基于自回热原理的维生素蒸发结晶单元的节能研究

摘要

热敏性物料在医药、香料、食品、石油炼制中经常涉及，维生素就是其中比较常见的一种，其遇热不稳定性给蒸发结晶带来了很大的困难。常规的维生素低温蒸发结晶单元，存在着高能耗、高排放的问题，并且难以保证维生素成品的质量。在这样的背景下，本文将维生素低温蒸发结晶单元作为研究对象，提出了一种基于自回热理论的低温蒸发过程，对其进行了流程设计、能量分析、特性研究和经济性评价。
　　首先，对于常规维生素低温蒸发过程的特点和存在的问题进行了分析，利用自回热原理设计了一种新的蒸发结晶流程，构建了其中主要设备的模型。采用物料平衡结合能量平衡的方法确定了每个状态点的状态。通过与设计要求的对比，表明新设计的维生素低温蒸发过程能够满足设计要求并保证维生素成品的质量。
　　在新设计的自回热低温蒸发单元的基础上，进行能量分析。利用能量分析与有效能分析的方法，比较了自回热过程与常规过程的能量和有效能情况，并利用工艺过程的用能“三环节”理论对各用能环节进行评估。结果表明，自回热过程的能量的消耗减少了约73％，输入的（有效能）减少了68.3%。从用能的三个环节来看，在能量的工艺利用环节中和能量的回收环节中，自回热过程利用的91%的热量是来自于能量的循环利用，相较于传统过程的100%的能量来源于外部供热，其能量的来源结构更为合理，能量的利用率更高。
　　对新设计过程的特性进行研究，分析了最小传热温差的特性，压缩绝热效率和过热度与能耗之间的关系并分析了系统的多级特性。改进系统的能耗随着最小传热温差的减小而减小，本文的研究条件下，合适的最小传热温差约为10℃。压缩机的绝热效率越低，改进系统的能耗就越大，在一般的压缩机效率0.7—0.8的范围内，改进系统相比于传统过程有能耗小的优势。在其它条件不变的情况下，更大的过热度意味着更大的能耗。设计时，应综合考虑能耗和闪蒸完成时间选择合理的过热度。本文用以加热闪蒸进口物料的热量，潜热远远大于显热，在有限的温度变化的情况下，潜热具有更大的利用空间，多级系统与二级系统相比在经济上并无优势。
　　针对原有的经济性评价模型中缺乏对环境成本的考量的缺陷，建立了综合评价模型，将环境成本货币化，并利用新提出的模型分析了自回热系统。结合新提出的综合指标，建立了自回热单因素评价数学模型，对影响维生素生产成本的因素进行分析。结果表明，利用自回热原理设计的维生素低温蒸发单元的环境成本减少了73%；生产成本随着运行时间的增大而减小；环境成本因子随运行时间的增大而增大；能量成本和维生素的年产量这两个因素对维生素生产成本影响较大。提高因素的基数会扩大因素对维生素成本的影响力，对正关联的因素有促进作用。

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注释表

第一章 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2温焓图[13-17]

1.3自回热理论的概述及研究现状

1.4自回热过程的特性研究

1.5系统的经济评价指标

1.6本文的主要研究工作

第二章 基于自回热理论的维生素低温蒸发单元的设计

2.1基于自回热理论的过程设计

2.2计算模型与计算方法

2.3结果及讨论

2.4本章小结

第三章 自回热过程的用能分析

3.1热力学计算的基本模型

3.2能量分析

3.3能量利用的三环节

3.4本章小结

第四章 自回热过程的变量特性分析

4.1多因素分析的描述

4.2最小传热温差

4.3压缩机的绝热效率

4.4过热度

4.5循环热量的组成

4.6多级系统的特性

4.7 本章小结

第五章 自回热过程的经济评价

5.1统一性能指标

5.2单因素经济分析

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学问期间取得的学术成果