过程强化——重在高效节能

目标——节能、降耗、环保、集约化
效果——显著减少初期投资和生产成本,有效解决“三高”
特点——原始创新与集成创新,也是系统集成与优化整体技术

化学工程的优先发展领域——化工过程强化技术
过程强化的几个基本切入点
多利用核磁、HPLC和GC等分析手段进行过程诊断,要明明白白做事,不能“瞎干”!
认真评估带加压过程、反应与分离结合对强化传质、传热的潜力,最大程度节能降耗,实施过程强化 ,物料全利用与能量梯级利用的可能性
系统考察很关键——影响产能的因素往往是换热方式及换热器大小、管径物料、能量不匹配,缺乏测算,未能注意常压、减压、加压的流速和通量差别很大。
关注全系统优化:弄清每个工段时间、处理量和能耗状况,利用系统工程技术进行全系统优化
宏观上资源、能源的合理利用及产业合理布局,着力瓶颈技术突破
当前工业节能的主要方向
1.化工是国民经济支柱产业,占工业产值的30%左右。钢铁,化工、石化、建材等是高耗能产业,存在严重的产能过剩和“高能耗、高物耗、高污染”。几大产业的科学基础是化学,技术基础是化工,化学化工是工业生产的核心和重心
2.目前国民经济发展的重点不是重复建厂而是节能改造和产品结构调整 
3、工业节能重点应该是带普遍性的重大课题——余热回收,髙效节能技术与装备开发
一、用先进技术手段提升现有工业技术水平
重视生产过程采用焓(能量)的分析、火用(有效能)的分析,系统的“能”与“流”分析及过程模拟等先进手段,搞好行业基本分析,找出高能耗、能量利用不合理的环节,研发改进方案,稳步推进。
二、用高效转化技术提高资源利用率
工业生产过程其实是能量和物质的转化过程,需要不断研发和评估物理、化学、生物的各种转化或其组合技术和装备提高过程的转化效率。
三、集成创新,工艺、工程、装备和控制的有机结合与系统优化
必须大力改变长期只重视产品的开发,不重视节能降耗,只重视工艺研究,不重视工程和装备研究的倾向
工业技术是系统工程,包括工艺、工程、装备、控制等方方面面的问题。只有组织各方力量进行工艺、工程、装备和控制相结合的技术攻关,才能真正解决工业技术难题。
四、技术提升必须突破行业和专业局限性,实施多学科协同战略
钢铁、冶金、焦化、建材、水泥、火电、锅炉、化工、炼油等各种行业都有自身的局限性,本行业的专家往往受到行业局限性,无法独立解决重大技术关键问题,对相关学科的新技术缺乏了解。 只有突破行业和专业的局限, 实施协调创新战略,“大问题”依靠“大家”才能解决。
五、节省资源资源就是节省能源,必须重视资源的全价开发
能源与资源本是同一体,节约资源就是节约能源,必须改变现有工业只关注单一产品获取、加工不注重资源的全价利用的生产模式,提倡资源全价开发与高附加值利用

三传一反与过程强化

传质、传热和反应的共同要求——充分的面接触
1、微观分子间直接接触——最大接触,均相最有利,关键因素-体系的自身相互作用力及溶剂优选
2、创造介观体系——利用纳米、微米的巨大比表面(催化、相转移、强化气体、液体和固体的分布与分散、超声波、循环扰动、分布器等辅助手段的综合作用)
3、热量直接从混合体系中移出或供给的效率远远大于有宏观机械表面的间接换热
千方百计利用直接蒸汽供热或移热是优选方案!
次优方案才是选择换热器,管道式反应换热器、 流态化床、喷雾床、浆态床、旋流床是几种理想的值得发展的高效传质传热设备。

传质的关键——分子间混合难易
取决于分子间 距离,推动力熵(S)增加
气体——分子间距离最大,可以相对自由运动

最容易通过浓度差和分子的扩散运动实现完全均匀迅速混合,可以形成分子间完全均匀混合的气相
液体——分子相互接触存在分子间吸引力力,混合需要依靠体系的自身分子间新作用力或外力的作用足以克服分子间吸引力才能有限溶解或分散(全混合——分子间完全均匀混合的均相;部分混合-存在相互独立的不完全混溶的非均相。理想体系——胶束、囊泡)
固体——分子间存在化学键或更大作用力,除非通过熔融形成熔融体或固溶体,否则只能通过溶剂的强溶剂合作用及强外力作功才能有效分散。
理想体系——纳米颗粒的悬浮体系

传 质——物质间混合迁移过程
相溶性即分子间作用力的克服是首要因素
1)均相最易,非均相传质效率低,固固最差。
2)合适的混合方式的选择很重要
3)溶剂/相转移催化剂也可能是选项
4)各种体系的混合难易(1最容易,7最难):1、气——气(均相)2、液——液(均相)3、液——液(非均相)4、气——液(非均相)5、气——固(非均相)6、气-液-固(非均相)7、固——固(非均相)

副产物增多,转化率降低y也可能是传质问题分散不均造成

在反应釜中加入超声(固液反应有效),超声技术在萃取、分离中应用前景很好。

过程强化可以利用的能量

体系的混合熵,浓度差导致的扩散推动力,组份之间的化学反应推动力、释放或吸收的能量气化溶剂或放出热量导致温度升高、体系激烈混合和物料定向移动的动能、范德华力、氢键等溶剂合作用
原料或产品的气体、液体、固体等不同物料状态,固有的密度差导致的定向物流运动-气体的动力、升力,固体的重力,传递输送物料过程中带入动力都是可以很好利用的过程强化动力
通过合理的装备创新将相关能量尽可能转化为能够大大强化传质传热过程的内在动力,可能改变现有设备低效和高耗能的现状

传质
相溶性:传质效率均相最高,非均相传质效率低,固液最差,如:付克反应。寻找合适的溶剂/催化剂以互溶,若转化率/选择性出现异常规律,则考虑为传质的问题。

搅拌:可考虑挡板/盘管(加强传热作用)/双层搅拌。
分散不均:副产物增多,转化率降低,在反应釜中加入超声,超声技术在萃取、分离中应用前景很好。

界面活性剂:在大多数情况下,对非均相反应体系(g-l、g-s、g-l-s、l-s)加入表面活性剂,可以改善物料的混合状态,通常用在有阴阳离子参与的有机化学反应中。如季铵盐型(正离子)表面活性剂可用于有负离子参与的有机化学反应体系中,对于较小的负离子,如OH-,应加入较大烃基的季铵盐;对于较大的负离子,如氧乐果的硫磷铵盐、酚钠等,加入较小的季铵盐也可取得满意效果。对于氧化还原反应或酸体系中的卤代等反应,添加表面活性剂也可能是有效的。

传热过程与装备
换热过程是提供或移出热量的过程
蒸汽特别是水蒸汽的传热效率最高
液体以水的传热效果最好(比热最大)
充分的气-液、气-固、液-液、气-液-固三相接触的传质效率最高
通过反应-分离合理组合是最好过程强化方法
通过换热器换热是次优选择

余热利用和热泵技术
(1)低温余热的回收利用。
(2)中温余热的回收利用。
(3)高温余热的回收利用。
(4)冷能的回收利用。
(5)热泵精馏节能。
(6)热泵蒸发和海水淡化。
(7)工业加热炉空气预热节能。
(8)定形相变蓄热材料的应用。
(9)工业加热炉烟气余热回收。
(10)压力能的回收利用。

余热利用的重大意义

石油化工企业既是能源生产大户,又是能源消耗大户。約占工业能源占总消耗的25%。
炼油生产中温度130℃以下的低品位热能,占炼厂总能耗的60%。
目前,这些热能都被循环冷却水带走,从涼水塔散失于大气中。造成水的损耗。
余热利用潜力很大,如采用热泵技术,将低品位热能回收利用,节能、节水意义巨大。
余热利用的关键,是回收的热能如何应用,合理用于合适的地方。
如果将工业生产中的余热回收后,用于供暖的热能,可以取代供暖煱炉,迏到节能的效果。

低温余热的回收利用
1.低温余热主要指低于150℃的余热。
2.它主要产生于某些排放的尾气,以及石油化工、轻工等生产中物料的冷凝、冷却。
3.低温余热的回收利用,重点应该放在80-150℃容易回收,而且比较集中的烟气和冷凝器的热量回收。
4.低温余热的回收利用,要与城市的供热、供暖相结合,这是最容易实施和最合理的应用。例如钢铁厂的热风炉尾气去加热回水至90供暖。
5.在某些条件下,可采用热泵技术加以提升,它在成本上必然低于地热热泵供暖。

中温余热的回收利用
1.中温余热主要指200-500℃的中温气体。
2.中温余热的回收,首先将气体进行干式除尘,除去粉尘和悬浮物。
3.采用废热煱炉来回收热量,废热煱炉产生的髙压蒸气去膨胀机发电。
4.为了提髙余热发电的效率,最好采用有机工质。
5.中温余热也可用作加热介质,取代热油炉和中压蒸气等热源节能

高温余热的回收利用
1.高温余热主要指500℃以上的高温气体,如各种加热炉的燃烧气。
2.高温余热的回收,比较成塾而有效的方法是采用高温蓄热技术,将高温余热用来予热燃烧用的空气。
3.改进、发展和提高温蓄热技术,采用定形相变蓄热材料,得到高蓄热能力,高传热速率、高孔隙率的蓄热器。
4.高温气体经净化后,用于燃气发电。

冷能的回收利用
1.冷能主要指低于常温的气体和液体,以及由于压力降低气体膨胀产生的冷能。
2.冷能的回收利用,最方便的应用是作为冷介质用于空调。
3.低温气体或液体,由于加热而产生高压,可以用膨胀机回收能量发电。
4.液化天然气-165℃的低温,有大量的冷能可以回收利用,意义十分重大。