6 能量集成与管理(热交换网络)
一、热交换网络的提出
一个化工生产过程的流程中，经常需要加热或冷却许多 流股，用热水、蒸汽加热或用冷却水、冷冻液冷却。这种 设计虽简单，设备投资费较少，但热力学效率常常是很低， 能耗较 大，显然是不经济。
在流程内部用需要被冷却的较高温的流股来加热需要
热量的低温的流股，可以实现能量的有效利用，从而节约 了能量源，降低成本。
开系稳流系统能量平衡式： ΔH+mgΔz+1\2mΔu2=Q+W Δh+gΔz+1\2Δu2=q+ws
2热力学第二定律—热功转化与熵函数
1）基本概念 自发过程是不消耗功即可进行的过程； 非自发过程需要消耗功才可进行。 热量传递的方向与限度
热量传递的方向性是指高温物体可自发向低温物体传热，
而低温物体向高温物体传热则必须消耗功。热量传递的限
• 1能量平衡方程---热力学第一定律 • 2热力学第二定律及应用 • 3理想功、损失功和热力学效率 • 4有效能 • 5化工过程能力分析及合理用能 • 6能量集成与管理
1能量平衡方程---热力学第一定律
1.1热力学第一定律的实质 用数学式来表示就是 Δ（体系的能量）+Δ（环境的能量）=0或 Δ（体系的能量）=-Δ（环境的能量） 有关体系的概念 1 封闭体系（限定质量体系） 与环境仅有能量交换，而无 质量交换，体系内部是固定的 2 敞开体系（限定容积体系） 与环境既有能量交换也有质 量交换。 3 化工生产中大都为稳定流动体系 稳流过程 均流过程
在流程内建立热交换网络的根本目的： 减少流程对外界热源和冷源的需求，尽量使用流程内部 的冷热流股互相搭配，以达到节约能源的目的。
二、基本概念及热交换系统表示方法 1、换热网络的名词 热流：热交换网络内，那些需要由起始温度冷却到目标
温度的流股。
冷流：热交换网络内，那些需要由起始温度被加热到目 标温度的流股。
4 过程能量集成
过程能量集成即指热交换网络技术在大系统（如工业园 区或产物链）中的应用。 过程集成的思想是用需要被冷却的热流体加热需要升温 的流体。生产中的流股之间的热交换可以减少燃料和冷却 的塔操作负荷的需求，从而防止污染。需要被加热的过程 流股和需要被冷却的过程流股间的热交换（能量集成）可 以降低整个系统生产的能耗。
开系稳流过程的理想功计算式： Wid = ΔH - T0ΔS
（2） 损失功是由于过程的不可逆是系统产生熵而引起
的作功能力的损失，不可逆过程的损失功计算式：
WL = T0 ( ΔSsys + ΔSsur ) = T0ΔSt = T0ΔSg
损失功WL反映了实际过程的不可逆程度。
（3）热力学效率
要想获得理想功，工程就必须实在完全可逆的情况下进 行。由于实际过程都是不可逆的，因此实际提供的ws必然 小于理想功，两者之比称为热力学效率。
度是温度达到一致，不存在温差。
2）熵函数与熵增原理
熵是与系统内部分子运动混乱程度相联系的热力学性质。
通过研究热机的效率推导出熵函数的定义式
• 只有体系的某状态函数，当经历一个循环后，其函数的净
增量才等于零。
熵定义，由卡诺效率推导出
热力学第二定律的数学表达式
• 因为
• 可逆过程：
• 不可逆过程： • 这两个式子说明，可逆过程的熵变等于其热温商，不可逆 过程的熵变则大于其热温熵。
针对：窄点之处无热量通过，窄点上、下之间无热量交换 最大回收能量（最节能）的热交换网络设计原则： ㈠、换热网络内温度高于窄点的流股，只要其温度变化范围 在窄点以上， 就不能引入外界冷源来进行冷却，而应该用 系统内流股与之搭配（或引入外界热源）； ㈡、换热网络内温度低于窄点的流股，只要其温度变化范围 在窄点以下， 就不能引入外界热源来进行加热，而应该用 系统内流股与之搭配（或引入外界冷源）；
2、多个流股的温度－热焓复合曲线（折线）图
• A冷流股，热容流率CPA ，温度从T5 →T2 • B冷流股，热容流率CPB ，温度从T3 →T1 • C冷流股，热容流率CPC ，温度从T4 →T2
•
这样就完成了多流股的温度－热焓复合曲线（折线）。
四、窄点、热交换网络的最小能耗、热交换网络的合成 1 窄点 如图：多流股流体的换
产生过程
消耗为有用功（Ex)，另一部分不能转 变为有用功的部分称为无效能（AN). 对于可逆过程， 有效能无损失，全部转变为功。
对不可逆工程， 有效能减小，ΔEx <0,但无效能增加，ΔAN>0，有
效能的减少量应等于无效能的增加量，-ΔEX = ΔAN,ΔAN即为损失功。 有效能的定义是系统由所处的状态变到基准态时所提供的理想功， 对于稳定流动过程，流体的有效能系有动能有效能、势能有效能、物 理有效能和化学有效能构成，一般情况下，前两种有效能课忽略。当
1.2 能量平衡方程
1 封闭体系的能量平衡方程，形式为
式中W为体积膨胀功W 2 容量性质的数量衡算
进入体系的量-离开体系的量=体系积累的量
可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式
• 物料平衡方程
• 能量平衡方程 • 进入体系的能量= • 离开体系的能量= + + + +
• 体系积累的能量=
1.3 热力学第一定律的表达式
> N冷
用一个式子来表示，即在窄点的同一侧流股数必须满足：
N流出 > N流入
（2）热容流率的可行性原则
窄点处传热的温差最小为 △Tm,离开窄点处的传热温差 应大于等于△Tm，即△T>△Tmin 因此，每个窄点匹配的流股热容流率应满足 窄点以上 CP热 < CP冷 窄点以下 CP热 > CP冷 同样上两式，可以合并成为一式，即窄点同一侧应满足 CP出 > CP入
（1）总流股数可行性原则
窄点以上流股数应满足 N热 < N 冷
窄点以上流股数应满足 式中 N热 ------- 热流股数 N冷 ------- 冷流股数 根据前面的热交换网络的表示法，对于窄点来说，窄 点以上热流股是流入的，冷流股是流出的。同样，窄点以 下热流股是流出的，冷流股是流入的。所以上式可以合并 N热
2、热交换网络的表示方法
• （1） 线、圈表示法 （2） 矩阵表示法
• （3） 温度－焓图表示法
（4） 网络图表示法
• 三、流股的温度－热焓复合曲线
1、单个流股的温度－热焓直线图
对于一个进口温度（Ti ），
目标温度（To ）均已知。流量为 F，热容为Cp的流股，热容流率是 CP,则该直线的斜率为：1/CP
系统处于基准态时，各部分有效能均为零。
5化工过程能力分析及合理用能
化工过程的热力学分析，是利用热力学第一、第二定律分析过程中 消耗功的大小及产生原因，以提高生产过程能量的利用率。 合理用能的基本原则是按质用能，按需供能。尽量做到能进启用， 防止能量的无偿降级；应在技术和经济许可的前提下，采取各种措施， 寻求过程的最佳推动力，以提高能量的利用率；合理组织能量的多次 梯次利用，先用功后用热，将能量逐级使用
熵增原理
自然界一切能够进行的过程都是向着熵增大的方向进行的。 通过以上讨论，我们可以得到以下结论： ⑴自然界一切自发进行的过程都是熵增大的过程；
⑵自发过程向着熵增大的方向进行；
⑶自发进行的限度；
3理想功、损失功和热力学效率
（1）理想功是指系统在一定的环境下，沿着完全可逆的 途径从一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功或 必须消耗的最小有用功。
3、化工流程的能量管理 在实际化工流程组织与设计时，掌握以下基本原则：
化工过程能量管理的目的节约有效能
1、尽量利用流程中的反应热（放热反应）产生的热流股来
对需要加热的冷流股和设备进行加热；
2、在技术可行的前提下，尽量利用品位接近的流股相互搭 配换热； 3、流程中一些耗能设备，在工艺可行的前提下，可以考虑 共用问题。
热变成了意复合热流和以
复合冷流的换热。将两条 曲线纵坐标距离最近处的 对应横坐标点称为窄点， 窄点处两点的温差最小， 记为△Tm。
2、窄点特性和热交换网络设计原则
在温度－热焓图中的总复合曲 线中，直线段斜率为正，表示热量 不足，斜率为负，表示热量多余。 窄点以上，热交换网络只需要 外界热源，是换热系统的“热阱” 窄点以下，热交换网络只需要 外界冷源，是换热系统的内部“热源” 窄点之处无热量通过，窄点上、 下之间无热量交换
二 化工过程的能量分析
化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、合理 地使用能量已成为人们共同关心的问题。从最原始的意义 上来说，热力学是研究能量的科学，用热力学的观点、方 法来指导能量的合理使用已成为现代热力学一大任务。 进行化工过程能量分析的理论基础是 热力学第一定律 热力学第二定律。
主要内容