化工节能技术之能量传递过程的节能

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,安徽职业技术学院,化工节能技术,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化工节能技术,汪莉,TEL:15856917274,第四章 能量传递过程的节能,目 录,传热节能的理论基础,传热方程与传热节能,传热效率与传热单元及其合理选取,蒸发操作的节能,各种干燥装置,目 录,蒸发操作的节能,蒸发过程的热力学分析,传热过程的节能,干燥过程的节能,干燥介质对干燥过程的影响,正确选择影响干燥过程的因素,第一节 传热过程的节能,化工生产中传热的目的在于：,控制化学反应过程在一定的温度下进行；,加热与冷却，使物料达到指定的温度；,换热，以回收利用热量；,保温，以减少热损失。,一、传热节能的理论基础,有效能的利用与损耗是评价换热过程经济性的重要指标。对于稳定传热过程，传热速率为,Q,，则,高温流体的有效能：,低温流体的有效能：,传热过程的有效能损失为：,传热过程的有效能效率：,可见：,有效能能损失愈大，有效能效率愈小，能量的降级愈大。例如热流体,300,0,C,，冷流体,270,0,C,（自,250,0,C,预热至,290,0,C,）的油品，环境温度,25,0,C,，有效能损失,5.6%,，有效能效率,94.4%,；当冷流体为,25,0,C,的空气时，有效能损失,93.2%,，有效能效率仅,6.8%,；,6,传热过程的温差愈大，有效能损失愈大。因此，对于增大温差提高传热速率的设备，存在节能潜力；,有效能损失与热力学温度成反比，对于深冷工程尤为重要；,若,T,l,=T,0,，因为,Q,与（,Th-T0,）成正比，因此有效能损失与,(T,h,-T,0,),2,/T,h,成正比，反映了保温工作的重要性；,减小传热温差，会降低传热速率，就必须提高,K,。,7,换热器的热能图,T,Q,a,b,c,d,0,T,0,/T,热有效能图,根据此原理，任意换热过程均可表示在图上，有效能和有效能损失一目了然。,8,4,、换热器的节能与经济效益,（,1,）换热过程中不同热载体温度的有效能损失,有效能损失是衡量换热器节能与经济效益的重要指标之一。,对给定的换热器，传热面积一定，为满足一定工艺热负荷要求，所需传热温差为：,9,对逆流换热器：,对所需的传热温差，各温度可相互推算，不同的热载体温度（,T,1,、,T,2,），有效能损失不同。因此，生产上既要满足工艺要求，又应使有效能损失最小。,如一工艺物料，从,0,0,C,预热至,100,0,C,，维持传热温差,50K,，不同温度热载体有效能损失如下表：,换热器的节能与经济效益,10,热流量（相对值）,有效能损失,(,相对值,),0 100 200 20 50 0.56 0.135,0 100 175 31 50 0.69 0.126,0 100 150 50 50 1.00 0.125,0 100 125 88 50 2.70 0.142,0 100 120 100 50 5.00 0.15,换热器的节能与经济效益,可见：选用,150,0,C-50,0,C,的载热体最节能，因为传热过程的有效能损失最小。,11,经济排热温度：,对于温度为,T,1,的热流体，在换热过程中存在着,最经济的排出温度,T,2,。热流体可提供的热量（可回收的热量）,:,若用平均温度计算有效能，则：,（,2,）换热器的节能与经济效益,Q,T,T,1,T,2,t,1,t,2,逆流换热器,假设传热温差为,，则流体的平均温度：,12,则有效能的计算可写成：,单位热容量流率的有效能为：,单位热容量流率的传热面积为：,假设余热回收中有效能的单价为,k,1,，设备折旧费单价为,k2,，则该换热器的净收益为：,13,上式对,T,2,求偏导：,整理得：,令 ，得最适宜的排放温度：,表明：当能量费用,k,1,愈大，,设备折旧费用,k,2,愈小时，,则排放温度,T,2,愈低。,故排放温度，应根据具体,情况综合予以考虑,14,（,3,）换热器的经济衡算：,化工生产中，工艺预热的回收是众所周知的问题。如下图所示：,1,2,W,、,t,1,、,C,P,t,t,2,T,L,、工艺余热,T,h,、新鲜高压蒸汽,废热回收利用换热过程,换热器的节能与经济效益,流率为,W,的冷流体从温度,t,1,预热到,t,2,，,如果仅用换热器,2,，全部用新鲜蒸汽加热，,换热量为：,所需蒸汽的费用：,S,h,新鲜高压蒸汽的价格，元,/,千焦；,换热器全年工作时间，小时。,15,所需传热面积：,换热器的节能与经济效益,换热器的设备投资折旧费用为：,S,f,换热设备投资费用单价，元,/,米,2,年。总成本：,16,若采用余热回收联合方案时，系统中增加了一台换热器，换热器,1,、,2,间的温度为,t,，而,t,的选取将直接影响系统的经济性。,1,2,W,、,t,1,、,C,P,t,t,2,T,L,、工艺余热,T,h,、新鲜高压蒸汽,废热回收利用换热过程,换热器的节能与经济效益,17,当采用联合方案时，对于换热器,1,，余热的费用为：,式中：,S,l,废热（设为恒温）的单价，元,/,千焦。,换热器,1,设备折旧费为：,换热器的节能与经济效益,则第一台换热器的成本为：,18,对于第二台换热器，其蒸汽费用为：,换热器投资的折旧费用为：,第二台换热器的成本为：,19,联合系统的总成本：,为了获得最经济的温度,t,，,C,对,t,求导：,当,dC/dt=0,时，系统的总成本最低，则,由此式可求出,最适宜温度,t,，一般在,t,1,与,t,2,之间。,若,t,接近,t,1,，余热回收的意义不大；,若,t,接近,t,2,，用新鲜蒸汽就显得有些浪费。,20,例：,某工艺物料，需从,340K,预热到,395K,，全年工作时间为,8000,小时,/,年,，换热器的传热系数均为,0.3kW/(m,2,K,),。设备折旧费为,S,f,=500,元,/,（,m,2,年,），,高压蒸汽温度,440K,，其费用为,S,h,=50,元,/,吨蒸汽。现有温度为,380K,的余热蒸汽可利用，此蒸汽的费用为,S,l,=8,元,/,吨蒸汽,。若该工艺物料生蒸汽加热改造成为由废蒸汽、生蒸汽联合加热方案，,比较此两种方案的经济性。,21,1,2,W,、,t,1,、,C,P,t,t,2,T,L,、工艺余热,T,h,、新鲜高压蒸汽,废热回收利用换热过程,解：,系统图示如下,则：,22,工艺物料仅用新鲜蒸汽加热方案：,消耗蒸汽费用、,设备折旧费用、,传热面积、总成本：,2.,新鲜蒸汽与废蒸汽联合加热方案：,先应求出最经济的中间温度,t,。,23,解得：,t = 377.35K,。,第一台换热器：,第二台换热器：,24,联合总成本：,联合方案所需费用同原方案相比较为：,25,二、传热方程与传热节能,稳定传热过程,传热基本方程：,可见要提高传热速率：,提高传热系数,K,；,增大换热面积,A,；,增大传热平均温差。,1,、提高传热系数以强化传热,对于洁净的换热器：,第二项与管子的材料有关，对于金属管，管壁的热阻可忽略不计。主要是增大管壁两侧的传热膜系数。,其中,1,，,2,为管壁,两侧的传热膜系数，,为管道的导热系数，,H,为管道的厚度。,26,2,、扩展传热面积以强化传热,采用肋片管、螺纹管、波纹管、板式换热器、板肋式换热器等。,3,、增大传热平均温差,逆流操作，传热平均温差最大。但生产工艺确定以后，一般不作较大改进，同时温差增大，有效能损失增大，适宜的传热温差，视情况而定。,二、传热方程与传热节能,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,1,、传热效率,换热器的热效率指：,实际传热速率与理论上最大可能传热速率之比值。,对于无相变、无热损失的稳定传热过程，若所涉及的温度范围内两流体的定压热容变化不大，则传热速率为：,两流体间理论上最大可能的传热量为：,当热容量流率 时：,则，此时的热效率为：,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,当冷流体为沸腾液体时，,T=0,，表观热容量流率,G,c,C,Pc,为无限大，热效率按此式计算。,29,当热容量流率 时：,则，此时的热效率为：,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,当热流体为饱和蒸汽时，,T=0,，表观热容量流率,G,h,C,Ph,为无限大，热效率按此式计算。,30,2,、传热单元数,在换热器中对微元传热面积,dA,的传热速率可写成：,对面积为,A,的整个换热器，传热单元数,NTU,由下式确定：,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,31,传热效率与传热单元数关系,令：,或,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,32,传热效率与传热单元数间关系经推到得如下关系式。,对逆流操作换热器：,或,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,33,对并流操作换热器：,或,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,34,为便于工程计算，往往将 三者间的关系绘制成图，如图,4-6,所示。,要提高传热效率，必须增加传质单元数；,余热回收的效率与设备投资应综合经济考虑；,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,提高传热系数,K,， 可有效地提高传热效率；,当传热单元数增大到一定值后，对传热效率的影响很小，因此传热单元数有一最适宜值，一般为,5,较合适；,t,2,越高，热效率越高，操作费用越少，但传热平均温差越小，传热面积越大，设备投资大。,t,2,越小，有效能损失越大，能量利用效率低。,三、传热效率与传热单元数及其合理选取,四、传热的节能与强化途径,1,、改进工艺装置、提高燃料的热利用率,合理利用能源，采用热,电联合装置；,改进工艺，提高热能利用率；,如由三效改为四效蒸发、单效改多效蒸馏、精馏系统利用热泵等。,37,2,、热量充分回收利用,（,1,）有效利用工厂中大量低位热能；,据统计化工企业所消耗总热量的,80%,左右，最终以低品位热能形式排放。利用如：预热物料（精馏顶、侧、底产品的显热及潜热）、预热锅炉给水（烟道气）。,作为干燥过程的热源；,作为溴化锂制冷的热源；,利用喷射泵提高二次蒸汽的压力；,利用低沸点介质发电。如利用异丁烷、戊烷、氟利昂等，热源为,150,0,C,。,四、传热的节能与强化途径,（,2,）化学反应热的充分利用,如：硫酸厂废热锅炉、甲醇氧化制甲醛、氨合成余热锅炉,3,、减少热量传输过程中的热损失,（,1,）减少设备、管道的热损失。,一根一米长裸露的四英寸的蒸汽管道，每小时将冷凝,2-5kg,蒸汽。,（,2,）降低换热器的传热温差，但必须强化传热系数。,四、传热的节能与强化途径,4,、减少换热器的压降损失，降低动力消耗。,要合理选择流体流速。,5,、加强企业管理，杜绝跑、冒、滴、漏。,39,6,、提高传热系数,K,值。,传热膜系数、管壁污垢、层流底层厚度、沸腾过程增大传热面的汽化核心及生成气泡的频率、蒸汽冷凝减少冷凝液膜厚度、流体中加入表面活性剂。,7,、采用新型高效的传热元件与传热设备,目的：,减少传热面积、提高换热能力、维持较小的传热温差。,（,1,）换热表面粗糙法：横纹管、螺纹管等；,（,2,）流体旋转法：管内插入扭带、螺旋叶片、螺旋线圈、螺纹管等；,（,3,）换热表面扩展法：各种形状的肋片管等；,四、传热的节能与强化途径,40,（,4,）换热表面特殊处理法：,多孔换热面，可提高沸腾传热系数,2-20,倍、甚至,50,倍，传热温差较普通的低得多，目前主要用在海洋发电、普冷、深冷、天然气液化、乙烯分离等的蒸发器与再沸器。,（,5,）采用新型高效的换热设备：,一般管壳式（每立方米传热面积）,150m,2,/m,3,，板式,1500m,2,/m,3,，板肋式,5000m,2,/m,3,。板翅式换热器,250-4000m,2,/m,3,，重量为管壳式的,1/10,。,四、传热的节能与强化途径,41,