化工節能原理與技術(第5版)

第1章總論1
1.1能源與能源的分類1
1.1.1能源1
1.1.2能源的分類1
1.2化學工業節能的潛力與意義2
1.2.1化學工業的特點2
1.2.2化學工業節能的潛力3
1.2.3節能的意義4
1.3節能的途徑5
1.3.1結構節能5
1.3.2管理節能5
1.3.3技術節能6
參考文獻9

第2章節能的熱力學原理10
2.1基本概念10
2.1.1能量系統10
2.1.2平衡狀態11
2.1.3狀態參數和狀態方程式12
2.1.4功和熱量13
2.1.5可逆過程14
2.2能量與熱力學第一定律15
2.2.1閉口系統能量衡算式15
2.2.2穩定流動開口系統能量衡算式15
2.3炬用和熱力學第二定律19
2.3.1熱力學第二定律的幾種表述19
2.3.2熵的概念和孤立系統熵增原理20
2.3.3熱力學第二定律的熵衡算方程式21
2.3.4能量和炬用22
2.4能量的炬用計算23
2.4.1環境與物系的基準狀態23
2.4.2機械形式能量的炬用24
2.4.3熱量炬用24
2.4.4封閉系統的炬用27
2.4.5穩定流動系統的炬用28
2.4.6化學反應的最大有用功29
2.4.7氣體的擴散炬用31
2.4.8元素和化合物的化學炬用32
2.4.9燃料的化學炬用33
2.5炬用損失和炬用衡算34
2.5.1炬用損失和炬用衡算方程式34
2.5.2封閉系統的炬用衡算方程式35
2.5.3穩定流動系統的炬用衡算方程式36
2.6裝置的炬用效率和炬用損失係數38
2.6.1炬用效率的一般定義38
2.6.2炬用效率的不同形式39
2.7炬用分析的應用實例41
2.7.1煤制天然氣甲烷化過程反應熱回收分析41
2.7.2己內醯胺裝置蒸汽系統分析與優化43
2.8節能理論的新進展45
2.8.1可避免炬用損失與不可避免炬用損失45
2.8.2熱經濟學（炬用經濟學）47
2.8.3有限時間熱力學48
2.8.4積累炬用理論49
2.8.5能值分析49
2.8.6綜合考慮資源利用與環境影響的炬用分析50
符號表51
參考文獻52

第3章化工單元過程與設備的節能54
3.1流體流動及流體輸送機械54
3.1.1流體流動54
3.1.2流體機械54
3.2換熱57
3.2.1換熱過程57
3.2.2設備和管道的保溫58
3.3蒸發58
3.3.1多效蒸發59
3.3.2額外蒸汽的引出62
3.3.3二次蒸汽的再壓縮64
3.3.4冷凝水熱量的利用66
3.4精餾67
3.4.1預熱進料68
3.4.2塔釜液餘熱的利用69
3.4.3塔頂蒸氣餘熱的回收利用70
3.4.4多效精餾71
3.4.5熱泵精餾74
3.4.6減小回流比78
3.4.7增設中間再沸器和中間冷凝器80
3.4.8多股進料和側線出料82
3.4.9熱偶精餾85
3.5乾燥87
3.5.1排氣的再迴圈87
3.5.2採用換熱器的餘熱回收87
3.5.3熱泵的應用87
3.5.4其他88
3.6反應88
3.6.1化學反應熱的有效利用和提供89
3.6.2反應裝置的改進91
3.6.3催化劑的開發92
3.6.4反應與其他過程的組合92
符號表96
參考文獻97

第4章過程系統節能——夾點技術98
4.1緒論98
4.1.1過程系統節能的意義98
4.1.2夾點技術的應用範圍及其發展100
4.2夾點的形成及其意義101
4.2.1溫-焓圖和複合曲線101
4.2.2夾點的形成102
4.2.3問題表法104
4.2.4夾點的意義106
4.3換熱網路設計目標107
4.3.1能量目標107
4.3.2換熱單元數目目標107
4.3.3換熱網路面積目標108
4.3.4經濟目標109
4.3.5最優夾點溫差的確定109
4.4換熱網路優化設計110
4.4.1夾點技術設計準則110
4.4.2初始網路的生成112
4.4.3熱負荷回路的斷開與換熱單元的合併115
4.4.4閾值問題119
4.5換熱網路改造綜合121
4.5.1現行換熱網路的分析121
4.5.2換熱網路改造綜合的設計目標123
4.5.3換熱網路改造步驟124
4.5.4受網路夾點控制裝置的改造分析125
4.5.5換熱網路改造綜合實例128
4.6蒸汽動力系統優化綜合145
4.6.1總複合曲線145
4.6.2多級公用工程的配置147
4.6.3熱機的設置154
4.6.4熱泵及熱泵的設置157
4.6.5蒸汽動力系統可調節性分析175
4.7迴圈水系統的優化177
4.7.1設計問題中迴圈水量目標的求解177
4.7.2改造問題中迴圈水量目標的求解178
4.7.3冷卻器網路改造優化180
4.7.4迴圈水系統中泵網路的優化181
4.7.5採用多回路結構的迴圈水系統供能優化182
4.7.6水輪機在迴圈水系統優化中的應用182
4.7.7採用數學規劃法的迴圈水系統優化183
4.7.8考慮空冷器的迴圈水系統優化184
4.8分離系統優化綜合184
4.8.1精餾系統的熱集成184
4.8.2分離系統在整個過程系統中的合理設置188
4.8.3不同分離過程的熱集成190
4.9反應器的熱集成192
4.9.1反應器的熱集成特性192
4.9.2反應器的合理設置193
4.10裝置/廠際間的熱聯合194
4.10.1裝置/廠際間熱聯合的方式195
4.10.2全廠複合曲線195
4.10.3通過全廠複合曲線確定裝置/廠際熱聯合能量目標196
4.10.4通過全廠複合曲線確定裝置/廠際熱聯合改造目標197
4.10.5裝置/廠際間的低溫熱聯合198
4.10.6裝置/廠際間換熱與裝置內換熱的協同考慮199
4.10.7裝置間熱進料最優設計200
4.11間歇過程的熱集成204
4.11.1間歇過程夾點分析法204
4.11.2改進的時間溫度複合分析模型205
4.11.3間歇過程換熱網路的目標函數208
4.11.4間歇過程換熱網路的設計210
4.11.5間歇過程工藝物流與公用工程的綜合214
4.12低溫餘熱的有效回收216
4.12.1低溫餘熱回收途徑216
4.12.2餘熱源的提質優化217
4.12.3餘熱的直接熱利用219
4.12.4餘熱的升級熱利用——熱泵220
4.12.5吸收式製冷220
4.12.6餘熱的動力回收221
4.12.7不同餘熱回收方式的比較224
符號表224
參考文獻225

第5章水系統集成和氫系統優化228
5.1緒論228
5.2常用節水方法與用水單元模型229
5.2.1常用節水方法229
5.2.2用水單元模型229
5.2.3負荷-濃度圖與水極限曲線230
5.2.4用水單元品質衡算231
5.3水夾點的形成及其意義231
5.3.1極限複合曲線231
5.3.2水夾點的形成及其意義232
5.3.3問題表法233
5.4用水網路的超結構及數學模型235
5.4.1用水網路的超結構235
5.4.2非線性數學模型235
5.4.3數學模型的求解236
5.5水直接回用水網路綜合239
5.5.1用水網路的描述239
5.5.2最大傳質推動力法240
5.5.3最小匹配數法243
5.6再生回用與再生迴圈的水網路246
5.6.1水的直接回用、再生回用和再生迴圈246
5.6.2再生迴圈247
5.6.3再生回用248
5.7具有中間水道的水網路結構及其綜合方法249
5.7.1具有中間水道的水網路結構249
5.7.2多組分廢水直接回用中間水道用水網路設計方法250
5.8氫系統優化251
5.8.1最小氫氣公用工程用量的計算與分析251
5.8.2氫氣的提純回用255
5.8.3氫氣網路的優化匹配原則257
5.8.4實例分析與計算257
符號表260
參考文獻260

附錄262
附錄1龜山-吉田環境模型的元素化學炬用262
附錄2主要的無機化合物和有機化合物的摩爾標準化學炬用E0xc以及溫度修正係數ξ263

能源是經濟發展的原動力，是現代文明的物質基礎。隨著世界人口的不斷增長和工業的持續發展，能源將越來越短缺。工業節能已成為人類社會持續發展的重要前提之一，受到國家政府和各企業的高度重視。廣義的化學工業是用能大戶，因此化工節能尤其重要。

本書重點介紹了節能的原理（第2章），單元過程與設備的節能技術（第3章），過程系統節能技術中的夾點技術（第4章），使新鮮水用量和廢水排放量最小的水系統集成技術以及使新氫使用量最小的氫系統優化技術（第5章）等內容。

相比第4版，在第1章更新了行業發展資料；在第4章中增加了熱泵設置對夾點位置的影響分析，能量最優的熱泵設置，冷卻器網路改造優化，採用多回路結構的迴圈水系統供能優化，水輪機在迴圈水系統優化中的應用，採用數學規劃法的迴圈水系統優化，考慮空冷器的迴圈水系統優化，裝置/廠際間換熱與裝置內換熱的協同考慮，裝置間熱進料最優設計；在第5章中增加了氫負荷-流量夾點法、代數法，以及氫氣的提純回用。第4章增補內容由王彧斐和楊敏博執筆，第1章和第5章增補內容由楊敏博執筆。

希望本書能成為化工領域工程技術人員的參考書以及化工專業學生的教材。

本書的工作得到錢立倫教授、張早校教授、傅秦生教授、劉桂蓮教授、王彥峰博士、朱平博士、孫晉博士，李婷碩士等的幫助，特此致謝。

本書的部分工作還得到國家重點基礎研究發展計畫項目（2012CB720500）和國家自然科學基金專案（21276204、21476256和21736008）的資助，在此表示感謝。

本書得以出到第5版，特別感謝讀者對本書的厚愛以及化學工業出版社的大力支持！

由於作者學識有限，書中難免有不妥之處，懇請讀者批評指正，以利日後之修訂。

編著者
2021年7月