化工设计过程中的有效能分析

乔洪虎

（中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南250101）

化工生产能源的消耗是一个重要的技术经济指标，它是衡量工艺流程、设备设计、操作系统是否先进和合理的主要依据之一。世界上能源的开发以及合理利用能源和技术受到广泛的关注。作为必要项目产业重要的环节，化工设计越来越成为重点问题。

现在倡导的循环经济的核心是节约和循环利用，能耗是不能被回收再利用的。能量不仅有数量还有质量(品位)。作为一个标准依据判断能量等级，可以有效的分析在社会可持续发展和循环经济定量分析与研究中，得到非常有意义的尝试，由此发展了技术和经济热经济学的整体优化的目的。在化学工程设计过程中，引入和加强有效能的概念，通过有效的化学过程的分析，帮助设计师正确理解使用的能源，以建立科学的工程设计节能意识。

1 热力学定律与卡诺循环

化学工程的一个重要组成部分， 化学工程热力学是化工过程开发、设计和生产的重要理论依据。从热力学第二定律出发，研究化学过程的能量转换和有效使用， 平衡理论的变化过程限制、 条件或状态。1930 年由福勒( R1H1Fowler) 提出的热力学第零定律指出，对于由大量分子、原子组成的物体或物体系，如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡( 温度相同) 状态，则它们彼此也必定处于热平衡状态，这为能量衡算提供了实验基准。对于封闭体系，热力学第一定律指出能量的转化和守恒在一切涉及热现象的宏观过程中普遍适用[2]。

2 有效能概念分析

为了区分不同能量的品位，就产生了有效能的概念，即一定形式的能量，可逆变化到给定环境状态，达到平衡时，理论上所能做出的最大有用功。 对于稳流过程，系统在一定状态下的有效能W，就是系统从该状态( P，T ) 变化到环境状态( P0, T0) 过程所作的理想功B，即:

有效能与理想功的区别在于基准不同，也可以认为理想功为能量在两个状态间有效能的差别。 由于有效能计算的基准状态为环境状态，因此总是正值。 这样，通过对有效能的比较，即按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：高质能量，即理论上能完全转化为有用功的能量，如电能、机械能(包括水能和风能等)；僵态能量，即理论上不能转化为功的能量，如海水、地壳等环境状态中的热能；低质能量，即能部分转化为有用功的能量，如热和以热形式传递的能量，化学能等。其中在计算化学有效能时，要求对每一元素均确定其环境状态，包括温度、压力、物态和组成。化工生产中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，虽然可以依据热力学第一定律进行能量衡算，但都存在有效能的损失，即总体上能量品位的下降。 功可以100%转变为热，热不可能100% 转变为功。 这就要求在化工设计中对不同能量的使用进行合理规划，从而降低有效能的损失[1]。

3 化工过程的有效能分析

在实际的能量传递和转换过程中， 能量可以转化为功的程度，除了与能量的质量、体系所处的状态有密切关系外，还与过程的性质有关。根据热力学定律和有效能的定义，针对不同的化工过程，通过有效能分析可以计算其中各种物流和能流的有效能， 作出有效能衡算，评价能量利用情况，揭示有效能损失的原因，指明减少损失的途径。

3.1 换热过程

换热过程在化工设计中是经常遇到的，当两种温度不同的物质接触时，热量就会从高温物体(TH)向低温物体(TL)传递。针对进行热交换的两流体，假设没有其它热损失，取一微元进行计算，有高温流体微元所放出热量dQ的有效能dBQ,H为：

低温物体所吸收热量dQ的有效能dBQ,L为:

则有效能损失dW 为:

由此可以看出:（1）传热过程必然存在有效能损失；（2）温度一定，温差越大，则有效能损失越大；（3）温差一定，温度越高有效能损失越少。 因此，在实际工业生产中，低温传热要尽量减小温差，高温传热则可适当增大温差。 此外，在化工设计中，为合理利用有效能，一般使用低压蒸汽0.5～1.0MPa(150～180℃)来进行工艺加热，这样不仅可减少有效能的损失，还可减少因高压产生的设备费用；高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强，因此可以用高压蒸汽来做功(推动汽轮机等)，从而获得动力能源；温度在350℃以上的高温热能(如烟道气)，则可以用来产生高压蒸汽，从而避免有效能的过大损失[3]。

3.2 传质过程

对于传质过程，系统内除了有能量交换，还有质量传递，此时在进行有效能分析时就要注意传质过程带来的能耗和有效能损失。 例如，对于精馏过程，回流比越高，就意味着塔釜的供热量和塔顶的制冷量就越大，这将直接导致能耗的增加；如果以较高的温差来降低换热器面积进行换热，虽然总传热量没有改变但有效能损失将会增大在干燥系统中也存在着类似的结论。

3.3 化学反应过程

对于有化学反应存在的过程中，有效能损失通常表现在终态时体系的温升和传质对体系和环境造成的影响上，此时体系的不可逆熵增要考虑到化学位能的变化。

3.4 化工设计

在化工设计中，常遇到的化工过程还有传质、反应、变压等过程。对于传质过程，系统内除了有能量交换，还有质量传递，此时在进行有效能分析时就要注意传质过程带来的能耗和有效能损失。例如对于精馏过程，回流比越高，就意味着塔釜的供热量和塔顶的制冷量就越大，这将直接导致能耗的增长；如果以较高的温差来降低换热器面积进行换热，虽然总传热量没有改变，但有效能损失将会增大。类似的结论也存在于干燥过程中。 对于有化学反应的过程，有效能损失通常表现在终态时体系的温升和传质对体系和环境造成的影响上，此时体系的不可逆熵增要考虑到化学位能的变化。

在实际化工设计中，无论哪种化工过程，总是伴随着能量品位的降低，一个效率较高的过程应该是能量品位降低较少的过程。 通过化工过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环节，从而确定工艺改进和过程优化的方向。

4 有效能的效率及讨论

一般能量平衡反映了系统的利用率(热效率)的数量，并能有效地反映了系统平衡能源利用效率的质量(热力学)。 作为一个主要指数在热力学分析,有效效率可以准确、定量地反映过程的不可逆性，已广泛应用于化学过程的分析。能量是守恒的，但由于不可逆过程，有效能量损失的有效的违反，是存在于任何可逆过程。不可逆转的程度越高，有效的损失越大。 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异。 光能源和生物质能源的主要方向是新能源的发展，并声称无偏二极管可以发电的单一环境研究引发了争议。

5 结束语

能源是促进工业过程实现的客观动力， 但在能量使用过程中，不能循环使用且无法回收。 工业生产促进了人类社会的进步，同时也导致了能源开发和使用。 因此在化学工程设计的过程中，以有效能节约为核心，通过改善设备能源效率、优化不合理的流程，减少不可逆损失，减少尽可能多的能量等级下降的程度，避免大量的高质量的能量转换为难以利用的低质量能量，实现能源节约。

［1］傅海辉.物理学基本定律的独立性之争及其反思[J].自然辩证法研究，2005,21(1):5-8.

［2］赵东江.热力学过程的性质、方向和限度判据的研究[J].化工高等教育，2007，24(1):47-49.

［3］师晋生.管内定型流传热过程的有效能损失[J].力学与实践，2006，28(5).