化工节能原理与技术复习

期末考试题型：

1.名词解释：4*5分；

2.问答题：9*7分； 3.计算题：17分。 复习： 绪论

1.我国能源利用现状？

① 经济发展速度快，经济发展水平低； ② 能源消费总量大，人均能耗低；

③ 能源消费结构以煤为主，脱离世界能源消费的主流； ④ 能源消费引起的污染物排放，已使环境不堪重负；

⑤ 能源资源相对匮乏，长期能源供应面临严重的短缺，需要大量进口，引发能源安全问题；

⑥ 能源利用效率低，能源浪费严重，存在巨大节能潜力。 2.何谓节能？

加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理、以及环境和社会可以承受的措施减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效合理的利用能源。

第一章

1.1 能源与能源的分类

能源（3）地球和其他天体相互作用的能量：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。 四种分类方法：

1按来源分类

能源按来源可分成三类：

来自地球以外天体的能量生物质能煤炭、石油、天然气、水能、风能、海洋能；主体：太阳辐射能，目前所用能源的绝大多数。

（2）地球本身蕴藏的能量 地热能、核能

（3）地球和其他天体相互作用的能量 潮汐能

2按能源的转换和利用层次分 一次能源、二次能源、终端能源

（1）一次能源：自然界自然存在的未经加工或转换的能源。如石油、天然气、风能等。又分为可再生能源(如风能、生物质能、水能、太阳能等）和非再生能源（石油、天然气、煤炭等化石燃料及核燃料）

（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形成的能源产品。如电、煤气等。

（3）终端能源：通过用能设备供消费者使用的能源。1.1.2 能源的分类终端能源有5类：固体燃料（煤、焦炭、型煤等）、液体燃料、气体燃料（天然气、液化气、煤制气等）、电力、热力。

3.按使用状况来分

（1）常规能源:开发技术较成熟、生产成本较低、大规模生产和广泛利用的能源。如煤炭、水力、石油、天然气等。

（2）新能源：目前尚未得到广泛使用，有待科学技术的发展，以便将来更经济有效开发的能源。如太阳能、地热能、潮汐能、风能、生物质能、原子能等。

目前生物质能的利用越来越受到关注。例如秸秆气化，生物制氢，能源植物利用等。 4.按对环境的污染程度分

（1）清洁能源：大气污染物和温室气体零排放或排放很少的能源，主要有三类：可再生能源（如太阳能、风能、水力、海洋能）；氢能和先进核能等。

（2）非清洁能源：污染大的能源，如煤炭、石油等。

1.2化学工业节能的潜力与意义

1.我国化学工业的特点(4)

（1）主要常规能源（煤、石油、天然气）既是能源又是原料 （2）能源消费以煤为主

后果：能耗上升、污染严重两项相加：占产品成本的25%-40%。特例：氮肥工业达70%-80%

（3）工艺与动力系统紧密结合是现代化工的主要特点化工生产常在较高温度和压力下操作，有的甚至采用电解、电热等操作方式，对热能和电能需求量大，吸热、放热频繁；加压、加热和冷却动力普遍。

（4）大宗化学品生产规模小。 2.节能的潜力（4）

（1）从单位产值能耗估计节能潜力，我国是世界上单位GDP能耗最高的国家之一。

（2）从能源利用率看节能潜力

①全国能源利用率约33%，比先进国家低10个百分点（2009年数据）； ②开采运输后系统总效率不到10%，不足发达国家一半。

节能潜力巨大：若我国化学工业的能源利用率提高1%，也能节省150万吨标煤！

（3）从主要产品单位能耗的差距分析节能潜力； （4）从主要耗能设备技术水平分析节能潜力

①工业锅炉：平均热效率55~60%；发达国家：80~90%； ②氯碱蒸发工序：能耗相差一倍以上； ③通用设备（风机、水泵、电机）：低于国外。 ④煤炭气化：国内平均60~90%；国外，80~90% 3.节能的意义（8）

（1）我国国民经济发展需要

高速发展时期，能耗量大幅度升高不可避免。合理、有效利用能源是国民经济持续、快速、健康发展的可靠保证。

（2）资源有限，节能是国民经济持续发展的保证；11%，1/2。 （3）能源开发需要大量资金和较长周期；

（4）节能有利于保护环境可减少与能源开采相关的消耗及污染物排放；我国的主要污染来自于能源消费

（5）煤、石油、天然气即是能源又是原料节能意味着节约原料； （6）节能可促进生产同样能源、更多产品；

（7）节能可降低成本降低能源成本，则产品成本下降； （8）节能能促进管理的改善和技术的进步。

1.3节能的途径

1.结构节能（4种结构） （1）产业结构 不同行业、不同产品对能源的需求很不相同。发展省能工业（仪表、电子），减少耗能工业（钢铁、化肥），则国家产业结构会朝省能方向发展。（合理配置）

（2）产品结构

产业结构向省能型发展。产品结构也应向高附加值、低能耗的方向发展。这些化工类行业有石油化工、精细化工、生物化工、医药工业及化工新型材料等。

（3）企业结构

调整生产规模结构是节能降耗的重要途径。

大企业较之于中、小企业能耗低。因此，有计划、有步骤的调整企业组织结构，新建厂应当有经济规模的限制。缺乏竞争力的小企业应关、停、并、转。

（4）地区结构

地区结构的调整主要是指资源的优化配置，调整部分能耗型工业的地区结构。如乙烯生产基地应靠近油田或大型炼油厂。

2.管理节能（2个层次）

1.宏观调控层次(从国家层面上进行调控） （1）完善法制建设出台《节能法》

（2）制定与贯彻合理的经济政策价格政策、投资、信贷、税收等向节能技术倾斜。

2.企业经营管理层次

（1）建立健全的能源管理机构 （2）建立企业的能源管理制度 （3）合理组织生产 （4）加强计量管理

3.技术节能（4个方面） 1.工艺节能

化学工业技术中首先是化学反应器，其次是分离工程。化学反应器又取决于两方面因素，即催化剂和化学反应工程。

（1）催化剂和化学反应工程

一种新型催化剂可形成更有效的工艺，或可以缓和条件使反应在较低的温度和压力下进行，就可以节省反应物加热和压缩所需能量；或选择性提高，使副产物减少，生成物纯度高，既节省了原料，又降低了后续精制的负荷；或活度提高，降低反应过程推动力。

（2）分离工程

CO2吸收：国外高效率聚乙二醇二甲醚法和碳酸丙烯酯法除二氧化碳，优点是只要减压就能解吸出二氧化碳，吸收剂可再生。省去化学吸收法（热碳酸钾或乙醇胺溶液）中溶剂再生的热消耗。

（3）改进工艺方法和设备

同一生产目的，采用不同的工艺方法和设备，其能耗不同。 焦炭熄焦方式、精馏塔形式、膨胀机与节流阀、助剂 2.化工单元操作设备节能

化工单元操作设备很多，包括流体输送机械（泵、压缩机等）、换热设备（锅炉、加热炉、换热器、冷却器等）、蒸发设备、塔设备（精馏、吸收、萃取、结

晶等）、干燥设备等，每一个设备都有不同的节能方式。

（1） 流体输送机械

一是设计时要选合适的机械、二是调节负荷变化时采用转速控制。 （2） 换热设备

换热设备的节能方法有：加强设备保温，防止结垢，合理减少传热温差，强化传热：对锅炉和加热炉还有控制过量空气，提高燃烧特性，预热燃烧空气，回收烟气余热；以及采用高效率设备，如热管换热器等。

（3） 蒸发设备

（4） 预热原料，多效蒸发，热泵蒸发，冷凝水热量的利用。 （4）塔设备 节能途径：减少回流比，预热进料，塔顶热的利用，使用串联塔，采用热泵，采用中间再废气和中间冷凝器等。

（5）干燥设备

控制和减少过量空气，余热回收，排气的再循环，热泵干燥等。

3.化工过程系统节能 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，进行节能工作。

4.控制节能

控制节能包括两个方面：一方面是节能需要操作控制；另一方面通过操作控制节能。

控制节能投资小、潜力大、效果好。是大有发展的节能途径。 操作控制如仪表计量，一方面涉及能量的衡算与用能分析。严格的控制可使操作弹性缩小、减少因弹性操作造成的用能损失。另一方面，涉及产品质量控制，如产品纯度。过程能量损失很大程度是由产品纯度造成的。

在生产过程中，各种参数波动不可避免，如原料的成分、气温、市场对产品产量、质量的需求、蒸汽需求量等，若生产优化条件能随着这些参数的变化作相应变化，将能取得很大的节能效果。 第二章

2.1基本概念

能量的形式与质量

1.能量及其表现形式

（1）能量：物质运动变化和相互作用的量度。 （2）能量的形式：机械能(动能、位能与静压能）、电能、磁能、热能、化学能及原子（核）能等。

（3）两类能量 a.内能：物体内部所具有的能量（物体处于宏观静止且无外力场存在时仍能表现出来的能量）。

b.物体相互作用时所体现出来的能量，如位能、动能等。

（4）能量的质能量守恒，既不能被创造，也不能被消灭。但能的“品质”可以下降。

节能的实质：防止和减少能量的“质”的下降或贬值。 各种基本概念

（1）系统：在对能量转换的现象或过程进行分析时，需要从相互作用的物体中取出研究的对象,是谓热力系统，简称系统。

系统一旦划定，系统之外一切物质和空间统称外界（或环境）。

（2）平衡：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是为平衡状态。

（3）状态参数：描写系统宏观状态的物理量是谓“状态参数”。

状态参数具有点函数性质，其变化取决于初、终态，与其间的路径无关。 强度量、广度量（或称广延量） （4）功和热量： (1) 功

如果系统对外界的单一效果可归结为提升一个重物。则说系统作了功。 功是通过系统边界在传递过程中的一种能量形式。功是过程量，不是系统含有的能量，亦不是状态参数。

(2) 热量

由温度的不同而从系统向外界，或从外界向系统所传递的能量称为热量。 热量也是过程量，一般规定：系统吸热为正，放热为负。可逆过程与不可逆过程等）

2.2能量与热力学第一定律：

1.能量守恒与转化定律是自然界的客观规律，自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一

种形式转化为另一种形式，但总能量是是守恒的。

能量守恒方程

2. 闭口系的能量衡算

3. 稳定流动开口系统能量衡算方程

2.3?与热力学第二定律

1.克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。 2.开尔文说法：不可能从单一热源吸取热量使之完全变成有用功而不产生其他影响。

3.普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。

4.卡诺定理

在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比

可逆热机效率更高。

2.4能量的计算各种能量的?会计算

2.5?损失和?衡算方程

?损失及几种主要形式的逆绝热膨胀、不可逆绝热压缩、绝热节流等）

2.6装置的效率和损失系数

?效率的不同形式

2.7节能理论的新进展

?分析法的局限性：以无驱动力的理想过程为基准来分析实际过程。 6种新理论（描述、特点、与?分析法相比其先进之处）

第三章

3.1流体流动与流体输送机械

能量损失

节能措施：合理设计管内流速（经济性）；减少不必要的管、阀件；添加减阻剂；气体不采用节流阀；注意保温等。 3.2换热

能量损失：（1）传热温差 （2）流动阻力 （3）散热损失

节能措施：① 并流改成逆流；②不同温度传热时，选择合适的温差；③温

差推动力Δt要均匀; ④强化传热系数K与传热面积A；⑤ 换热设备的保温。 3.3蒸发

能量损失：蒸发操作消耗大量的热（加热蒸汽）。构成蒸发操作的主要费用 节能措施：①利用废热预热原料；②多效蒸发；③二次蒸汽的再压缩等。

3.4精馏

能量损失：

① 流体流动造成的压力降；

② 不同温度物流间的传热或混合；

③ 传质推动力（相浓度不平衡物流间的传质）； ④不同浓度间物流的混合； 节能措施：

① 尽可能减少回流比；

② 预热进料，提高进料焓值，减少传热温差； ③ 塔顶蒸汽余热利用；（1）直接热利用；（2）余热制冷；（3）余热发电。 ④ 塔釜液余热利用；

⑤ 减少再沸器与冷凝器的温差；防垢、除垢、减少传热热阻； ⑥ 利用热泵，将冷凝器蒸汽的温度提高，向再沸器供热等。 3.5吸收

能量损失：气体吸收是气体或蒸汽气流中一个或多个组分（溶质）溶解于液体（溶剂）的过程。能耗主要在溶剂的再生。

节能措施：

① 选择合适的溶剂，溶解度大，则循环量小； ② 溶解度对温度变化敏感；

③ 组织合适的流程，如采用逆流、分段、分级等手段，减少功耗。 3.6干燥

能量损失：① 废气带走的热量；② 传热温差、传质湿度差；③ 过度干燥。 节能措施：

① 控制过量空气，减少加热器的热负荷； ② 中间加热，提高热效率，减少传热温差； ③ 废气再循环，提高热效率；

④ 废气余热回收，减少加热器的热负荷； ⑤ 利用热泵，回收热量。 3.7反应

能量损失：反应路线和反应进行程度决定能耗水平。 节能措施：

1.化学反应热的有效利用与提供

（1）吸热反应:合理供热，且反应温度尽可能低。这样可利用余热，节约高品质燃料。

（2）放热反应：对于放热反应，应合理利用反应热。放热反应的温度应尽可能高，这样，所回收的热量就具有较高的品质，便于能量的更合理的利用。但利用反应热时，要注意反应过程的特点。 2.反应装置的改进

反应装置是反应过程的核心。反应过程都有流体流动、传热和传质等过程，都有阻力。为了克服阻力、推动过程进行，均需要消耗能量。如果能改进反应装置，减少阻力，就可降低能耗。因此，应考虑改进反应装置内流体的流道、改善保温、选择高效搅拌形式及减少电解槽电阻等措施。

3.催化剂的开发

催化剂是化学反应的灵魂。现有化学工艺有80%采用催化剂。一种新的催化剂研究开发成功，可以引起一场工艺改革。可以缓和反应条件，使反应在较低的温度和压力下进行；或者选择性提高，使副产物减少、生成物纯度提高，后序精制过程能耗减少；或者活性提高，降低反应过程推动力，减少反应能耗。

节能减排最有效、也是最重要的方法。 4.反应与其他过程的组合

有望改变反应过程条件，或提高反应转化率，实现节能。

（1）反应与反应组合

希望的反应和促成该反应的其他反应组合起来，使低温下化学平衡向理想方向移动。

（2）反应与其他过程的组合

①利用精馏促进反应

原理：可逆反应，当某一产物的挥发度大于反应物时，如果将此产物从液相中蒸出，可破坏原有的平衡，使反应继续向生成物方向进行，提高单程转化率，在一定程度上变可逆反应为不可逆。或减少某些副反应，提高目的产物的收率。 一般而言，连串反应：A R S 若R为目标产物，且R比A易挥发，则及时分离出R可大幅度提高R的收率。

②利用反应促进精馏

反应精馏的优点：① 破坏可逆反应平衡，提高反应转化率及选择性，

提高反应速度与生产能力；② 可利用反应热，节省能量；③ 反应器与精馏塔合二为一，节省投资；④ 对难分离物系，可获得较纯的产品。 ③膜反应器

膜反应器：把反应与分离结合在一起的设备。

惰性膜只起分离作用。主要是微孔陶瓷、玻璃及高分子膜等。催化膜兼

具催化与分离双重作用。

目前的研究以催化膜为主。酶膜反应器与钯膜反应器分别为有机和无机

催化膜的代表。

第4章

4.1绪论

过程系统节能的意义 1.能源危机促使节能；

2.节能工作的发展不断深入；

余热回收→单个设备的节能→过程系统节能； 3.过程系统节能（夹点技术）效果显著；

新厂设计可节能30%~50%，节省投资10%；老厂改造可节能20%~35%。 4.系统节能优于局部节能，可取得更大的经济效益；

5.夹点技术分析越来越受到人们的重视 4.2夹点的形成及意义

夹点技术：夹点技术是以化工热力学为基础，以经济费用为目标函数，对过程系统整体进行优化设计和节能改造的技术。

夹点技术的应用范围：夹点技术现在不仅可用于热回收换热网络的优化集成，而且可用于合理设置热机和热泵，确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生产能力，分离设备的集成，减少生产用水(即节水），减少废气污染排放等。

过程系统就是过程工业中的生产系统，可分为三个子系统：工艺过程子系统、热回收换热网络子系统和蒸汽动力公用工程子系统。

温焓图：

问题表法及其计算步骤: 夹点的意义？

夹点处热通量为零。

1. 夹点确定了换热器设置的原则与方向 夹点将换热网络分成两部分：热阱与热源 （1）夹点之上不设冷却器； （2）夹点之下不设加热器； （3）不应有跨越夹点的传热。 2. 夹点限定了能量的回收率。 4.3换热网络设计目标

能量目标：指最小加热公用工程量和最小冷却公用工程量。由夹点最小温差来确定。

换热单元数目目标： 1. 欧拉通用网络理论

一个换热网络的最小单元数目：Umin =N+L-S N：流股数目；

L：独立的热负荷回路数目；

S：可能分离成不相关子系统的数目。 2. 换热单元数目目标原则

尽量消除回路，避免多余换热单元

换热网络面积目标：最小换热网络面积。 经济目标：经济目标有能量费用目标、设备投资费用目标及总年度费用目标。 最优夹点温差的确定：

1.最优夹点温差－总费用最低； 2.最优夹点温差确定方法 ① 根据经验确定

此时需综合考虑公用工程和换热器设备的价格、换热工质、传热系数、操作弹性等因素。

② 在不同的夹点温差下，综合出不同的换热网络，而后比较各网络的总费用。总费用最低即为最佳夹点温差；

③ 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。

4.4换热网络优化设计

1.夹点技术设计三原则：

（1）夹点之上不设冷却器； （2）夹点之下不设加热器； （3）不应有跨越夹点的传热。 2.夹点技术设计三准则:

（1）准则1－物流数目准则 ①夹点之上，NH≤ NC； ②夹点之下，NH≥ NC； （2）准则2－热容流率准则 ①夹点之上，CPH≤CPC； ②夹点之下，CPH≥CPC；

（3）准则3－最大换热负荷准则

为保证最小数目的换热单元，每一次匹配应换完两股物流中的一股。 3.优化设计步骤

（1）初始网络的生成：原则: 换热网络的初始设计网络应是最大热回收网络。

（2）热负荷回路的断开与合并

1）热负荷回路:在网络中从一股物流出发，沿与其匹配的物流找下去，又

回到此物流，则称在这些匹配的单元之间构成热负荷回路。

①独立的热负荷回路：热负荷回路相互独立，不会由其中几个的加减而

得到另一个。

独立的热负荷回路＝实际换热单元数－最小换热单元数。

②热负荷回路的识别： a.公用工程数目为1；

b.有分流的工艺物流，实际上是一股物流。

2）合并换热器:为使换热单元数目最小，应使热回路L＝0，即把网络中的热负荷回路断开。

①合并依据：回路中各单元的热负荷可以相互转移，不会对回路之外的其他单元热负荷造成影响。

②合并准则：

a.合并后保证各换热单元热负荷不小于0； b.合并后校核传热温差； c.采用分支维持最小传热温差

（3）阈值问题：只需要一种公用工程的问题称为阈值问题。

①阈值温差ΔTTHR：有些系统当冷、热复合曲线距离较远时，加热与冷却公用工程均需要，是夹点问题。当继续靠近时，只剩下一种公用工程，成为阈值问题。此时对应温差为阈值温差。

②阈值问题判断：若ΔTTHR＞ΔTmin，阈值问题。反之，夹点问题。 ③阈值问题的换热网络设计:

A.意义：对于阈值问题，减少传热温差，公用工程量不变，但可减少还热过程的?损失。

B.具体设计方法 a.阈值问题判断；

b.依据夹点问题进行具体的网络设计：

加热公用工程：夹点之上设计； 冷却公用工程：夹点之下设计。 4.5换热网络改造综合

1.现行网络的分析 分析原则：

（1）夹点之上不设冷却器； （2）夹点之下不设加热器； （3）不应有跨越夹点的传热。 2改造综合设计目标 （1）能量目标

（2）面积目标为新增面积目标 (要求尽量利用现有换热器)。 （3）经济目标：

①能量费用节省目标＝现有能量费用－由能量目标确定的费用 ②新增换热面积投资目标 ③年能量费用节省目标

④投资回收年限目标＝新增面积投资目标/年能量费用节省目标 （4）最优夹点温差 3.改造步骤

步骤1：按给定物流数据及费用参数计算不同ΔTmin下的能量目标及面积目标。

步骤2：绘出新增面积投资费用与能量节省费用的关系。 步骤3：分析现有网络中违反夹点原则的匹配。 步骤4：去掉夹点之上的冷却器和夹点之下的加热器，消除跨越夹点的匹配。 步骤5：换热网络的进一步调优。 4.受网络夹点控制装置的改造分析 （1）改动方案定义 (1)零改动方案

改造过程中仅以增加换热器面积来回收热量而不改动换热网络结构的方案。

(2)一改动方案

改造过程中引起换热网络结构一次改动的方案。 (3)二改、三改动方案依次类推 （2）过程夹点及网络夹点

(1)过程夹点:对过程进行分析时所确定的夹点。

(2)网络夹点：现行网络中，若单股冷、热流体传热温差到达规定的最小传热温差的点称为网络夹点。

有网络夹点存在的换热网络不适合零改动方案。 处于网络夹点处的装置称为受网络夹点控制的装置。

消除网络夹点是改造这类装置，提高热能利用率的唯一选择。 解决办法：①分流；②调整换热网络结构 5.改造实例

4.6蒸汽动力系统优化综合

总复合曲线、多级公用工程配置、热机的设置、热泵的设置

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