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1、化工节能原理与技术北京化工大学北京化工大学 2013.3（春季学期）（春季学期）1 1第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.3 3.3 蒸发蒸发蒸发蒸发3.3.3 3.3.3 二次蒸汽的再压缩二次蒸汽的再压缩3.3.3.2 3.3.3.2 蒸汽动力压缩蒸汽动力压缩喷射系数：单位工作蒸汽所能引射的二次蒸汽量喷射系数：单位工作蒸汽所能引射的二次蒸汽量h h2 2:喷射泵工作蒸汽的焓；喷射泵工作蒸汽的焓；h h3 3:喷射泵喷嘴出口蒸汽的焓
2、；喷射泵喷嘴出口蒸汽的焓；h h4 4:喷射泵扩压管出口混合蒸汽的理论焓；喷射泵扩压管出口混合蒸汽的理论焓；h h5 5:喷射泵扩压管入口混合蒸汽的实际焓；喷射泵扩压管入口混合蒸汽的实际焓；喷射泵的高压工作蒸汽量2 2第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.3 3.3 蒸发蒸发蒸发蒸发3.3.3 3.3.3 二次蒸汽的再压缩二次蒸汽的再压缩3.3.3.2 3.3.3.2 蒸汽动力压缩蒸汽动力压缩喷射泵的热量衡算：喷射泵的热量衡算：h h
3、:喷射泵出口处混合蒸汽的实际焓；喷射泵出口处混合蒸汽的实际焓；h h1 1:二次蒸汽的焓；二次蒸汽的焓；h h2 2:喷射泵工作蒸汽的焓；喷射泵工作蒸汽的焓；m m:被引射的二次蒸汽量被引射的二次蒸汽量作业：如何提高作业：如何提高 m m,从而提高能量利用率从而提高能量利用率?3 3第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.3 3.3 蒸发蒸发蒸发蒸发3.3.3 3.3.3 二次蒸汽的再压缩二次蒸汽的再压缩3.3.3.2 3.3.3.2
4、蒸汽动力压缩蒸汽动力压缩 采用多效蒸发提高能量利用率采用多效蒸发提高能量利用率 喷射泵起到增加一效的作用喷射泵起到增加一效的作用4 4第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.3 3.3 蒸发蒸发蒸发蒸发3.3.3 3.3.3 二次蒸汽的再压缩二次蒸汽的再压缩3.3.3.2 3.3.3.2 蒸汽动力压缩蒸汽动力压缩 并列组合式热泵蒸发工艺并列组合式热泵蒸发工艺 思考：画出清晰的并列组合式热泵蒸发工艺示意图思考：画出清晰的并列组合式热泵蒸发
5、工艺示意图5 5第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.3 3.3 蒸发蒸发蒸发蒸发3.3.4 3.3.4 冷凝水热量的利用冷凝水热量的利用 直接利用冷凝液显热来预热料液，也可采用自蒸发方式回收潜热。直接利用冷凝液显热来预热料液，也可采用自蒸发方式回收潜热。6 6第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工
6、单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏 精馏是分离互溶液体混合物的最常用方法，分离依据是各组分挥发性不同精馏是分离互溶液体混合物的最常用方法，分离依据是各组分挥发性不同7 7第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏 精馏塔的热量衡算精馏塔的热量衡算 Q QS S:再沸器的加热量；再沸器的加热量；Q QF F:料液带进的热量；料液带进的热量；Q QD D:塔顶产品带出的热量；塔顶产品带出的热量；Q
7、 QC C:塔顶冷凝器的冷却量；塔顶冷凝器的冷却量；Q QW W:塔底塔底产品带出的热量产品带出的热量；8 8第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏 精馏过程是一个不可逆过程，精馏过程是一个不可逆过程，火火用用 损失由下列不可逆引起：损失由下列不可逆引起：(1)(1)流体流动阻力造成的压力降（压差）；流体流动阻力造成的压力降（压差）；(2)(2)不同温度物流间的传热或不同温度物流的混合（温度差）；不同温度物
8、流间的传热或不同温度物流的混合（温度差）；(3)(3)相浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流的混合（浓度差或化学势差）相浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流的混合（浓度差或化学势差）9 9第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏 预热进料，以较低预热进料，以较低温位的热能代替再沸器温位的热能代替再沸器要求的高温位热能要求的高温位热能思考：对于难分离思考：对于难分离体系，为什么降低体系，为什么降低进料液预热温度
9、进料液预热温度有利于分离？有利于分离？1010第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.2 3.4.2 塔釜液余热的利用塔釜液余热的利用 塔釜液的显热变为潜热来利用塔釜液的显热变为潜热来利用1111第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.
10、4 精馏精馏精馏精馏3.4.3 3.4.3 塔顶蒸汽余热的回收利用塔顶蒸汽余热的回收利用 直接热利用：产生低压蒸汽直接热利用：产生低压蒸汽 余热制冷：采用吸收式制冷装置产生冷量余热制冷：采用吸收式制冷装置产生冷量 余热发电：用塔顶余热产生低压蒸汽驱动透平发电。余热发电：用塔顶余热产生低压蒸汽驱动透平发电。1212第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.3 3.4.3 塔顶蒸汽余热的回收利用塔顶蒸汽余热
11、的回收利用1313第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.4 3.4.4 多效精馏多效精馏条件：所需温差小于条件：所需温差小于实际温差的过程实际温差的过程 并流并流 逆流逆流 平流平流压力组合方式：压力组合方式：加压加压-常压常压 加压加压-减压减压 常压常压-减压减压 减压减压-减压减压1414第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单
12、元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.4 3.4.4 多效精馏多效精馏限制因素：限制因素：效数受投资的限制效数受投资的限制 效数受操作条件的限制效数受操作条件的限制 一般多效精馏的效数为一般多效精馏的效数为2 2。1515第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.4 3.4.4 多效精馏多效精馏 空气分离成氮气和
13、氧气的低温精馏一般采用林德双塔的两效精馏空气分离成氮气和氧气的低温精馏一般采用林德双塔的两效精馏 甲醇甲醇-水体系平流加料二效精馏分离工艺。水体系平流加料二效精馏分离工艺。1616第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.4 3.4.4 多效精馏多效精馏1717第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的
14、节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.4 3.4.4 多效精馏多效精馏优点：平流进料分配优点：平流进料分配可以自由选择；可以自由选择；缺点：缺点：(1).(1).高压塔需要高压高压塔需要高压蒸汽为加热源蒸汽为加热源;(2).(2).进料含有微量杂质进料含有微量杂质时，容易引起杂质分解时，容易引起杂质分解和变质。和变质。1818第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精
15、馏精馏精馏3.4.4 3.4.4 多效精馏多效精馏(1).(1).二级逆流精馏方式二级逆流精馏方式蒸汽节减率为蒸汽节减率为35%35%。(2).(2).热量的级联使用热量的级联使用两个无关塔的能量耦合，两个无关塔的能量耦合，但要有相应的控制系统。但要有相应的控制系统。1919第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.5 3.4.5 热泵精馏热泵精馏(1).(1).类似于热泵蒸发。类似于热泵蒸发。塔顶蒸汽
16、加压升温，作为再沸热源。塔顶蒸汽加压升温，作为再沸热源。(2).(2).适用于塔底和塔顶温差不大的场合适用于塔底和塔顶温差不大的场合沸点相近组分的分离沸点相近组分的分离(3).(3).两种方式：蒸汽压缩机方式和蒸汽喷射泵方式。两种方式：蒸汽压缩机方式和蒸汽喷射泵方式。2020第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.5 3.4.5 热泵精馏热泵精馏3.4.5.1.3.4.5.1.蒸汽压缩机方式蒸汽压缩机
17、方式应用场合：应用场合：塔顶和塔底温度接近的场合；塔顶和塔底温度接近的场合；被分离物质的沸点接近，需要大量加热蒸汽；被分离物质的沸点接近，需要大量加热蒸汽；较高塔压下分离易挥发性物质的场合较高塔压下分离易挥发性物质的场合三种方式：三种方式：气体直接压缩式；气体直接压缩式；单独工质循环式；单独工质循环式；闪蒸再沸流程闪蒸再沸流程2121第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.5 3.4.5 热泵精馏热泵
18、精馏3.4.5.1.3.4.5.1.蒸汽压缩机方式蒸汽压缩机方式 气体直接压缩式气体直接压缩式2222第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.5 3.4.5 热泵精馏热泵精馏3.4.5.1.3.4.5.1.蒸汽压缩机方式蒸汽压缩机方式 气体直接压缩式气体直接压缩式二级压缩系统与一级压缩二级压缩系统与一级压缩相比，压缩机功耗大大相比，压缩机功耗大大降低。降低。2323第第第第第第 3 3 3 3 3 3
19、 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.5 3.4.5 热泵精馏热泵精馏3.4.5.1.3.4.5.1.蒸汽压缩机方式蒸汽压缩机方式 气体直接压缩式气体直接压缩式低压精馏能够有效地低压精馏能够有效地分离沸点接近的组分。分离沸点接近的组分。2424第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节
20、能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.5 3.4.5 热泵精馏热泵精馏3.4.5.1.3.4.5.1.蒸汽压缩机方式蒸汽压缩机方式 气体直接压缩式气体直接压缩式t 1,3=21.9 ,t 2,3 4 2525第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.5 3.4.5 热泵精馏热泵精馏3.4.5.1.3.4.5.1.蒸汽压缩机方式蒸汽压缩机方式 气体直接压缩式气体直接压缩式 分割式热泵精馏适用场合：分割
21、式热泵精馏适用场合：低浓度区相对挥发度大，而高浓度区相对挥发度很小。低浓度区相对挥发度大，而高浓度区相对挥发度很小。有利于现有精馏的改造有利于现有精馏的改造 气体直接压缩式的缺点：压缩机操作范围较窄，容易引起塔操作的不稳定气体直接压缩式的缺点：压缩机操作范围较窄，容易引起塔操作的不稳定 蒸汽压缩机的形式：往复式；罗茨式；涡轮式；轴流式蒸汽压缩机的形式：往复式；罗茨式；涡轮式；轴流式2626第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.
22、4 精馏精馏精馏精馏3.4.5 3.4.5 热泵精馏热泵精馏3.4.5.1.3.4.5.1.蒸汽压缩机方式蒸汽压缩机方式 单独工质循环式单独工质循环式适用场合：适用场合：(1).(1).塔顶冷凝器需要冷剂或冷冻盐水时（冷凝器温度塔顶冷凝器需要冷剂或冷冻盐水时（冷凝器温度 38 38 以下）；(2).被分离组分沸点接近，全塔温差小于 18 18；(3).塔压高，再沸器温度高，热负荷大。2727第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3
23、.4 精馏精馏精馏精馏3.4.5 3.4.5 热泵精馏热泵精馏3.4.5.1.3.4.5.1.蒸汽压缩机方式蒸汽压缩机方式 蒸汽喷射泵方式蒸汽喷射泵方式2828第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.5 3.4.5 热泵精馏热泵精馏3.4.5.1.3.4.5.1.蒸汽压缩机方式蒸汽压缩机方式 蒸汽喷射泵方式蒸汽喷射泵方式优点：优点：(1).(1).新增的设备只有蒸汽喷射泵，设备费低新增的设备只有蒸汽喷
24、射泵，设备费低(2).(2).蒸汽泵射泵没有转动部件，容易维修蒸汽泵射泵没有转动部件，容易维修(3).(3).发生喘振和阻流现象，但没有设备损坏的危险发生喘振和阻流现象，但没有设备损坏的危险适用场合：适用场合：(1).(1).精馏塔塔底和塔顶的压差不大；精馏塔塔底和塔顶的压差不大；(2).(2).减压精馏的真空度比较低减压精馏的真空度比较低2929第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4.5.1.3.4.5.1.蒸汽压缩机方式蒸汽压缩
25、机方式 蒸汽喷射泵方式蒸汽喷射泵方式 塔顶蒸汽加压升温后，也可作为其他系统的热源。塔顶蒸汽加压升温后，也可作为其他系统的热源。3030第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.6 3.4.6 减小回流比减小回流比 回流比增加，能耗上升，塔板数减少；回流比增加，能耗上升，塔板数减少；回流比减少，能耗下降，塔板数增多，但回流比减少，能耗下降，塔板数增多，但 火火用用 损失越小损失越小 在最小回流比下，过程仍存在不可逆性。平衡线与操作线之间所夹面积在最小回流比下，过程仍存在不可逆性。平衡线与操作线之间所夹面积 表明不可逆程度。表明不可逆程度。3131第第第第第第 3 3 3 3 3 3 章章章章章章 化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能化工单元过程与设备的节能3.4 3.4 精馏精馏精馏精馏3.4.6 3.4.6 减小回流比减小回流比 设计回流比为最小回流比的设计回流比为最小回流比的 1.2 2 1.2 2 倍；倍；减小回流比减小回流比 最佳回流比与能源价格的关系最佳回流比与能源价格的关系3232