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4 能量衡算. 4.1 能量衡算的基本概念 4.2 热量衡算的一般方法 4.3 常用物性数据的查取和计算 4.4 能量消耗计算 4.5 热量集成初步. 4.1 能量衡算的基本概念. 能量衡算的目的和步骤 化工设计中物料衡算的目的: (1) 确定工艺过程总能量消耗的形式和规模,作为重要的技术经济指标用于过程可行性和先进性的分析; (2) 确定设备热负荷和动力需求,为设备设计或选型提供依据; (3) 分析系统运行的热效率,分析提高热效率的可能性并提出实施方案。. 4.1 能量衡算的基本概念. 能量衡算的目的和步骤 能量衡算的一般步骤:

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4 能量衡算

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Presentation Transcript


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4 能量衡算

4.1 能量衡算的基本概念

4.2 热量衡算的一般方法

4.3 常用物性数据的查取和计算

4.4 能量消耗计算

4.5 热量集成初步


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4.1 能量衡算的基本概念

  • 能量衡算的目的和步骤

    化工设计中物料衡算的目的:

    (1) 确定工艺过程总能量消耗的形式和规模,作为重要的技术经济指标用于过程可行性和先进性的分析;

    (2) 确定设备热负荷和动力需求,为设备设计或选型提供依据;

    (3) 分析系统运行的热效率,分析提高热效率的可能性并提出实施方案。


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4.1 能量衡算的基本概念

  • 能量衡算的目的和步骤

    能量衡算的一般步骤:

    (1) 画出流程示意图,确定衡算系统;

    (2) 选择计算基准和基准状态;

    (3) 热力学数据的查取和计算;

    (4) 列物料衡算方程和能量衡算方程;

    (5) 校核,将计算结果列入能量衡算表。

  • 热量衡算

    热量衡算是能量衡算中的一种特例。在化工过程中,热量衡算占有较大比例,因此在多数情况下能量衡算以热量衡算为主。


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4.2 热量衡算的一般方法

  • 设备的热量衡算

    设备热量状况分析:

加热或冷却介质携带热量Q2

设备热损失Q6

物料输入携带热量

Q1

物料输出携带热量

Q4

设备预热

Q5

过程热效应

Q3


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4.2 热量衡算的一般方法

  • 设备的热量衡算

    因此设备的热量平衡方程可表示为

    Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6

其中设备预热或预冷热量Q5可用下式计算

设备初温t1可选择环境温度,t2可选择设备操作温度;若设备为换热器,则t2可参考以下情况选择


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4.2 热量衡算的一般方法

其中设备热损失Q6可用下式计算

公式右侧参数分别为设备散热表面积、设备表面与环境介质给热系数、设备表面温度、环境温度、过程持续时间

给热系数可按以下情况选取

空气自然对流,壁温50-350oC

空气流速小于5m/s

空气流速大于5m/s


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4.3 常用物性数据的查取和计算

  • 物性数据的来源

    (1) 实验测定

    (2) 文献查取

    (3) 经验公式或理论计算

  • 常见物性数据文献

    《化学工程手册》第一篇,物性数据,化学工业出版社,1989

    《化学工艺设计手册》,化学工业出版社,1989

    《化工物性算图手册》,化学工业出版社,2002

    《流体的热物理性质》,中国石化出版社,1996

    《石油化工设计手册》第1卷,石油化工基础数据,化学工业出版社,2002

    Engineering Chemistry Simulation System(ECSS)


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4.3 常用物性数据的查取和计算

  • 混合物物性数据算法

    (1) 可采用加和法计算的物性参数

    平均分子量、液体密度、气体密度、比热、汽化潜热

    提示:计算时应注意分率基准和单位的统一

    (2) 不能采用简单加和法计算的物性参数

    气体和液体粘度、气体和液体导热系数、表面张力、扩散系数


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4.3 常用物性数据的查取和计算

  • 混合气体粘度

    常压下气体混合物可通过各组分纯物质的粘度、摩尔质量及摩尔分率由下式求取

  • 混合液体粘度

    液体混合物粘度与组成一般无线性关系,目前还难以用理论预测。通常用实验测定或经验公式计算。非缔合混合液体可采用下式计算。


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4.3 常用物性数据的查取和计算

  • 混合气体导热系数

    最为常用的混合气体导热系数计算式是

  • 混合液体导热系数

    许多液体混合物已有较为可靠的导热系数关联式。其中电解质水溶液的导热系数计算式为


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4.4 能量消耗计算

  • 水蒸汽的消耗量

热利用率对于保温设备可选0.97-0.98,非保温设备选0.93-0.95

  • 燃料的消耗量

燃烧炉的热效率通常取0.3-0.5


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4.4 能量消耗计算

  • 电的消耗量

电能消耗量一般单位为KW·H,电热装置的热效率一般为0.85-0.95

  • 冷却剂的消耗量


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课堂练习

  • 下图表示利用蒸发-分部冷凝法提纯甘油的工艺流程,试分析有那些热量传递过程。能否调整流程达到节能的目的,要想达成该目的需要考虑哪些问题。


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E102 G:65220;O:320280

T102 G:160160; O:320280

E103 G:160135;W:2580

E104 G:13580;W:2550

E105 G/W:8040;W:2537


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4.5 热量集成初步

  • 问题的提出

    化工过程中往往存在大量的传热过程,绝大部分可直接通过引入导热油、蒸汽、冷却水或冷冻液等公共工程来完成。这种流程虽然简单,但是热力学效率较低。

    举例:

    甘油蒸馏浓缩系统消耗大量公共工程的热流和冷流

    为了提高热效率,可考虑换热系统中的余热回收,也就是充分利用系统内物流实施换热,从而减少外部热流或冷流,即公共工程的使用量。

    在保证各物流达到设定温度和状态的前提下,实施优化设计使换热网络的费用(操作费用和投资费用)最低,即获得最大能量回收和采用最少换热器台数,称为热交换网络的合成问题。


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4.5 热量集成初步

  • 问题的提出

    针对热交换网络的合成,应考虑以下3个方面的基本问题:

    (1) 保证各物流达到工艺要求的温度和状态

    提供足够的传热推动力和足够的传热量

    (2) 热交换网络的最小能耗(最低操作费用)

    确定热交换网络优化的极限,并提出如何接近该极限

    (3) 热交换网络的最少换热器台数(最低投资费用)

    根据能耗与设备投资费用的消长关系,确定冷热物流的搭配关系


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4.5 热量集成初步

  • 换热系统表示方法I:T-H图

    用T-H图表示物流焓值随温度的变化过程。通常将换热过程考虑为恒热容过程(可采用过程的平均比热容)。

    对于物流从T1上升到T2的过程可表示为图线A

    对于物流从T2降温到T1的过程可表示为图线B

    对于物流在T2发生冷凝的过程可表示为图线C

    图线在X轴上投影为焓变,在Y轴上投影为温变,斜率表示?

    斜率表示物流热容流率的倒数,即1/qmCp

T

T

T

T2

T2

T2

A

B

C

T1

T1

T1

H

H

H


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4.5 热量集成初步

  • 换热系统表示方法I: T-H图

    右图表示冷流体C1分别与热流体h1、h2和蒸汽换热而被加热的过程。

    该过程可在T-H图上表示出来,如左图所示

T

ST

h2

h1

h2

T2

h1

C1

c1

T1

H


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4.5 热量集成初步

  • 换热系统表示方法II:栅格图

    每一水平线代表一种物流,上面为热物流,下面为冷物流

    圆圈表示换热器,圆圈所连的两线表示进行换热的物流

    C表示外冷源,H表示外热源

h1

h2

400

40

1

3

C

C1

h1

1

35

350

2

h2

C2

3

2

H

200

20

1

C1

C

300

25

H

2

3

C2


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4.5 热量集成初步

  • 物流的复合曲线

    对于有多股物流的情况,可画T-H图复合曲线:

    通过平移使两股物流(同为热物流或冷物流)首尾连接,

    在两物流重叠部分做两条水平线,

    连接四边形的对角线,即为两物流的复合曲线

T

T

T

A

A

B

B

H

H

H


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4.5 热量集成初步

  • 物流的复合曲线

    采用类似方法,可分别将换热系统的所有热物流和冷物流复合,并在同一张T-H图上表示出来。

夹点下方

夹点上方

平移冷、热两条复合曲线,使之相互靠拢,当两线的最小垂直距离等于某设定值△Tm时,该处即为夹点(A,B)

夹点将换热网络系统分为2个部分,其一为夹点上方,称为热端,只需要公共工程加热;其二为夹点下方,称为冷端,只需要公共工程冷却。

T

A

△Tm

B

H


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4.5 热量集成初步

  • 物流的复合曲线

    系统最小公共工程用量的确定

夹点确定后可得到以下信息:

(1) 系统最小公共工程热负荷QH,Min,系统最小公共工程冷负荷QC,Min;

(2) 系统最大热回收量QR,Max。

说明:显然,夹点位置及热负荷极限值均受△Tm影响。当△Tm增大时,热负荷极限值如何变化?

T

A

△Tm

B

QR,Max

QH,Min

H

QC,Min


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4.5 热量集成初步

  • △Tm的意义及确定

    当冷热物流之间的温差△T缩小时,公共工程用量减小,但传热推动力也减小,则所需的传热面积增加,导致固定投资上升。因此△T应有一个减小的限度,即△Tm。

    △Tm是与费用密切相关的决策参数,需要经多次试差确定。

总费用

Cost

T

设备费用

△Tm

公共工程费用

QC,Min

QH,Min

H

QR,Max

△Tm


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4.5 热量集成初步

  • T-H图的作用

    在设定△Tm的条件下,若已知热物流和冷物流的数量及换热要求,可通过T-H图确定夹点位置及公共工程最小用量。

    根据夹点理论可知,换热网络的设计原则是在夹点上方,即热端不得引入冷却公共工程;而在夹点下方,即冷端不得引入加热公共工程。否则系统的冷热公共工程用量均将增加,导致操作费用的上升。

    但采用作图法确定公共工程最小用量是较为粗略的,通常需要采用栅格图和问题表格法进一步确定合成的实施方法。


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4.5 热量集成初步

  • 能耗与设备投资的消长关系

    通常换热面积与换热器台数均影响设备投资。

    Q=A·K·△T,其中总传热系数K主要受物性和操作条件影响,温差△T主要由工艺要求确定,因此换热面积A主要由总热负荷Q确定。

    经验证实,当Q恒定时,采用不同的换热网络设计方案,A的变化率仅在3%左右。

    换热网络的设备投资主要取决于换热器的台数。因此应尽可能减少换热器台数,才能满足降低生产费用的总目标。

    为了减少换热器台数,就是需要减少冷热流体的搭配数。


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对于下图的甘油蒸发过程可考虑:

(1) 将E102和T102的换热系统合并至E102,并采用适当的回流方法;

(2) 将E103、E104、E105冷却水改用串联进水,可降低冷却水用量。


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课堂练习

试将下表中四股物流分别绘制在T-H图上,并完成复合曲线。提示:可粗略绘制网格线后绘制,完成复合后将复合线描粗。

若此题提供△Tm数据,则可将复合线平移,并利用直尺量出各热负荷极限值


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