化工設(shè)計過程中的有效能分析

喬洪虎

（中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟南250101）

化工生產(chǎn)能源的消耗是一個重要的技術(shù)經(jīng)濟指標，它是衡量工藝流程、設(shè)備設(shè)計、操作系統(tǒng)是否先進和合理的主要依據(jù)之一。世界上能源的開發(fā)以及合理利用能源和技術(shù)受到廣泛的關(guān)注。作為必要項目產(chǎn)業(yè)重要的環(huán)節(jié)，化工設(shè)計越來越成為重點問題。

現(xiàn)在倡導(dǎo)的循環(huán)經(jīng)濟的核心是節(jié)約和循環(huán)利用，能耗是不能被回收再利用的。能量不僅有數(shù)量還有質(zhì)量(品位)。作為一個標準依據(jù)判斷能量等級，可以有效的分析在社會可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟定量分析與研究中，得到非常有意義的嘗試，由此發(fā)展了技術(shù)和經(jīng)濟熱經(jīng)濟學(xué)的整體優(yōu)化的目的。在化學(xué)工程設(shè)計過程中，引入和加強有效能的概念，通過有效的化學(xué)過程的分析，幫助設(shè)計師正確理解使用的能源，以建立科學(xué)的工程設(shè)計節(jié)能意識。

1 熱力學(xué)定律與卡諾循環(huán)

化學(xué)工程的一個重要組成部分， 化學(xué)工程熱力學(xué)是化工過程開發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)的重要理論依據(jù)。從熱力學(xué)第二定律出發(fā)，研究化學(xué)過程的能量轉(zhuǎn)換和有效使用， 平衡理論的變化過程限制、 條件或狀態(tài)。1930 年由福勒( R1H1Fowler) 提出的熱力學(xué)第零定律指出，對于由大量分子、原子組成的物體或物體系，如果兩個熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個都與第三個熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡( 溫度相同) 狀態(tài)，則它們彼此也必定處于熱平衡狀態(tài)，這為能量衡算提供了實驗基準。對于封閉體系，熱力學(xué)第一定律指出能量的轉(zhuǎn)化和守恒在一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中普遍適用[2]。

2 有效能概念分析

為了區(qū)分不同能量的品位，就產(chǎn)生了有效能的概念，即一定形式的能量，可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)，達到平衡時，理論上所能做出的最大有用功。 對于穩(wěn)流過程，系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的有效能W，就是系統(tǒng)從該狀態(tài)( P，T ) 變化到環(huán)境狀態(tài)( P0, T0) 過程所作的理想功B，即:

有效能與理想功的區(qū)別在于基準不同，也可以認為理想功為能量在兩個狀態(tài)間有效能的差別。 由于有效能計算的基準狀態(tài)為環(huán)境狀態(tài)，因此總是正值。 這樣，通過對有效能的比較，即按能量轉(zhuǎn)化為有用功的多少，可以把能量分為三類：高質(zhì)能量，即理論上能完全轉(zhuǎn)化為有用功的能量，如電能、機械能(包括水能和風(fēng)能等)；僵態(tài)能量，即理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量，如海水、地殼等環(huán)境狀態(tài)中的熱能；低質(zhì)能量，即能部分轉(zhuǎn)化為有用功的能量，如熱和以熱形式傳遞的能量，化學(xué)能等。其中在計算化學(xué)有效能時，要求對每一元素均確定其環(huán)境狀態(tài)，包括溫度、壓力、物態(tài)和組成?；どa(chǎn)中與熱量傳遞有關(guān)的加熱、冷卻、冷凝過程，以及與壓力變化有關(guān)的壓縮、膨脹等過程，雖然可以依據(jù)熱力學(xué)第一定律進行能量衡算，但都存在有效能的損失，即總體上能量品位的下降。 功可以100%轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，熱不可?00% 轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α?這就要求在化工設(shè)計中對不同能量的使用進行合理規(guī)劃，從而降低有效能的損失[1]。

3 化工過程的有效能分析

在實際的能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程中， 能量可以轉(zhuǎn)化為功的程度，除了與能量的質(zhì)量、體系所處的狀態(tài)有密切關(guān)系外，還與過程的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)熱力學(xué)定律和有效能的定義，針對不同的化工過程，通過有效能分析可以計算其中各種物流和能流的有效能， 作出有效能衡算，評價能量利用情況，揭示有效能損失的原因，指明減少損失的途徑。

3.1 換熱過程

換熱過程在化工設(shè)計中是經(jīng)常遇到的，當兩種溫度不同的物質(zhì)接觸時，熱量就會從高溫物體(TH)向低溫物體(TL)傳遞。針對進行熱交換的兩流體，假設(shè)沒有其它熱損失，取一微元進行計算，有高溫流體微元所放出熱量dQ的有效能dBQ,H為：

低溫物體所吸收熱量dQ的有效能dBQ,L為:

則有效能損失dW 為:

由此可以看出:（1）傳熱過程必然存在有效能損失；（2）溫度一定，溫差越大，則有效能損失越大；（3）溫差一定，溫度越高有效能損失越少。 因此，在實際工業(yè)生產(chǎn)中，低溫傳熱要盡量減小溫差，高溫傳熱則可適當增大溫差。 此外，在化工設(shè)計中，為合理利用有效能，一般使用低壓蒸汽0.5～1.0MPa(150～180℃)來進行工藝加熱，這樣不僅可減少有效能的損失，還可減少因高壓產(chǎn)生的設(shè)備費用；高壓蒸汽的作功本領(lǐng)比低壓蒸汽強，因此可以用高壓蒸汽來做功(推動汽輪機等)，從而獲得動力能源；溫度在350℃以上的高溫?zé)崮?如煙道氣)，則可以用來產(chǎn)生高壓蒸汽，從而避免有效能的過大損失[3]。

3.2 傳質(zhì)過程

對于傳質(zhì)過程，系統(tǒng)內(nèi)除了有能量交換，還有質(zhì)量傳遞，此時在進行有效能分析時就要注意傳質(zhì)過程帶來的能耗和有效能損失。 例如，對于精餾過程，回流比越高，就意味著塔釜的供熱量和塔頂?shù)闹评淞烤驮酱?，這將直接導(dǎo)致能耗的增加；如果以較高的溫差來降低換熱器面積進行換熱，雖然總傳熱量沒有改變但有效能損失將會增大在干燥系統(tǒng)中也存在著類似的結(jié)論。

3.3 化學(xué)反應(yīng)過程

對于有化學(xué)反應(yīng)存在的過程中，有效能損失通常表現(xiàn)在終態(tài)時體系的溫升和傳質(zhì)對體系和環(huán)境造成的影響上，此時體系的不可逆熵增要考慮到化學(xué)位能的變化。

3.4 化工設(shè)計

在化工設(shè)計中，常遇到的化工過程還有傳質(zhì)、反應(yīng)、變壓等過程。對于傳質(zhì)過程，系統(tǒng)內(nèi)除了有能量交換，還有質(zhì)量傳遞，此時在進行有效能分析時就要注意傳質(zhì)過程帶來的能耗和有效能損失。例如對于精餾過程，回流比越高，就意味著塔釜的供熱量和塔頂?shù)闹评淞烤驮酱螅@將直接導(dǎo)致能耗的增長；如果以較高的溫差來降低換熱器面積進行換熱，雖然總傳熱量沒有改變，但有效能損失將會增大。類似的結(jié)論也存在于干燥過程中。 對于有化學(xué)反應(yīng)的過程，有效能損失通常表現(xiàn)在終態(tài)時體系的溫升和傳質(zhì)對體系和環(huán)境造成的影響上，此時體系的不可逆熵增要考慮到化學(xué)位能的變化。

在實際化工設(shè)計中，無論哪種化工過程，總是伴隨著能量品位的降低，一個效率較高的過程應(yīng)該是能量品位降低較少的過程。 通過化工過程能量衡算和有效能分析，可以找出能量品位降低最多的薄弱環(huán)節(jié)，從而確定工藝改進和過程優(yōu)化的方向。

4 有效能的效率及討論

一般能量平衡反映了系統(tǒng)的利用率(熱效率)的數(shù)量，并能有效地反映了系統(tǒng)平衡能源利用效率的質(zhì)量(熱力學(xué))。 作為一個主要指數(shù)在熱力學(xué)分析,有效效率可以準確、定量地反映過程的不可逆性，已廣泛應(yīng)用于化學(xué)過程的分析。能量是守恒的，但由于不可逆過程，有效能量損失的有效的違反，是存在于任何可逆過程。不可逆轉(zhuǎn)的程度越高，有效的損失越大。 此外，由于不同的能源有效和可以品味不同,所以它的力量能力也有差異。 光能源和生物質(zhì)能源的主要方向是新能源的發(fā)展，并聲稱無偏二極管可以發(fā)電的單一環(huán)境研究引發(fā)了爭議。

5 結(jié)束語

能源是促進工業(yè)過程實現(xiàn)的客觀動力， 但在能量使用過程中，不能循環(huán)使用且無法回收。 工業(yè)生產(chǎn)促進了人類社會的進步，同時也導(dǎo)致了能源開發(fā)和使用。 因此在化學(xué)工程設(shè)計的過程中，以有效能節(jié)約為核心，通過改善設(shè)備能源效率、優(yōu)化不合理的流程，減少不可逆損失，減少盡可能多的能量等級下降的程度，避免大量的高質(zhì)量的能量轉(zhuǎn)換為難以利用的低質(zhì)量能量，實現(xiàn)能源節(jié)約。

［1］傅海輝.物理學(xué)基本定律的獨立性之爭及其反思[J].自然辯證法研究，2005,21(1):5-8.

［2］趙東江.熱力學(xué)過程的性質(zhì)、方向和限度判據(jù)的研究[J].化工高等教育，2007，24(1):47-49.

［3］師晉生.管內(nèi)定型流傳熱過程的有效能損失[J].力學(xué)與實踐，2006，28(5).