化工节能减排教案介绍_化工节能减排技术教案
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《化工节能减排技术》
什么是能量？
狭义上讲：能量是物质运动转换的量度，表征物理系统做功的本领。广义上讲：“能量是产生某种效果（变化）的能力”。
包括：机械能（如动能、势能、声能等）、热能、电能、辐射能、化学能、核能。
按有无加工转换，可将能源分为三类：
（1）一次能源：自然界中存在的、未经加工或转换的能源。如原煤、石油、天然气、天然铀矿、水能、风能、太阳辐射能、海洋能、地热能、薪柴等。（2）二次能源：为满足生产工艺或生活上的需要，由一次能源加工转换而成的能源产品。如电、蒸汽、煤气、焦炭、各种石油制品等。
（3）终端能源：通过用能设备供消费者使用的能源。二次能源或一次能源一般经过输送、存储和分配成为终端使用的能源。
节能的途径：（1）结构节能
我国的单位产值能耗之所以高，除技术水平和管理水平落后外，经济结构不合理也是重要的原因。因而需优化经济结构，包括产业结构、产品结构、企业结构、地区结构等。（2）管理节能
宏观调控层次：完善法制建设、制定与贯彻合理的经济政策（价格、投资、信贷、税收）
企业经营管理层次：简历健全能源管理机构；建立企业的能源管理制度；合理组织生产；加强计量管理。（3）技术节能
包括，工艺节能、单元操作设备节能、化工过程系统节能（是指从系统合理用能的角度，把整个系统集成起来作为一个有机的整体对待）和控制节能。
平衡状态
在不受外界影响的条件下，系统宏观性质不随时间改变的状态称为平衡状态。所谓不受外界影响，是指系统与外界没有任何相互作用。平衡状态并不只是简单地不随时间改变的状态。注意区别平衡状态和稳定状态。
在没有外界影响时，系统也不一定处于平衡状态。满足力平衡、热平衡、化学平衡的状态才是热力学平衡状态。
描写系统宏观状态的物理量称为状态参数。状态参数是状态的单值函数，系统的状态一定，其状态参数也一定；状态变了，状态参数也将全部或部分地变化。状态参数具有点函数的性质，即其变化取决于初、终态，而与其间的路径无关。
热力系统的基本状态参数为温度、压力和比容，其它的状态参数还有内能、焓、熵和㶲等。
按状态函数的数值是否与物质的数量有关，将其分为广度量（或称广度性质）和强度量（或称强度性质）。
一个系统从某一状态出发，经过过程A到达另一状态，如果有可能使过程逆向进行，并使系统和外界都恢复到原来的状态而不遗留下任何变化，则过程A称为可逆过程。
注意：有限温差作用下的传热过程不可逆。不可逆并不是指不能恢复初态，而是指不能在不影响环境的前提下恢复初态。
有限压差的膨胀或自然消失不可逆。
化学不平衡势而引起的混合、化学反应、扩散、渗透和溶解中的物质迁移等过程不可逆。
孤立系统或绝热系统的熵可以增大，或保持不变，但不可能减少。
当孤立系统的熵增大时，说明发生了不可逆变化;孤立系统的熵理想下也可以保持不变，对应着可逆过程;但孤立系统的熵决不能减小。
卡诺热机效率：
T高温热源T低温热源RT高温热源
㶲即“有效能”，指在周围环境条件下，任一形式的能量中能够转换为有用功的那部分能量。当物系处于自然环境状态时，即物系与自然环境建立了完全热力学平衡时，就不再有任何自发过程发生，因而其㶲值为零。所以，自然环境是㶲的自然零点。第3章
要减少流体流动的㶲损失，就要尽可能减少流动过程的压力降。流动过程的压力降是由局部阻力损失和沿程阻力损失导致。要减少局部阻力损失，就要求尽可能减少管道上的弯头和缩扩变化，减少阀门等管件的数量。要减少沿程阻力损失，可以适当加大管径(即减小流速)以减少阻力等。
当离心泵安装在一定的管路上时，其所提供的压头与流量必须与管路所需要的压头和流量一致，因此，离心泵的实际工作情况由泵的特性和管路特性共同决定。将离心泵的特性曲线与管路特性曲线绘在一张图上，交点即离心泵的工作点。见下左图。
对离心泵进行流量调节的几种方式：
（1）开关阀门的方式，则是在不改变离心泵工作特性的情况下，通过改变管路特性来改变流量。管路特性曲线，反映流量与管道阻力间的关系。关小阀门，则在同样的压头下减少流量，或者在同样流量下增加压头。见上右图。
开关阀门的方式进行流量调节优点：调节迅速方便，流量可连续变化；
缺点：流量阻力加大，要多消耗动力，不经济。
（2）采用调节离心泵转速来调节流量。
优点：流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低，节能；缺点：需要变速装置或价格昂贵的变速电动机。
（3）采用不同的叶轮外径。适用于调节幅度大、周期长的调节。比如供暖设施。
换热过程中㶲损失量：
dE1T0(THTL)/(THTL)Q
可以看出，㶲损失量取决于冷热流体的温差，而且取决于冷热流体温度的乘积。
要减少传热㶲损失，首先要设法减小传热温差，尤其是低温换热设备，要采用较小的传热温差，以减少㶲损失。高温换热时温差可以大一些，以减少换热面积。
蒸发操作时，采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气。为了区别，将加热的蒸汽称为加热蒸汽，而由溶液蒸发出来的蒸汽称之为二次蒸汽。
二次蒸汽的温位一定低于加热蒸汽，是由于：（1）传热需要一定的温差作为推动力。所以汽化温度必低于加热蒸汽的温度;（2）在一定的压力下，被蒸发的溶液往往含有溶质，溶质的存在造成溶液的沸点升高。
蒸发节能的关键在于对于二次蒸汽能量的利用。按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。
多效蒸发时，1kg生蒸汽在第一效中约可产生1kg的二次蒸汽，将此1kg二次蒸汽引入第二效又可蒸发约1kg水，即在不考虑热损失的情况下，1kg生蒸汽在进行n效蒸发时，理论上约可以蒸发出n kg水。从而可以大幅度提高蒸汽的能量利用率。但多效蒸发需要的换热面积也会成倍增加，即设备投资会大幅度上升。
多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有： 并流： 溶液与蒸汽的流向相同，称并流。逆流： 溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。
错流： 溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。
平流： 每一效都加入原料液的方法。
下图的节能方式为“二次蒸汽的再压缩”，即热泵技术。实现时，将二次蒸汽压缩，升温升压至温度高于蒸发温度时，再用作加热蒸汽。常见的二次蒸汽的压缩方式有：机械压缩机压缩和蒸汽动力压缩两种方式。前者用机械压缩机实现，后者用蒸汽喷射器实现。机械压缩式的节能效果更好。
精馏过程是一个不可逆过程，其中的㶲损失是由下列不可逆性引起的: ①流体流动阻力造成的压力降;②不同温度物流间的传热或不同温度物流的混合;③相浓度不平衡物流间的传质，或不同浓度物流的混合。
压差、温差和浓度差均是相应过程的推动力。推动力越大，不可逆性也越大，㶲损失就越大。囚此，减少㶲损失的关键在于减小推动力。比如下图中，操作线越靠近平衡线，精馏过程的不可逆损失就越小、精馏过程所需要的能量就越少。但操作线越靠近平衡线，所需塔板数就增加，使得投资增大。
精馏的主要节能措施：
预热进料
塔釜液余热的利用（可以减压闪蒸出蒸汽来利用等）
塔顶蒸汽余热的回收利用（直接利用，比如产生低压蒸汽；余热制冷，比如采用吸收式制冷装置（例如溴化锂制冷机）产生冷量；余热发电，用塔顶余热产生低压蒸汽驱动透平发电。）
多效精馏 热泵精馏 减小回流比
增设中间再沸器和中间冷凝器 多股进料和侧线出料
热耦精馏。
下图是多效精馏的两种实现方式。
热泵精馏的原理与热泵蒸发类似，即将二次蒸汽经压缩后，使蒸汽升温升压，增加热焓后作为加热蒸汽使用，充分利用蒸汽中的潜热。方式：压缩机方式、蒸汽喷射泵方式。下图是压缩机式热泵的实现流程。
化工生产中反应和分离两种操作通常分别在两类单独的设备中进行。若能将两者结合起来，在一个设备中同时进行，将反应生成的产物或中间产物及时分离，则可以提高产品的收率，同时又可利用反应热供产品分离。达到节能的目的。
反应精馏就是在进行反应的同时用精馏方法分离出产物的过程。对于可逆反应，当某一产物的挥发度大于反应物时，如果将该产物随时从液相中蒸出，则可破坏原有的平衡，使反应继续向生成物的方向进行，因而可提高单程转化率。在一定程度上变可逆反应为不可逆。反应精馏优点:
①破坏可逆反应平衡，可以增加反应的转化率及选择性，反应速度提高，因而生产能力提高；
②精馏过程可以利用反应热，节省能量；
③反应器和精馏塔合成一个设备，可节省投资；
④对于某些难以分离的物系，可以获得较纯的产品。
上图是工艺物流在温焓图上的表示。线段的斜率为物流热容流率的倒数，热容流率值越大，直线越平缓。线段在图中水平移动并不改变其对物流热特性的描述，因为水平移动时物流的初始温度、目标温度以及热量不变。
物流热容流率 即物流质量流率与比热容的乘积，表示工艺物流单位时间内每变化1K所发生的焓变。
上图中，前两股物流形成的复合曲线为第三股，有：⊿H3=⊿H1+⊿H2
当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将所有的热流合并成一根热复合曲线，所有的冷流合并成一根冷复合曲线，然后将两者一起表示在温—焓图上。在温—焓图上，冷、热复合曲线的相对位置有三种不同的情况。
冷热复合曲线在H轴方向没有重合——过程的能量没有回收，全部用公用工程来进行冷却和加热。加热所提供的热量和冷却所提供的冷却量最大。
冷热复合曲线在H轴方向部分重合——过程的能量有部分回收△Hr，回收热量的程度由最小接近温差决定，其余部分用公用工程来进行冷却和加热。
冷热复合曲线在某点重合——此时回收的热量最大，公用工程用量最小，但重合点的传热温差为零，所需的传热面积为无限大。
需了解问题表格法求取夹点的一般步骤: ①
划分温度区间
以冷、热流体的调整温度为标尺，划分温度区间。
热流体，下降1/2个夹点温差；
冷流体，上升1/2个夹点温差。
保证在每个温区内热物流比冷物流高ΔTmin，满足传热的需要。② 温区热平衡计算，确定加热量和冷却量 ③ 计算外界无热量输入时各温区之间的热通量。
④ 为保证各温区之间的热通量＞0，确定所需外界加入的最小热量，即最小加热公用工程用量，而由最后一个温区流出的热量，就是最小冷却公用工程用量。⑤计算外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的热通量。
温区之间热通量为零处，即为夹点。
夹点位置的特点：
冷热复合温焓线中传热温差最小的地方，此处热通量为零。
夹点之上是热端，只有换热和加热公用工程，没有任何热量流出，可看成是一个净热阱； 夹点之下是冷端，只有换热和冷却公用工程，没有任何热量流入，可看成是一个净热源，在夹点处，热流量为零。
为达到最小加热和冷却公用工程量，夹点方法的设计三原则是：(1)夹点之上不应设置任何公用工程冷却器；(2)夹点之下不应设置任何公用工程加热器；(3)不应有跨越夹点的传热。
如果发生跨越夹点的热量传递，即夹点之上热物流与夹点之下冷物流进行换热匹配，则根据夹点上下子系统的热平衡可知，夹点之上的加热公用工程量和夹点之下的冷却公用工程量均相应增加。
评价换热系统的经济性时需考虑总费用，包括设备投资费用和运行费用（冷热公用工程费用等)。换热网络优化的最终目标一般是年度化总费用最小化。
要了解几点关系： １、夹点温差必须大于工程上所能实现的最小温差。否则需要的换热面积就无限大，工程上实现不了。
２、夹点温差越小，则系统所需的最小公用工程用量越低。但夹点温差减小时，相应的设备换热面积需增加。即夹点温差减少，导致运行费用降低，但设备投资会增加。３、换热设备的单元数目对设备投资的影响要大于换热面积。即要减少设备投资时，应尽量考虑减少换热器的台数。
要实现热量的充分利用，减少系统能耗，则需尽量降低夹点温差，且在夹点之上不设置冷却器、夹点之下不设置加热器，没有跨越夹点的传热。这样，势必增加换热面积和增加换热单元数目。
换热网络的最小单元数目由欧拉通用网络定理来描述：
U —— 换热单元数目；换热器、冷却器、加热器；
N —— 流股数目；工艺物流、加热和冷却公用工程；
L —— 独立的热负荷回路数目；
S —— 不相关子系统的数目。
一般情况下：系统不能分离为子系统，S=1；消除回路，避免多余换热单元，L=0，则有： Umin=N＋L－SUmin=N－1
通常所说的换热单元数目目标，是指把整个换热网络作为一体对待时的最小换热单元数目。但在追求热量目标的情况下，没有热量跨越夹点传递，换热网络的最小换热单元数目为夹点之上和夹点之下两子系统最小换热单元数目之和。
进行换热网络设计时，一般先以能量需求最小化为目标设计初始网络，即设计的初始网络是最大热回收网络。然后再进行优化调整。
设计最大热回收的初始网络时，确定好夹点后，分别对夹点之上和夹点之下进行物流匹配。物流匹配时要遵循的准则：
（1）物流数目准则：夹点之上，要保证NH ≤
NC，不满足时，需要进行分流，远离夹点位置该准则可忽略。夹点之下正相反。
（2）热容流率准则：要相匹配的冷热物流在夹点附近要符合CPH ≤ CPC，远离夹点位置该准则可忽略。夹点之上，需要减小热容流率，可通过分流实现。夹点之下正相反。另外匹配时要遵循：经验规则1 一次换热处理完一股物流； 经验规则2 匹配物流热容流率应相近。
夹点之上物流匹配流程：
夹点处物流数据NH ≤ NC是需进一步分流否否分流一股冷流CPH ≤ CPC每两股匹配物流进行比较是可行初始网络
夹点之下物流匹配流程：
夹点处物流数据NH ≥ NC是需进一步分流否否分流一股热流CPH ≥ CPC每两股匹配物流进行比较是可行初始网络
初始网络设计好后，要根据情况，通过减少热负荷回路，即合并换热器等方式来减少换热单元数目。换热器合并后，需要检查温差是否符合要求。
什么是能量松弛：
采用适当增加公用工程用量来维持最小传热温差的方法，就是把换热网络从最大能量回收的紧张状态下“松弛”下来，调整参数，使能量回收减少，公用工程消耗加大，传热温差也加大。
对于只需要加热公用工程的阈值问题，可以将其视为只有夹点之上部分，应从低温侧开始设计，以保证较低温度下的热流体的热量能传给冷流体;对于只需要冷却公用工程的阈值问题，可以将其视为只有夹点之下部分，应从高温侧开始设计，以保证较高温度下的冷流体能从热流体获取热量。
精馏序列综合的一些经验法则:
①将最困难的分离放在最后。所谓最困难的分离，是指关键组分相对挥发度接近1的分离，以及显示共沸特性的分离。
②直接序列优先。即优先考虑将最较组分从各塔塔顶一一取出的序列。
③首先取出进料中分率最大的组分。
④优先考虑单塔塔顶和塔底产品之间的等摩尔分离。
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