论文部分内容阅读
【摘 要】在化工设计过程中，其有效能分析法是在热值法计算热平衡的基础上，提出关于合理利用能源的、用热力学第二定律对系统及过程的热进行分析的方法。通过有效能分析法，可以评价能量利用的合理性，揭示出有效能损失的原因，指明减少损失，提高热力学完善程度的方向。基于此，本文就将对化工设计过程中的有效能进行分析探讨。
【关键词】化工；设计；有效能
1、概述
1.1、有效能简述
在化工生产中，能耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、系统设计、操作规程等是否先进合理的主要依据之一。在世界能源紧张的大环境下，能源的开发和合理利用技术受到了广泛的关注和重视。因此有效能一说也被日益重视起来。有效能的定义：在某温度与压力下，体系与外界达到平衡时所作的最大功，或者说一定形式下的能量在一定的环境条件下，变化到与环境处于平衡时所能做出最大有效能或可用能。
1.2、化工节能简述
化工生产耗能是工业生产耗能的第二大户，仅次于冶金工业。因此，搞好化工节能对国民经济的发展具有特殊重要的意义。从热力学角度来舌，化工过程的节能可归纳为两条：其一，是从减少外部损失着手；其二，是从减少内部损失着手。外部损失是由于物料排放和保温不完善等跑冒滴漏引起的。一般来讲，可根据热力学第一定律的能量守恒原理，通过热量衡算，找出这种损失之所在，并采取相应措施，减少损失。目前各单位在这方面的节能已经采取了不少措施。内部损失是由于过程的不可逆性引起的能量降级所致。它只能根据热力学第二定律原理，通过有效能衡算，去查明过程内部由于不可逆引起的有效能损失分布，从而正确地制定节能方案，为能量的合理利用做出预测和估算。
2、化工过程中的有效能分析
2.1、换热过程
换热过程在化工设计过程中经常遇到的一个工作部分，在实际工作中，一旦两种温度不同的物质进行接触的时候，其热量就会从高温物体（TH）向低温物体（TL）实现传递。而对于化工设计工作，单单针对进行热交换的两流体，假设没有其它的热损失，可以在工作中取一微元对其进行具体计算，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：
由以上的公式我们可以得到：1）对于化工设计过程，其传热过程必然存在有效能损失；2）在化工设计过程中，当温度一定，温差越大，则有效能损失越大；3）在化工设计过程中的那个温差一定时，温度越高有效能损失越少。这就要求我们在实际工业生产中，对于低温传热要尽量减小温差，高温传热则可适当增大温差。除此之外，在具体的化工设计工作中，为合理利用有效能，通常使用低压蒸汽0.5--1.0MPa（150--180℃）来进行工艺加热，以此不仅可以有效的减少具体有效能的损失，还可以减少因高压产生的设备费用，为企业生产压低成本；在化工设计过程中，高压蒸汽的做功本领比低压蒸汽强，所以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。
2.2、传质过程
化工设计过程中，对于传质过程，系统内除了有能量交换，还有质量传递，这时在进行化工设计的有效能分析时，要注意实际传质过程带来的相关能耗和有效能损失。比如，化工设计过程中，对于精馏过程，其回流比越高，就意味着塔釜的供热量和塔顶的制冷量就越大，这将在化工设计过程中直接导致能耗的增加；而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在化工设计过程中有效能损失将会增大，在干燥系统中也存在着类似的结论。
2.3、化学反应过程
在化工设计过程中，对于有化学反应存在的工作，其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，因此要特别注意的是，在这时，对于相关体系的不可逆熵增要考虑到实际化学位能的变化。
3、有效能分析方法的实际应用
3.1、在制氢工艺中的应用
为了降低制氢工艺过程中的有效能损耗，合理改进装置，达到节能的目的，需要使用有效能分析法来找出有效能损失的关键部位以及原因，进而制定科学的节能措施。
Meng Ni等人运用能量分析和有效能分析对固体氧化物蒸汽电解制氢气进行研究。其中的有效能分析揭示了有效能损失的主要原因。研究的结果可以优化系统过程使成本效益的最大化；王罡等基于热力学有效能平衡方程所揭示的实际用能过程和理想用能过程，通过引入偏离值、偏离度两个指标，对甲醇超临界水制氢系统进行有效能分析；AdamP.Simpson等人利用有效能分析来评价甲烷气化重整制氢气，计算得到的有效能效率比文献报道的偏低，有效能损失主要是由于化学反应和热量传递的高不可逆性。另外，指出如果可以利用排出气体的热机械有效能和化学有效能，有效能的效率将从62.7%增加到69.7%。
3.2、蒸馏过程中的应用
Kahraman等对海湾地区一大型蒸馏工厂，使用实际的运行数据进行了热力学分析。计算了整个工厂的有效能流率，并在此基础上可以清晰的分析出有效能损耗高的位置所在。最高的有效能损失率达77.7%，是在MSF单元，通过增加闪蒸过程的次数可以减少有效能损失量。在泵和发动机中的有效能损失率为5.3%，使用高效率的发动机和泵可以降低。该工厂的热力学第二定律效率仅为4.2%，这表明该工厂降低有效能损失的可能性很大；宋春财等人应用有效能分析，把用能过程分成能量转化与传输环节、工艺利用环节和能量回收环节，对南京某炼油厂三套常压蒸馏装置各个设备的能量利用进行了计算、分析与讨论。用能流图和有效能流图表示能量及有效能计算的结果，确定了有效能损失的主要部位所在，为进一步节能提供正确的方向和科学的措施；龙凤乐等采用有效能分析方法对炼油厂常减压蒸馏装置能耗进行评价，基于测试数据对装置各设备有效能损失进行了计算。结果表明，常减压加热炉的有效能效率较低，分别为41.5%和44.1%，常压炉、减压炉、常压塔、减压塔、换热器等设备的有效能损率较高。
3.3、在生物质能源生产评价中的应用
Talens等人运用有效能流分析确定了有效能效率，对比了代替品和其他类型的能源。用生物柴油的生产过程来说明如何使用有效能流分析。结果表明生产过程的有效能损失较低，而且可以通过使用氢氧化钾和硫酸作为过程的催化剂来减少有效能的损失。另外通过提高所用食物油的质量也可以进一步减少有效能损失；张治山等建立了玉米燃料乙醇基于有效能的可再生性分析模型，提出修正可再生性理论值的因子，将自然环境自修复能力及允许扰动程度考虑在内；闵淑玲等分别对玉米发酵法和乙烯水合法制备酒精从原料到产品整个过程的自然资源消耗情况进行计算，得出玉米发酵法较乙烯水合法消耗更少的能源和资源。另外玉米发酵法制备酒精的有效能效率较低，因此有较大的节能空间。可采用差压蒸馏减少蒸汽用量，厌氧发酵回收能源以及改进设备制造技术等方法提高系统的有效能效率。
总而言之，在世界能源日益紧张的今天，促使人们对节能的高度重视。为了改进能量利用情况，需要对各种工业过程进行能量分析。而进行有效能分析，是从热力学第二定律探求节省能耗途径的手段。其可以节约能源、降低生产成本，以此为相关企业赢得更多的经济以及社会效益，最终促进产业的建筑持续发展。
参考文献：
[1]高晓新，王岚，王龙耀，鲁新宇.化工设计过程中的有效能分析[J].化工设计通讯，2008，02：48-51+64.
[2]王龙耀，王岚，鲁新宇.有效能概念在化工设计中的阐释[J].化工高等教育，2008，05：94-97.
[3]柏其亞.化工系统设计中的有效能分析[J].广州化工，2014，01：40-41+58.
[4]张大林.透热精馏过程模拟与有效能分析[D].大连理工大学，2006.
[5]张建侯.化工过程的有效能分析[J].化学工业与工程，1984，Z1：1-9.
【关键词】化工；设计；有效能
1、概述
1.1、有效能简述
在化工生产中，能耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、系统设计、操作规程等是否先进合理的主要依据之一。在世界能源紧张的大环境下，能源的开发和合理利用技术受到了广泛的关注和重视。因此有效能一说也被日益重视起来。有效能的定义：在某温度与压力下，体系与外界达到平衡时所作的最大功，或者说一定形式下的能量在一定的环境条件下，变化到与环境处于平衡时所能做出最大有效能或可用能。
1.2、化工节能简述
化工生产耗能是工业生产耗能的第二大户，仅次于冶金工业。因此，搞好化工节能对国民经济的发展具有特殊重要的意义。从热力学角度来舌，化工过程的节能可归纳为两条：其一，是从减少外部损失着手；其二，是从减少内部损失着手。外部损失是由于物料排放和保温不完善等跑冒滴漏引起的。一般来讲，可根据热力学第一定律的能量守恒原理，通过热量衡算，找出这种损失之所在，并采取相应措施，减少损失。目前各单位在这方面的节能已经采取了不少措施。内部损失是由于过程的不可逆性引起的能量降级所致。它只能根据热力学第二定律原理，通过有效能衡算，去查明过程内部由于不可逆引起的有效能损失分布，从而正确地制定节能方案，为能量的合理利用做出预测和估算。
2、化工过程中的有效能分析
2.1、换热过程
换热过程在化工设计过程中经常遇到的一个工作部分，在实际工作中，一旦两种温度不同的物质进行接触的时候，其热量就会从高温物体（TH）向低温物体（TL）实现传递。而对于化工设计工作，单单针对进行热交换的两流体，假设没有其它的热损失，可以在工作中取一微元对其进行具体计算，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：
由以上的公式我们可以得到：1）对于化工设计过程，其传热过程必然存在有效能损失；2）在化工设计过程中，当温度一定，温差越大，则有效能损失越大；3）在化工设计过程中的那个温差一定时，温度越高有效能损失越少。这就要求我们在实际工业生产中，对于低温传热要尽量减小温差，高温传热则可适当增大温差。除此之外，在具体的化工设计工作中，为合理利用有效能，通常使用低压蒸汽0.5--1.0MPa（150--180℃）来进行工艺加热，以此不仅可以有效的减少具体有效能的损失，还可以减少因高压产生的设备费用，为企业生产压低成本；在化工设计过程中，高压蒸汽的做功本领比低压蒸汽强，所以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。
2.2、传质过程
化工设计过程中，对于传质过程，系统内除了有能量交换，还有质量传递，这时在进行化工设计的有效能分析时，要注意实际传质过程带来的相关能耗和有效能损失。比如，化工设计过程中，对于精馏过程，其回流比越高，就意味着塔釜的供热量和塔顶的制冷量就越大，这将在化工设计过程中直接导致能耗的增加；而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在化工设计过程中有效能损失将会增大，在干燥系统中也存在着类似的结论。
2.3、化学反应过程
在化工设计过程中，对于有化学反应存在的工作，其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，因此要特别注意的是，在这时，对于相关体系的不可逆熵增要考虑到实际化学位能的变化。
3、有效能分析方法的实际应用
3.1、在制氢工艺中的应用
为了降低制氢工艺过程中的有效能损耗，合理改进装置，达到节能的目的，需要使用有效能分析法来找出有效能损失的关键部位以及原因，进而制定科学的节能措施。
Meng Ni等人运用能量分析和有效能分析对固体氧化物蒸汽电解制氢气进行研究。其中的有效能分析揭示了有效能损失的主要原因。研究的结果可以优化系统过程使成本效益的最大化；王罡等基于热力学有效能平衡方程所揭示的实际用能过程和理想用能过程，通过引入偏离值、偏离度两个指标，对甲醇超临界水制氢系统进行有效能分析；AdamP.Simpson等人利用有效能分析来评价甲烷气化重整制氢气，计算得到的有效能效率比文献报道的偏低，有效能损失主要是由于化学反应和热量传递的高不可逆性。另外，指出如果可以利用排出气体的热机械有效能和化学有效能，有效能的效率将从62.7%增加到69.7%。
3.2、蒸馏过程中的应用
Kahraman等对海湾地区一大型蒸馏工厂，使用实际的运行数据进行了热力学分析。计算了整个工厂的有效能流率，并在此基础上可以清晰的分析出有效能损耗高的位置所在。最高的有效能损失率达77.7%，是在MSF单元，通过增加闪蒸过程的次数可以减少有效能损失量。在泵和发动机中的有效能损失率为5.3%，使用高效率的发动机和泵可以降低。该工厂的热力学第二定律效率仅为4.2%，这表明该工厂降低有效能损失的可能性很大；宋春财等人应用有效能分析，把用能过程分成能量转化与传输环节、工艺利用环节和能量回收环节，对南京某炼油厂三套常压蒸馏装置各个设备的能量利用进行了计算、分析与讨论。用能流图和有效能流图表示能量及有效能计算的结果，确定了有效能损失的主要部位所在，为进一步节能提供正确的方向和科学的措施；龙凤乐等采用有效能分析方法对炼油厂常减压蒸馏装置能耗进行评价，基于测试数据对装置各设备有效能损失进行了计算。结果表明，常减压加热炉的有效能效率较低，分别为41.5%和44.1%，常压炉、减压炉、常压塔、减压塔、换热器等设备的有效能损率较高。
3.3、在生物质能源生产评价中的应用
Talens等人运用有效能流分析确定了有效能效率，对比了代替品和其他类型的能源。用生物柴油的生产过程来说明如何使用有效能流分析。结果表明生产过程的有效能损失较低，而且可以通过使用氢氧化钾和硫酸作为过程的催化剂来减少有效能的损失。另外通过提高所用食物油的质量也可以进一步减少有效能损失；张治山等建立了玉米燃料乙醇基于有效能的可再生性分析模型，提出修正可再生性理论值的因子，将自然环境自修复能力及允许扰动程度考虑在内；闵淑玲等分别对玉米发酵法和乙烯水合法制备酒精从原料到产品整个过程的自然资源消耗情况进行计算，得出玉米发酵法较乙烯水合法消耗更少的能源和资源。另外玉米发酵法制备酒精的有效能效率较低，因此有较大的节能空间。可采用差压蒸馏减少蒸汽用量，厌氧发酵回收能源以及改进设备制造技术等方法提高系统的有效能效率。
总而言之，在世界能源日益紧张的今天，促使人们对节能的高度重视。为了改进能量利用情况，需要对各种工业过程进行能量分析。而进行有效能分析，是从热力学第二定律探求节省能耗途径的手段。其可以节约能源、降低生产成本，以此为相关企业赢得更多的经济以及社会效益，最终促进产业的建筑持续发展。
参考文献：
[1]高晓新，王岚，王龙耀，鲁新宇.化工设计过程中的有效能分析[J].化工设计通讯，2008，02：48-51+64.
[2]王龙耀，王岚，鲁新宇.有效能概念在化工设计中的阐释[J].化工高等教育，2008，05：94-97.
[3]柏其亞.化工系统设计中的有效能分析[J].广州化工，2014，01：40-41+58.
[4]张大林.透热精馏过程模拟与有效能分析[D].大连理工大学，2006.
[5]张建侯.化工过程的有效能分析[J].化学工业与工程，1984，Z1：1-9.