第7章化工過程節(jié)能技術分析與評價

第7章化工過程節(jié)能技術分析與評價第一頁，共100頁。7.1化工節(jié)能概述7.2化工節(jié)能技術經(jīng)濟評價7.3化工通用節(jié)能設備與技術分析7.4強化傳熱節(jié)能技術7.5精餾過程節(jié)能技術7.6能源管理體系簡介7.7能源審計簡介第二頁，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，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、技術節(jié)能3、結構調整節(jié)能結構調整節(jié)能一般而言是指在全國范圍內(nèi)對所有產(chǎn)業(yè)的結構進行調整4、EPC節(jié)能節(jié)能服務公司與用能單位以契約形式約定節(jié)能項目的節(jié)能目標，節(jié)能服務公司為實現(xiàn)節(jié)能目標向用能單位提供必要的服務，用能單位以節(jié)能效益支付節(jié)能服務公司的投入及其合理利潤的節(jié)能服務機制目錄7.17.27.37.47.57.67.7第六頁，共100頁。EPC是面向市場的節(jié)能投資新機制具有以下幾個優(yōu)勢：（1）EPC以減少的能源費用來支付節(jié)能項目的投資；EPC：允許企業(yè)使用未來的節(jié)能收益實施節(jié)能項目；（2）EPC能夠幫助企業(yè)排除節(jié)能項目的資金和技術障礙；（3）EPC有助于推動技術上可行、經(jīng)濟上合理的節(jié)能項目的實施（4）EPC降低了目前的運行成本，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，但在具體實施時，必須注意以下幾個關鍵問題：（1）、能耗基準線的確定對節(jié)能項目至關重要，它是計算節(jié)能效益的基礎，也是簽定合同的關鍵條款之一。（2）、節(jié)能量監(jiān)測和節(jié)能效益的確認。采用國家、行業(yè)或地方制訂的標準方法檢測，委托有資質的機構進行第三方監(jiān)測；以雙方認可的方式，得到各方都認可的客觀結果。（3）專業(yè)的節(jié)能機構作為第三方對項目運行全過程進行把關，公平、公正地組織技術、經(jīng)濟、節(jié)能效果評審，對發(fā)改委、改造單位和節(jié)能服務公司負責

目錄7.17.27.37.47.57.67.7第八頁，共100頁。從技術層面來，化工節(jié)能工作應該準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.能源轉換效率最大化3.能源轉換過程最小化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.標準當量能源標準當量是以該物質的燃燒熱值為基準，1Kg標準煤當量=7000大卡，1Kg標準油當量=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“噸標煤/萬元產(chǎn)值”作單位，不同年份進行比較研究時，需將國民產(chǎn)值進行折算，一般以某一年的不變價進行折算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.能源消費彈性系數(shù)能源消費彈性系數(shù)是能源消費的年增長率與國民經(jīng)濟年增長率之比8.需求側管理（DSM）需求側管理是英文DemandSideManagement的翻譯，簡稱DSM，是指對用電用戶用電負荷實施的管理9.能源效率標識能源效率標識是指表示用能產(chǎn)品能源效率等級等性能指標的一種信息標識，屬于產(chǎn)品符合性標志的范疇目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十二頁，共100頁。10.節(jié)能認證11.當量熱值和等價熱值當量熱值又稱理論熱值（或實際發(fā)熱值）是指某種能源一個度量單位本身所含熱量12.溫室效應及溫室氣體溫室效應原是指在密閉的溫室中，玻璃、塑料薄膜等可使太陽輻射進入溫室，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13.循環(huán)經(jīng)濟循環(huán)經(jīng)濟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)計指標是資源生產(chǎn)率（單位資源GDP)14.低碳經(jīng)濟目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十三頁，共100頁。7.2化工節(jié)能技術經(jīng)濟評價7.2.1節(jié)能技術經(jīng)濟評價7.2.2化工節(jié)能技術生命周期評價目錄7.17.27.37.47.57.67.7第十四頁，共100頁。7.2.1節(jié)能技術經(jīng)濟評價節(jié)能措施的技術經(jīng)濟分析，就是要在措施實現(xiàn)以前全面考察其在技術上的可行性與經(jīng)濟效益的優(yōu)劣，進行方案比較，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行節(jié)能技術改造，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)約能源費用5萬元，因節(jié)能技術而增加的年維修費用1萬元，使用壽命8年，設備殘值3萬元；方案B一次性投入30萬元，每年的產(chǎn)生的節(jié)約能源費用7萬元，因節(jié)能技術而增加的年維修費用1.5萬元，使用壽命10年，設備殘值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、簡單補償年限法此方法是最簡單、最基本的經(jīng)濟分析方法。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的標準回收期均為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準補償年限Nb，又小于設備的使用壽命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、標準補償年限內(nèi)的計算費用法兩種或更多節(jié)能措施方案，其技術條件滿足要求，又符合Ns＞Nb條件，可采用計算費用法進行經(jīng)濟分析。設有三種方案，其計算費用分別為C1、C2、C3，用下列公式進行計算：（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，用本方法進行計算時兩個方案的年運行成本數(shù)據(jù)沒有明顯給出，但仔細分析后，可以得到兩方案相對年運行成本數(shù)據(jù)，因為節(jié)能方案都是在原鍋爐上進行技術改在，假設原來的年運行成本為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：比較兩者費用，可知C1>C2，所以方案B優(yōu)于方案A。標準補償年限內(nèi)的計算費用法和簡單補償年限法存在同樣的問題，都沒有考慮資金的時間價值，若技術改造所需費用較大時，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，則應該符合下式條件：（7-3）Aj是第j年節(jié)能項目每年的凈節(jié)約費用，F(xiàn)為節(jié)能項目壽命周期末的殘值，如果節(jié)能項目每年的凈節(jié)約費用相等，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)值收益法計算公式如下：（7-6）其中P為節(jié)能項目壽命周期凈現(xiàn)值收益，如果節(jié)能項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)濟上均可行，但要比較哪個方案更優(yōu)，需要將方案A的計算時間折算到10年，計算過程較復雜，為此引入年度凈收益法，來彌補本方法的缺陷。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行比較計算公式如下：（7-8）其中AP為節(jié)能項目年度凈收益，如果節(jié)能項目每年的凈節(jié)約費用相等，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用，計算公式如下：（7-10）其中β為凈收益-投資比值，AI為節(jié)能項目一次性投資折算成年度均攤費用，計算公式如下：（7-11）如果節(jié)能項目每年的凈節(jié)約費用相等，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)能改造方案進行計算，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、工藝過程或服務系統(tǒng)從原材料的采集和加工到生產(chǎn)、運輸、銷售、使用、回收、養(yǎng)護、循環(huán)利用和最終處理整個生命周期系統(tǒng)對環(huán)境負荷影響的方法目錄7.17.27.37.47.57.67.7第二十八頁，共100頁。2、生命周期評價技術框架圖7-1SETAC的生命周期評價技術框架目錄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)能技術生命周期評價應用策略生命周期評價方法即可已對單個方案進行評價也可以對多個競爭方案進行評價，所以，生命周期評價也可以適用于多個節(jié)能技術方案的優(yōu)化評價。和前面經(jīng)濟評價方法一樣，不同的節(jié)能方案，最后達到的效果應該一樣，評價的基礎和條件和經(jīng)濟評價的方法一樣。比如對用于汽車的不同燃料進行生命周期評價時，其評價的基礎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，在具體應用時應注意以下問題：（1）LCA中所作的選擇和假定，在本質上可能是主觀的，如系統(tǒng)邊界的設置、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)一完善的標準數(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、工程估算或專業(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)能設備與技術分析7.3.1鍋爐節(jié)能技術7.3.2換熱器節(jié)能技術7.3.3泵和風機節(jié)能技術7.3.4熱泵節(jié)能技術7.3.5熱管節(jié)能技術目錄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（一般為水），使工質蒸發(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）各項均除以Q，并用百分數(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)能技術鍋爐節(jié)能可以在管理方面展開以下工作：（2）嚴格給水處理，防止鍋爐結垢（3）清除積灰，提高鍋爐效率（4）防止鍋爐超載，保持穩(wěn)定運行（5）加強保溫、防止漏風、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）做好燃料供應工作，不同的鍋爐供應不同規(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泵和風機節(jié)能技術離心泵的基本方程和離心泵的特性有關。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，其計算公式為：（7-16）離心泵的效率計算公式如下：（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關系，根據(jù)柏努利方程并作一定簡化后，可得所需壓頭和實際流量之間的關系如下：(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量長度

等變量有關，具體的計算公式如下：（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）切割方程當泵或風機的工作情況發(fā)生較大改變時，有時可以通過改變?nèi)~輪的大小，達到調節(jié)流量的目的，當然這種改變需要是季節(jié)性的，而不是頻繁地變動。當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）轉速方程當泵的轉速發(fā)生變化的時候，泵的特性曲線也隨之發(fā)生變化，如果轉速的變化不超過±20%，可直接用下式進行校正：（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、泵和風機的節(jié)能技術（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，但實際情況并非能一直滿足最佳工作點的位置，有時需要對流量作一個較大幅度的調整。調整基本方法有兩種，一種是節(jié)流調整，另一種是變頻調速。已知泵的轉速(即電動機的轉速)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）變頻調速Mn1n2AB

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）葉輪切割當流量小時，使用小葉輪。當流量大時使用大葉輪。具體的更換時間要根據(jù)實際工藝要求而定（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。壓縮機向冷凝器供出之高品位熱量應為蒸發(fā)器所吸收的熱量和壓縮機所消耗的機械功之和，熱泵的能源利用效率為：（7-23）其理論極限可根據(jù)熱力學第二定律推導得到：（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)能技術熱管為一封閉的管狀元件，有一管狀外殼，內(nèi)有起毛細輸送作用的管芯，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）有效熱導非常高。由于熱管的傳熱主要靠工質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)和凝結的空間是分開的，因此可以實現(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管作用來輸送工質，其毛細管原理如圖7-23所示。當工作液體滲人液芯的毛細孔時，由于表面張力σ的作用，在毛細管內(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，為毛細管內(nèi)液體的流動提供了基礎。根據(jù)圖7-23的毛細管的力系平衡原理，如果毛細管內(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，此時其平衡關系式為：即：（7-25）圖7-23毛細管作用原理目錄7.17.27.37.47.57.67.7第五十九頁，共100頁。此壓差是熱管內(nèi)工質循環(huán)的動力。熱管內(nèi)工質的循環(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，還可以用于反應器內(nèi)的熱量傳遞。反應器內(nèi)熱管就是將熱管技術與反應器相結合的一種特殊用途的熱管。它的主要特點是利用熱管的等溫性能使反應器內(nèi)觸媒床層軸向和徑向溫度分布均勻,從而使反應始終在最適宜的反應溫度區(qū)間進行,結果使轉化率提高,副反應減少,觸媒利用率提高、壽命延長;熱管還能及時補充化學反應熱(對吸熱反應)或導出化學反應熱(對放熱反應)。反應器式熱管在反應器中的應用，使得反應器傳熱過程不再制約反應的進行程度，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?；S中常常需要將某些高溫氣體降溫以達到工藝加工的需要，如果采用常規(guī)的換熱可能會帶來諸多問題，這時，可采用高溫熱管蒸汽發(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，從而達到工藝加工的要求。高溫熱管蒸汽發(fā)生器工作原理圖見圖7-26圖7-26高溫熱管蒸汽發(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用于各個領域，尤其在余熱回收方面得到了更為廣泛的應用，它與傳統(tǒng)的換熱器相比，存在以下優(yōu)點：（1）無運動部件，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。熱管換熱設備則不然，它是二次間壁換熱，由熱管群組成的換熱設備，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。低溫時可達零下幾十度，高溫時可達幾千度。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)需要調整熱管冷、熱兩側熱阻的相對大小，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強化傳熱節(jié)能技術強化傳熱技術是許多節(jié)能措施賴以實施的關鍵技術。能夠把盡量多的熱能傳遞給需要加熱的物質或者把盡量多的廢熱回收下來，就可以達到節(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化傳熱措施，提高傳熱系數(shù)。因為傳熱量的大小決定于傳熱系數(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)場事實決定的，無法改變，所以，通過強化傳熱措施，提高傳熱系數(shù)，是提高換熱設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螺旋槽管的外形結構示意圖通過對傳熱實驗的數(shù)據(jù)進行處理得到螺旋槽管的努賽爾準數(shù)Nu與雷諾準數(shù)Re的關系式：（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縱槽管構造及實物圖目錄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)定的強化作用圖7-31橫紋管結構及實物圖目錄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低肋管結構及實物圖目錄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，其結構示意及實物見圖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鋸齒形翅片管結構示意目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十二頁，共100頁。7、T型翅片管T型翅片管結構如圖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型翅片管結構示意圖目錄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。其結構示意及實物見圖7-35圖7-35內(nèi)肋管結構及實物圖該管的強化傳熱機理：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，不僅阻力降比較低，而且由于收縮的變化，使流體在壁面前進的過程中產(chǎn)生正負反壓差，使流體微團沿壁面產(chǎn)生回轉旋渦，從而提高傳熱系數(shù)。隨雷諾數(shù)的增大，傳熱性能增強，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)肋管的強化傳熱效應隨雷諾數(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種強化傳熱管外，還有許多其他強化傳熱管及裝置，如機械加工表面多孔管、激光蝕刻表面多孔管、電化學腐蝕表面多孔管、燒結表面多孔管、微翅片管、菱形翅片管、螺旋扁管、縮放管（擴縮管）、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7.5.1熱泵精餾技術7.5.2內(nèi)部熱集成節(jié)能技術目錄7.17.27.37.47.57.67.7第七十六頁，共100頁。7.5.1熱泵精餾技術熱泵是在精餾過程中一種有效的節(jié)能技術。在熱泵循環(huán)中的冷凝器和蒸發(fā)器是相對工質而言的。熱泵工質在冷凝器中冷凝放出熱量，對物料而言冷凝器實際是相當于加熱器的作用；工質在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收熱量，對物料而言蒸發(fā)器實際是相當于冷卻器的作用。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，通過熱泵技術對該流程中能耗較大的加壓精餾塔作工藝改造，以達節(jié)能目的表7-4常規(guī)流程中再沸器熱負荷及各物料參數(shù)塔壓力/bar物料流量/t·h-1組成/wt%溫度/℃熱負荷/kWMeOHDMC6.5進料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果的準確性。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)實驗數(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。年平均費用定義為：以常規(guī)工藝的能耗為基準，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)能耗及其費用單價的折算數(shù)據(jù)參考GB/T50441-2007-石油化工設計能耗計算標準，具體數(shù)據(jù)見表7-6（取標準油價格為90.80

$/桶）表7-6能耗及其費用價位表項目加壓蒸氣（0.7MPa）冷凝水電能能耗72kg標準油/t0.10kg標準油/t0.26kg標準油/t價格48.05$/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—塔頂蒸氣釜液水熱泵工質流量/（t/h）—34.8960.9113.20工質節(jié)流后壓力/bar—6.502.911.00壓縮機壓縮比—1.952.313.80壓縮機功率—888.71069.21493.3冷凝器熱負荷/kW-8345.0—7503.4-8345.0再沸器熱負荷/kW8342.88342.8—8342.8輔助換熱器熱負荷/kW—-914.0-841.6-1418.5COP*—9.397.805.59總能耗/(噸標準油/年)8453.91877.72252.93165.6操作費用/（106$/y）5.641.251.502.11換熱設備造價/（106$）1.160.740.631.34壓縮機造價/（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)部熱集成塔的結構具有以下六大結構特點：（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)流閥減壓后進入提餾段；（4）精餾段和提餾段之間設有壓縮機，將提餾段頂部出口的氣相加壓，使之能夠進入精餾段；（5）精餾段和提餾段被分成獨立個體，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；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)部熱集成塔的計算模型內(nèi)部熱集成塔是一類新型的蒸餾塔，它相當于把傳統(tǒng)塔從進料處分成兩個內(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進料板54進料量（kmol/hr）100操作壓力