“火用分析”等概念在一個創(chuàng)新案例中的應(yīng)用

張 英

馬鋼(集團)控股有限公司科技管理部 安徽馬鞍山 243000)

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“火用分析”等概念在一個創(chuàng)新案例中的應(yīng)用

張 英

馬鋼(集團)控股有限公司科技管理部 安徽馬鞍山 243000)

結(jié)合化學工程的基本原理，剖析了一個專利發(fā)明中所應(yīng)用的思路和方法，歸納了對行業(yè)中節(jié)能技術(shù)與設(shè)備開發(fā)創(chuàng)新的啟示。

思路；節(jié)能；創(chuàng)新

“火用分析”方法是過程熱力學分析的基本方法之一。在上世紀七十年代能源危機發(fā)生之后，對能量的品質(zhì)即：“火用”的研究及應(yīng)用得到了普遍重視。

火用是指體系所處的狀態(tài)到達基準態(tài)之間所能提供的理想功。單位能量所含的火用稱為能級。理論上能全部轉(zhuǎn)化為功的能量，其能級為1，如：電能、機械能等；完全不能轉(zhuǎn)化為功的能量，其能級為0，也稱之為“僵態(tài)能”；低級能量的能級大于0小于1。

低級能量在冶金工廠內(nèi)點多面廣、種類繁多。目前對低級能量的利用率依然不高，很多低級能量依然由間接或直接的途徑排放到環(huán)境中，例如：需冷卻的工藝介質(zhì)的熱量通過循環(huán)水冷卻水系統(tǒng)換熱移除并由開放式凈循環(huán)水系統(tǒng)中冷卻塔的水汽向大氣排放；高爐水沖渣產(chǎn)生的蒸汽的直接排放，蒸汽冷凝水的熱量排放等等?；厥绽眠@些低級能量的潛力不小。

筆者發(fā)現(xiàn)專利 “低火用熱源驅(qū)動型溶液濃縮-純化機組”中所應(yīng)用的思路和方法，可能對行業(yè)中節(jié)能技術(shù)與設(shè)備開發(fā)具有較好的示范意義。結(jié)合化工熱力學和化工原理的方法，剖析了案例中應(yīng)用的創(chuàng)新思路和具體方法供同行討論借鑒。

1 創(chuàng)新目標

專利針對濃縮溶質(zhì)或提純?nèi)芤旱男枨?，基于“背景技術(shù)”的原料、產(chǎn)物、設(shè)備、方法和熱源情況，提出了低火用熱源的選項。

1.1 原料

化工生產(chǎn)過程產(chǎn)生各種溶液。其中，目標產(chǎn)品溶液濃縮后轉(zhuǎn)序。而副產(chǎn)物，直接排放會造成環(huán)境污染；直接轉(zhuǎn)移處理則貯運費用高、后處理產(chǎn)生的大量氣體或液體也因缺少合適的消納措施而形成污染轉(zhuǎn)移。通常將溶液加熱蒸發(fā)后的濃縮(漿)液轉(zhuǎn)序(移)。

1.2 產(chǎn)出物

分娩方式不同，生殖系統(tǒng)的恢復不同。自然分娩的女性子宮完整，子宮縮復快，出血時間短，陰道或會陰部會有不同程度的裂傷或側(cè)切，這需要慢慢愈合。剖宮產(chǎn)的女性子宮有切口，子宮縮復時間稍長。

蒸發(fā)出的汽體除含有溶劑汽體外，有些還含有腐蝕性、劇毒等有害化學介質(zhì)。就地排放，不僅污染環(huán)境、更對生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備造成腐蝕、也極大危害了操作人員的身心健康。排放的化學物也是企業(yè)的中間產(chǎn)品或原料，不加以回收，也使產(chǎn)品收率降低、原料消耗增加。

1.3 設(shè)備

普遍采用的蒸發(fā)器以升膜降膜蒸發(fā)器居多，以蒸汽等高火用熱源提供從溶液中蒸發(fā)出溶劑的動力。

1.4 方法和熱源

以單效蒸發(fā)為例，每蒸發(fā)1 t水，至少消耗1.1 t蒸汽。蒸汽雖然是化工企業(yè)必有的能源介質(zhì)，但作為高火用熱源，蒸發(fā)濃縮目標產(chǎn)品的溶液，能耗成本已經(jīng)比較高；用于蒸發(fā)副產(chǎn)廢液則更加不經(jīng)濟。由于上述原因，除了必須蒸發(fā)濃縮目標產(chǎn)品的溶液，化工企業(yè)一般都難以接受用蒸汽加熱濃縮副產(chǎn)廢液的方式。另一方面，化工企業(yè)生產(chǎn)過程中也存在著眾多需要冷卻的介質(zhì)，其中溫度低于100 ℃的不能用來生產(chǎn)蒸汽之類的高火用熱源的介質(zhì)，一般都通過循環(huán)冷卻水冷卻，介質(zhì)中的低火用廢熱最終排放到大氣。

2 應(yīng)用原理

發(fā)明目標是采用低火用熱源來驅(qū)動溶液濃縮——溶劑純化過程，為此利用了三個基本物理化學原理：1)溶劑在低壓下沸點降低；2)為保持溶劑和低火用廢熱流之間的傳熱溫度差，選定的某一低壓能使溶劑沸點低于熱源溫度；3)對溶劑蒸汽進行連續(xù)冷凝，從而穩(wěn)定保持溶劑蒸發(fā)所需的特定低壓。由于改變了溶液蒸發(fā)的工況，即改變了溶液蒸發(fā)過程的始態(tài)和終態(tài)，使得采用低火用熱源驅(qū)動成為可能；還衍生出其他優(yōu)點。

3 技術(shù)狀態(tài)

3.1 機組部件組成

如圖1，包括：1-原料液預熱器；2-純化液冷凝冷卻器；3-純化液水封槽；4-溶液蒸發(fā)器/循環(huán)溶液加熱器；5-溶液循環(huán)泵；6-真空泵；以及用于監(jiān)控機組運行的儀表自動化系統(tǒng)等。機組部件1、2、4均在負壓狀態(tài)下運行，溶劑在其中發(fā)生蒸發(fā)、冷凝過程；這類部件可以集成于一個腔體內(nèi)，各部件用隔板分隔，隔板上留有介質(zhì)的通道；也可單獨設(shè)置，部件之間通過管道連接。通過對溶劑蒸汽的連續(xù)冷凝，保持上述部件的工作壓強條件始終為某一負壓下。這樣就可以使用低火用值熱源作為機組熱源。

圖1 機組部件組成圖

低火用值熱源，采用生產(chǎn)過程中需要冷卻的介質(zhì)或溫度低于100℃的介質(zhì)。

3.3 技術(shù)方案

在機組投用前啟動真空泵，將機組腔體內(nèi)部壓強降低到工作壓強后，停真空泵；再向機組投料和供熱、供冷；機組運行時，真空度依靠連續(xù)的蒸發(fā)—冷凝過程來保持，真空泵不需要連續(xù)運行；機組內(nèi)積累的不凝性氣體，間斷開啟真空泵排出機組。

原料液A進入溶液濃縮-純化機組內(nèi)，首先經(jīng)原料液預熱器與來自溶液蒸發(fā)器的發(fā)生蒸汽I換熱后進入溶液蒸發(fā)器/循環(huán)溶液加熱器，溶液蒸發(fā)器和循環(huán)溶液加熱器為一體化部件。在此部件中，原料液中的溶劑被蒸發(fā)為溶劑蒸汽I，原料液溶質(zhì)中的可分解鹽類和/或可揮發(fā)物質(zhì)同時受熱分解和揮發(fā)。溶劑蒸汽和原料液溶質(zhì)中的可分解鹽類和/或可揮發(fā)物質(zhì)受熱分解和揮發(fā)后混合成為發(fā)生蒸汽I進入原料液預熱器。原料液中未被蒸發(fā)的溶劑和溶質(zhì)流至溶液蒸發(fā)器底部，成為濃縮(漿)液G；部分濃縮(漿)液通過溶液循環(huán)泵再送回到循環(huán)溶液加熱器/溶液蒸發(fā)器中加熱—蒸發(fā)，籍以補充提供溶劑蒸發(fā)所需的蒸發(fā)潛熱；多余部分濃縮(漿)液G則排出；循環(huán)溶液加熱器的熱源是機組外供的低火用熱源E。

發(fā)生蒸汽I在原料液預熱器加熱原料液A的同時，被部分冷凝；冷凝液和部分未被冷凝的發(fā)生蒸汽J排入純化液冷凝冷卻器繼續(xù)冷凝冷卻后得到純化液D；純化液D經(jīng)純化液水封槽排出機組。純化液冷凝冷卻器的冷源C需由外部提供。

依據(jù)機組內(nèi)濃縮(漿)液的溫度，調(diào)節(jié)原料液加入量及機組供熱量，就可以控制濃縮(漿)液中溶劑的含量。

4 性能評估

4.1 經(jīng)濟性好

4.1.1 通常，低火用熱源的單位熱量成本價格要低于高火用熱源的；溶液在機組內(nèi)負壓狀態(tài)下蒸發(fā)，溶液沸點降低；采用相關(guān)工序內(nèi)需冷卻介質(zhì)或其他低火用值熱源而不是蒸汽等高火用值熱源而作為溶液中溶劑的蒸發(fā)動力，能耗成本則降低；依照熱力學第一定律、熱力學第二定律分析，也可以得出：1)該發(fā)明的熱工耗量略低于其他方法(裝置)；2)由于采用低火用熱源，進出機組物料流的火用值均低于其他方法；其火用效率高。

4.1.2 機組綜合了1)在原料液產(chǎn)生端就地消納溶液蒸發(fā)得到的溶劑純化液；2)提高排出液濃度、減少排出量；3)就近利用低火用熱源的三種需求，對既有裝置的嵌入性良好。原料液如果是需要轉(zhuǎn)移處理的副產(chǎn)廢液，通過機組回收溶劑后，就減少了需轉(zhuǎn)移處理的廢液量。

4.1.3 機組部件的原料液預熱器、溶液蒸發(fā)器、循環(huán)溶液加熱器、純化液冷凝冷卻器、純化液水封槽集成于一個腔體內(nèi)，機組體積小。

4.1.4 原料液進入機組時，不需要加熱到沸點附近，在常溫下即可進入機組；原料液在機組內(nèi)與發(fā)生蒸汽換熱升溫接近沸點，同時將部分發(fā)生蒸汽冷凝；冷卻水消耗減少。

4.1.5 機組真空度依靠連續(xù)的蒸發(fā)—冷凝過程來保持，真空泵不需連續(xù)運行。

4.2 原料液的普適性高

機組內(nèi)濃縮(漿)液強制循環(huán)，適用于易結(jié)晶、易發(fā)泡的溶液；由于機組采用低火用值熱源和真空蒸發(fā)，機組工作溫度低，適用于熱敏性的溶液。

4.3 環(huán)境安全

機組在真空條件下運行，發(fā)生泄漏時，機組真空不能保持，可立即發(fā)現(xiàn)；且機組不會發(fā)生向外的泄漏，出現(xiàn)事故狀態(tài)對環(huán)境仍零排放。

5 結(jié)語

筆者對這個案例進行剖析，認為通過“火用分析”等概念能對創(chuàng)新實踐有些啟示：1)通過改變能源用戶的終態(tài)條件，可以挖掘出低火用熱源的利用潛力；2)利用這些低級能量的技術(shù)難點不僅是發(fā)現(xiàn)焓值匹配的能量用戶、還要對現(xiàn)有工藝裝置要具備良好的嵌入性、最為重要的是能夠?qū)ふ业侥芗壠ヅ涞耐緩健?/p>

[1] 天津大學物理化學教研室. 物理化學(上)[M]. 北京，高等教育出版社，1982

[2] 天津大學化工原理教研室. 化工原理(上)[M]. 天津，天津科學技術(shù)出版社，1987

[3] 朱自強，徐汛. 化工熱力學(第2版)[M]. 北京， 化學工業(yè)出版社，1991

[4] 沈文奎. 低火用熱源驅(qū)動型溶液濃縮-純化機組[P]中國專利：20131071206540，2014-07-16.

Concept of Energy Level Analysis Apply in an Innovation Case

ZHANG Ying

Integrating with Basic principles of Chemical Engineering,analyses the ideas and methods used in a patent invention,concludes the revelations of energy-saving technology and innovation in equipment developments

ideas;energy-saving；innovation

2016-10-30

張英(1982- )，女，湖北蘄春人，馬鋼(集團)公司科技管理部，工程師，工學碩士。

TQ013.1

B

1672-9994(2016)04-0051-03