化工节能技术第四章第一讲蒸发

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：①控制化学反应过程在一定的温度下进行；②加热与冷却，使物料达到指定的温度；③换热，以回收利用热量；④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：QTT1Eh0xh低温流体的有效能：QTT1El0xl6传热过程的有效能损失为：QTTTTTQT1T1TEEDlhlh0hl0xlxhl传热过程的有效能效率：0hl0lhxhxlxTTTTTTEE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3000C，冷流体2700C（自2500C预热至2900C）的油品，环境温度250C，有效能损失5.6%，有效能效率94.4%；当冷流体为250C的空气时，有效能损失93.2%，有效能效率仅6.8%；7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Tl=T0，因为Q与（Th-T0）成正比，因此有效能损失与(Th-T0)2/Th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。8换热器的热能图TQabcd0T0/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。94、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：KAttWCKAQt12Pm10对逆流换热器：12211221mtTtTlntTtTt对所需的传热温差，各温度可相互推算，不同的热载体温度（T1、T2），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00C预热至1000C，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11CCTT00'2'1CCTT0021KTm21PTT100100QWChl0xlT1T1TQE热流量（相对值）有效能损失(相对值)010020020500.560.135010017531500.690.126010015050501.000.125010012588502.700.1420100120100505.000.15换热器的节能与经济效益可见：选用1500C---500C的载热体最节能，因为传热过程的有效能损失最小。12经济排热温度：对于温度为T1的热流体，在换热过程中存在着最经济的排出温度T2。热流体可提供的热量（可回收的热量）:21PTTWCQ若用平均温度计算有效能，则：m0xtT1QE（2）换热器的节能与经济效益QTT1T2t1t2△△逆流换热器假设传热温差为△，则流体的平均温度：21211212mTTlnTTttlnttT13则有效能的计算可写成：21210xTTlnTTT1QE单位热容量流率的有效能为：2121021PxTTlnTTT1TTWCE]TTWC[Q21P单位热容量流率的传热面积为：KTTTTQ/K/QWCA2121P假设余热回收中有效能的单价为k1，设备折旧费单价为k2，则该换热器的净收益为：KTTkTTlnTTT1TTkM2122121021114上式对T2求偏导：Kk]T1TTTTTlnTTT[TTkTTlnTTT1kTM222102122102112121012整理得：KkTTkkTM220112令，得最适宜的排放温度：0TM2Kkk1TT1202表明：当能量费用k1愈大，设备折旧费用k2愈小时，则排放温度T2愈低。故排放温度，应根据具体情况综合予以考虑15（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：12W、t1、CPtt2TL、工艺余热Th、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t1预热到t2，如果仅用换热器2，全部用新鲜蒸汽加热，换热量为：h/kJ,ttWCQ12P02所需蒸汽的费用：年元/,ttWCSQS$12Ph02h01Sh—新鲜高压蒸汽的价格，元/千焦；θ—换热器全年工作时间，小时。16所需传热面积：2h1hP2h1h120202tTtTlnKWCtTtTlnttKQA换热器的节能与经济效益换热器的设备投资折旧费用为：2h1hPf02f02tTtTlnKWCSAS$Sf—换热设备投资费用单价，元/米2·年。总成本：2h1hPf12Ph02010tTtTlnKWCSttWCS$$C17若采用余热回收联合方案时，系统中增加了一台换热器，换热器1、2间的温度为t，而t的选取将直接影响系统的经济性。12W、t1、CPtt2TL、工艺余热Th、新鲜高压蒸汽废热回收利用换热过程换热器的节能与经济效益18当采用联合方案时，对于换热器1，余热的费用为：年元/,t-tWCSQS$1Pl1l11式中：Sl—废热（设为恒温）的单价，元/千焦。换热器1设备折旧费为：tTtTlnKWCStKQSAS$l1lPfm11f1f12换热器的节能与经济效益则第一台换热器的成本为：tTtTlnKWCSttWCS$$Cl1lPf1Pl1211119对于第二台换热器，其蒸汽费用为：12Ph21ttWCS$换热器投资的折旧费用为：1hhPf2f22tTtTlnKWCSAS$第二台换热器的成本为：2hhPf2Ph22212tTtTlnKWCSttWCS$$C20联合系统的总成本：2hhPf2Phl1lPf1Pl21tTtTlnKWCSttWCStTtTlnKWCSttWCSCCC为了获得最经济的温度t，C对t求导：tTK/WCSWCStTK/WCSWCSdtdChPfPhlPfPl当dC/dt=0时，系统的总成本最低，则lhlhflhSSTTKStTtT由此式可求出最适宜温度t，一般在t1与t2之间。若t接近t1，余热回收的意义不大；若t接近t2，用新鲜蒸汽就显得有些浪费。21例：某工艺物料，需从340K预热到395K，全年工作时间为8000小时/年，换热器的传热系数均为0.3kW/(m2·K)。设备折旧费为Sf=500元/（m2·年），高压蒸汽温度440K，其费用为Sh’=50元/吨蒸汽。现有温度为380K的余热蒸汽可利用，此蒸汽的费用为Sl’=8元/吨蒸汽。若该工艺物料生蒸汽加热改造成为由废蒸汽、生蒸汽联合加热方案，比较此两种方案的经济性。2212W、t1、CPtt2TL、工艺余热Th、新鲜高压蒸汽废热回收利用换热过程解：系统图示如下kg/2240kJH2064kJ/kgH:lvhv汽化热查得千焦元/1022.242064/100050S6h千焦元/105.32240/10008S6l则：231.工艺物料仅用新鲜蒸汽加热方案：消耗蒸汽费用、设备折旧费用、传热面积、总成本：年元米年元年元/39694WC$$C66WC.2A/1330WC$/38364WC$P020102P02P02P01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。6.1671053.322.24380440360080003.0500SSTTKStTtT6lhlhflh24解得：t=377.35K。第一台换热器：P1P1P12P118289WC45243765C05WC.9A/4524WC$/3765WC$年元年元第二台换热器：P22212P2P22P2112862WC$$C1WC.1A/550WC$/12312WC$年元年元25联合总成本：年元/21151WC128628289CCCP21联合方案所需费用同原方案相比较为：%5353.0396942115126二、传热方程与传热节能稳定传热过程,传热基本方程：mtKAQ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：211h1K1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α1，α2为管壁两侧的传热膜系数，Λ为管道的导热系数，H为管道的厚度。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：。冷流体的进、出口温度、；热流体的进、出口温度、热容；热、冷两流体的定压比、热、冷两流体的流量；、-tt-TT-CC-GGttCGTTCGQ1221PcPhch12Pcc21Phh29两流体间理论上最大可能的传热量为：当热容量流率时：PccPhhCGCG11PhhmaxtTCGQ则，此时的热效率为：1121htTTTl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GcCPc为无限大，热效率按此式计算。30当热容量流率时：PccPhhCGCG11PccmaxtTCGQ则，此时的热效率为：1112ctTttl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GhCPh为无限大，热效率按此式计算。312、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：t-TKdAdTCGdTCGdQPccPhh对面积为A的整个换热器，传热单元数NTU由下式确定：PcccPhhhCGKAtTdtNTUCGKAtTdTNTU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关系令：PhhPcccPccPhhhCGCGR,CGCGR或三、传热效率与传热单元数及其合理选取33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：1RNTUexpR11RNTUexp11RNTUexpR11RNTUexp1cccccchhhhhh或三、传热效率与传热单元数及其合理选取34对并流操作换热器：CccchhhhR1R1NTUexp1R1R1NTUexp1或三、传热效率与传热单元数及其合理选取为便于工程计算，往往将三者间的关系绘制成图，