化工節(jié)能技術第四章第一講蒸發(fā)

化工節(jié)能技術汪莉TEL四章能量傳遞過程的節(jié)能

目錄傳熱節(jié)能的理論基礎傳熱方程與傳熱節(jié)能傳熱效率與傳熱單元及其合理選取蒸發(fā)操作的節(jié)能各種干燥裝置目錄蒸發(fā)操作的節(jié)能蒸發(fā)過程的熱力學分析傳熱過程的節(jié)能干燥過程的節(jié)能干燥介質對干燥過程的影響正確選擇影響干燥過程的因素第一節(jié)傳熱過程的節(jié)能化工生產(chǎn)中傳熱的目的在于：控制化學反應過程在一定的溫度下進行；加熱與冷卻，使物料達到指定的溫度；換熱，以回收利用熱量；保溫，以減少熱損失。一、傳熱節(jié)能的理論基礎有效能的利用與損耗是評價換熱過程經(jīng)濟性的重要指標。對于穩(wěn)定傳熱過程，傳熱速率為Q，則高溫流體的有效能：低溫流體的有效能：6傳熱過程的有效能損失為：傳熱過程的有效能效率：可見：有效能能損失愈大，有效能效率愈小，能量的降級愈大。例如熱流體3000C，冷流體2700C（自2500C預熱至2900C）的油品，環(huán)境溫度250C，有效能損失5.6%，有效能效率94.4%；當冷流體為250C的空氣時，有效能損失93.2%，有效能效率僅6.8%；7傳熱過程的溫差愈大，有效能損失愈大。因此，對于增大溫差提高傳熱速率的設備，存在節(jié)能潛力；有效能損失與熱力學溫度成反比，對于深冷工程尤為重要；若Tl=T0，因為Q與（Th-T0）成正比，因此有效能損失與(Th-T0)2/Th成正比，反映了保溫工作的重要性；減小傳熱溫差，會降低傳熱速率，就必須提高K。8換熱器的熱能圖TQabcd0T0/T熱有效能圖根據(jù)此原理，任意換熱過程均可表示在圖上，有效能和有效能損失一目了然。94、換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟效益（1）換熱過程中不同熱載體溫度的有效能損失有效能損失是衡量換熱器節(jié)能與經(jīng)濟效益的重要指標之一。對給定的換熱器，傳熱面積一定，為滿足一定工藝熱負荷要求，所需傳熱溫差為：10對逆流換熱器：對所需的傳熱溫差，各溫度可相互推算，不同的熱載體溫度（T1、T2），有效能損失不同。因此，生產(chǎn)上既要滿足工藝要求，又應使有效能損失最小。如一工藝物料，從00C預熱至1000C，維持傳熱溫差50K，不同溫度熱載體有效能損失如下表：換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟效益11熱流量（相對值）有效能損失(相對值)010020020500.560.135010017531500.690.126010015050501.000.125010012588502.700.1420100120100505.000.15換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟效益可見：選用1500C---500C的載熱體最節(jié)能，因為傳熱過程的有效能損失最小。12經(jīng)濟排熱溫度：對于溫度為T1的熱流體，在換熱過程中存在著最經(jīng)濟的排出溫度T2。熱流體可提供的熱量（可回收的熱量）:若用平均溫度計算有效能，則：（2）換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟效益QTT1T2t1t2△△逆流換熱器假設傳熱溫差為△，則流體的平均溫度：13則有效能的計算可寫成：單位熱容量流率的有效能為：單位熱容量流率的傳熱面積為：假設余熱回收中有效能的單價為k1，設備折舊費單價為k2，則該換熱器的凈收益為：14上式對T2求偏導：整理得：令，得最適宜的排放溫度：表明：當能量費用k1愈大，設備折舊費用k2愈小時，則排放溫度T2愈低。故排放溫度，應根據(jù)具體情況綜合予以考慮15（3）換熱器的經(jīng)濟衡算：化工生產(chǎn)中，工藝預熱的回收是眾所周知的問題。如下圖所示：12W、t1、CPtt2TL、工藝余熱Th、新鮮高壓蒸汽廢熱回收利用換熱過程換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟效益流率為W的冷流體從溫度t1預熱到t2，如果僅用換熱器2，全部用新鮮蒸汽加熱，換熱量為：所需蒸汽的費用：Sh—新鮮高壓蒸汽的價格，元/千焦；θ—換熱器全年工作時間，小時。16所需傳熱面積：換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟效益換熱器的設備投資折舊費用為：Sf—換熱設備投資費用單價，元/米2·年?？偝杀荆?7若采用余熱回收聯(lián)合方案時，系統(tǒng)中增加了一臺換熱器，換熱器1、2間的溫度為t，而t的選取將直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟性。12W、t1、CPtt2TL、工藝余熱Th、新鮮高壓蒸汽廢熱回收利用換熱過程換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟效益18當采用聯(lián)合方案時，對于換熱器1，余熱的費用為：式中：

Sl—廢熱（設為恒溫）的單價，元/千焦。換熱器1設備折舊費為：換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟效益則第一臺換熱器的成本為：19對于第二臺換熱器，其蒸汽費用為：換熱器投資的折舊費用為：第二臺換熱器的成本為：20聯(lián)合系統(tǒng)的總成本：為了獲得最經(jīng)濟的溫度t，C對t求導：當dC/dt=0時，系統(tǒng)的總成本最低，則由此式可求出最適宜溫度t

，一般在t1

與t2

之間。若t接近t1

，余熱回收的意義不大；若t接近t2

，用新鮮蒸汽就顯得有些浪費。21

例：某工藝物料，需從340K預熱到395K

，全年工作時間為8000小時/年，換熱器的傳熱系數(shù)均為0.3kW/(m2·K)。設備折舊費為Sf=500元/（m2·年），高壓蒸汽溫度440K，其費用為Sh’=50元/噸蒸汽?，F(xiàn)有溫度為380K的余熱蒸汽可利用，此蒸汽的費用為Sl’=8元/噸蒸汽。若該工藝物料生蒸汽加熱改造成為由廢蒸汽、生蒸汽聯(lián)合加熱方案，比較此兩種方案的經(jīng)濟性。2212W、t1、CPtt2TL、工藝余熱Th、新鮮高壓蒸汽廢熱回收利用換熱過程解：系統(tǒng)圖示如下則：23工藝物料僅用新鮮蒸汽加熱方案：消耗蒸汽費用、設備折舊費用、傳熱面積、總成本：2.新鮮蒸汽與廢蒸汽聯(lián)合加熱方案：先應求出最經(jīng)濟的中間溫度t。24解得：t=377.35K。第一臺換熱器：第二臺換熱器：25聯(lián)合總成本：聯(lián)合方案所需費用同原方案相比較為：26二、傳熱方程與傳熱節(jié)能穩(wěn)定傳熱過程,傳熱基本方程：可見要提高傳熱速率：提高傳熱系數(shù)K；增大換熱面積A；增大傳熱平均溫差。1、提高傳熱系數(shù)以強化傳熱對于潔凈的換熱器：第二項與管子的材料有關，對于金屬管，管壁的熱阻可忽略不計。主要是增大管壁兩側的傳熱膜系數(shù)。其中α1，α2為管壁兩側的傳熱膜系數(shù)，Λ為管道的導熱系數(shù)，H為管道的厚度。2、擴展傳熱面積以強化傳熱

采用肋片管、螺紋管、波紋管、板式換熱器、板肋式換熱器等。3、增大傳熱平均溫差逆流操作，傳熱平均溫差最大。但生產(chǎn)工藝確定以后，一般不作較大改進，同時溫差增大，有效能損失增大，適宜的傳熱溫差，視情況而定。二、傳熱方程與傳熱節(jié)能三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)及其合理選取1、傳熱效率換熱器的熱效率指：實際傳熱速率與理論上最大可能傳熱速率之比值。對于無相變、無熱損失的穩(wěn)定傳熱過程，若所涉及的溫度范圍內兩流體的定壓熱容變化不大，則傳熱速率為：29兩流體間理論上最大可能的傳熱量為：當熱容量流率時：則，此時的熱效率為：三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)及其合理選取當冷流體為沸騰液體時，△T=0，表觀熱容量流率GcCPc為無限大，熱效率按此式計算。30當熱容量流率時：則，此時的熱效率為：三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)及其合理選取當熱流體為飽和蒸汽時，△T=0，表觀熱容量流率GhCPh為無限大，熱效率按此式計算。312、傳熱單元數(shù)在換熱器中對微元傳熱面積dA的傳熱速率可寫成：對面積為A的整個換熱器，傳熱單元數(shù)NTU由下式確定：三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)及其合理選取32傳熱效率與傳熱單元數(shù)關系令：或三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)及其合理選取33傳熱效率與傳熱單元數(shù)間關系經(jīng)推到得如下關系式。對逆流操作換熱器：或三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)及其合理選取34對并流操作換熱器：或三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)及其合理選取為便于工程計算，往往將三者間的關系繪制成圖，如圖4-6所示。要提高傳熱效率，必須增加傳質單元數(shù)；余熱回收的效率與設備投資應綜合經(jīng)濟考慮；三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)及其合理選取提高傳熱系數(shù)K，可有效地提高傳熱效率；當傳熱單元數(shù)增大到一定值后，對傳熱效率的影響很小，因此傳熱單元數(shù)有一最適宜值，一般為5較合適；t2

越高，熱效率越高，操作費用越少，但傳熱平均溫差越小，傳熱面積越大，設備投資大。t2越小，有效能損失越大，能量利用效率低。三、傳熱效率與傳熱單元數(shù)及其合理選取37四、傳熱的節(jié)能與強化途徑1、改進工藝裝置、提高燃料的熱利用率合理利用能源，采用熱—電聯(lián)合裝置；改進工藝，提高熱能利用率；如由三效改為四效蒸發(fā)、單效改多效蒸餾、精餾系統(tǒng)利用熱泵等。2、熱量充分回收利用（1）有效利用工廠中大量低位熱能；據(jù)統(tǒng)計化工企業(yè)所消耗總熱量的80%左右，最終以低品位熱能形式排放。利用如：預熱物料（精餾頂、側、底產(chǎn)品的顯熱及潛熱）、預熱鍋爐給水（煙道氣）。作為干燥過程的熱源；作為溴化鋰制冷的熱源；利用噴射泵提高二次蒸汽的壓力；利用低沸點介質發(fā)電。如利用異丁烷、戊烷、氟利昂等，熱源為1500C。四、傳熱的節(jié)能與強化途徑（2）化學反應熱的充分利用如：硫酸廠廢熱鍋爐、甲醇氧化制甲醛、氨合成余熱鍋爐393、減少熱量傳輸過程中的熱損失（1）減少設備、管道的熱損失。一根一米長裸露的四英寸的蒸汽管道，每小時將冷凝2-5kg蒸汽。（2）降低換熱器的傳熱溫差，但必須強化傳熱系數(shù)。四、傳熱的節(jié)能與強化途徑4、減少換熱器的壓降損失，降低動力消耗。

要合理選擇流體流速。5、加強企業(yè)管理，杜絕跑、冒、滴、漏。406、提高傳熱系數(shù)K值。

傳熱膜系數(shù)、管壁污垢、層流底層厚度、沸騰過程增大傳熱面的汽化核心及生成氣泡的頻率、蒸汽冷凝減少冷凝液膜厚度、流體中加入表面活性劑。7、采用新型高效的傳熱元件與傳熱設備目的：減少傳熱面積、提高換熱能力、維持較小的傳熱溫差。（1）換熱表面粗糙法：橫紋管、螺紋管等；（2）流體旋轉法：管內插入扭帶、螺旋葉片、螺旋線圈、螺紋管等；（3）換熱表面擴展法：各種形