分离过程节能

,第十章 分离过程节能,中北大学化工与环境学院,2011,年,分离工程,分离工程,1,概述,1.1,能源及其分类,能源是指可以直接或通过转换，为人类生产与生活,提供能量和动力,的,物质资源,。,世界能源大会推荐的能源类型有：固体燃料（如煤、焦炭等）、液体燃料（石油、酒精等）、气体燃料（天然气、煤气、氢气等）、水力、电能、核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等。,这些能源能够根据人类的需要转化为热能、机械能、电能、光能、声能及化学能等各种形式而加以利用。,分离工程,能源是经济发展的源动力，是现代文明的物质基础。,由于能源消费急剧增加，造成能源供应紧张；容易被利用的能源资源有限，世界各国都在寻求各种方法更加有效地开发和利用能源。,能源的分类方法很多，按,来源,分为来自地球以外天体的能量（主要是太阳，煤炭、石油、天然气、水能、风能及海洋能）、地球本身蕴藏的能量（地热能及原子核能）及地球与其它天体之间相互作用而产生的能量（潮汐能）；按,转换和利用层次,分为一次能源（自然界存在）、二次能源（电、蒸汽、煤气、焦炭等）及终端能源；按,使用状况,分为常规能源和新能源；清洁能源和非清洁能源。,分离工程,1.2,节能的潜力与意义,化学工业的特点之一就是，煤、石油、天然气等，既是化学工业的能源又是化学工业的原料。化学工业成为工业部门中的第一用能大户。,节能就是应用技术上可行、经济上合理、环境和社会可以接受的方法，来合理有效地利用能源。,节能并不是少用能源，而其实质是充分有效地发挥能源的作用。,节能潜力有两种：一种是节能总潜力；二是可实现的节能潜力。前者是,技术极限值,，重点讨论可实现的节能潜力。,分离工程,节能潜力可从不同角度分析：,（,1,）从单位产值能耗估计节能潜力,我国,GDP,单耗比发达国家高,1,3,倍。,（,2,）从提高能源利用率看节能潜力,目前，我国能源利用效率为,32,，比发达国家低,10,个百分点。基数大，每提高,1,个百分点，可省,150,万吨标煤。,（,3,）从主要产品单位能耗的差距分析节能潜力,合成氨与乙烯高出,1,倍；烧碱高,40,；电石高,20,。,（,4,）从主要耗能设备技术水平分析节能潜力,工业锅炉平均热效率,55,60,，发达国家在,80,。,分离工程,节能的意义：,节能是保持人类社会可持续发展的重要措施，,科学发展观,的内涵：以人为本，全面、协调、可持续发展。,节能有利于环境保护。（灰尘、硫有其它污染物）,节能也就意味着节省宝贵的化工原料（资源）。,节能可促进生产。（生产更多的产品）,节能可降低生产成本，增加利润，提高企业竞争力。,节能可促进管理的改善和技术的进步。,分离工程,1.3,节能的途径,能耗水平是由自然条件、经济体制、经济因素、管理水平、政策倾向、社会因素、技术水平及人的观念等有关。将这些因素归纳为结构节能、管理节能和技术节能。,结构节能,：产业、产品、企业、地区结构等。,管理节能,：宏观调控和企业经营管理。,技术节能,：工艺节能（分离工程、反应工程）、流程节能、化工单元操作设备节能（泵、压缩机、换热设备、蒸发设备、塔设备、分离设备等）及,系统节能,（从宏观系统合理用能的角度出发，所进行的节能工作）。,分离工程,2,分离的最小功和热力学效率,分离最小功表示了分离过程能耗的下限，与组成、压力及温度等因素有关。,可逆时最小,。最小分离功的大小标志着物质分离的难易程度。评价不同方案时，最小功具有重要的意义。,连续稳定分离系统,分离工程,2,分离的最小功和热力学效率,热力学效率是用来衡量有效能的利用率。,分离过程热力学效率的定义为：分离最小功与实际分离过程的有效能消耗（净功耗）之比值。,由于实际分离过程是不可逆的，所以热力学效率必定小于,1,。不同类型的分离过程，其热力学效率不同。,节能的措施就是尽可能采用合理方法减少不可逆因素造成的有效能的损失。,分离工程,3,技术节能途径,3.1,工艺节能,就是通过选择和设计合适的分离过程来节能，包括选择合适的分离方法与分离助剂。,研发更加高效的分离工艺也是节能的重要途径。举例：二氧化碳的脱除，热碳酸钾法,NHD,。,采用多种分离过程的组合可以比只采用一种分离方法过程能耗低，但往往以增加设备投资为代价。但只要总体来讲经济效益明显，就可采用。桔皮直接干燥；压榨多效蒸发干燥空气再利用等。,分离工程,3.2,流程节能,多组份混合物分离顺序的合理选择有助于节能降耗。以精馏过程为例介绍。除简单塔外，可采用多段进料、侧线采出、侧线气提和热耦合等方式构成复杂塔及塔系，综合利用能源。,简单塔分离顺序的合成，分离,4,种混合物，,5,种流程。,确定精馏塔分离顺序的经验法则：按相对挥发度递减的顺序逐个从塔顶分离出各组分；最困难的分离放在最后；各塔的馏出液与釜液的摩尔数尽量接近；分离很高回收率的组分放在最后；进料中含量高的组分提前分离。互相矛盾，需综合考虑。,分离工程,3.3,分离过程与设备的节能,分离过程与分离设备的节能包括动力的产生和输送设备及管路、换热设备等单元分离操作过程的节能。,动力设备包括流体动力设备（泵、风机、压缩机，,匹配、,T,）和热动力设备（锅炉、加热炉等）。对于负荷变化的过程，用转速调节的方法来满足流量及扬程可达到满意的节能效果（变频器的使用）；对热动力设备应控制过量空气、提高燃烧特性、预热燃烧空气、回收烟气余热等。,蒸发设备：预热物料、多效蒸发、热泵蒸发等。,干燥设备：余热回收、排气再循环、减少过量空气。,换热设备：加强保温、防止结垢、采用高效换热设备。,分离工程,3.3,分离过程与设备的节能,塔设备节能：降低压降、减少回流比、预热进料、塔顶余热利用、使用串联塔、采用热泵、采用中间再沸器和中间冷凝器等。,精馏过程节能：,精馏是分离互溶液体的最常用方法，也是化工中最大的耗能操作。精馏过程具有热力学不可逆性，其原因是：,具有压力梯度的动力传递；,一定温度梯度的热量传递或不同温度流体的混合；一定浓度梯度的质量传递或不同化学位物流的直接混合。减小压力降、减少温度差、减少传质过程两相浓度与平衡浓度的差别将有助于节能。,分离工程,精馏过程节能途径：,多效精馏；,热泵精馏；,增设再沸器和中间冷凝器；,预热进料；,塔釜余热利用；,塔顶蒸汽余热的回收利用,（产生低压蒸汽或利用余热发电）,。,分离工程,多效精馏,分离工程,热泵精馏,利用膨胀阀和压缩机改变冷凝和沸腾温度,利用外部制冷剂、压缩塔顶蒸汽、闪蒸塔底流体,分离工程,中间再沸器与冷凝器,分离工程,塔顶蒸汽发电,分离工程,节能的基本经验法则：,（,1,）分离同样量的物质，机械分离过程需要的能量比传质分离过程要小得多，所可将机械分离过程作为预处理。,（,2,）优先使浓度低的组分发生相变；,（,3,）优先选择分离因子高的方案；,（,4,）优先选用能量分离剂；,（,5,）优先选用相变潜热较低的分离剂；,（,6,）平衡分离过程能耗小于速率分离过程；,（,7,）避免过度分离；,（,8,）适当多地采用多级或组合分离；,分离工程,节能的基本经验法则：,（,9,）避免组分或温度不同的物流相混；,（,10,）避免或缩短不稳定操作；,（,11,）加热或冷却时温度不要太高或太低；,（,12,）温度尽量不要远离开常 温；,（,13,）分清热源与冷源的品位，合理使用；,（,14,）避免排出大量过冷或热的物流，再循环利用；,（,15,）注重换热器的开发；,（,16,）如设备压力降为主要能耗时，在设备上改进，以降低设备能耗。,分离工程,3.4,过程系统节能（夹点技术）,过程系统节能的意义,节能工作三个阶段，回收余热（捡浮财）；单个设备（多效、强化）；系统节能。,把整个工厂系统集成起来看作一个有要结合的整体来看待，达到最优化设计。在过程系统节能过程中，夹点技术是最实用与成功的方法。已取得良好的节能效果，投资省,10,左右，可节能,20,50,。夹点技术不只着眼于某几股热流的回收或某一设施及车间改造，节能效果与经济效果显著。,只考虑局部的节能方案是有弊病的。轻者没有达到最好，重者增加投资还增加能耗。,分离工程,夹点的形成及其意义,（,1,）温,-,焓图与复合曲线,物流的热特性可以用温,-,焓图很好地表示。,以温度为纵轴、以焓为横轴。热物流（被冷却）线的走向是从高温向低温，冷物流（被加热）的线的走向是从低温到高温。物流的热量用横坐标两点之间的距离表示，因此物流线左右平移，并不影响其物流的温位和热量。,dQ,C,P,dT,Q=C,P,T=,H,分离工程,Q=C,P,T=,H,分离工程,在过程工业的生产系统中，通常总是有若干冷物流需要被加热，而又有另外若干热物流需要被冷却。对于多股热物流，可合并为一根热复合曲线；对于多股冷流，可合并为一要冷复合曲线。,复合焓温线。,分离工程,（,2,）夹点的形成,当有多股热流和多股冷流进行热交换时，可将所有的热流合并成一要热复合曲线，将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。可分为三种情况。,分离工程,（,2,）夹点的形成,当有多股热流和多股冷流进行热交换时，可将所有的热流合并成一要热复合曲线，将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。可分为三种情况。,分离工程,（,3,）夹点的意义,夹点是冷热复合温焓线中传热温差最小的地方，此处热通量为零。夹点的出现将整个换热网络分成了两个部分：夹点之上和夹点之下。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；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；在夹点处，热流量为零。,分离工程,如果在夹点之上设置冷却器，用冷却公用工程移走部分热量，根据夹点之上子系统的热平衡可知，这部分热量必然由加热公用工程额外输入，结果加热和冷却公用工程量均增加了。同时，如果在夹点之下的热源子系统中设置加热器，加热和冷却公用工程用量也均相应增加。,如果发生跨跃夹点的热量传递，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。,分离工程,因此，为达到最小加热和冷却公用工程量，夹点方法的设计原则是：,夹点之上不应设置任何公用工程冷却器；,夹点之下不应设置任何公用工程加热器；,不应有跨跃夹点的传热。,此外，夹点是制约整个系统通量性能的“瓶颈”，它的存在限制了进一步回收能量的可能。如果有可能通过调整工艺改变夹点处物流的热特性，例如使夹点处热物流温度升高或使夹点处冷物流温度降低，就有可能将复合曲线进一步左移，从而增加回收的热量。,分离工程,最优夹点温差的确定,在换热网络设计过程中，夹点温差是一个关键的因素。,夹点温差越小，热回收量越多，则所需的加热和冷却公用工程量就越少，运行中能量费用越少。,但夹点温差小，整个换热网络各处的传热温差均减小，使换热面积增大，造成网络投资费用的增大。,分离工程,最优夹点温差的确定,实际操作过程中，夹点温差的确定方法主要有：,根据经验确定，此时需要考虑公用工程和换热器设备的价格、换热工质、传热系数、操作弹性等的影响；,在不同的夹点温差下，综合不同的换热网络，然后比较各网络的总费用，选取费用最低的网络所对应的夹点温差；,在网络综合之前，依据冷热复合温焓线，通过数学优化估算最优夹点温差。,分离工程,夹点技术的应用范围及其发展,夹点技术适用于过程系统的设计和节能改造。过程系统就是过程工业的生产系统。,所谓过程工业就是指以处理物料流和能量流为目的的行业，如化工、冶金、炼油、造纸、水泥、食品、医药、电力等行业。,在过程工业的生产系统中，从原料到产品的整个生产过程，始终伴随着能量供应、转换、利用、回收、生产、排弃等环节。,过程控制专业主要学科是化工原理。,分离工程,夹点技术的应用范围及其发展,从系统工程的角度来看，过程工业的生产系统可以分为工艺过程子系统、热回收热交换网络子系统和蒸汽动力公用工程子系统。,夹点技术最初源于回收换热网络的优化集成，然后扩展到蒸汽动力公用工程子系统，而后又进一步发展成为包括热回收换热网络子系统和蒸汽动力公用工程子系统的总能系统。另一方面，应用夹点技