化工节能原理与技术（第四版）

能源是经济发展的原动力，是现代文明的物质基础。随着世界人口的不断增长和工业的持续发展，能源将越来越短缺。工业节能已成为人类社会持续发展的重要前提之一，受到国家政府和各企业的高度重视。广义的化学工业是用能大户，因此化工节能尤其重要。
本书重点介绍了节能的热力学原理（第2章），化工单元过程与设备的节能（第3章），过程系统节能技术中的夹点技术（第4章），使新鲜水用量和废水排放量最小的水系统集成技术以及使新氢使用量最小的氢系统优化技术（第5章）。
相比第3版，在第2章增加了分析的应用实例，在第3章的精馏操作中补充了回流比的操作优化，在第4章中增加了循环水系统的优化和装置/厂际之间的热联合两节。所有的增补部分由王彧斐执笔。
希望本书能成为化工领域工程技术人员的参考书以及化工专业学生的教材。
本书的工作得到钱立伦教授、张早校教授、傅秦生教授、刘桂莲教授、王彦峰博士、朱平博士、孙晋博士等的帮助，特此致谢。
本书的部分工作还得到国家重点基础研究发展计划项目（2012CB720500）和国家自然科学基金项目（21276204和21476256）的资助，在此表示感谢。
本书得以出到第4版，特别感谢读者对本书的厚爱以及化学工业出版社的大力支持！
由于编著者学识有限，书中难免有疏漏或不妥之处，恳请读者批评指正，以利日后之修订。

编著者2015年2月

冯霄，西安交通大学，博士，教授，多年从事化工过程的优化与节能，水系统集成的研究与教学工作。 学术任职： （1）教育部高等学校化学及化工学科教学指导委员会化学工程与工艺专业教学指导分委员会委员； （2）中国能源研究会热力学与工程应用专业委员会副主任委员； （3）中国化工教育学会常务理事； （4）中国化工高教学会常务理事； （5）中国化工节能协会常务理事； （6）中国系统工程学会过程系统工程专业委员会理事； （7）中国工业生态经济与技术专业委员会理事； （8）陕西省化工学会能源化工专业委员会副主任委员。

《化工节能原理与技术》系统介绍了化工节能的理论与技术。包括节能的热力学原理，化工单元过程与设备的节能技术，过程系统节能技术中的夹点技术，采用过程集成方法使新鲜水用量和废水排放量最小的水系统集成技术以及氢系统优化。相比第3版，本版在第2章增加了分析的应用实例，在第3章的精馏操作中补充了回流比的操作优化，在第4章中增加了循环水系统的优化和装置/厂际之间的热联合两节，使之更符合生产的实际。
全书内容系统、全面，学科体系较完整，概念清晰，理论联系实际，实用性较强。可供化工领域工程技术人员使用，也可作为化工专业学生的参考书。

第1章总论1
1.1能源与能源的分类1
1.1.1能源1
1.1.2能源的分类2
1.2化学工业节能的潜力与意义3
1.2.1我国化学工业的特点3
1.2.2化学工业节能的潜力4
1.2.3节能的意义5
1.3节能的途径7
1.3.1结构节能7
1.3.2管理节能8
1.3.3技术节能9
参考文献14
第2章节能的热力学原理15
2.1基本概念15
2.1.1热力系统15
2.1.2平衡状态17
2.1.3状态参数和状态方程式18
2.1.4功和热量21
2.1.5可逆过程22
2.2能量与热力学第一定律23
2.2.1闭口系统能量衡算式24
2.2.2稳定流动开口系统能量衡算式24
2.3和热力学第二定律29
2.3.1热力学第二定律的几种表述29
2.3.2熵的概念和孤立系统熵增原理31
2.3.3热力学第二定律的熵衡算方程式32
2.3.4能量和34
2.4能量的计算36
2.4.1环境与物系的基准状态36
2.4.2机械形式能量的38
2.4.3热量38
2.4.4封闭系统的42
2.4.5稳定流动系统的43
2.4.6化学反应的最大有用功45
2.4.7气体的扩散48
2.4.8元素和化合物的化学49
2.4.9燃料的化学52
2.5损失和衡算方程式53
2.5.1损失和衡算方程式53
2.5.2封闭系统的衡算方程式54
2.5.3稳定流动系统的衡算方程式56
2.6装置的效率和损失系数59
2.6.1效率的一般定义59
2.6.2效率的不同形式61
2.7分析的应用实例63
2.7.1煤制天然气甲烷化过程反应热回收分析63
2.7.2己内酰胺装置蒸汽系统分析与优化67
2.8节能理论的新进展70
2.8.1可避免损失与不可避免损失70
2.8.2热经济学72
2.8.3有限时间热力学74
2.8.4积累理论75
2.8.5能值分析76
2.8.6综合考虑资源利用与环境影响的分析77
符号表79
参考文献80
第3章化工单元过程与设备的节能82
3.1流体流动及流体输送机械82
3.1.1流体流动82
3.1.2流体机械82
3.2换热86
3.2.1换热过程86
3.2.2设备和管道的保温88
3.3蒸发89
3.3.1多效蒸发90
3.3.2额外蒸汽的引出96
3.3.3二次蒸汽的再压缩98
3.3.4冷凝水热量的利用103
3.4精馏103
3.4.1预热进料105
3.4.2塔釜液余热的利用106
3.4.3塔顶蒸气余热的回收利用108
3.4.4多效精馏109
3.4.5热泵精馏114
3.4.6减小回流比122
3.4.7增设中间再沸器和中间冷凝器123
3.4.8多股进料和侧线出料126
3.4.9热偶精馏132
3.5干燥134
3.5.1排气的再循环134
3.5.2采用换热器的余热回收135
3.5.3热泵的应用135
3.5.4其他136
3.6反应137
3.6.1化学反应热的有效利用和提供137
3.6.2反应装置的改进140
3.6.3催化剂的开发141
3.6.4反应与其他过程的组合142
符号表148
参考文献149
第4章过程系统节能--夹点技术151
4.1绪论151
4.1.1过程系统节能的意义151
4.1.2夹点技术的应用范围及其发展154
4.2夹点的形成及其意义156
4.2.1温焓图和复合曲线156
4.2.2夹点的形成158
4.2.3问题表法160
4.2.4夹点的意义164
4.3换热网络设计目标165
4.3.1能量目标165
4.3.2换热单元数目目标166
4.3.3换热网络面积目标168
4.3.4经济目标169
4.3.5最优夹点温差的确定169
4.4换热网络优化设计172
4.4.1夹点技术设计准则172
4.4.2初始网络的生成175
4.4.3热负荷回路的断开与换热单元的合并179
4.4.4阈值问题186
4.5换热网络改造综合189
4.5.1现行换热网络的分析189
4.5.2换热网络改造综合的设计目标192
4.5.3换热网络改造步骤193
4.5.4受网络夹点控制装置的改造分析197
4.5.5换热网络改造综合实例201
4.6蒸汽动力系统优化综合225
4.6.1总复合曲线226
4.6.2多级公用工程的配置228
4.6.3热机的设置241
4.6.4热泵及热泵的设置245
4.6.5蒸汽动力系统可调节性分析268
4.7循环水系统的优化271
4.7.1设计问题中循环水量目标的求解272
4.7.2改造问题中循环水量目标的求解273
4.7.3循环水系统中泵网络的优化276
4.8分离系统优化综合278
4.8.1精馏系统的热集成278
4.8.2分离系统在整个过程系统中的合理设置284
4.8.3不同分离过程的热集成287
4.9反应器的热集成290
4.9.1反应器的热集成特性290
4.9.2反应器的合理设置292
4.10装置/厂际之间的热联合294
4.10.1装置/厂际之间热联合的方式294
4.10.2全厂复合曲线295
4.10.3通过全厂复合曲线确定装置/厂际热联合能量目标297
4.10.4通过全厂复合曲线确定装置/厂际热联合改造目标299
4.10.5装置/厂际间的低温热联合300
4.11间歇过程的热集成302
4.11.1间歇过程夹点分析法302
4.11.2改进的时间温度复合分析模型303
4.11.3间歇过程换热网络的目标函数309
4.11.4间歇过程换热网络的设计311
4.11.5间歇过程工艺物流与公用工程的综合318
符号表322
参考文献323
第5章水系统集成和氢系统优化327
5.1绪论327
5.2常用节水方法与用水单元模型328
5.2.1常用节水方法328
5.2.2用水单元模型329
5.2.3负荷浓度图与水极限曲线330
5.2.4用水单元质量衡算331
5.3水夹点的形成及其意义332
5.3.1极限复合曲线332
5.3.2水夹点的形成及其意义333
5.3.3问题表法334
5.4用水网络的超结构及数学模型337
5.4.1用水网络的超结构337
5.4.2非线性数学模型338
5.4.3数学模型的求解340
5.5水直接回用水网络综合343
5.5.1用水网络的描述344
5.5.2最大传质推动力法345
5.5.3最小匹配数法349
5.6再生回用与再生循环的水网络353
5.6.1水的直接回用、再生回用和再生循环353
5.6.2再生循环355
5.6.3再生回用356
5.7具有中间水道的水网络结构及其综合方法358
5.7.1具有中间水道的水网络结构359
5.7.2多组分废水直接回用中间水道用水网络设计方法360
5.8氢系统优化363
5.8.1最小氢气公用工程用量的计算与分析363
5.8.2氢气网络的优化匹配原则364
5.8.3实例分析与计算365
符号表368
参考文献369
附录1龟山吉田环境模型的元素化学
附录2主要的无机化合物和有机化合物的摩尔标准化学E0xc 
以及温度修正系数371