淺談化工設計中的有效能分析

趙婷（內蒙古輕化工業設計院有限責任公司新疆分公司， 新疆 烏魯木齊 830000）

淺談化工設計中的有效能分析

趙婷（內蒙古輕化工業設計院有限責任公司新疆分公司， 新疆 烏魯木齊 830000）

作為項目產業化的必要環節，化工設計近些年來已經得到了充分的重視。而在化工設計中會產生很大的能耗，對其有效能的分析已成為關注的重點。本文首先說明了有效能的概念，然后分析了化工過程的有效能，最后探討有效能的效率，并做了相關討論。

化工設計；有效能；換熱；傳質；化學反應

1 有效能概念分析

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

有效能與理想功并不完全等同，兩者存在一定的區別性。基準不同，這是有效能區別于理想功的最顯著最本質的特點。在基準狀態下的有效能來計算，正值的計算結果總是在環境狀態下表現出來，因此，就可以將能量分為三類，分類的標準是按照能量轉化為有用功的多少，分成的三類分別是高質能量、僵態能量和低質能量。高質能量指完全可以轉化為有用功的能量，最明顯的例子就是電能和機械能；有功能的能量不能被轉化，這就是所謂的僵態能量，例，地殼、海水等在環境狀態中的熱能；有功能的能量中部分能被轉化的可以稱為低質能量，此種能量在化學能中最為顯著，該能量介于高質能量與僵質能量之間。在計算有效化學能的過程中，需要將每一個元素的環境狀態進行準確的確定，其中包含，溫度、壓力、物態和組成。

2 化工過程的有效能分析

(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,H為:

則有效能損失dW為:

由此可以看出:式（1）傳熱過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。

(2)傳質過程 質量和能量的傳遞可被稱為傳質過程，在傳質過程中，會產生一定的能耗，直接導致有效能的損失。例，精餾過程中的回流比與能耗存在正比關系，回流比越高那么能量耗損就會越大，這是因為回流比高，塔釜的供熱量和塔頂的制冷量也就越大；也基于此，若是采用高溫差的方式來降低換熱器面積的話，在總傳熱量不變的情況下，會大大增加有效能的損失。

(3)化學反應過程 如果在過程中產生化學反應，那么表現形式就產生于有效能中，并表現在終態時體系的溫升、傳質對體系和環境造成的影響中，因此，在體系中要考慮到化學未能產生的變化。

(4)化工設計 進行化工設計中，傳質、反應、變壓也是常會遇到的化工過程，傳質過程既要進行能量的交換也要進行質量的傳遞，這樣，分析有效能的時候就要將傳質過程中產生的能量和有效能的損失考慮進去。

3 有效能的效率及討論

從以上分析得知，在實際的化工設計過程中，不論是哪種化工過程，過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，化工過程的效率與能量品位是成反比的，也就是化工過程的效率越高，那么能量品位的降低就會越少。這樣，在化工過程中通過對能量進行衡算和分析過程中的有效能就能將導致能量品位降低的薄弱環節找出來，從而從化工工藝的改進提供指導。衡量有效能的利用情況的指標可以用有效能效率來表征。

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

（文章題目：淺談化工設計中的有效能分析）

4 結語

通過對化工系統過程的有效能進行分析，可以得出以下幾點結論:

(1)能量作為推動化工過程實現的原始動力，在其利用過程中必然伴隨著一定的損耗，導致其不能被循環使用。由此可見，化工生產在推動人類社會進步的同時，也使得能源的損耗加大。

(2)在化工設計中，可以通過一定的設計措施來降低有效能的損失，達到節約能源的目的。例如，通過提高設備的能量利用效率、優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，才能避免大量高質能量轉化為難以利用的低質能量，實現能量在量上的節約。

[1]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.

[2]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)．