前言：

"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原理（第2章），单元过程与设备的节能技术（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）等内容。

相比第4版，在第1章更新了行业发展数据；在第4章中增加了热泵设置对夹点位置的影响分析，能量最优的热泵设置，冷却器网络改造优化，采用多回路结构的循环水系统供能优化，水轮机在循环水系统优化中的应用，采用数学规划法的循环水系统优化，考虑空冷器的循环水系统优化，装置/厂际间换热与装置内换热的协同考虑，装置间热进料最优设计；在第5章中增加了氢负荷-流量夹点法、代数法，以及氢气的提纯回用。第4章增补内容由王彧斐和杨敏博执笔，第1章和第5章增补内容由杨敏博执笔。

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，李婷硕士等的帮助，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、21476256和21736008）的资助，在此表示感谢。

本书得以出到第5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！

由于作者学识有限，书中难免有不妥之处，恳请读者批评指正，以利日后之修订。

编著者

2021年7月

目录：

"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1

1.2化学工业节能的潜力与意义2

1.2.1我国化学工业的特点2

1.2.2化学工业节能的潜力3

1.2.3节能的意义4

1.3节能的途径5

1.3.1结构节能5

1.3.2管理节能5

1.3.3技术节能6

参考文献9

第2章节能的热力学原理10

2.1基本概念10

2.1.1能量系统10

2.1.2平衡状态11

2.1.3状态参数和状态方程式12

2.1.4功和热量13

2.1.5可逆过程14

2.2能量与热力学第一定律15

2.2.1闭口系统能量衡算式15

2.2.2稳定流动开口系统能量衡算式15

2.3炬用和热力学第二定律19

2.3.1热力学第二定律的几种表述19

2.3.2熵的概念和孤立系统熵增原理20

2.3.3热力学第二定律的熵衡算方程式21

2.3.4能量和炬用22

2.4能量的炬用计算23

2.4.1环境与物系的基准状态23

2.4.2机械形式能量的炬用24

2.4.3热量炬用24

2.4.4封闭系统的炬用27

2.4.5稳定流动系统的炬用28

2.4.6化学反应的最大有用功29

2.4.7气体的扩散炬用31

2.4.8元素和化合物的化学炬用32

2.4.9燃料的化学炬用33

2.5炬用损失和炬用衡算34

2.5.1炬用损失和炬用衡算方程式34

2.5.2封闭系统的炬用衡算方程式35

2.5.3稳定流动系统的炬用衡算方程式36

2.6装置的炬用效率和炬用损失系数38

2.6.1炬用效率的一般定义38

2.6.2炬用效率的不同形式39

2.7炬用分析的应用实例41

2.7.1煤制天然气甲烷化过程反应热回收分析41

2.7.2己内酰胺装置蒸汽系统分析与优化43

2.8节能理论的新进展45

2.8.1可避免炬用损失与不可避免炬用损失45

2.8.2热经济学（炬用经济学）47

2.8.3有限时间热力学48

2.8.4积累炬用理论49

2.8.5能值分析49

2.8.6综合考虑资源利用与环境影响的炬用分析50

符号表51

参考文献52

第3章化工单元过程与设备的节能54

3.1流体流动及流体输送机械54

3.1.1流体流动54

3.1.2流体机械54

3.2换热57

3.2.1换热过程57

3.2.2设备和管道的保温58

3.3蒸发58

3.3.1多效蒸发59

3.3.2额外蒸汽的引出62

3.3.3二次蒸汽的再压缩64

3.3.4冷凝水热量的利用66

3.4精馏67

3.4.1预热进料68

3.4.2塔釜液余热的利用69

3.4.3塔顶蒸气余热的回收利用70

3.4.4多效精馏71

3.4.5热泵精馏74

3.4.6减小回流比78

3.4.7增设中间再沸器和中间冷凝器80

3.4.8多股进料和侧线出料82

3.4.9热偶精馏85

3.5干燥87

3.5.1排气的再循环87

3.5.2采用换热器的余热回收87

3.5.3热泵的应用87

3.5.4其他88

3.6反应88

3.6.1化学反应热的有效利用和提供89

3.6.2反应装置的改进91

3.6.3催化剂的开发92

3.6.4反应与其他过程的组合92

符号表96

参考文献97

第4章过程系统节能——夹点技术98

4.1绪论98

4.1.1过程系统节能的意义98

4.1.2夹点技术的应用范围及其发展100

4.2夹点的形成及其意义101

4.2.1温-焓图和复合曲线101

4.2.2夹点的形成102

4.2.3问题表法104

4.2.4夹点的意义106

4.3换热网络设计目标107

4.3.1能量目标107

4.3.2换热单元数目目标107

4.3.3换热网络面积目标108

4.3.4经济目标109

4.3.5最优夹点温差的确定109

4.4换热网络优化设计110

4.4.1夹点技术设计准则110

4.4.2初始网络的生成112

4.4.3热负荷回路的断开与换热单元的合并115

4.4.4阈值问题119

4.5换热网络改造综合121

4.5.1现行换热网络的分析121

4.5.2换热网络改造综合的设计目标123

4.5.3换热网络改造步骤124

4.5.4受网络夹点控制装置的改造分析125

4.5.5换热网络改造综合实例128

4.6蒸汽动力系统优化综合145

4.6.1总复合曲线145

4.6.2多级公用工程的配置147

4.6.3热机的设置154

4.6.4热泵及热泵的设置157

4.6.5蒸汽动力系统可调节性分析175

4.7循环水系统的优化177

4.7.1设计问题中循环水量目标的求解177

4.7.2改造问题中循环水量目标的求解178

4.7.3冷却器网络改造优化180

4.7.4循环水系统中泵网络的优化181

4.7.5采用多回路结构的循环水系统供能优化182

4.7.6水轮机在循环水系统优化中的应用182

4.7.7采用数学规划法的循环水系统优化183

4.7.8考虑空冷器的循环水系统优化184

4.8分离系统优化综合184

4.8.1精馏系统的热集成184

4.8.2分离系统在整个过程系统中的合理设置188

4.8.3不同分离过程的热集成190

4.9反应器的热集成192

4.9.1反应器的热集成特性192

4.9.2反应器的合理设置193

4.10装置/厂际间的热联合194

4.10.1装置/厂际间热联合的方式195

4.10.2全厂复合曲线195

4.10.3通过全厂复合曲线确定装置/厂际热联合能量目标196

4.10.4通过全厂复合曲线确定装置/厂际热联合改造目标197

4.10.5装置/厂际间的低温热联合198

4.10.6装置/厂际间换热与装置内换热的协同考虑199

4.10.7装置间热进料最优设计200

4.11间歇过程的热集成204

4.11.1间歇过程夹点分析法204

4.11.2改进的时间温度复合分析模型205

4.11.3间歇过程换热网络的目标函数208

4.11.4间歇过程换热网络的设计210

4.11.5间歇过程工艺物流与公用工程的综合214

4.12低温余热的有效回收216

4.12.1低温余热回收途径216

4.12.2余热源的提质优化217

4.12.3余热的直接热利用219

4.12.4余热的升级热利用——热泵220

4.12.5吸收式制冷220

4.12.6余热的动力回收221

4.12.7不同余热回收方式的比较224

符号表224

参考文献225

第5章水系统集成和氢系统优化228

5.1绪论228

5.2常用节水方法与用水单元模型229

5.2.1常用节水方法229

5.2.2用水单元模型229

5.2.3负荷-浓度图与水极限曲线230

5.2.4用水单元质量衡算231

5.3水夹点的形成及其意义231

5.3.1极限复合曲线231

5.3.2水夹点的形成及其意义232

5.3.3问题表法233

5.4用水网络的超结构及数学模型235

5.4.1用水网络的超结构235

5.4.2非线性数学模型235

5.4.3数学模型的求解236

5.5水直接回用水网络综合239

5.5.1用水网络的描述239

5.5.2最大传质推动力法240

5.5.3最小匹配数法243

5.6再生回用与再生循环的水网络246

5.6.1水的直接回用、再生回用和再生循环246

5.6.2再生循环247

5.6.3再生回用248

5.7具有中间水道的水网络结构及其综合方法249

5.7.1具有中间水道的水网络结构249

5.7.2多组分废水直接回用中间水道用水网络设计方法250

5.8氢系统优化251

5.8.1最小氢气公用工程用量的计算与分析251

5.8.2氢气的提纯回用255

5.8.3氢气网络的优化匹配原则257

5.8.4实例分析与计算257

符号表260

参考文献260

附录262

附录1龟山-吉田环境模型的元素化学炬用262

附录2主要的无机化合物和有机化合物的摩尔标准化学炬用E0xc 以及温度修正系数ξ263