序言：

能源是人类社会生存发展的重要物质基础，攸关国计民生和国家战略竞争力。当前，世界能源格局深刻调整，应对气候变化进入新阶段，新一轮能源革命蓬勃兴起。我国经济发展步入新常态，能源消费增速趋缓，发展质量和效率问题突出，供给侧结构性改革刻不容缓，能源转型变革任重道远。
我国能源结构具有“贫油、富煤、少气”的基本特征，煤炭是我国基础能源和重要原料，为我国能源安全提供了重要保障。随着国际社会对保障能源安全、保护生态环境、应对气候变化等问题日益重视，可再生能源已经成为全球能源转型的重大战略举措。到2020 年，我国煤炭消费占能源消费总量的56.8%，天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费比重达到了20%以上。高效、清洁、低碳开发利用煤炭和大力发展光电、风电等可再生能源发电技术已经成为能源领域的重要课题。
党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央提出“四个革命、一个合作”能源安全新战略，即“推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命和能源体制革命，全方位加强国际合作”，着力构建清洁低碳、安全高效的能源体系，开辟了中国特色能源发展新道路，推动中国能源生产和利用方式迈上新台阶、取得新突破。气候变化是当今人类面临的重大全球性挑战。2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出:“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”构建资源、能源、环境一体化的可持续发展能源系统是我国能源的战略方向。
当今世界，百年未有之大变局正加速演进，世界正在经历一场更大范围、更深层次的科技革命和产业变革，能源发展呈现低碳化、电力化、智能化趋势。浙江大学能源学科团队长期面向国家发展的重大需求，在燃煤烟气超低排放、固废能源化利用、生物质利用、太阳能热发电、烟气CO2 捕集封存及利用、大规模低温分离、旋转机械和过程装备节能、智慧能源系统及智慧供热等方向已经取得了突破性创新成果。先进热能工程丛书是对团队十多年来在国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家“973”计划、国家“863”计划等支持下取得的系列原创研究成果的系统总结，涵盖面广，系统性、创新性强，契合我国“十四五”规划中智能化、数字化、绿色环保、低碳的发展需求。
我们希望丛书的出版，可为能源、环境等领域的科研人员和工程技术人员提供有意义的参考，同时通过系统化的知识促进我国能源利用技术的新发展、新突破，技术支撑助力我国建成清洁低碳、安全高效的能源体系，实现“碳达峰、碳中和”国家战略目标。

中国工程院院士 浙江大学教授
岑可法
2021年7月 

前言：

以化工、石化、煤化工、生物化工、制药、能源、冶金、环境保护等行业为代表的过程工业是国民经济的支柱产业，其通过一系列有机结合的工艺过程得以实现，这些工艺过程涉及动量传递过程、热量传递过程、质量传递过程、反应过程、热力过程和机械过程等。作为耗能大户，过程工业生产过程需要消耗大量能源，从建设节约型社会、实现过程工业可持续发展的角度考虑，进行过程工业的节能很有必要。特别是在中国过程工业单位产品能耗较国际平均水平仍有较大差距的情况下，进行过程节能势在必行。
过程装备是实现过程工业生产的硬件设施，过程工艺依靠各种各样的过程装备来实现，过程能耗的很大部分都消耗在过程装备上，因此选用和开发高效过程装备很有必要。但过程装备种类繁多，分类方法多样，不同类型过程装备的节能既有共性也有个性。而“三传一反”是被广泛接受的过程工艺基础，依此分类进行过程装备节能的介绍，有利于兼顾内容的系统性和全面性。
本书系统介绍了动量传递过程装备、热量传递过程装备、质量传递过程装备、反应过程装备的节能技术，同时阐述了过程节能的必要性以及节能技术的评价方法等。本书内容编写力争体现以下特点:
① 内容编排和表达上有所创新。以往对过程节能的介绍更多地将过程与装备分离，内容偏理论或偏应用，本书内容编排以经典的“三传一反”过程原理为主线，融合过程与设备，兼顾基础理论和工程实际，便于读者理论联系实际。
② 力求展示过程装备节能技术的最新成果。有选择地增加了过程节能的新理论、高效节能的新装备、节能评价的新方法等，以体现过程装备节能技术的进展和趋势。
③ 兼顾专业需求，拓宽应用范围。考虑到过程工业学科门类较多的特点，本书更注重专业性和通用性的协调，略去了复杂的演绎推导，重点介绍了各专门过程的节能原理以及高效节能、量大面广的典型装备。
本书的编写工作由浙江大学刘宝庆、钱锦远、洪伟荣等共同完成。具体编写分工为:刘宝庆编写第1章、第4章、第5章、第6章，钱锦远编写第2章、第3章，洪伟荣参与编写了第2章部分内容。本书成稿，融汇了编著者从事过程装备节能技术研究的成果与心得，同时学习和吸收了相关优秀著作的精华，对编写过程中所参阅文献的原始作者表示诚挚的谢意。编写过程中，浙江大学郑津洋教授、金志江教授、陈志平教授、蒋家羚教授、林兴华教授等对本书编写体系的确定，给予了有益的建议和帮助，研究生徐子龙、王博、杨潮、张子璇、张自强、杨晨、仇畅等参与了图文录入加工等工作，在此一并表示衷心的感谢。
由于编著者水平有限，书中难免有不尽如人意之处，敬请读者批评指正，以利改进和完善，不胜感激。

编著者
2021年3月  

目录：

第1 章　绪论　001
1.1　能源概论002
1.1.1　能源定义002
1.1.2　能源分类002
1.1.3　能源评价005
1.2　节能的概念及必要性006
1.2.1　节能的定义006
1.2.2　节能的必要性007
1.2.3　节能的相关概念009
1.3　过程用能分析基础015
1.3.1　热力学分析015
1.3.2　热经济学分析018
1.3.3　夹点技术020
1.4　过程装备概述027

第2 章　动量传递过程装备节能技术029
2.1　动量传递过程节能的理论基础030
2.1.1　动量传递概论030
2.1.2　流体流动概述033
2.1.3　流体流动的基本方程037
2.1.4　流体流动的阻力046
2.2　动量传递过程节能技术050
2.2.1　泵节能技术050
2.2.2　风机节能技术061
2.2.3　压缩机节能技术069
2.2.4　阀门节能技术078
2.3　动量传递过程节能的典型装备091
2.3.1　轴流泵091
2.3.2　动叶可调轴流风机095
2.3.3　多级轴流压缩机102
2.3.4　主给水调节阀106
2.3.5　先导式截止阀109

第3 章　热量传递过程装备节能技术113
3.1　热量传递过程节能的理论基础114
3.1.1　传热基础知识114
3.1.2　强化对流传热的物理机制120
3.1.3　场协同强化原理125
3.1.4　强化传热的评价方法127
3.2　热量传递过程节能技术129
3.2.1　有源强化技术130
3.2.2　无源强化技术136
3.2.3　复合强化技术156
3.3　热量传递过程节能的典型装备159
3.3.1　微通道换热器159
3.3.2　蜂窝夹套换热器173
3.3.3　螺旋槽管换热器180

第4 章　质量传递过程装备节能技术187
4.1　质量传递过程节能的理论基础188
4.1.1　扩散传质188
4.1.2　对流传质189
4.1.3　传质工程描述190
4.2　蒸发过程及蒸发器的节能192
4.2.1　蒸发过程热力学分析193
4.2.2　蒸发过程节能技术198
4.2.3　典型蒸发器202
4.3　干燥过程及干燥器的节能205
4.3.1　干燥过程的热力学分析205
4.3.2　不同干燥方法的比较209
4.3.3　干燥过程节能技术212
4.3.4　典型干燥器215
4.4　精馏过程及精馏塔的节能220
4.4.1　精馏过程热力学分析221
4.4.2　精馏过程节能技术222
4.4.3　典型精馏塔232

第5 章　反应过程装备节能技术236
5.1　反应过程热力学分析237
5.1.1　化学反应有效能的计算237
5.1.2　实际反应过程有效能损耗及复杂反应的反应有效能估算238
5.2　反应过程节能技术239
5.2.1　化学反应热的有效利用239
5.2.2　反应装置的改进242
5.2.3　催化剂的开发242
5.2.4　反应与其他过程的结合243
5.3　机械搅拌反应器的节能245
5.3.1　搅拌混合技术245
5.3.2　换热技术259
5.4　典型反应器268
5.4.1　固定床反应器268
5.4.2　移动床反应器269
5.4.3　流化床反应器270
5.4.4　微反应器272
5.4.5　超临界反应器276
5.4.6　超重力旋转填充床反应器279

第6 章　过程装备节能技术的评价284
6.1　节能技术评价的必要性285
6.2　节能技术经济评价286
6.2.1　技术经济基础286
6.2.2　节能方案经济评价基础288
6.2.3　节能方案评价方法290
6.3　节能技术生命周期评价295
6.3.1　生命周期评价的概念及发展历程295
6.3.2　生命周期评价技术框架299
6.3.3　节能技术生命周期评价应用策略301
6.3.4　生命周期评价注意问题及发展趋势302

附录1　常见物质的热力学性质304

附录2　理想气体摩尔定压热容的常数306

附录3　常见气体在不同温度区间的平均摩尔定压热容308

参考文献310