李智永　李彥菊

【摘 要】 能源是促進(jìn)工業(yè)過程實(shí)現(xiàn)的客觀動(dòng)力， 但在能量使用過程中，不能循環(huán)使用且無法回收。工業(yè)生產(chǎn)促進(jìn)了人類社會(huì)的進(jìn)步，同時(shí)也導(dǎo)致了能源開發(fā)和使用。因此在化學(xué)工程設(shè)計(jì)的過程中，以有效能節(jié)約為核心，通過改善設(shè)備能源效率、優(yōu)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(jí)下降的程度，避免大量的高質(zhì)量的能量轉(zhuǎn)換為難以利用的低質(zhì)量能量，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。本文主要針對(duì)設(shè)計(jì)過程中的有效能進(jìn)行了分析，探討了如何引入和加強(qiáng)的有效能概念、途徑和方法，合理進(jìn)行節(jié)能減排是工程設(shè)計(jì)中的比較重要的任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】 化工設(shè)計(jì)；有效能；節(jié)能減排

現(xiàn)在倡導(dǎo)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)的核心是節(jié)約和循環(huán)利用，能耗是不能被回收再利用的。能量不僅有數(shù)量還有質(zhì)量（品位）。作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)判斷能量等級(jí)，可以有效的分析在社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)定量分析與研究中，得到非常有意義的嘗試，由此發(fā)展了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的整體優(yōu)化的目的。在化學(xué)工程設(shè)計(jì)過程中，引入和加強(qiáng)有效能的概念，通過有效的化學(xué)過程的分析，幫助設(shè)計(jì)師正確理解使用的能源，以建立科學(xué)的工程設(shè)計(jì)節(jié)能意識(shí)。

一、 熱力學(xué)定律與卡諾循環(huán)

1930 年由福勒（ R1H1Fowler） 提出的熱力學(xué)第零定律指出，對(duì)于由大量分子、原子組成的物體或物體系，如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡（ 溫度相同） 狀態(tài)，則它們彼此也必定處于熱平衡狀態(tài)，這為能量衡算提供了實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)。

對(duì)于封閉體系，熱力學(xué)第一定律指出能量的轉(zhuǎn)化和守恒在一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中普遍適用?；瘜W(xué)工程的一個(gè)重要組成部分， 化學(xué)工程熱力學(xué)是化工過程開發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的重要理論依據(jù)。從熱力學(xué)第二定律出發(fā)，研究化學(xué)過程的能量轉(zhuǎn)換和有效使用， 平衡理論的變化過程限制、條件或狀態(tài)。

二、有效能概念分析

為了區(qū)分不同能量的品位，就產(chǎn)生了有效能的概念，即一定形式的能量，可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)，達(dá)到平衡時(shí)，理論上所能做出的最大有用功。對(duì)于穩(wěn)流過程，系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的有效能W，就是系統(tǒng)從該狀態(tài)（ P，T ） 變化到環(huán)境狀態(tài)（ P0， T0） 過程所作的理想功B，即：

W=B=（H-H0）- T0（S-S0）=T0△S-△H （1）

有效能與理想功的區(qū)別在于基準(zhǔn)不同，也可以認(rèn)為理想功為能量在兩個(gè)狀態(tài)間有效能的差別。由于有效能計(jì)算的基準(zhǔn)狀態(tài)為環(huán)境狀態(tài)，因此總是正值。這樣，通過對(duì)有效能的比較，即按能量轉(zhuǎn)化為有用功的多少，可以把能量分為三類：高質(zhì)能量，即理論上能完全轉(zhuǎn)化為有用功的能量，如電能、機(jī)械能（包括水能和風(fēng)能等）；僵態(tài)能量，即理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量，如海水、地殼等環(huán)境狀態(tài)中的熱能；低質(zhì)能量，即能部分轉(zhuǎn)化為有用功的能量，如熱和以熱形式傳遞的能量，化學(xué)能等。

其中在計(jì)算化學(xué)有效能時(shí)，要求對(duì)每一元素均確定其環(huán)境狀態(tài)，包括溫度、壓力、物態(tài)和組成?；どa(chǎn)中與熱量傳遞有關(guān)的加熱、冷卻、冷凝過程，以及與壓力變化有關(guān)的壓縮、膨脹等過程，雖然可以依據(jù)熱力學(xué)第一定律進(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)闊?，熱不可?00% 轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。這就要求在化工設(shè)計(jì)中對(duì)不同能量的使用進(jìn)行合理規(guī)劃，從而降低有效能的損失。

三、化工過程的有效能分析

在實(shí)際的能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程中， 能量可以轉(zhuǎn)化為功的程度，除了與能量的質(zhì)量、體系所處的狀態(tài)有密切關(guān)系外，還與過程的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)熱力學(xué)定律和有效能的定義，針對(duì)不同的化工過程，通過有效能分析可以計(jì)算其中各種物流和能流的有效能， 作出有效能衡算，評(píng)價(jià)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。

1、換熱過程

換熱過程在化工設(shè)計(jì)中是經(jīng)常遇到的，當(dāng)兩種溫度不同的物質(zhì)接觸時(shí)，熱量就會(huì)從高溫物體（TH）向低溫物體（TL）傳遞。針對(duì)進(jìn)行熱交換的兩流體，假設(shè)沒有其它熱損失，取一微元進(jìn)行計(jì)算，有高溫流體微元所放出熱量dQ的有效能dBQ，H為：dBQ，H=dQ[1- T0TH] （2）

低溫物體所吸收熱量dQ的有效能dBQ， L為：

dBQ， L=dQ 1- T0TL △ △ （3）

則有效能損失dW 為：

dW=dBQ，H-dBQ， L=TOTH-TLTHTL △ △dQ （4）

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(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，低溫傳熱要盡量減小溫差，高溫傳熱則可適當(dāng)增大溫差。

此外，在化工設(shè)計(jì)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(jìn)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(chǎn)生的設(shè)備費(fèi)用；高壓蒸汽的作功本領(lǐng)比低壓蒸汽強(qiáng)，因此可以用高壓蒸汽來做功（推動(dòng)汽輪機(jī)等），從而獲得動(dòng)力能源；溫度在350℃以上的高溫?zé)崮埽ㄈ鐭煹罋猓?，則可以用來產(chǎn)生高壓蒸汽，從而避免有效能的過大損失。

2、傳質(zhì)過程

對(duì)于傳質(zhì)過程，系統(tǒng)內(nèi)除了有能量交換，還有質(zhì)量傳遞，此時(shí)在進(jìn)行有效能分析時(shí)就要注意傳質(zhì)過程帶來的能耗和有效能損失。例如，對(duì)于精餾過程，回流比越高，就意味著塔釜的供熱量和塔頂?shù)闹评淞烤驮酱螅@將直接導(dǎo)致能耗的增加；如果以較高的溫差來降低換熱器面積進(jìn)行換熱，雖然總傳熱量沒有改變但有效能損失將會(huì)增大在干燥系統(tǒng)中也存在著類似的結(jié)論。

3、化學(xué)反應(yīng)過程

對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)存在的過程中，有效能損失通常表現(xiàn)在終態(tài)時(shí)體系的溫升和傳質(zhì)對(duì)體系和環(huán)境造成的影響上，此時(shí)體系的不可逆熵增要考慮到化學(xué)位能的變化。

4、化工設(shè)計(jì)

在化工設(shè)計(jì)中，常遇到的化工過程還有傳質(zhì)、反應(yīng)、變壓等過程。對(duì)于傳質(zhì)過程，系統(tǒng)內(nèi)除了有能量交換，還有質(zhì)量傳遞，此時(shí)在進(jìn)行有效能分析時(shí)就要注意傳質(zhì)過程帶來的能耗和有效能損失。例如對(duì)于精餾過程，回流比越高，就意味著塔釜的供熱量和塔頂?shù)闹评淞烤驮酱?，這將直接導(dǎo)致能耗的增長(zhǎng)；如果以較高的溫差來降低換熱器面積進(jìn)行換熱，雖然總傳熱量沒有改變，但有效能損失將會(huì)增大。

類似的結(jié)論也存在于干燥過程中。對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的過程，有效能損失通常表現(xiàn)在終態(tài)時(shí)體系的溫升和傳質(zhì)對(duì)體系和環(huán)境造成的影響上，此時(shí)體系的不可逆熵增要考慮到化學(xué)位能的變化。

w在實(shí)際化工設(shè)計(jì)中，無論哪種化工過程，總是伴隨著能量品位的降低，一個(gè)效率較高的過程應(yīng)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(huán)節(jié)，從而確定工藝改進(jìn)和過程優(yōu)化的方向。

四、有效能的效率及討論

一般能量平衡反映了系統(tǒng)的利用率（熱效率）的數(shù)量，并能有效地反映了系統(tǒng)平衡能源利用效率的質(zhì)量（熱力學(xué)）。作為一個(gè)主要指數(shù)在熱力學(xué)分析，有效效率可以準(zhǔn)確、定量地反映過程的不可逆性，已廣泛應(yīng)用于化學(xué)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(zhuǎn)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(zhì)能源的主要方向是新能源的發(fā)展，并聲稱無偏二

極管可以發(fā)電的單一環(huán)境研究引發(fā)了爭(zhēng)議。

結(jié)束語：

綜上所述，化工生產(chǎn)能源的消耗是一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它是衡量工藝流程、設(shè)備設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)是否先進(jìn)和合理的主要依據(jù)之一。世界上能源的開發(fā)以及合理利用能源和技術(shù)受到廣泛的關(guān)注。作為必要項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)重要的環(huán)節(jié)，化工設(shè)計(jì)越來越成為重點(diǎn)問題。

參考文獻(xiàn)：

1化工裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的分析與優(yōu)化，秦倩倩，西安石油大學(xué)，2012-05-20。

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3 有效能分析法的應(yīng)用研究進(jìn)展，楊慧； 李述日，廣東化工，2014-08-15 期刊

4 以碳為原料的小氮肥廠的有效能效率，陸仁健，廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1980-07-01，期刊。