化工設計過程中的有效能分析

喬洪虎

（中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南250101）

化工生產能源的消耗是一個重要的技術經濟指標，它是衡量工藝流程、設備設計、操作系統是否先進和合理的主要依據之一。世界上能源的開發以及合理利用能源和技術受到廣泛的關注。作為必要項目產業重要的環節，化工設計越來越成為重點問題。

現在倡導的循環經濟的核心是節約和循環利用，能耗是不能被回收再利用的。能量不僅有數量還有質量(品位)。作為一個標準依據判斷能量等級，可以有效的分析在社會可持續發展和循環經濟定量分析與研究中，得到非常有意義的嘗試，由此發展了技術和經濟熱經濟學的整體優化的目的。在化學工程設計過程中，引入和加強有效能的概念，通過有效的化學過程的分析，幫助設計師正確理解使用的能源，以建立科學的工程設計節能意識。

1 熱力學定律與卡諾循環

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

2 有效能概念分析

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

有效能與理想功的區別在于基準不同，也可以認為理想功為能量在兩個狀態間有效能的差別。 由于有效能計算的基準狀態為環境狀態，因此總是正值。 這樣，通過對有效能的比較，即按能量轉化為有用功的多少，可以把能量分為三類：高質能量，即理論上能完全轉化為有用功的能量，如電能、機械能(包括水能和風能等)；僵態能量，即理論上不能轉化為功的能量，如海水、地殼等環境狀態中的熱能；低質能量，即能部分轉化為有用功的能量，如熱和以熱形式傳遞的能量，化學能等。其中在計算化學有效能時，要求對每一元素均確定其環境狀態，包括溫度、壓力、物態和組成。化工生產中與熱量傳遞有關的加熱、冷卻、冷凝過程，以及與壓力變化有關的壓縮、膨脹等過程，雖然可以依據熱力學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%轉變為熱，熱不可能100% 轉變為功。 這就要求在化工設計中對不同能量的使用進行合理規劃，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換過程中， 能量可以轉化為功的程度，除了與能量的質量、體系所處的狀態有密切關系外，還與過程的性質有關。根據熱力學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

換熱過程在化工設計中是經常遇到的，當兩種溫度不同的物質接觸時，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，在實際工業生產中，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，還可減少因高壓產生的設備費用；高壓蒸汽的作功本領比低壓蒸汽強，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℃以上的高溫熱能(如煙道氣)，則可以用來產生高壓蒸汽，從而避免有效能的過大損失[3]。

3.2 傳質過程

對于傳質過程，系統內除了有能量交換，還有質量傳遞，此時在進行有效能分析時就要注意傳質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的制冷量就越大，這將直接導致能耗的增加；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中也存在著類似的結論。

3.3 化學反應過程

對于有化學反應存在的過程中，有效能損失通常表現在終態時體系的溫升和傳質對體系和環境造成的影響上，此時體系的不可逆熵增要考慮到化學位能的變化。

3.4 化工設計

在化工設計中，常遇到的化工過程還有傳質、反應、變壓等過程。對于傳質過程，系統內除了有能量交換，還有質量傳遞，此時在進行有效能分析時就要注意傳質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的制冷量就越大，這將直接導致能耗的增長；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。類似的結論也存在于干燥過程中。 對于有化學反應的過程，有效能損失通常表現在終態時體系的溫升和傳質對體系和環境造成的影響上，此時體系的不可逆熵增要考慮到化學位能的變化。

在實際化工設計中，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節，從而確定工藝改進和過程優化的方向。

4 有效能的效率及討論

一般能量平衡反映了系統的利用率(熱效率)的數量，并能有效地反映了系統平衡能源利用效率的質量(熱力學)。 作為一個主要指數在熱力學分析,有效效率可以準確、定量地反映過程的不可逆性，已廣泛應用于化學過程的分析。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。 光能源和生物質能源的主要方向是新能源的發展，并聲稱無偏二極管可以發電的單一環境研究引發了爭議。

5 結束語

能源是促進工業過程實現的客觀動力， 但在能量使用過程中，不能循環使用且無法回收。 工業生產促進了人類社會的進步，同時也導致了能源開發和使用。 因此在化學工程設計的過程中，以有效能節約為核心，通過改善設備能源效率、優化不合理的流程，減少不可逆損失，減少盡可能多的能量等級下降的程度，避免大量的高質量的能量轉換為難以利用的低質量能量，實現能源節約。

［1］傅海輝.物理學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.熱力學過程的性質、方向和限度判據的研究[J].化工高等教育，2007，24(1):47-49.

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