化工設(shè)計過程中的有效能分析

邢銀全(重慶化工設(shè)計研究院，重慶 400039)

對于目前的節(jié)能理念來說，節(jié)能這一目標的實現(xiàn)不僅僅在能源損耗減少和節(jié)約的基礎(chǔ)上，同時能量循環(huán)利用也是一種有效的節(jié)約手段。雖然能量與那些環(huán)保材料存在本質(zhì)的差異，即不可通過回收實現(xiàn)再生利用，但是可以通過減少傳遞過程中多余耗能的手段實現(xiàn)這一目標，即將能量本身的數(shù)量或者質(zhì)量作為參考，保證在可持續(xù)發(fā)展理念與循環(huán)經(jīng)濟相結(jié)合，通過合理的設(shè)備改造以及化學(xué)反應(yīng)條件的控制，最后完成能量的有效利用。而這對于化工業(yè)能源的利用以及改革方面來說，也具有重要的意義和價值。筆者將通過本文，就化工設(shè)計方面，對化工中的有效能進行分析和探討[1]。

1 有效能研究的理論基礎(chǔ)

從物理學(xué)而言，熱能就是一種能量，而在化工行業(yè)中，熱力學(xué)定律也是最主要的計算和測定參考之一，即于二十世紀三十年代，英國物理學(xué)家拉爾夫·福勒提出的熱力學(xué)第零定律也是熱力學(xué)三大定律的基礎(chǔ)，其定義是一個能量守恒轉(zhuǎn)換的過程，簡而言之，就是當(dāng)甲系統(tǒng)與乙系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，而乙系統(tǒng)又與丙系統(tǒng)熱平衡，那么甲系統(tǒng)與丙系統(tǒng)也必定處于熱平衡，而這一結(jié)論，也為有效能的研究提供了重要的理論基礎(chǔ)。

2 有效能的定義

有效能的界定是根據(jù)能量類型進行的，即對于指定的系統(tǒng)具有相應(yīng)效果的能量，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)在自身能量與環(huán)境能量進行傳遞過程中所做的最大的功就是有效能，在理論方面是不用考慮能量損耗等問題，而通過公式表達也就是系統(tǒng)從目前狀態(tài)〔P,T)向(P0,T0)轉(zhuǎn)變的過程所做的功，即

當(dāng)然，有效能與理想做功也是存在一定的差別的，主要是由于有效能計算過程是針對環(huán)境狀態(tài)的變化，但其計算結(jié)果總是一個正值；而理想功，則是兩種狀態(tài)下能量的差值。而根據(jù)這種差別，可以將能量按照類型分為高質(zhì)能量、僵態(tài)能量以及低質(zhì)能量。對于高質(zhì)能量而言，主要是指大部分轉(zhuǎn)化為做有用功的能量，例如電能、水能以及風(fēng)能等等；僵態(tài)能量主要是指不能用于做功的一些能量，比如一些環(huán)境變化產(chǎn)生的能量，如火山爆發(fā)、海嘯等自然災(zāi)害產(chǎn)生的能量；低質(zhì)能量主要是指那些可以部分轉(zhuǎn)化為有用功的能力，例如熱傳遞能量、化學(xué)能等。而對于化工方面來說，有效能需要對化學(xué)元素的環(huán)境狀態(tài)變化按照熱力學(xué)第一定律進行，即包含溫度的變化，像加熱、冷卻等等；壓力的變化，像壓縮、膨脹等，狀態(tài)的變化，像融化、結(jié)晶與升華。但是對于功與熱能轉(zhuǎn)化都存在能量的損失，所以實際來說，功可以完全轉(zhuǎn)化為熱能，而相反的，熱能只能部分轉(zhuǎn)化為有效功。所以對于化工行業(yè)中的設(shè)計來說，需要通過制定科學(xué)的方案，提升有效能的利用率[2]。

3 化工流程中的有效能

化工流程主要包含化工設(shè)計、換熱流程以及反應(yīng)流程三個階段，而分析每個階段有效能出現(xiàn)損耗的環(huán)節(jié)以及原因，同時對有效能損耗進行控制以及計算統(tǒng)計，根據(jù)有效能以及損耗情況的評估報告，提出相應(yīng)的改進措施，從而達到提高化工有效能利用率的最終目的。

3.1 化工設(shè)計流程

就化工設(shè)計來說，是完成化工一系列流程的方向和參考，所以要將減少能耗作為提升有效能的重要理念，而化工的能量消耗不僅僅在熱量轉(zhuǎn)化為做功方面，同樣也在熱量傳遞過程中，并且當(dāng)兩個傳遞物的溫差越大，則能量損耗就越大。就以干餾為例，為了提高回流比，則會提高塔釜的供熱以及塔頂?shù)闹评?，造成兩者間的溫差持續(xù)增大，而由于傳遞熱量并沒有絲毫改變，反而會造成多余的損耗，所以在設(shè)計過程中，需要要求控制換熱器面積的溫差，從而減少熱量傳遞過程中的有效能損耗。

3.2 化工換熱流程

換熱流程是化工生產(chǎn)和設(shè)計中常見的現(xiàn)象，即根據(jù)熱量高溫向低溫傳播的特性，如果化工生產(chǎn)中出現(xiàn)兩個溫度不同的東西進行接觸。就是發(fā)生換熱現(xiàn)象，即熱量從溫度較高的A物傳向溫度較低的B物上。如果在理想狀態(tài)下，忽略熱量損耗。可以一微元為單位計算，則可令A(yù)物體放出的熱量為dQ，則相對的有效能dBQ,H的計算可以用以下公式表示:

而B物體吸收的熱量dQ的有效能dBQ,L可以用以下公式表示，即

那么對于能量損失dW的計算，可以通過公式:

通過以上計算過程可以得出幾點結(jié)論:(1)、換熱可導(dǎo)致有效能損耗；(2)、當(dāng)溫差作為固定值，如果提高溫度，則有效能消耗將會越小；(3)、如果溫度為固定值，而溫差增大，則有效能損耗越嚴重。所以可以根據(jù)以上結(jié)論進行相對的改進，例如針對熱量傳遞時可以區(qū)分為兩種情況，一種是低溫中的傳熱，需要保證溫差盡可能縮小，而對于高溫條件下，可以放寬對溫差的限制。于此同時改變壓力也是一種有效的手段，即像在化工工業(yè)中會將蒸汽按照溫度的高低進行區(qū)分，180攝氏度以下的被認定為低壓蒸汽，而高于350攝氏度的為高壓蒸汽，對兩類蒸汽的界定也不同，一般情況，采用低壓蒸汽進行加熱而高壓蒸汽進行做功，從而減少有效能的損耗[3]。

3.3 化學(xué)反應(yīng)流程

化學(xué)反應(yīng)流程中有效能的損耗主要是指反應(yīng)物形態(tài)改變而產(chǎn)生的溫度升高，以及傳遞過程中對整個反應(yīng)體系的改變，而化學(xué)反應(yīng)是不可逆的，所以更需要考慮化學(xué)有效能的變化。以乙醇的制備過程中的有效能分析，主要包含乙烯與水化合或者對玉米進行發(fā)酵制備，由于乙烯是氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)乙醇需要大量的能量；而對于玉米制備來說，是玉米種的糖類轉(zhuǎn)化為液態(tài)，其能量損耗要大大降低。而其通?？梢酝ㄟ^一些節(jié)能手段，從而提升有效能的轉(zhuǎn)化率。例如通過壓力差進行蒸餾，減少蒸汽的消耗，通過無氧環(huán)境進行發(fā)酵回收反應(yīng)物等等；而對于熱量傳遞與化學(xué)反應(yīng)過程都是不可逆的過程，可以將反應(yīng)排除廢氣的熱機械能和有效能進行充分循環(huán)利用，從而提高化工產(chǎn)業(yè)的有效能利用率。

4 結(jié)語

有效能體現(xiàn)化工生產(chǎn)效率和能力的重要指標，特別是在目前能源極度匱乏的形勢下，更需要增加能源利用率，從而降低成本以及能源損失，這不僅僅是社會發(fā)展的要求，也是企業(yè)發(fā)展的需要。而對于化工設(shè)計過程中，有效能的提升途徑可以通過降低溫差、改變壓力條件以及優(yōu)化設(shè)備隔熱效果等等手段。當(dāng)然這些都要建立在對有效能足夠了解以及傳遞原理足夠熟悉的基礎(chǔ)上，才能夠讓能源在傳遞、轉(zhuǎn)化這一不可逆的過程中得到充分利用，不但符合目前環(huán)境的要求，也是目前生態(tài)評價的重要標準。

[1]喬洪虎.化工設(shè)計過程中的有效能分析[J],科技視界,2014,07(20):281-343.

[2]柏其亞.化工系統(tǒng)設(shè)計中的有效能分析[J],廣州化工,2013,01(01):40-41.

[3]楊慧，李述日.有效能分析法的應(yīng)用研究進展[J].廣東化工，2014，41(15):114-115.

[4]金學(xué)坤,馬鳳云,劉景梅,等.以加氫抽余油為原料生產(chǎn)工業(yè)級正己烷過程節(jié)能模擬研究[J].石油煉制與化工，2011(06):2-4.

[5]申建華,周金波,王艷飛,等.聚合級異丁烯生產(chǎn)技術(shù)的研究進展[J].合成橡膠工業(yè).2011(03):1-5.