淺談化工設(shè)計(jì)中的有效能分析

趙婷（內(nèi)蒙古輕化工業(yè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司新疆分公司， 新疆 烏魯木齊 830000）

淺談化工設(shè)計(jì)中的有效能分析

趙婷（內(nèi)蒙古輕化工業(yè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司新疆分公司， 新疆 烏魯木齊 830000）

作為項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化的必要環(huán)節(jié)，化工設(shè)計(jì)近些年來(lái)已經(jīng)得到了充分的重視。而在化工設(shè)計(jì)中會(huì)產(chǎn)生很大的能耗，對(duì)其有效能的分析已成為關(guān)注的重點(diǎn)。本文首先說(shuō)明了有效能的概念，然后分析了化工過(guò)程的有效能，最后探討有效能的效率，并做了相關(guān)討論。

化工設(shè)計(jì)；有效能；換熱；傳質(zhì)；化學(xué)反應(yīng)

1 有效能概念分析

有效能的概念是在能量品位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，換句話說(shuō)，也就是一定形式的能量，在給定的環(huán)境狀態(tài)下產(chǎn)生可逆的變化，到達(dá)平衡的狀態(tài)，在理論上盡量大的做出有用功。相對(duì)于穩(wěn)流過(guò)程而言，在相應(yīng)狀態(tài)下的系統(tǒng)有效能W，也就是從該狀態(tài)（P，T），系統(tǒng)變化至環(huán)境狀態(tài)（P0，T0），此過(guò)程所作的理想功B,即：

有效能與理想功并不完全等同，兩者存在一定的區(qū)別性?；鶞?zhǔn)不同，這是有效能區(qū)別于理想功的最顯著最本質(zhì)的特點(diǎn)。在基準(zhǔn)狀態(tài)下的有效能來(lái)計(jì)算，正值的計(jì)算結(jié)果總是在環(huán)境狀態(tài)下表現(xiàn)出來(lái)，因此，就可以將能量分為三類，分類的標(biāo)準(zhǔn)是按照能量轉(zhuǎn)化為有用功的多少，分成的三類分別是高質(zhì)能量、僵態(tài)能量和低質(zhì)能量。高質(zhì)能量指完全可以轉(zhuǎn)化為有用功的能量，最明顯的例子就是電能和機(jī)械能；有功能的能量不能被轉(zhuǎn)化，這就是所謂的僵態(tài)能量，例，地殼、海水等在環(huán)境狀態(tài)中的熱能；有功能的能量中部分能被轉(zhuǎn)化的可以稱為低質(zhì)能量，此種能量在化學(xué)能中最為顯著，該能量介于高質(zhì)能量與僵質(zhì)能量之間。在計(jì)算有效化學(xué)能的過(guò)程中，需要將每一個(gè)元素的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的確定，其中包含，溫度、壓力、物態(tài)和組成。

2 化工過(guò)程的有效能分析

(1)換熱過(guò)程 換熱過(guò)程在化工設(shè)計(jì)中是經(jīng)常遇到的，當(dāng)兩種溫度不同的物質(zhì)接觸時(shí)，熱量就會(huì)從高溫物體(TH)向低溫物體(TL)傳遞。針對(duì)進(jìn)行熱交換的兩流體，假設(shè)沒(méi)有其它熱損失，取一微元進(jìn)行計(jì)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,H為:

則有效能損失dW為:

由此可以看出:式（1）傳熱過(guò)程必然存在有效能損失；式（2）溫度一定，溫差越大，則有效能損失越大；式（3）溫差一定，溫度越高有效能損失越少。因此，在實(shí)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(dāng)增大溫差。此外，在化工設(shè)計(jì)中，為合理利用有效能，一般使用低壓蒸汽0.5～1.0MPa(150～180℃)來(lái)進(jìn)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(fèi)用；高壓蒸汽的作功本領(lǐng)比低壓蒸汽強(qiáng)，因此可以用高壓蒸汽來(lái)做功(推動(dòng)汽輪機(jī)等)，從而獲得動(dòng)力能源；溫度在 350℃以上的高溫?zé)崮?如煙道氣)，則可以用來(lái)產(chǎn)生高壓蒸汽，從而避免有效能的過(guò)大損失。

(2)傳質(zhì)過(guò)程 質(zhì)量和能量的傳遞可被稱為傳質(zhì)過(guò)程，在傳質(zhì)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的能耗，直接導(dǎo)致有效能的損失。例，精餾過(guò)程中的回流比與能耗存在正比關(guān)系，回流比越高那么能量耗損就會(huì)越大，這是因?yàn)榛亓鞅雀?，塔釜的供熱量和塔頂?shù)闹评淞恳簿驮酱?；也基于此，若是采用高溫差的方式?lái)降低換熱器面積的話，在總傳熱量不變的情況下，會(huì)大大增加有效能的損失。

(3)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 如果在過(guò)程中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，那么表現(xiàn)形式就產(chǎn)生于有效能中，并表現(xiàn)在終態(tài)時(shí)體系的溫升、傳質(zhì)對(duì)體系和環(huán)境造成的影響中，因此，在體系中要考慮到化學(xué)未能產(chǎn)生的變化。

(4)化工設(shè)計(jì) 進(jìn)行化工設(shè)計(jì)中，傳質(zhì)、反應(yīng)、變壓也是常會(huì)遇到的化工過(guò)程，傳質(zhì)過(guò)程既要進(jìn)行能量的交換也要進(jìn)行質(zhì)量的傳遞，這樣，分析有效能的時(shí)候就要將傳質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的能量和有效能的損失考慮進(jìn)去。

3 有效能的效率及討論

從以上分析得知，在實(shí)際的化工設(shè)計(jì)過(guò)程中，不論是哪種化工過(guò)程，過(guò)程中能量的損失是不可避免的，也就是能量品位的降低也是必然的，化工過(guò)程的效率與能量品位是成反比的，也就是化工過(guò)程的效率越高，那么能量品位的降低就會(huì)越少。這樣，在化工過(guò)程中通過(guò)對(duì)能量進(jìn)行衡算和分析過(guò)程中的有效能就能將導(dǎo)致能量品位降低的薄弱環(huán)節(jié)找出來(lái)，從而從化工工藝的改進(jìn)提供指導(dǎo)。衡量有效能的利用情況的指標(biāo)可以用有效能效率來(lái)表征。

由于有效能效率的準(zhǔn)確性和定量性，其在過(guò)程熱力學(xué)分析中占據(jù)重要地位，尤其是在化工過(guò)程分析中，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。雖然能量是遵循守恒定律的，但是由于化工過(guò)程的不可逆性，導(dǎo)致了有效能的不守恒性。由此，在化工過(guò)程的不可逆中，有效能的損失是普遍存在的，而且不可逆的程度越大，那么就會(huì)導(dǎo)致有效能的損失越大。

（文章題目：淺談化工設(shè)計(jì)中的有效能分析）

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)化工系統(tǒng)過(guò)程的有效能進(jìn)行分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)能量作為推動(dòng)化工過(guò)程實(shí)現(xiàn)的原始動(dòng)力，在其利用過(guò)程中必然伴隨著一定的損耗，導(dǎo)致其不能被循環(huán)使用。由此可見(jiàn)，化工生產(chǎn)在推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，也使得能源的損耗加大。

(2)在化工設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)一定的設(shè)計(jì)措施來(lái)降低有效能的損失，達(dá)到節(jié)約能源的目的。例如，通過(guò)提高設(shè)備的能量利用效率、優(yōu)化不合理的工藝和減少不可逆損失，盡可能減少能量品位的下降程度，才能避免大量高質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為難以利用的低質(zhì)能量，實(shí)現(xiàn)能量在量上的節(jié)約。

[1]趙東江．熱力學(xué)過(guò)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.

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