MEA吸收CO2过程用能分析及节能途径探讨.pdf

大连理工大学_硕士学位论文_MEA吸收C0,2过程用能分析及节能途径附 大连理工大学硕士学位论文摘 要化工过程中分离过程所消耗的能量往往占过程总能耗的主要部分，因而对分离过程 的节能研究具有重要意义。在过程节能研究中，需要对过程进行热力学分析，以了解能 量利用程度。有效能分析是近几年来得到迅速发展的极其有用的热力学分析方法，通过 有效能分析，可以了解某一过程或装置能量利用的完善程度，找出节能降耗的有效途径。用一乙醇胺回收烟道气中的C02是众多C02回收方法中应用最广泛的一种,但该方 法在吸收液再生过程中需要消耗大量的热量。所以，如何减少再生过程中的能耗成了当 前需要解决的问题之一。本文利用大型稳态模拟系统ASPEN PLUS对MEA吸收C02的传统流程进行模拟计 算，分析全系统及各子系统有效能消耗、全流程的热力学效率以及有效能损失，并用逐 板有效能分析法分析解吸塔中每块塔板上有效能利用情况，进而提出三种节能改造措 施，第一种是采用合理利用外部损失能的双效精微流程，第二种是采用从因减小吸收的 传质推动力进而减少吸收剂用量的方面来降低能耗的分段吸收流程，最后一种是采用靠 消耗一定机械能来提高低温蒸气能位的热泵精储流程。本文先从理论上分析这三种节能流程的可行性，进而用ASPEN PLUS对这三种流 程进行模拟，并对其进行有效能分析。结果表明，在CO?回收率和回收纯度要求分别为 80%和98%的条件下，和传统流程相比，这三种改进流程均有不同程度的节能效果，并且 双效精播流程和分段吸收流程的节能效果较热泵精馈流程更加明显，前者分别节约有效 能 21.30%和 25.06%,后者节约 13.28%关键词：有效能；双效精储；分段吸收；热泵精储-I-MEA吸收C6过程用能分析及节能途径探讨An alysis o f En ergy Co n sumptio n an d Appro ach es to Savin g En ergy in th e Pro cess o f CO2 Abso rptio n by MEAAbst r actEn ergy co n sumptio n o f ch emical separatio n pro cess is th e main o f to tal en ergy co n sumptio n,so en ergy-savin g h as a great sign ality to separatio n pro cess.In o rder to kn o w th e en ergy efficien cy,it n eeds to do th ermo dyn amic an alysis in en ergy-savin g research.Th e rapid develo pmen t available en ergy an alysis is extremely useful th ermo dyn amic an alysis in recen t years.It can be kn o w th e en ergy efficien cy in o n e pro cess o r equipmen t th ro ugh available en ergy an alysis.Th en,its po ssible to search fo r th e way o f en ergy savin g an d lo ss reducin g.Th e tech n o lo gy o f CO2 recycle based o n MEA is th e mo st po pular meth o d in th e reco very o f CO2,h o wever,so lutio n regen eratio n co n sume much en ergy.So,h o w to decrease th e en ergy co n sumptio n n o w is gen erally co n sidered as o n e o f th e mo st impo rtan t pro blems urgen tly required to be settled.Th e traditio n al pro cess o f CO2 abso rptio n by MEA was simulated by th e ch emical en gin eerin g simulatio n so ftware ASPEN PLUS.Based o n th e simulatio n results,th e available en ergy co n sumptio n fo r th e wh o le pro cess an d each equipmen t,th ermo dyn amic efficien cy o f th e wh o le pro cess an d th e lo ss o f available en ergy were an alyzed,it also an alyses tray efficien cy by plate-to-plate available en ergy an alysis meth o d,an d th en,th ree suggestio n s fo r pro cess impro vin g were put fo rward.Th e first meth o d is do uble-effect distillatio n usin g extern al en ergy,th e seco n d meth o d is gradin g abso rptio n,wh ich en ergy co n sumin g was decreased by less th e amo un t o f so lutio n,wh ich can be derived by lo wer mass tran sfer impulse,an d th e last meth o d is h eat pump distillatio n wh ich depen ds o n co n sumin g so me mech an ical en ergy to rise lo w temperature steam.Th is paper firstly an alyses th e th eo retical po ssibility o f th e th ree en ergy-savin g meth o ds,th en th e th ree pro cesses were simulated by ASPEN PLUS,mean wh ile,available en ergy an alysis is co n ducted.Th e results sh o w th at,o n th e basis o f th e CO2 reco very an d pro duct purity are 80%an d 98%respectively,th e th ree n ew pro cesses,co mpared with traditio n al pro cess,ach ieve differen t en ergy savin g effect.Amo n g th em,do uble-effect distillatio n,gradin g abso rptio n an d h eat pump distillatio n are 21.30%,25.06%an d 13.28%separately,th e effectiven ess o f do uble-effect distillatio n an d gradin g abso rptio n are mo re remarkable th an h eat pump distillatio n.-11-大连理工大学硕士学位论文Key Words：Avail abl e Energy;Doubl e-effect Distil l ation;Grading Absorption;Heat Pump Distil l ation-in-大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果（尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果.与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任._大连理工大学硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。，大连理工大学硕士学位论文引 言自1973年石油危机以来，世界各国普遍开始重视过程节能技术研究，并与节省资 源问题相互配合，在钢铁、炼油、化学工业等行业取得很大成绩，由此导致了各企业开 始合理利用资源、降低成本。化工过程节能，是指达将到预定目的所必须的能量消耗降 至最低水平。热力学第二定律表明，在可逆过程中节能可达到最大程度。因此，实际的 工艺过程应在经济容许的范围内尽量接近可逆过程，就是说，通过增大过程热回收或者 把有效能损失控制在最小限度的办法，能够达到节能目的。其具体办法是尽量避免向大 气散热等不可逆变化，或将热交换的温差等各种操作推动力控制在最小限度内。在处理 节能问题时，作为能量有效利用科学基础的热力学实际上起到了很大作用。过去不少方 法是依据热力学第一定律，从能的量的方面来分析的。近年来从能的质的方面分析逐渐 活跃起来，特别是根据热力学第二定律的有效能概念，为解决包括外界环境条件在内的 工程学问题是很有用的。节能并不简单地意味着少用能源，其实质是充分有效地发挥能 源的作用，使同样数量的能源，可以利用更多的有效能，从而生产出更多、更好的产品，创造出更多的产值和利润。烟道气中C6的回收具有以下特点：（1）气体流量大；（2）CO2分压低；（3）含有大量的 惰性气体N2；（4）主要杂质气体为02、S02等。目前，回收烟道气中CO?的方法很多，主 要有溶剂吸收法、膜分离法和吸附法。溶剂吸收法是回收烟道气中CO?应用最广泛的方 法。作为吸收剂的是以一乙醇胺（MEA）为代表的烷醇胺。该法具有吸收速度快、吸收能 力大及投资少等优点。但存在胺降解损耗大、设备腐蚀严重和能耗较高等技术难题。本文对MEA回收烟道气中的C02的节能措施从三个方面着手，第一是改传统工艺流 程为双效精储工艺流程，双效精馈工艺流程使用潜热回收的方式，即将高压塔塔顶蒸气 作为相邻低压塔再沸器的热源，从而达到节能降耗的目的。第二是采用分段吸收工艺流 程，它是从通过合理分配过程的传质推动力进而减少回收剂的用量上来到达节能的目 的。最后采用热泵精镭工艺流程，该流程也是通过潜热回收的方式达到节能目的，它将 温度较低的塔顶蒸气经压缩后作为塔底再沸器的热源，热泵精储是靠消耗一定机械能来 提高低温蒸气的能位而对其加以利用的，因此消耗单位机械能所能回收的热量是一项重 要的经济指标，称为性能系数。本文利用化工模拟软件ASPEN PLUS对MEA回收CO?的 传统流程以及三个改进流程进行模拟，利用有效能分析法对不同流程的模拟结果进行用 能分析。探寻其节能的可行性和所能达到的节能效果。-1 MEA吸收C02过程用能分析及节能途径探讨1文献综述1.1 过程系统的模拟在实际化工生产中，一套化工生产装置的合理设计或实际化工生产装置的优化操 作、生产故障的分析论断，以及生产装置生产能力的预测或评价等均离不开过程系统的 模拟。所谓模拟(Simulatio n),就是采用能反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客 观的一致性，且可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行研究和设计原型过程 的方法。这里所谓模型可以是一小型或微型实验装置，也可以是一描述原型的数学方程 组。前者称之模型装置，后者称数学模型。故采用实验室模型装置进行研究为实验模拟,采用数学模型进行研究则称之为数学模拟。数学模拟可视为在计算机上进行实验研究，具有明显的优势。与实验装置上的模拟相比显得经济、灵活得多。可以减少中间放大实 验，缩短了开发周期，同时能够获得难以在实验条件得到的重要信息，可利用现有的理 论成果来研究复杂的过程系统。但是，数学模拟的基础仍源于实验研究和工程研究”.叫过程系统模型的确认，一般要经过如下步骤：明确模型的目的和要求；收集和处理 系统的有关数据；根据过程原理，形成模型，找出描述系统中各个部件在各时刻的状态 的有关变量(包括输入变量、状态变量和输出变量)或参数，确定各部件之间相互作用 和影响的规则，即这些描述变量之间的关系：根据所得数据确定或估计模型中的参数，选择模型的初始状态；编制和调试计算机程序；收集和整理计算试验结果，并做出解释；模型确认，检验由模型所得结果与真实系统的性能数据的一致性程度任认按过程系统模型的计算模式不同，可分为模拟型、设计型和综合型。模型所涉及的 参数集有以下几种：输入参数集/,结构参数集C,操作参数集P,输出参数集。和 优化要求集M0不同计算模式定义如下：模拟型：给出/和C,在指定P下计算出。；设计型：给出。和C,在指定/下计算出达到某种下的P;综合型：给出/和。，找出达到某种”下的C和相应的P。-2-大连理工大学硕士学位论文1.2 流程模拟软件ASPEN PLUS简介及应用1.2.1 ASPEN PLUS软件的功能ASPEN PLUS是一个通用过程模拟系统，用于计算稳态过程的物料平衡及能量平 衡、设备尺寸，并对过程投资进行经济成本分析。在已经开发成功的模拟软件中，ASPEN PLUS是比较先进的，在大型化工和热工系统模拟中更展现了它的优势吩-。ASPEN PLUS提供3种过程来进行模拟：除了有内置的单元操作模型外，还有用户 自己定义的FORTRAN模块以及设计规定(design-specificatio n)。ASPEN PLUS提供 了一个很宽的单元操作模型范围。必要时，用户可以利用自己的模型作为一个 FORTRAN的子程序。在整个ASPEN流程中，除了可以处理物流外，还可以给模块设定功流和热流，既 可以模拟质量平衡也可以确保整个系统的能量平衡。并且通过物性分析，可以获得物流 组分、温度、压力及热负荷参数，从而预测所选模型、物流类型、物性方法的正确性。为了计算相平衡、热力学性质及传递性质，ASPEN PLUS提供了一个广泛的物性模 型程序库，包括1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物、900种水溶电解质的 基本物性参数。由于能自动地从一个大的物性数据库里检索，因此避免了工程师们对物 性数据的繁重查寻工作。对于不在数据库中的组分，ASPEN PLUS提供了一个数据回归 系统，用以从实验数据中拟合常数。ASPEN PLUS有处理石油试验的分析能力，能建立 产生石油储分的物性常数的关联式。ASPEN PLUS主要有以下几个功能建立基本流程模拟模型Flo wsh eet是ASPEN PLUS最常用的运行类型。可以使用基本的工程关系式，如质 量和能量平衡、相态和化学平衡以及反应动力学去预测一个工艺过程。只要给定合理的 热力学数据、实际的操作条件和严格的ASPEN平衡模型，就能够模拟实际装置的现象。按如下几个步骤：定义流程一计算全局信息的规定一规定组分一选择物性方法一规定物 流一单元操作模型的参数设置一运行模拟程序-生成报告的顺序逐一完成。灵敏度分析此功能在Data Bro wser页面下的Sen sitivity Fo rm表单中设定。其目的是测定某个变 量对我们的目标值的影响程度。设计规定在灵敏度分析的基础上，当确定了一个关键因素，并且希望它对系统的影响达到一 个所希望的精确值时，就可通过设计规定来实现。对于这样的一个过程，需按以下步骤-3-MEA吸收COz过程用能分析及节能途径探讨来执行：选择撕裂流股一定义收敛模块使撕裂流股、设计规定收敛一确定一个包括所有 单元操作和收敛模块的次序。物性分析确定各组分的相态及物性是否和你所选择的物性方法相适应。可通过3种方法使用 物性分析：单独运行，即在运行类型中就设置为Pro perty An alysis；在流程图中运行；在数据回归中运行。可使用To o l菜单下的An alysis命令来交互生产物性分析，也可在 Data Bro wser的An alysis文件夹中使用窗口手动生成。物性估计估计物性所必需的参数有：标准沸点温度（R）、分子量（MW）和分子结构。为 了获得最佳的参数估计，应尽可能地输入所有可提供的实验数据。（6）物性数据回归数据回归系统会基于你所选择的物性或数据类型，指定合理的标准偏差的缺省值，也可以自行定义。回归的结果在Data Bro wser页的Regressio n文件夹的Results中。关于FORTRAN模块ASPEN允许编写外部用户FORTRAN子程序，在编译子程序后，模拟运行时会动 态地链接它们。1.2.2 ASPEN PLUS软件的单元操作模型ASPEN PLUS用单元操作模块来表示实际装置的各个设备，共包括二十多个单元操 作模型。如混合、分割、换热、闪蒸等，另外它还包括：间歇反应器、多塔精储、灵敏 度分析和工况分析模块网。要运行一个流程模拟，必须至少规定一个单元操作模块。分离器本流程的模拟选用的是Flash 2闪蒸模型，Flash 2是用来模拟闪蒸罐、蒸发器、分液 罐和其它的单级分离器。Flash 2进行严格的2相（气-液相）或3相（气-液-固）平衡计算,以产生一个气相出口物流、一个液相出口物流和一个可选的游离水倾析物流。可以用 Flash 2来模拟任何有足够的气体分离空间的闪蒸、汽化器、排出罐和任何其它的单相分 离器，可以规定气相物流中的液相夹带的百分数。换热器本流程需要许多换热器对工艺物流进行加热和冷却，传热过程是化工过程中的重要 单元过程3换热器模型可以模拟加热器或两个或多个物流换热器的性能。所有的换热 器都可以决定带有一个或更多的入口物流的混合物的热状态和相态。由单元操作过程的 自由度分析可知，对一逆流操作的管壳式换热器，当给定进口冷、热流股的变量及传递-4-大连理工大学硕士学位论文热流量后，出口流股的变量就完全确定了，可由2C+2个方程解出。但对于一个具体 的换热器，其热流量大小与换热器的结构、尺寸有关，即，当给定进口冷、热流股的变 量及换热器的结构、尺寸，出口冷、热流股的变量就完全确定了。压力变送器当需要或已知有关能量的住处例如功率需要时，泵和压缩机模块可以模拟改变压 力。Pump用于模拟一个泵或液压透平，该模型可用于当给定出口压力规定时，计算所 需的功率或产生的功率。也可以在给定功率规定的时候，计算出口压力。Co mpr可以模 拟多变压缩机、多变正位移压缩机、等熠压缩机、等燧透平，它也可以在给定一个出口 压力规定时计算所需的功率，或者在给定功率时，计算出口压力。混合器/分流器混合器是把料物料流（或热流或功流）混合成一个出口物流。如果物流被混合了，可 以用一个可选的水倾析流来把游离水从出口物流中倾析出来。混合器模型通过对混合进 料物流进行一次绝热相平衡闪蒸计算，决定了混合出口物流的温度和相态。混合器可用 于模拟混合三通或其它类型的物流混合操作模型。分流器将混合物流（或热流或功流）分离成两个或更多个出口物流。所有的出口物流都有同样的组成和物性。精储塔在ASPEN PLUS中关于精镭的模块有【叫简捷法模型：包括DSTWU（简捷法精镯设计模型）、Distl（简捷法精储核算模型）、SCFrac（简捷法多塔蒸储模型）。严格法模型:MultiFrac（严格法多塔精储模型）、Petro Frac（严格法分播塔）、RateFrac（精储的核算与设计模型）、Extract（严格萃取塔模型）。其中RateFrac是一个基于流率的非平衡的模型，用于模拟各种类型的多级气-液精储 操作，可用于一般精微、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馈。适用于 两相系统、窄沸程和宽沸程系统以及液相具有强的非理想程度系统。构成包括任意组输 入、任意组侧线、任意组加热器（或热流）和任意组倾析器。对于精馈模拟必须确定以下条件：进料性质（包括进料的组成、温度、压力、进料量、相数等）和进料位置。出料性质（包括相数等）和出料位置。塔的性质，如塔板数、塔的压力分布、回流比、气相产品占塔顶总产品比率或塔 顶出料、塔底出料、回流量等。其它如侧线出料、加热器和再沸器的热负荷、蒸气组分初值、塔板效率、回流温度、填料性质或塔板性质等，都可以由模拟者根据要求设定。-5-MEA吸收COj过程用能分析及节能途径探讨1.2.3 ASPEN PLUS软件的物性集对于一个模拟过程来说，准确无误地选择物性是模拟结果好坏的关键。ASPEN PLUS为单元操作计算提供了热力学性质和传递性质，在典型的ASPEN PLUS模拟中，常用的物理性质参数有逸度系数、皓、密度、嫡和自由能。传递性质仅在用户要求时才 进行计算口曳ASPEN PLUS共提供44个物性选择集，为处理广泛的操作条件和各种类型的混合 物提供了灵活性。例如选择物性集AMINES适用体系是水、四个烷醇胺之一、硫化氢、二氧化碳以及在典型脱硫工艺中普遍存在于气体中的其他组份。这四个烷醇胺之一是指 乙醇胺(MEA),二乙醇胺(DEA),二异丙醇胺(DIPA)和二甘醇胺(DGA)。本文采用的是基于关联式的物性方法AMINES,用AMINES性质方法计算MEA脱 碳系统时，温度范围为90-280万，为或CO2的最大含量(摩尔气体/摩尔胺)为0.5,溶液中胺的浓度(质量)为15-30o该物性方法使用关联式Ken t-Eisen berg来计算K值 和靖，使用以下化学反应式描述CO2+amin e系统的化学平衡旧叫RRNH；Kx H*+RRNH-RRNCOO+HO K2 RRNH+HCO；-3-H2O+CO2 0 H*+HCO；H2O 4 H+OH-HCO-J H，+C*其中：K和=醇代烷基平衡常数给出如下：In K,=Au+A/T+AJT、/T，+A/T(1.1)化学反应平衡方程与质量平衡方程同时求解。这样得到了在溶液中游离CO2的摩尔 分率。通过Hen ry常数把CO2的平衡分压与各个游离浓度相关联：nHt=Bu+B2iT(1.2)由标准热力学关联式计算CO2的表现逸度及偏摩尔培、吉布斯能和烟。1.3 有效能分析法1.3.1 有效能的基本概念有效能的定义-6-大连理工大学硕士学位论文热力学第一定律说明各种能量之间可以相互转换，且转换过程中总能量保持不变。热力学第二定律说明了能量转换过程中具有方向性或不可逆性。也就是说，并非所有的 能量都能全部地、无条件地转化为其它形式的能量。例如热能不能无条件地全部转化为 功。卡诺机的热效率随低温热源温度的降低而增大。然而，低温热源温度不能无限制地 降低，它的最低温度是环境温度此时卡诺热机的效率为“92。】：=1年（1.3）若热源温度和环境温度相等，T=,则卡诺机效率为零。也就是说，环境温度下 的热源其热不能转换为功。综上所述各种能量相互之间可以转换，但在相互转换时它们的转换能力是不同的。有的能量能全部转化为功。有的只能部分转化为功，而有的则全部不能转化为功。这就 是说，能量不仅有数值的大小，还有品位的高低。各种能量所能利用的程度不仅跟它本 身的大小有关，还跟它的品位高低有关。为此，提出了有效能的概念。在给定的环境条件下，理论上可以转换为有用功的那部分能量称为有效能，用E*表 示；不能转换为有用功的那部分能量称为无效能，用/表示。显然，任何一种能量都由 有效能和无效能组成，即E=EX+A（1.4）由于环境条件下的能量不能转换为有用功，它的有效能为零。因而，环境状态为有 效能的零点。有效能的计算电能和机械能（体系所具有的宏观动能和位能）在理论上能全部转换为有用功，因 而全部是有效能。Ex w=W（1.5）热不能全部转换为有用功，其限度由卡诺循环决定。当热源温度为T,环境温度 为7；时，热量。的有效能Ex。为年）（1.6）稳流过程流体的物理有效能为刀：Em=-（HoH）+4（S。-S）（1.7）其中，和S是流体处于某状态的熔和嫡；。和S。是流体在基准态的始和燧。纯态化合物的化学有效能：-7-MEA吸收CO2过程用能分析及节能途径探讨化合物的标准摩尔化学有效能应是组成化合物的单质标准摩尔化学有效能之和减 去生成反应过程的理想功：限,=(AG；+Xl7%(L8)*J其中，EQ/为化合物i的标准摩尔化学有效能，(AG；，为化合物i的标准生成自由 始，以为单质/标准摩尔化学有效能，Y,为生成反应方程式中单质/的计量系数。分离过程的理想功由于纯组分等温等压混合构成理想溶液的培变AH=O,心=0,得混合过程的能 量平衡式为：【AH=Q=O(1.9)这就是说，纯组分在等温等压下构成理想溶液的过程是绝热过程。显然，理想溶液 等温等压分离成纯组分的过程也是绝热过程，即A/f分离=0。分离过程的理想功即最小 功为犷最小=%理虬分.=一四分离+=。纲离=与/分u0(L 10)说明分离过程是一个需功过程。有效能效率有效能效率是用有效能进行分析和综合的函数，也是建立复杂系统能量模型的基 础。它的定义是否正确、合理、将直接影响工作结果，因此，要将其进行分析、研究。有效能效率大致可分为两大类磔。一类称为普遍有效能效率，即式(L11),其定义式 为：系统输出的有效能效率z,“有效能一系统输入的有效能效率一方7在上述定义中，对每一股有效能流的作用不加区分，对其是否参加能量传递-转换 也不加考虑，因而普遍有效能效率定义式不能反映系统内过程传递与转换的特征。另一类是以起各种不同作用的输出与输入有效能流率的差值之比定义的有效能效 率，如：二能量传递-转换过程中获益有效能流的获益有效能“有效能能量传递-转换过程中消耗有效能流的消耗有效能/稼-ZEAE获,E4一Z魇 AE耗-8-大连理工大学硕士学位论文此定义是从能量传递-转换的观点给出的。凡输出有效能大于输入有效能的有效能 流称为获益有效能流率E获，以E后与塌分别表示离开与进入某单元（或系统）的有效 能流率:凡输入有效能大于输出有效能的有效能流称为消耗有效能流率E耗，以E5与E需 分别表示进入与离开单元（或系统）的有效能效率。在一般情况下都可将有效能流区分 为获益与消耗两个成分。例如，某换热器用高温蒸气来加热低温物流。对于某些单位设 备（或系统），其获益或消耗有效能流都可能有数股。总之，两股有效能流成分的区分 完全是从能量的观点而不是从生产的观点提出来的，因此，这个定义能够反映能量传递-转换的特征。对于各种用能过程可以用它来建立统一的有效能效率式。有效能损失为提高分离过程的热力学效率，必须减少有效能损失。分离过程中有效能损失主要 有以下几种形式磔19】：由于流体流动阻力造成的有效能损失。件在定态流动过程中，如果物系和环境间不发生热和功的交换，则根据热力学第一定 律：d H=O,等皓过程从热力学第一定律看，热效率为100%,但却有相当数量的有效 能损耗掉。有效能损失为：应%=nTod S=-n-d p（1.13）式中为摩尔流率。可见阻力越大，有效能损失越多。节流膨胀过程的有效能损失从本质上说，与上项损失类同。节流膨胀均引起物系熠增，损失有效能。节流过程 的有效能损失。节可按阀前和阀后物流的状态计算：。节=双4-E后）（1.14）式中E前和E后分别为Ikmo l物流在阀前和阀后的有效能。一般来说，在相同节流压降下，节流初始温度越低，嫡增越小，有效能损失也越小。由于热交换过程中推动力温差存在造成的有效能损失O”在塔顶冷凝器、塔底再沸器和其他一些辅助换热设备中，均需有一定的传热推动力 温差存在。当超的热量从温度为&的热源传到温度为7；的热阱时，其有效能损失为：曲修鹭H铲的（li5）可见，有效能损失与传热温差成正比。由于非平衡的两相物流在传质设备中混合和接触传质造成的有效能损失-9-MEA吸收CCh过程用能分析及节能途径探讨以板式精储塔为例，从下面上升进入某块板的气相温度比上面板流下来的液相温度 要高些，而易挥发组分的含量则低于与下降液相浓度相平衡的浓度，两股物流在温度和 组成上均不平衡，在塔板上发生的热量和质量传递过程是不可逆的，必然造成有效能损 失，这是精储塔内有效能损失的主要部分；有效能损耗为：d%（1.16）i化学位是传质的推动力，正是由于两相间化学位具有差异而导致传质过程，从而发 生有效能损失。根据上述讨论可见，减少每块板上传热和传质推动力，即使得操作线与平衡线尽量 接近，过程趋于可逆，是降低塔内有效能损失的主要途径。1.3.2有效能分析的三种基本模型工程有效能分析按照不同的分析要求可以选择不同的模型。按照粗略分析、精细分 析和次精细分析三种不同的要求，分别选择黑箱模型、白箱模型和灰模型国）。黑箱模型“黑箱”代表一个由不透明边界组成的体系，体系内的一切一概看不清楚，似处于 完全“黑暗”中。将体系同外界之间的交换的有效能流与“黑箱”结合在一起，便组成 了黑箱模型，如图1.1。图中在实线箭头上上标出有效能流值，是由仪器、仪表直接测 取或测算得到的。图1.1黑箱分析模型Fig.1.1 Black bo x mo del如果将系统内的有效能损失视为含于系统输出有效能之中，则系统的内部有效能损 失为：Es皿（1.17）-io-大连理工大学硕士学位论文上式表明，按黑箱模型，只需要借助于输入、输出设备的有效能流信息，而不必剖 析、测算体系内部的有效能流情况，即可揭示出体系设备内宏观用能特性。这是黑箱模 型的一个突出优点。采用黑箱模型可以分析得到体系的有效能效率、热力学完善度、体 系外部总有效能损失系数、各分项有效能损失系数和体系内部的总有效能损失系数。同 样黑箱模型也存在不足，主要的不足之处是不能显示出体系内用能的薄弱环节，因此，它只能用于对体系宏观用能状况的粗略分析。白箱模型白箱分析模型是为了克服黑箱模型不足提出来的。相对于“黑暗”看不清楚的“黑 箱”来说，“白箱”就是一个完全由透明边界组成的体系。对体系内的一切都可以一目 了然，这样便于对体系内各个用能过程逐个进行剖解，计算各过程的耗散拥。因此，白 箱模型除了可以获得黑箱模型分析的全部结果外，还可以计算出体系内各用能过程的有 效能损失系数，从而揭示体系内用能不合理的环节。该模型特别适用那些用能过程复杂 的设备分析。灰箱模型黑箱与白箱分析模型主要解决设备的有效能分析。对于含多种设备的系统来说，黑 箱分析显得过于粗略。为能对系统作较精细的分析，提出了一种介于黑箱分析与白箱分 析之间的分析模型一灰箱分析模型。“灰箱”表示一种由半透明边界围成的体系，将其用于系统表示通过边界可以看到 系统内的设备整体，而看不清楚设备内部状况，即将组成系统的各台设备视为“黑箱”，有效能流线将“黑箱”联成一个黑箱网络，这便成了灰箱模型。为了便于构成规范的黑箱模型，规定对任何设备都取统一的黑箱单元表示。一个黑 箱单元是由输入、输出和总有效能损失三种有效能流构成。由黑箱组成的灰箱模型，可 以有三种联接方式：黑箱串联、并联和串并联混合方式。无论采用哪种方式，灰箱模型 都具有以下特点：系统的供给有效能为各（黑箱）设备供给有效能之和；系统的总有效能损失等于各黑箱单元总有效能损失之和。1.4单元设备的有效能分析模型1.4.1 压缩机有效能分析压缩机的黑箱分析模型如图L 2所示卬32。-11-MEA吸收C5过程用能分析及节能好啊压缩机有效能平衡方程为：用+%=&+。(I-18)式中与、E2分别为工质压缩前、后的有效能值，kjo%(kJ)为压缩机功耗，其表达式为：Wc=(1-19)据式(1.7)所示的稳流工质有效能的表达式，则压缩机有效能损失可表示为：。=2-a 1/%T+4 s2-S(1.20)式中，7,为压缩机的机械效率1.4.2 节流阀有效能分析节流阀的黑箱分析模型如图1.3所示。图1.3节流阀的黑箱分析模型Fig.1.3 Black bo x mo del o f th ro ttle valve节流阀有效能平衡方程为：E=E2+D(1.2D式中反、E2分别为工质节流前、后的有效能值，kJ o大连理工大学硕士学位论文由于绝热节流始值不变，乜=2,考虑稳流工质的有效能表达式(1.7),则节流阀 的有效能损失可表示为：D=Tq(1.22)1.4.3 物流混合的有效能分析物流混合的黑箱分析模型如图1.4所示。图1.4物流混合的黑箱分析模型Fig.1.4 Black bo x mo del o f stream-mixin g物流混合的有效能平衡方程为：E,+E2=E3+D(1.23)式中E2分别为混合前两股物流的有效能值，/为混合后物流的有效能值，kJ-结合式(1.7)则物流混合的有效能损失可表示为：D=Ei+E2-E3=To S3-S1-S2(1.24)1.4.4 多股流换热器有效能分析图L5换热器的黑箱分析模型Fig.1.5 Black bo x mo del o f h eat exch an ger换热器的黑箱分析模型如图1.5所示。根据图1.5,我们可列出换热器的有效能平衡方程：ExM+Er=石血+Er2+Exic(1.25)MEA吸收COi过程用能分析及节能途径探讨令流入换热器的热、冷物流的有效能尺田为流出换热器的热、冷物流的 有效能Eg+Eg为E,换热器的散热有效能损失纥为。，则多股流换热器的有效能 平衡方程为：EE-EE0a+D(1.26)式中以,、Eg分别为流入和流出多股流换热器物流的有效能值，kJ。结合式(1.7)多股流换热器的有效能损失可表示为：DEEM-ZEEuTo ES.-ESm(1.27)1.4.5 水冷凝器的有效能分析冷凝器的黑箱分析模型如图1.6所示。D热水制冷剂冷水制冷剂图1.6冷凝器的黑箱分析模型Fig.1.6 Black bo x mo del o f co n den ser根据图1.6和温差传热过程，冷凝器的有效能耗散由两部分组成，一部分是系统内 所耗散的有效能为7；S加-，另一部分散热有效能是通过冷凝器中的水向外界散出 的，为T。.2一1n4理，结合式(1.7)冷凝器的有效能损失方程为：I.一/.1wo vl wm wm=小5皿Sj+Tix 导In R(1-28)式中式.28)中0(kJ)为换热量。1.5化工过程的节能1.5.1 节能方法的分类所谓精馆操作乃是把多种化合物组成的混合溶液分离成各种单纯化合物的分离法；精储需要供给气化潜热，所以可理解成这是一种极其耗费热能的分离过程。但是，从另-14-大连理工大学硕士学位论文一方面看，由于投入的热能被充分利用，分离进行得彻底，那么也可以说热能被最有效 的利用了 33-35。在一般精微塔中，再沸器加热塔底液体，蒸发产生上升蒸气，塔顶蒸气经塔顶冷凝 器冷凝成冷凝液，一部分作为回流自塔内下降。蒸储塔内上升蒸气和下降液体在各层塔 板上进行充分的气液接触，因此自动地进行着低沸点组分蒸发和高沸点组分冷凝这样的 热交换过程。就是说，仅向塔底供热，分离操作就能完全自动地进行下去。只在装置一 端加入热量就能使装置内的一切活动正常地进行，使分离顺利地完成，这样的操作可以 说只有精储过程。现在首先研究一下精储塔的热平衡，精储操作所需要的最少热量是在最小回流状态.下操作所需要的热量，如下式所示（参见图1.7）o图1.7精储塔的热平衡Fig.1.7 En ergy balan ce o f