得的物質(zhì)，如自來水、糧食、布料等。但是節(jié)約能源并不是不用能源，而是善用能用，巧用能源，充分提高能源的使用效率，在維持目前的工作狀態(tài)、生活狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)的前提下，減少能量的使用目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五頁，共100頁。7.1.3化工節(jié)能方法與準(zhǔn)則對于化工過程節(jié)能，從節(jié)能工作的深淺程度而言，節(jié)能方法與措施可以分為以下幾種1、管理節(jié)能2、技術(shù)節(jié)能3、結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能一般而言是指在全國范圍內(nèi)對所有產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整4、EPC節(jié)能節(jié)能服務(wù)公司與用能單位以契約形式約定節(jié)能項(xiàng)目的節(jié)能目標(biāo)，節(jié)能服務(wù)公司為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)向用能單位提供必要的服務(wù)，用能單位以節(jié)能效益支付節(jié)能服務(wù)公司的投入及其合理利潤的節(jié)能服務(wù)機(jī)制目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六頁，共100頁。EPC是面向市場的節(jié)能投資新機(jī)制具有以下幾個優(yōu)勢：（1）EPC以減少的能源費(fèi)用來支付節(jié)能項(xiàng)目的投資；EPC：允許企業(yè)使用未來的節(jié)能收益實(shí)施節(jié)能項(xiàng)目；（2）EPC能夠幫助企業(yè)排除節(jié)能項(xiàng)目的資金和技術(shù)障礙；（3）EPC有助于推動技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的節(jié)能項(xiàng)目的實(shí)施（4）EPC降低了目前的運(yùn)行成本，提高能源利用效率目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七頁，共100頁。盡管EPC有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在具體實(shí)施時，必須注意以下幾個關(guān)鍵問題：（1）、能耗基準(zhǔn)線的確定對節(jié)能項(xiàng)目至關(guān)重要，它是計(jì)算節(jié)能效益的基礎(chǔ)，也是簽定合同的關(guān)鍵條款之一。（2）、節(jié)能量監(jiān)測和節(jié)能效益的確認(rèn)。采用國家、行業(yè)或地方制訂的標(biāo)準(zhǔn)方法檢測，委托有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行第三方監(jiān)測；以雙方認(rèn)可的方式，得到各方都認(rèn)可的客觀結(jié)果。（3）專業(yè)的節(jié)能機(jī)構(gòu)作為第三方對項(xiàng)目運(yùn)行全過程進(jìn)行把關(guān)，公平、公正地組織技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能效果評審，對發(fā)改委、改造單位和節(jié)能服務(wù)公司負(fù)責(zé)

目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八頁，共100頁。從技術(shù)層面來，化工節(jié)能工作應(yīng)該準(zhǔn)循下面四個基本原則：1.最大限度地回收和利用排放的能量2.能源轉(zhuǎn)換效率最大化3.能源轉(zhuǎn)換過程最小化4.能源處理對象最小化

目錄7.17.27.37.47.57.67.7第九頁，共100頁。7.1.4化工節(jié)能工作中的幾個基本概念1.標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量能源標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量是以該物質(zhì)的燃燒熱值為基準(zhǔn)，1Kg標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量=7000大卡，1Kg標(biāo)準(zhǔn)油當(dāng)量=10000大卡；而1大卡=1000卡

2.發(fā)熱量發(fā)熱量是指單位重量（固體、液體）或體積（氣體）物質(zhì)在完全燃燒，且燃燒產(chǎn)物冷卻到燃燒前的溫度時發(fā)出的熱量，也稱熱值，單位為kJ/kg或kJ/m33.能源效率能源系統(tǒng)的總效率由三部分組成：開采效率、中間環(huán)節(jié)效率和終端利用效率4.能源折換系數(shù)目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十頁，共100頁。5.單位國民產(chǎn)值能耗單位國民產(chǎn)值能耗是指每單位國民產(chǎn)值所消耗的能量，一般用“噸標(biāo)煤/萬元產(chǎn)值”作單位，不同年份進(jìn)行比較研究時，需將國民產(chǎn)值進(jìn)行折算，一般以某一年的不變價進(jìn)行折算6.單位工業(yè)增加值能耗單位工業(yè)增加值能耗指一定時期內(nèi)，一個國家或地區(qū)每生產(chǎn)一個單位的工業(yè)增加值所消耗的能源，是工業(yè)能源消費(fèi)量與工業(yè)增加值之比目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十一頁，共100頁。7.能源消費(fèi)彈性系數(shù)能源消費(fèi)彈性系數(shù)是能源消費(fèi)的年增長率與國民經(jīng)濟(jì)年增長率之比8.需求側(cè)管理（DSM）需求側(cè)管理是英文DemandSideManagement的翻譯，簡稱DSM，是指對用電用戶用電負(fù)荷實(shí)施的管理9.能源效率標(biāo)識能源效率標(biāo)識是指表示用能產(chǎn)品能源效率等級等性能指標(biāo)的一種信息標(biāo)識，屬于產(chǎn)品符合性標(biāo)志的范疇目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十二頁，共100頁。10.節(jié)能認(rèn)證11.當(dāng)量熱值和等價熱值當(dāng)量熱值又稱理論熱值（或?qū)嶋H發(fā)熱值）是指某種能源一個度量單位本身所含熱量12.溫室效應(yīng)及溫室氣體溫室效應(yīng)原是指在密閉的溫室中，玻璃、塑料薄膜等可使太陽輻射進(jìn)入溫室，而阻止溫室內(nèi)部的輻射熱量散失到室外去，從而使室內(nèi)溫度升高，產(chǎn)生溫室效應(yīng)13.循環(huán)經(jīng)濟(jì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的核心是資源的循環(huán)利用和高效利用，理念是物盡其用、變廢為寶、化害為利，目的是提高資源的利用效率和效益，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)是資源生產(chǎn)率（單位資源GDP)14.低碳經(jīng)濟(jì)目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十三頁，共100頁。7.2化工節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價7.2.1節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價7.2.2化工節(jié)能技術(shù)生命周期評價目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十四頁，共100頁。7.2.1節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價節(jié)能措施的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，就是要在措施實(shí)現(xiàn)以前全面考察其在技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)劣，進(jìn)行方案比較，確定投資方向，避免由于盲目性而造成人力、物力、財力上的浪費(fèi)目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十五頁，共100頁。某化工廠蒸汽鍋爐進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，有兩個方案可供選擇：方案A一次性投入20萬元，每年的產(chǎn)生的節(jié)約能源費(fèi)用5萬元，因節(jié)能技術(shù)而增加的年維修費(fèi)用1萬元，使用壽命8年，設(shè)備殘值3萬元；方案B一次性投入30萬元，每年的產(chǎn)生的節(jié)約能源費(fèi)用7萬元，因節(jié)能技術(shù)而增加的年維修費(fèi)用1.5萬元，使用壽命10年，設(shè)備殘值4萬元，在資金年利率為10%的情況，判斷兩節(jié)能技術(shù)改造方案可行性目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十六頁，共100頁。1、簡單補(bǔ)償年限法此方法是最簡單、最基本的經(jīng)濟(jì)分析方法。它只考慮節(jié)能措施投入資金，在多長時間內(nèi)可以由節(jié)能創(chuàng)造的直接經(jīng)濟(jì)效益中收回。對資金的利息，以及節(jié)能的社會效益等全未予考慮。計(jì)算公式如下對于前面提出的問題鍋爐節(jié)能改造問題，假定方案A和方案B的標(biāo)準(zhǔn)回收期均為8年，對方案A有：對方案B有：由此可見，方案A和方案B的投資回收年限既要小于標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償年限Nb，又小于設(shè)備的使用壽命Ns，所以兩個方案均是可行的，但方案A的投資回收年限小于方案B，兩個方案相比而言，方案A較優(yōu)目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十七頁，共100頁。2、標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償年限內(nèi)的計(jì)算費(fèi)用法兩種或更多節(jié)能措施方案，其技術(shù)條件滿足要求，又符合Ns＞Nb條件，可采用計(jì)算費(fèi)用法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。設(shè)有三種方案，其計(jì)算費(fèi)用分別為C1、C2、C3，用下列公式進(jìn)行計(jì)算：（7-2）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十八頁，共100頁。同樣對于前面的鍋爐節(jié)能改造，用本方法進(jìn)行計(jì)算時兩個方案的年運(yùn)行成本數(shù)據(jù)沒有明顯給出，但仔細(xì)分析后，可以得到兩方案相對年運(yùn)行成本數(shù)據(jù)，因?yàn)楣?jié)能方案都是在原鍋爐上進(jìn)行技術(shù)改在，假設(shè)原來的年運(yùn)行成本為S0，則S1=S0+1-5=S0-4；S2=S0+1.5-7=S0-5.5，所以對方案A有：對方案B有：比較兩者費(fèi)用，可知C1>C2，所以方案B優(yōu)于方案A。標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償年限內(nèi)的計(jì)算費(fèi)用法和簡單補(bǔ)償年限法存在同樣的問題，都沒有考慮資金的時間價值，若技術(shù)改造所需費(fèi)用較大時，此類評價方法存在較大缺陷，因考慮使用下面的評價方法目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十九頁，共100頁。3、動態(tài)補(bǔ)償年限法如果考慮資金的時間效益，若在ND年內(nèi)回收一次投資，則應(yīng)該符合下式條件：（7-3）Aj是第j年節(jié)能項(xiàng)目每年的凈節(jié)約費(fèi)用，F(xiàn)為節(jié)能項(xiàng)目壽命周期末的殘值，如果節(jié)能項(xiàng)目每年的凈節(jié)約費(fèi)用相等，均為A，則上式可簡化為：（7-4）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十頁，共100頁。對于方案A而言，動態(tài)回收期為：對于方案B而言，動態(tài)回收期為：目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十一頁，共100頁。4、壽命周期凈現(xiàn)值收益法計(jì)算公式如下：（7-6）其中P為節(jié)能項(xiàng)目壽命周期凈現(xiàn)值收益，如果節(jié)能項(xiàng)目每年的凈收益相等，均為A，則上式可簡化為：（7-7）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十二頁，共100頁。對于前面鍋爐節(jié)能方案A而言，壽命周期凈現(xiàn)值為：節(jié)能方案B而言，壽命周期凈現(xiàn)值為：從單個方案來看，兩個節(jié)能方案在經(jīng)濟(jì)上均可行，但要比較哪個方案更優(yōu)，需要將方案A的計(jì)算時間折算到10年，計(jì)算過程較復(fù)雜，為此引入年度凈收益法，來彌補(bǔ)本方法的缺陷。目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十三頁，共100頁。5、年度凈收益法本法將壽命周期內(nèi)總凈收益之現(xiàn)值折算成年度凈收益，從而使兩個壽命周期不同的方案方便地進(jìn)行比較計(jì)算公式如下：（7-8）其中AP為節(jié)能項(xiàng)目年度凈收益，如果節(jié)能項(xiàng)目每年的凈節(jié)約費(fèi)用相等，均為A，則上式可簡化為：（7-9）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十四頁，共100頁。對方案A而言，年度凈收益為：=0.51（萬元）對方案B而言，年度凈收益為目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十五頁，共100頁。6、凈收益-投資比值法本法在考慮前面各因素的前提下，增加對投資差異的考慮，并將一次性投資折算成年度均攤費(fèi)用，計(jì)算公式如下：（7-10）其中β為凈收益-投資比值，AI為節(jié)能項(xiàng)目一次性投資折算成年度均攤費(fèi)用，計(jì)算公式如下：（7-11）如果節(jié)能項(xiàng)目每年的凈節(jié)約費(fèi)用相等，均為A，則上式可簡化為：（7-12）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十六頁，共100頁。利用該法對鍋爐節(jié)能改造方案進(jìn)行計(jì)算，對方案A有：對方案B有：由此可見，節(jié)能方案B優(yōu)于節(jié)能方案A目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十七頁，共100頁。7.2.2化工節(jié)能技術(shù)生命周期評價1、生命周期評價的概念生命周期評價(LifeCycleAssessment，簡稱LCA)是一種評價產(chǎn)品、工藝過程或服務(wù)系統(tǒng)從原材料的采集和加工到生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、使用、回收、養(yǎng)護(hù)、循環(huán)利用和最終處理整個生命周期系統(tǒng)對環(huán)境負(fù)荷影響的方法目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十八頁，共100頁。2、生命周期評價技術(shù)框架圖7-1SETAC的生命周期評價技術(shù)框架目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十九頁，共100頁。圖7-2ISO的生命周期評價技術(shù)框架目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三十頁，共100頁。3、化工節(jié)能技術(shù)生命周期評價應(yīng)用策略生命周期評價方法即可已對單個方案進(jìn)行評價也可以對多個競爭方案進(jìn)行評價，所以，生命周期評價也可以適用于多個節(jié)能技術(shù)方案的優(yōu)化評價。和前面經(jīng)濟(jì)評價方法一樣，不同的節(jié)能方案，最后達(dá)到的效果應(yīng)該一樣，評價的基礎(chǔ)和條件和經(jīng)濟(jì)評價的方法一樣。比如對用于汽車的不同燃料進(jìn)行生命周期評價時，其評價的基礎(chǔ)是用相同的汽車在相同的條件下行駛相同的距離目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三十一頁，共100頁。4、生命周期評價注意問題及發(fā)展趨勢由于生命周期評價目前還不十分完善，在具體應(yīng)用時應(yīng)注意以下問題：（1）LCA中所作的選擇和假定，在本質(zhì)上可能是主觀的，如系統(tǒng)邊界的設(shè)置、數(shù)據(jù)收集渠道和影響類型選擇及歸類等都帶有一定的主觀性（2）LCA研究需要大量的數(shù)據(jù)，目前還沒有統(tǒng)一完善的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。研究人員必須經(jīng)常依據(jù)典型的生產(chǎn)工藝、全國平均水平、工程估算或?qū)I(yè)判斷來獲取數(shù)據(jù)，這就可能造成數(shù)據(jù)不精確或誤差較大，以至得到錯誤的結(jié)論目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三十二頁，共100頁。7.3化工通用節(jié)能設(shè)備與技術(shù)分析7.3.1鍋爐節(jié)能技術(shù)7.3.2換熱器節(jié)能技術(shù)7.3.3泵和風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)7.3.4熱泵節(jié)能技術(shù)7.3.5熱管節(jié)能技術(shù)目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三十三頁，共100頁。7.3.1鍋爐節(jié)能技術(shù)目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三十四頁，共100頁。1、鍋爐的分類7-4-1火床鍋爐7-4-2火室鍋爐7-4-3流化床鍋爐7-4-4旋風(fēng)鍋爐圖7-4鍋爐四種燃燒形式示意圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三十五頁，共100頁。2、鍋爐的型號圖7-5熱載體鍋爐的產(chǎn)品型號表示方法目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三十六頁，共100頁。3、鍋爐的用能分析鍋爐用各種燃料燃燒產(chǎn)生的熱能來加熱鍋爐中的工質(zhì)（一般為水），使工質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽（熱水）供生產(chǎn)和生活使用。在忽略燃料的物理顯熱、外來加熱量及自用蒸汽帶入爐內(nèi)的熱量前提下，鍋爐內(nèi)的用能平衡可用下式表示：（7-13）將式（3-1）各項(xiàng)均除以Q，并用百分?jǐn)?shù)表示可得到（7-14）鍋爐的能量有效利用率可用下式表示：（7-15）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三十七頁，共100頁。4、鍋爐的節(jié)能技術(shù)鍋爐節(jié)能可以在管理方面展開以下工作：（2）嚴(yán)格給水處理，防止鍋爐結(jié)垢（3）清除積灰，提高鍋爐效率（4）防止鍋爐超載，保持穩(wěn)定運(yùn)行（5）加強(qiáng)保溫、防止漏風(fēng)、泄水、冒汽（6）提高入爐空氣溫度一般入爐空氣溫度增加100℃，可使理論燃燒溫度增高30~40℃，可節(jié)約燃料3~4%

（1）做好燃料供應(yīng)工作，不同的鍋爐供應(yīng)不同規(guī)格的煤（主要是粒度和含水量，以鏈條爐為例，煤粒度應(yīng)為6-15mm）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三十八頁，共100頁。7.3.2換熱器節(jié)能技術(shù)圖7-6夾套式換熱器及其配件蛇管示意圖1-容器；2-夾套圖7-7噴淋式換熱器1-彎管；2-循環(huán)泵；3-控制閥圖7-8套管式換熱器目錄7.17.27.37.47.57.67.7第三十九頁，共100頁。圖7-9固定管板式換熱器及其折流板目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四十頁，共100頁。

圖7-10浮頭式換熱器1-管路隔板2-殼層隔板3-浮頭目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四十一頁，共100頁。

圖7-11螺旋板式換熱器1、2-金屬片3-隔板4、5-冷流體連接管6、7-熱流體連接管目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四十二頁，共100頁。圖7-12平板式換熱器7-12-a工作示意圖7-12-b板片示意圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四十三頁，共100頁。7.3.3泵和風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)離心泵的基本方程和離心泵的特性有關(guān)。表征離心泵性能的主要參數(shù)有以下幾個：（1）體積流量qV（2）壓頭H（3）效率η有效功率是流體通過泵以后獲得的功率，一般用Pe表示，其計(jì)算公式為：（7-16）離心泵的效率計(jì)算公式如下：（7-17）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四十四頁，共100頁。為了分析研究離心泵的節(jié)能措施，必須首先了解離心泵的幾個基本方程或曲線，以便提出合理的節(jié)能措施（1）特性曲線qVq*HηPH*P*η**qV~PqV~HqV~η圖7-13某離心泵特性曲線目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四十五頁，共100頁。MAH或HeH并H單qVqV~H并qq并

圖7-14兩臺泵并聯(lián)特性MAH或HeH串H單qVqV~H串qq串

圖7-15兩臺泵串聯(lián)特性目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四十六頁，共100頁。（2）管路特性曲線任何一臺泵都需要在具體的管路環(huán)境下工作，所謂管路特性是指特定管路中通過某一流量qe流體所需要的壓頭He關(guān)系，根據(jù)柏努利方程并作一定簡化后，可得所需壓頭和實(shí)際流量之間的關(guān)系如下：(7-18)其中K0是特定管路中勢能差和靜壓能差所確定的一個定值，K1是和管路長度l、直徑d、摩擦系數(shù)

、橫截面積A、其他引起管路阻力的當(dāng)量長度

等變量有關(guān)，具體的計(jì)算公式如下：（7-19）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四十七頁，共100頁。

qm1q*qm2H或HeηPH*P*η**qV~PqV~HqV~ηM2M1MKqV~He圖7-16管路阻力變化時泵操作的變化目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四十八頁，共100頁。（3）切割方程當(dāng)泵或風(fēng)機(jī)的工作情況發(fā)生較大改變時，有時可以通過改變?nèi)~輪的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的，當(dāng)然這種改變需要是季節(jié)性的，而不是頻繁地變動。當(dāng)離心泵的葉輪直徑變化在10%的范圍內(nèi)時，具有以下切割方程：（7-20）（4）轉(zhuǎn)速方程當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的時候，泵的特性曲線也隨之發(fā)生變化，如果轉(zhuǎn)速的變化不超過±20%，可直接用下式進(jìn)行校正：（7-21）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第四十九頁，共100頁。

qm1q*qm2H或HePqV~PqV~HM2M1Mn1nn2圖7-17轉(zhuǎn)速改變時離心泵特性曲線變化目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十頁，共100頁。2、泵和風(fēng)機(jī)的節(jié)能技術(shù)（1）合理選型（2）合理組合1H或HeqVqV~H串2qV~H并ABCDM1圖7-18離心泵串并聯(lián)組合特性曲線（3）變頻調(diào)速在前面泵的特性曲線分析中已經(jīng)指出每一個泵有一個最佳的工作點(diǎn)，但實(shí)際情況并非能一直滿足最佳工作點(diǎn)的位置，有時需要對流量作一個較大幅度的調(diào)整。調(diào)整基本方法有兩種，一種是節(jié)流調(diào)整，另一種是變頻調(diào)速。已知泵的轉(zhuǎn)速(即電動機(jī)的轉(zhuǎn)速)n如下：n=60(1-s)f/z(7-22)目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十一頁，共100頁。（3）變頻調(diào)速M(fèi)n1n2AB

q1

qmn1n2H或HePPMPAPBHAHMHBqVqV圖7-19是變頻節(jié)能示意圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十二頁，共100頁。（4）葉輪切割當(dāng)流量小時，使用小葉輪。當(dāng)流量大時使用大葉輪。具體的更換時間要根據(jù)實(shí)際工藝要求而定（5）增加葉輪壽命（6）提高穩(wěn)定及耐用性目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十三頁，共100頁。7.3.4熱泵節(jié)能技術(shù)根據(jù)熱泵工作原理，熱泵可以分為壓縮式熱泵、吸收式熱泵、熱電式熱泵、化學(xué)熱泵、

吸附式熱泵、噴射式熱泵熱量Q1做功W熱量Q2節(jié)流閥冷凝器壓氣機(jī)蒸發(fā)器圖7-20壓縮式熱泵示意圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十四頁，共100頁。壓縮機(jī)向冷凝器供出之高品位熱量應(yīng)為蒸發(fā)器所吸收的熱量和壓縮機(jī)所消耗的機(jī)械功之和，熱泵的能源利用效率為：（7-23）其理論極限可根據(jù)熱力學(xué)第二定律推導(dǎo)得到：（7-24）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十五頁，共100頁。

7-21-a7-21-b圖7-21熱泵精餾過程目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十六頁，共100頁。7.3.5熱管節(jié)能技術(shù)熱管為一封閉的管狀元件，有一管狀外殼，內(nèi)有起毛細(xì)輸送作用的管芯，管內(nèi)抽空后充以工作液體，然后封閉起來即成熱管，如圖7-22所示圖7-22熱管工作示意圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十七頁，共100頁。熱管主要有以下特性：（1）有效熱導(dǎo)非常高。由于熱管的傳熱主要靠工質(zhì)相變時吸收和釋放潛熱以及蒸汽流動傳輸熱量，并且多數(shù)工質(zhì)的潛熱是很大的，因此不需要很大的蒸發(fā)量就能帶走大量的熱。（3）具有低熱阻的等溫面。熱管運(yùn)行時，冷凝段表面的溫度趨向于恒定不變。如果局部加上熱負(fù)荷，則有更多的蒸汽在該處冷凝，使溫度又維持在原來的水平上；同樣，蒸發(fā)段也存在等溫面，熱管工作時，管內(nèi)蒸汽處于飽和狀態(tài)，蒸汽流動和相變時的溫差很小，而管壁和毛細(xì)芯比較薄，所以，熱管的表面溫度梯度很小，即表面的等溫性好

（2）具有熱流密度變換能力。熱管中蒸發(fā)和凝結(jié)的空間是分開的，因此可以實(shí)現(xiàn)熱流密度變換，在蒸發(fā)段可用高熱流密度輸入，而在冷凝段可以用低熱流密度輸出，反之亦然。目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十八頁，共100頁。熱管利用液芯的毛細(xì)管作用來輸送工質(zhì)，其毛細(xì)管原理如圖7-23所示。當(dāng)工作液體滲人液芯的毛細(xì)孔時，由于表面張力σ的作用，在毛細(xì)管內(nèi)將形成一個彎月面，使處于平衡狀態(tài)的氣液兩相壓力不再相等，為毛細(xì)管內(nèi)液體的流動提供了基礎(chǔ)。根據(jù)圖7-23的毛細(xì)管的力系平衡原理，如果毛細(xì)管內(nèi)液柱不升高，則液面上的蒸氣壓力pq必須大于液體壓力py，此時其平衡關(guān)系式為：即：（7-25）圖7-23毛細(xì)管作用原理目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十九頁，共100頁。此壓差是熱管內(nèi)工質(zhì)循環(huán)的動力。熱管內(nèi)工質(zhì)的循環(huán)過程如圖7-24所示圖7-24-a圖7-24-b圖7-24熱管工作循環(huán)原理目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六十頁，共100頁。圖7-25反應(yīng)器內(nèi)熱管熱管在化工工藝的換熱過程中可以發(fā)揮很大的作用，除用于常規(guī)的換熱器外，還可以用于反應(yīng)器內(nèi)的熱量傳遞。反應(yīng)器內(nèi)熱管就是將熱管技術(shù)與反應(yīng)器相結(jié)合的一種特殊用途的熱管。它的主要特點(diǎn)是利用熱管的等溫性能使反應(yīng)器內(nèi)觸媒床層軸向和徑向溫度分布均勻,從而使反應(yīng)始終在最適宜的反應(yīng)溫度區(qū)間進(jìn)行,結(jié)果使轉(zhuǎn)化率提高,副反應(yīng)減少,觸媒利用率提高、壽命延長;熱管還能及時補(bǔ)充化學(xué)反應(yīng)熱(對吸熱反應(yīng))或?qū)С龌瘜W(xué)反應(yīng)熱(對放熱反應(yīng))。反應(yīng)器式熱管在反應(yīng)器中的應(yīng)用，使得反應(yīng)器傳熱過程不再制約反應(yīng)的進(jìn)行程度，大大節(jié)約了能量的消耗目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六十一頁，共100頁。化工廠中常常需要將某些高溫氣體降溫以達(dá)到工藝加工的需要，如果采用常規(guī)的換熱可能會帶來諸多問題，這時，可采用高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器，將高溫氣體得能量回收下來。同時該高溫氣體本身溫度也得以下降，從而達(dá)到工藝加工的要求。高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器工作原理圖見圖7-26圖7-26高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六十二頁，共100頁。熱管換熱器已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，尤其在余熱回收方面得到了更為廣泛的應(yīng)用，它與傳統(tǒng)的換熱器相比，存在以下優(yōu)點(diǎn)：（1）無運(yùn)動部件，不需要外部動力，可靠性高。（2）冷熱氣流之間有固體壁面隔開，消除了橫向混滲。傳統(tǒng)的間壁換熱器只要有一處換熱元件損壞，就必須停車檢修。熱管換熱設(shè)備則不然，它是二次間壁換熱，由熱管群組成的換熱設(shè)備，一旦單根熱管破損，兩種換熱流體不可能相混，因而不影響整體換熱效果，亦無須停車檢修，這就使得高效現(xiàn)代化大生產(chǎn)獲得可靠保證。（3）裝置簡單緊湊，適用溫度范圍寬。低溫時可達(dá)零下幾十度，高溫時可達(dá)幾千度。目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六十三頁，共100頁。（4）熱量可以沿任何方向傳遞。（5）熱阻小，可以通過較小的溫差獲得較大的傳熱率，且軸向表面溫度均勻。（6）可根據(jù)需要調(diào)整熱管冷、熱兩側(cè)熱阻的相對大小，控制熱管壁溫，有效防止腐蝕發(fā)生。（7）通過熱管進(jìn)行管外換熱，避免了傳統(tǒng)換熱器通過管殼換熱，使熱管換熱器能夠靈活布置和安裝，故障少，便于修理，同時也解決了普通換熱器無法靈活處理灰塵這一比較棘手的問題

目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六十四頁，共100頁。7.4強(qiáng)化傳熱節(jié)能技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù)是許多節(jié)能措施賴以實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)。能夠把盡量多的熱能傳遞給需要加熱的物質(zhì)或者把盡量多的廢熱回收下來，就可以達(dá)到節(jié)能的目的。要做好這各工作，一方面可以增大換熱面積，另一方面可以通過強(qiáng)化傳熱措施，提高傳熱系數(shù)。因?yàn)閭鳠崃康拇笮Q定于傳熱系數(shù)、傳熱面積及傳熱溫差即下式：（7-26）但是傳熱面積增大會造成換熱設(shè)備體積的龐大及投資的增加，而傳熱溫差主要決定于需要換熱的兩股物流的溫度，這是由現(xiàn)場事實(shí)決定的，無法改變，所以，通過強(qiáng)化傳熱措施，提高傳熱系數(shù)，是提高換熱設(shè)備換熱量較為理想的手段，下面介紹內(nèi)翅管、螺旋槽管、縱槽管、T型翅片管、橫紋管、低肋管等強(qiáng)化傳熱管目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六十五頁，共100頁。1、內(nèi)翅片管內(nèi)翅管的主要用途如下：（1）內(nèi)翅管可增加一些傳熱面積，同時也可破壞壁面附近傳熱層流底層，多用于湍流傳熱；（2）扭帶加管內(nèi)低翅可更有效強(qiáng)化高粘度流體傳熱；（3）多通道鋁芯翅片管主要勇于氟利昂冷凍機(jī)的蒸發(fā)器，管子為銅制，管內(nèi)芯子為鋁制，鋁芯的作用是使氟利昂在管道內(nèi)分布更均勻，同時也使管外的熱量通過芯子均勻的傳給氟利昂

圖7-27內(nèi)翅片管示意圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六十六頁，共100頁。2、螺旋槽管螺旋槽管的外形如下圖所示，可通過對光管采用滾壓的加工方法得到。根據(jù)扎制時的螺紋頭數(shù)可分為單頭和多頭兩種，目前管的螺紋頭數(shù)最多可達(dá)30頭，管參數(shù)主要有管子直徑Di，槽距p，槽深h，槽與管軸線夾角β，槽的頭數(shù)圖7-28螺旋槽管的外形結(jié)構(gòu)示意圖通過對傳熱實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到螺旋槽管的努賽爾準(zhǔn)數(shù)Nu與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系式：（7-27）目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六十七頁，共100頁。圖7-29螺旋槽管實(shí)物圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六十八頁，共100頁。3、縱槽管縱槽管能夠強(qiáng)化冷凝傳熱的原因主要是利用了冷凝液的表面張力。在表面張力的推動下冷凝液由槽頂推至槽底，然后籍重力順槽排走，而槽峰及其附近的液膜很薄。對垂直管而言，從上至下都是如此，使整根管的熱阻從上到下都顯著降低。其次，表面開槽后使管子傳熱表面積也增加70%左右，進(jìn)一步增加了傳熱能力，它適用于立式換熱器中圖7-30縱槽管構(gòu)造及實(shí)物圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六十九頁，共100頁。4、橫紋管橫紋管的強(qiáng)化傳熱作用是：流體通過圓環(huán)時，在管壁上形成軸向的漩渦，這種漩渦增加了流體邊界的擾動。有利于熱量通過邊界層向流體主體的傳遞。當(dāng)漩渦快要消失時，流體流過第二個圓環(huán)。因此，如果節(jié)距t選擇合適的話，可以維持軸向漩渦的不斷形成從而形成連續(xù)而穩(wěn)定的強(qiáng)化作用圖7-31橫紋管結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十頁，共100頁。5、低肋管主要靠管肋外化（肋化系數(shù)2-3）擴(kuò)大傳熱面積，一般用于管內(nèi)傳熱膜系數(shù)比管外大1-2倍的場合，對于管外冷凝及沸騰，由于表面張力作用，也有較好的強(qiáng)化作用，在雷諾數(shù)較低時，螺旋肋的根部的滯流死角大，有效擴(kuò)展的傳熱面積的利用率低，傳熱系數(shù)較低；隨著雷諾數(shù)的提高，有效擴(kuò)展的傳熱面積利用率得到提高，外螺旋肋管的傳熱性能明顯提高，與光滑管相比可將總傳熱系數(shù)提高50-70%。主要適用于臥式管外冷凝過程。由于開停車時的熱脹冷縮可使垢層脫落，因此具有較好的抗垢作用圖7-32低肋管結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十一頁，共100頁。6、鋸齒形翅片管該管的外面鋸齒狀的翅片，其結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物見圖7-33。它適用于臥式管外冷凝過程，其具有的齒尖更有利于冷凝液滴滴落，使得滯留于管上的凝液更少圖7-33鋸齒形翅片管結(jié)構(gòu)示意目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十二頁，共100頁。7、T型翅片管T型翅片管結(jié)構(gòu)如圖7-34所示，它主要用于管外蒸發(fā)，由于管外凹槽的作用，使得液體的蒸發(fā)更加容易圖7-34T型翅片管結(jié)構(gòu)示意圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十三頁，共100頁。8、內(nèi)肋管該管加工方法較復(fù)雜，可用模具扎制或拉制而成。目前可在銅、碳鋼、鋁及其合金等材料加工。其結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物見圖7-35圖7-35內(nèi)肋管結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖該管的強(qiáng)化傳熱機(jī)理：內(nèi)肋管的面積與低肋管一樣，有較大程度的增加；螺旋的內(nèi)肋使流體產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)，不僅阻力降比較低，而且由于收縮的變化，使流體在壁面前進(jìn)的過程中產(chǎn)生正負(fù)反壓差，使流體微團(tuán)沿壁面產(chǎn)生回轉(zhuǎn)旋渦，從而提高傳熱系數(shù)。隨雷諾數(shù)的增大，傳熱性能增強(qiáng)，其阻力系數(shù)高于光滑管，傳熱系數(shù)比光滑管高100-200%。內(nèi)肋管的強(qiáng)化傳熱效應(yīng)隨雷諾數(shù)的增大而逐漸減弱目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十四頁，共100頁。除上面介紹的8種強(qiáng)化傳熱管外，還有許多其他強(qiáng)化傳熱管及裝置，如機(jī)械加工表面多孔管、激光蝕刻表面多孔管、電化學(xué)腐蝕表面多孔管、燒結(jié)表面多孔管、微翅片管、菱形翅片管、螺旋扁管、縮放管（擴(kuò)縮管）、扁平橢圓管、螺旋線、交叉鋸齒帶插入物等，其各種圖形見圖7-36~7-38圖7-36螺旋線

圖7-37縮放管

圖7-38菱形翅片管目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十五頁，共100頁。7.5精餾過程節(jié)能技術(shù)7.5.1熱泵精餾技術(shù)7.5.2內(nèi)部熱集成節(jié)能技術(shù)目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十六頁，共100頁。7.5.1熱泵精餾技術(shù)熱泵是在精餾過程中一種有效的節(jié)能技術(shù)。在熱泵循環(huán)中的冷凝器和蒸發(fā)器是相對工質(zhì)而言的。熱泵工質(zhì)在冷凝器中冷凝放出熱量，對物料而言冷凝器實(shí)際是相當(dāng)于加熱器的作用；工質(zhì)在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收熱量，對物料而言蒸發(fā)器實(shí)際是相當(dāng)于冷卻器的作用。塔頂冷凝器對于熱泵而言就是蒸發(fā)器；塔釜再沸器對于熱泵來說就是冷凝器。熱泵的熱力循環(huán)使得精餾過程的公共工程的消耗大為減少，節(jié)能且降低操作費(fèi)用目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十七頁，共100頁。（a）塔頂氣相壓縮式熱泵

（b）釜液節(jié)流式熱泵c）閉式熱泵圖7-42三種常用熱泵精餾流程圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十八頁，共100頁。下面通過一個具體的案例來說明熱泵精餾的節(jié)能效果。已知某年產(chǎn)1萬噸碳酸二甲酯(DimethylCarbonate，簡稱DMC)，常規(guī)加壓精餾數(shù)據(jù)如表7-4，通過熱泵技術(shù)對該流程中能耗較大的加壓精餾塔作工藝改造，以達(dá)節(jié)能目的表7-4常規(guī)流程中再沸器熱負(fù)荷及各物料參數(shù)塔壓力/bar物料流量/t·h-1組成/wt%溫度/℃熱負(fù)荷/kWMeOHDMC6.5進(jìn)料110.107327122.0塔頂8.688416120.8-8345.0塔釜1.42595138.28342.6目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十九頁，共100頁。物性方法的選擇直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。MeOH–DMC體系具有極性而且是非理想物系，常用的活度系數(shù)模型有WILSON、NRTL、UNIFAC和UNIQUAC等，而AspenPlus并沒有MeOH和DMC的二元交互作用參數(shù)。本文采用李春山等根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸和估算得到的二元參數(shù)，其參數(shù)值如表7-5表7-5MeOH–DMC體系交互作用參數(shù)ijAijAjiBijBijMeOHDMC–0.22362.2954221.043–1534.97目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八十頁，共100頁。年平均費(fèi)用定義為：以常規(guī)工藝的能耗為基準(zhǔn)，通過熱泵的節(jié)能百分率來評價節(jié)能效果。節(jié)能百分率的定義為：α=（Q常規(guī)—Q熱泵）/Q常規(guī)×100%(7-28)TAC=Cenergy+Ccapital/n(7-29)能耗及其費(fèi)用單價的折算數(shù)據(jù)參考GB/T50441-2007-石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)見表7-6（取標(biāo)準(zhǔn)油價格為90.80

$/桶）表7-6能耗及其費(fèi)用價位表項(xiàng)目加壓蒸氣（0.7MPa）冷凝水電能能耗72kg標(biāo)準(zhǔn)油/t0.10kg標(biāo)準(zhǔn)油/t0.26kg標(biāo)準(zhǔn)油/t價格48.05$/t0.07$/t0.17$/kW·h目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八十一頁，共100頁。表7-7三種類型熱泵工藝模擬結(jié)果工藝參數(shù)常規(guī)加壓精餾塔頂氣相壓縮式熱泵釜液節(jié)流式熱泵閉式熱泵循環(huán)工質(zhì)—塔頂蒸氣釜液水熱泵工質(zhì)流量/（t/h）—34.8960.9113.20工質(zhì)節(jié)流后壓力/bar—6.502.911.00壓縮機(jī)壓縮比—1.952.313.80壓縮機(jī)功率—888.71069.21493.3冷凝器熱負(fù)荷/kW-8345.0—7503.4-8345.0再沸器熱負(fù)荷/kW8342.88342.8—8342.8輔助換熱器熱負(fù)荷/kW—-914.0-841.6-1418.5COP*—9.397.805.59總能耗/(噸標(biāo)準(zhǔn)油/年)8453.91877.72252.93165.6操作費(fèi)用/（106$/y）5.641.251.502.11換熱設(shè)備造價/（106$）1.160.740.631.34壓縮機(jī)造價/（106$）—2.803.264.29TAC/（106$/y）5.761.601.892.68節(jié)能百分率/%—77.7973.3562.55目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八十二頁，共100頁。7.5.2內(nèi)部熱集成節(jié)能技術(shù)1、內(nèi)部熱集成塔簡介內(nèi)部熱集成蒸餾塔(InternallyHeatIntegratedDistillationColumn，簡稱HIDiC)，它是通過精餾段和提餾段的熱集成實(shí)現(xiàn)蒸餾塔的無冷凝器和再沸器操作，從而大幅度降低能耗，與常規(guī)蒸餾塔相比節(jié)省的能耗可達(dá)30％-60％目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八十三頁，共100頁。內(nèi)部熱集成塔的結(jié)構(gòu)具有以下六大結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）精餾段和提餾段之間的傳熱可以通過塔壁傳熱，具體的傳熱方式具有多樣性，一般精餾段置于提餾段內(nèi)部；（2）不需要塔頂冷凝器和塔釜再沸器；（3）精餾段底部出口的液體通過節(jié)流閥減壓后進(jìn)入提餾段；（4）精餾段和提餾段之間設(shè)有壓縮機(jī)，將提餾段頂部出口的氣相加壓，使之能夠進(jìn)入精餾段；（5）精餾段和提餾段被分成獨(dú)立個體，但又有特定的聯(lián)系；（6）精餾段壓力和溫度均高于提餾段，熱量由精餾段向提餾段傳導(dǎo)；精餾段提供提餾段所需的熱量，與此同時提餾段反過來提供精餾段所需的冷量目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八十四頁，共100頁。2、內(nèi)部熱集成塔的工作原理內(nèi)熱集成塔將傳統(tǒng)塔分成精餾和提餾兩個塔，并將精餾段放置在提餾段的內(nèi)部，與傳統(tǒng)塔相比，減少了塔頂冷凝器和塔釜再沸器圖7-43內(nèi)熱集成塔工作原理圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八十五頁，共100頁。4、內(nèi)部熱集成塔的節(jié)能原理現(xiàn)通過圖7-44和圖7-45，傳統(tǒng)塔和內(nèi)熱集成塔的M-T圖分析內(nèi)熱集成塔的節(jié)能原理圖7-44傳統(tǒng)塔的M-T圖圖7-45內(nèi)熱集成塔的M-T圖目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八十六頁，共100頁。5、內(nèi)部熱集成塔的計(jì)算模型內(nèi)部熱集成塔是一類新型的蒸餾塔，它相當(dāng)于把傳統(tǒng)塔從進(jìn)料處分成兩個內(nèi)部存在能量集成的精餾塔，現(xiàn)在還沒有現(xiàn)成的計(jì)算方法目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八十七頁，共100頁。6、內(nèi)部熱集成塔的四種對齊形式內(nèi)部熱集成塔一般有以下4中對齊形式：上對齊型（HIDIC-upper，如圖7-46（a））：上對齊型中精餾段與提餾段上端對齊，逐板進(jìn)行熱交換，提餾段的下部與傳統(tǒng)蒸餾塔相同。下對齊型（HIDIC-lower，如圖7-46（b））：下對齊型中精餾段和提餾段下端對齊，逐板進(jìn)行熱交換，提餾段的上部與傳統(tǒng)蒸餾塔相同。中對齊型（HIDIC-middle，如圖7-46（c））：中對齊型中精餾段的第N-1塊塔板與提餾段的第N-1塊塔板對齊，逐板進(jìn)行熱交換，提餾段的上部和下部與傳統(tǒng)蒸餾塔相同。全對齊型（HIDIC-all，如圖7-46（d））：全對齊型中加大精餾段的板間距，使精餾段與提餾段的高度相同，精餾段的每塊塔板與提餾段的多塊塔板進(jìn)行熱交換

目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八十八頁，共100頁。目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八十九頁，共100頁。目錄7.17.27.37.47.57.67.7第九十頁，共100頁。表7-8丙烯-丙烷精餾塔工藝參數(shù)項(xiàng)目傳統(tǒng)蒸餾塔內(nèi)部熱集成蒸餾塔理論塔板數(shù)精餾段5353提餾段8585進(jìn)料板54進(jìn)料量（kmol/hr）100操作壓力