徐建　黃星亮　杜巍

[摘 要]化工用能評價(jià)是中國石油大學(xué)（北京）為能源化學(xué)工程專業(yè)新開設(shè)的一門核心專業(yè)課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行化工企業(yè)的能效評價(jià)和化工過程的能量分析與優(yōu)化的能力。作為新設(shè)專業(yè)的新開課程，課程在開設(shè)之初面臨著缺乏現(xiàn)成教材和系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的困難。我們在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合我校能源化學(xué)工程專業(yè)的課程體系，規(guī)劃設(shè)計(jì)了課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容。本文詳細(xì)介紹了化工用能評價(jià)課程的教學(xué)內(nèi)容，并對我們在教學(xué)實(shí)踐中的一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)進(jìn)行了總結(jié)。

[關(guān)鍵詞]能源化學(xué)工程；化工用能評價(jià)；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)實(shí)踐

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）12-0076-03

能源化學(xué)工程專業(yè)是教育部于2010 年新批準(zhǔn)設(shè)立的本科專業(yè)，旨在培養(yǎng)能源和環(huán)境建設(shè)方面急需的專業(yè)人才和管理人才。中國石油大學(xué)（北京）自2011年開設(shè)能源化學(xué)工程專業(yè)，是國內(nèi)首批開設(shè)此專業(yè)的高校之一[1]。我校根據(jù)自身的辦學(xué)定位和專業(yè)優(yōu)勢，確定了能源化學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，即培養(yǎng)掌握化石與可再生能源生產(chǎn)、高效清潔轉(zhuǎn)化利用過程中的基本理論、基本知識、基本技能以及化學(xué)加工技術(shù)，掌握企業(yè)能效評價(jià)、過程能量優(yōu)化等技術(shù)，掌握能源化工過程設(shè)計(jì)技能的，能在煤化工、生物化工、石油天然氣化工、新能源領(lǐng)域等行業(yè)從事化工生產(chǎn)、生產(chǎn)管理、技術(shù)管理、化工用能評價(jià)、過程設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)、科學(xué)研究等工作的優(yōu)秀專門人才。為了實(shí)現(xiàn)學(xué)生掌握化工企業(yè)能效評價(jià)和化工過程能量優(yōu)化技術(shù)的培養(yǎng)目標(biāo)，我校在規(guī)劃能源化學(xué)工程專業(yè)課程體系時(shí)設(shè)計(jì)了一門新的課程——化工用能評價(jià)，作為該專業(yè)的核心專業(yè)課程之一。

作為新設(shè)專業(yè)的新開課程，化工用能評價(jià)在開設(shè)之初面臨著缺乏成熟教材和系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的困難。我們在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，特別是參考了有關(guān)化工節(jié)能和化工用能分析的專著[2-7]，結(jié)合我校能源化學(xué)工程專業(yè)的課程體系，規(guī)劃設(shè)計(jì)了課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容。該課程自2014年面向我校首屆能源化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)以來，已經(jīng)講授了三次。在三年的教學(xué)實(shí)踐中，我們對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了不斷的調(diào)整和改進(jìn)。本文介紹了我校開設(shè)的化工用能評價(jià)課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，并對我們在教學(xué)實(shí)踐中的一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)進(jìn)行了總結(jié)。

一、化工用能評價(jià)課程的教學(xué)目標(biāo)

本課程作為能源化學(xué)工程專業(yè)的專業(yè)必修課，系統(tǒng)講授化工過程能量利用的科學(xué)性分析和評價(jià)方法，介紹根據(jù)化工過程用能水平的分析評價(jià)結(jié)果，尋找節(jié)能潛力，提出改進(jìn)措施的途徑，以達(dá)到減低過程能量消耗、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。具體達(dá)到以下四個(gè)教學(xué)目標(biāo)：（1）掌握從化工單元過程、用能設(shè)備、生產(chǎn)裝置和系統(tǒng)及全廠等四個(gè)層次的能量平衡和使用平衡的計(jì)算方法；（2）掌握化工過程的能耗分析及節(jié)能改進(jìn)的分析方法；（3）了解我國在企業(yè)能源管理方面的政策法規(guī)；（4）了解與石油化工企業(yè)用能分析相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

二、化工用能評價(jià)課程的教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)上述課程的教學(xué)目標(biāo)，我們規(guī)劃了化工用能評價(jià)課程的教學(xué)內(nèi)容。課程分為七章，共40個(gè)學(xué)時(shí)，以下簡要介紹每章的具體內(nèi)容。

（一）緒論

本章是課程背景知識的介紹，主要包括五個(gè)部分的內(nèi)容：（1）能量的定義及其分類，重點(diǎn)介紹化工中最常見的機(jī)械能、內(nèi)能和化學(xué)能。（2）能源的定義和分類，介紹按能源的轉(zhuǎn)換和利用層次、按能源的使用狀況及按能源對環(huán)境的污染程度進(jìn)行的分類。（3）能源的重要地位，介紹能源與社會(huì)發(fā)展、能源與國民經(jīng)濟(jì)、能源與人民生活、能源與環(huán)境之間的關(guān)系。（4）我國能源利用的現(xiàn)狀，用具體數(shù)據(jù)來介紹我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨能源短缺和能源利用率低的問題。（5）用能評價(jià)工作的重要性，介紹為了實(shí)現(xiàn)國家的能源發(fā)展戰(zhàn)略，我國采取的多種宏觀政策，重點(diǎn)介紹《中華人民共和國節(jié)約能源法》《固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目節(jié)能審查辦法》和《重點(diǎn)用能單位節(jié)能管理辦法》，以引出化工過程用能評價(jià)和分析工作的重要性。本章2個(gè)學(xué)時(shí)。

（二）熱力學(xué)基礎(chǔ)

對化工過程的用能分析主要采用的是熱力學(xué)的分析方法，主要包括能量分析法和有效能（[烽] [用]）分析法。本章主要介紹化工過程用能分析的熱力學(xué)基礎(chǔ)，包括以下六個(gè)部分的內(nèi)容：（1）熱力學(xué)的基本概念，介紹熱力系統(tǒng)、熱力學(xué)平衡狀態(tài)、狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程、 功和熱量、可逆過程等概念。（2）能量與熱力學(xué)第一定律，介紹閉口系統(tǒng)能量衡算式、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)能量衡算式、第一定律在工藝過程中的應(yīng)用和熱力學(xué)第一定律效率。（3）[烽] [用]與熱力學(xué)第二定律，介紹熱力學(xué)第二定律的幾種表述、熵的概念和孤立系統(tǒng)的熵增原理、熱力學(xué)第二定律的熵衡算方程式、能量和[烽] [用]的概念。（4）能量[烽] [用]的計(jì)算，介紹環(huán)境與物系的基準(zhǔn)狀態(tài)、 物理[烽] [用]和化學(xué)[烽] [用]、機(jī)械能[烽] [用]、機(jī)械功[烽] [用]、熱量[烽] [用]、冷量[烽] [用]、封閉系統(tǒng)的[烽] [用]、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的[烽] [用]、化學(xué)反應(yīng)的最大有用功、氣體的擴(kuò)散[烽] [用]、化學(xué)反應(yīng)[烽] [用]的計(jì)算模型、元素和化合物的化學(xué)[烽] [用]以及燃料的化學(xué)[烽] [用]。（5）[烽] [用]損失和[烽] [用]衡算方程式，介紹封閉系統(tǒng)的[烽] [用]衡算方程式、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的[烽] [用]衡算方程式和典型不可逆穩(wěn)定流動(dòng)過程的[烽] [用]損失。（6）裝置的[烽] [用]效率和[烽] [用]損失效率，介紹[烽] [用]效率的一般定義和[烽] [用]效率的不同形式。本章6個(gè)學(xué)時(shí)。

（三）工藝過程用能的熱力學(xué)分析

作為進(jìn)行化工過程用能分析的基礎(chǔ)，從化學(xué)工程的角度，可按其微觀變化的共性，歸納為“三傳一反”過程，即傳熱、傳質(zhì)、流體流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)（燃燒） ，通過熱力學(xué)分析方法，介紹這四類共性過程的能量使用和轉(zhuǎn)變規(guī)律，及其能量損失和[烽] [用]損失的計(jì)算方法，并結(jié)合工藝特點(diǎn)討論通過工藝條件的優(yōu)化提高能量效率和[烽] [用]效率的途徑。本章包括四個(gè)部分的內(nèi)容：（1）傳熱過程的熱力學(xué)分析，介紹傳熱[烽] [用]損、有散熱損失的傳熱過程和不同溫度流體的直接混合過程的[烽] [用]損。（2）傳質(zhì)過程的熱力學(xué)分析，包括混合過程[烽] [用]損和分離[烽] [用]的概念，以及實(shí)際分離過程的[烽] [用]損耗。（3）流體流動(dòng)過程的熱力學(xué)分析，主要介紹節(jié)流過程的[烽] [用]損和流動(dòng)[烽] [用]轉(zhuǎn)變過程的[烽] [用]損。（4）化學(xué)反應(yīng)過程的熱力學(xué)分析，介紹化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)[烽] [用]差、實(shí)際反應(yīng)過程的[烽] [用]損耗、實(shí)際反應(yīng)過程的[烽] [用]平衡以及燃燒過程的熱力學(xué)分析。本章8個(gè)學(xué)時(shí)。

（四）單元設(shè)備的用能評價(jià)

單元設(shè)備是化工生產(chǎn)裝置的基礎(chǔ)，裝置能量平衡和[烽] [用]平衡測試與分析通常是從設(shè)備開始的，本章主要介紹對化工生產(chǎn)中的各類單元設(shè)備進(jìn)行能量平衡和[烽] [用]平衡的計(jì)算方法，并結(jié)合具體實(shí)例討論通過工藝條件的優(yōu)化提高工藝設(shè)備能量效率和[烽] [用]效率的途徑，包括五個(gè)部分的內(nèi)容：（1）國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2587-2009用能設(shè)備能量平衡通則，介紹用能設(shè)備能量平衡模型、能量平衡計(jì)算時(shí)的基準(zhǔn)、能量平衡測試要求、能量平衡測算的內(nèi)容以及能量平衡結(jié)果的表示方法。（2）機(jī)泵設(shè)備的用能評價(jià)，主要包括離心機(jī)和壓縮機(jī)。（3）工業(yè)爐設(shè)備的用能評價(jià)，主要包括工藝加熱爐、反應(yīng)爐和尾氣焚燒爐。（4）工藝用能設(shè)備的用能評價(jià)，主要包括反應(yīng)設(shè)備和塔類設(shè)備。（5）能量回收利用設(shè)備，主要包括換熱設(shè)備和動(dòng)力回收設(shè)備。本章8個(gè)學(xué)時(shí)。

（五）化工裝置的用能評價(jià)

當(dāng)完成單元設(shè)備的能量平衡和[烽] [用]平衡計(jì)算后，就可以匯總為裝置的能量平衡和[烽] [用]平衡，并對裝置進(jìn)行用能分析，從而找出能量在數(shù)量上的損失和能量在質(zhì)量上貶值的部位，從而提出改進(jìn)的方向和具體改進(jìn)的措施，達(dá)到降低裝置能耗的目的。本章主要介紹幾個(gè)與化工裝置用能分析有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)定，以及工藝過程用能三環(huán)節(jié)模型，并結(jié)合具體實(shí)例討論通過工藝條件優(yōu)化提高化工裝置能量效率和[烽] [用]效率的途徑。主要包括六個(gè)部分的內(nèi)容：（1）GB/T 2589-2008綜合能耗計(jì)算通則，介紹綜合能耗計(jì)算的術(shù)語和定義、能源種類和計(jì)算范圍、綜合能耗的計(jì)算方法以及各種能源折算標(biāo)準(zhǔn)煤的原則。（2）GB/T 3484-2009企業(yè)能量平衡通則，主要介紹企業(yè)能量平衡框圖、企業(yè)能量平衡方程、企業(yè)能量平衡的方法、企業(yè)能量平衡的指標(biāo)和企業(yè)能量平衡報(bào)告。（3）GBT 14909-2005能量系統(tǒng)[烽] [用]分析技術(shù)導(dǎo)則，主要介紹[烽] [用]平衡方程、[烽] [用]分析的評價(jià)指標(biāo)、[烽] [用]分析的步驟。（4）GB/T 50441-2016石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，介紹石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算的一般規(guī)定、能耗的計(jì)算方法和計(jì)算規(guī)定。（5）中國石油化工股份有限公司所頒布的煉油廠能量消耗計(jì)算及評價(jià)方法（2003年），介紹煉油廠能耗的定義與計(jì)算規(guī)則、能耗的計(jì)算方法、能量換算系數(shù)的計(jì)算方法和能耗評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法。（6）化工過程用能分析方法，介紹石油化工過程用能的特點(diǎn)、工藝過程用能三環(huán)節(jié)模型，以及各環(huán)節(jié)的能量平衡關(guān)系和評價(jià)指標(biāo)。本章6個(gè)學(xué)時(shí)。

（六）化工過程能量的分析與優(yōu)化

本章從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，介紹過程能量集成方法中最實(shí)用的技術(shù)——夾點(diǎn)分析技術(shù)在化工過程的能量分析和優(yōu)化中的應(yīng)用，主要包括六個(gè)部分的內(nèi)容：（1）過程系統(tǒng)的夾點(diǎn)及其意義，主要包括夾點(diǎn)的形成、用“問題表格法”確定夾點(diǎn)的方法、夾點(diǎn)的意義和換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則。（2）換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目標(biāo)，主要介紹換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的能量目標(biāo)、換熱單元數(shù)目目標(biāo)、 換熱網(wǎng)絡(luò)面積目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，以及最優(yōu)夾點(diǎn)溫差的確定。（3）換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要介紹夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)原則、初始網(wǎng)絡(luò)的生成、熱負(fù)荷回路的斷開與換熱單元的合并、物流間匹配換熱的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。（4）換熱網(wǎng)絡(luò)的改造，介紹現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的分析、換熱網(wǎng)絡(luò)改造的設(shè)計(jì)目標(biāo)、換熱網(wǎng)絡(luò)改造步驟。（5）Aspen Energy Analyzer在能量分析及優(yōu)化中的應(yīng)用，介紹換熱網(wǎng)絡(luò)的建立和分析、換熱網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)設(shè)計(jì)、換熱網(wǎng)絡(luò)的改造。本章8個(gè)學(xué)時(shí)。

（七）化工用能評價(jià)理論的新進(jìn)展

以上的課程內(nèi)容主要介紹的是目前工業(yè)界比較通用的基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的能量平衡和[烽] [用]平衡分析方法，本章簡要介紹化工用能評價(jià)理論的新進(jìn)展，包括可避免[烽] [用]損失與不可避免[烽] [用]損失、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)、有限時(shí)間熱力學(xué)、積累[烽] [用]理論和能值分析等。本章2個(gè)學(xué)時(shí)。

三、教學(xué)實(shí)踐總結(jié)

該課程自2014年面向我校首屆能源化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)三年的教學(xué)實(shí)踐中，我們對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了不斷的調(diào)整和改進(jìn)，以下對我們在教學(xué)實(shí)踐過程中的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)進(jìn)行總結(jié)。

（一）與化工熱力學(xué)課程內(nèi)容的銜接

化工過程的用能評價(jià)方法主要是基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的能量分析和[烽] [用]分析方法，要求學(xué)生具有比較扎實(shí)的化工熱力學(xué)基礎(chǔ)知識。我校能源化學(xué)工程專業(yè)的化工熱力學(xué)課程開設(shè)在第五學(xué)期，因此我們把化工用能評價(jià)課程開設(shè)在剛學(xué)完化工熱力學(xué)的第六學(xué)期。盡管如此，我們在教學(xué)實(shí)踐中仍然發(fā)現(xiàn)，由于化工熱力學(xué)課程本身比較抽象難學(xué)，很多學(xué)生即使在剛剛學(xué)習(xí)完化工熱力學(xué)課程之后，對其中基本概念的理解還比較欠缺，因此還有必要在授課時(shí)對熱力學(xué)基礎(chǔ)知識進(jìn)行介紹。此外我們還對這部分內(nèi)容在化工熱力學(xué)課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，重點(diǎn)介紹能量[烽] [用]的計(jì)算、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的[烽] [用]衡算方程和典型過程[烽] [用]平衡與[烽] [用]效率表示方法，為后續(xù)各章節(jié)的學(xué)習(xí)奠定必要的理論基礎(chǔ)。

（二）注重理論與應(yīng)用實(shí)例的結(jié)合

化工用能評價(jià)作為我校能源化工專業(yè)高年級的專業(yè)必修課，具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。為了更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識分析問題和解決問題的能力，我們在平時(shí)的教學(xué)工作中，特別注重了實(shí)例的收集和運(yùn)用，在每一章的基礎(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)之后，通過實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生對具體的化工過程進(jìn)行能量的分析。例如，在單元設(shè)備的用能評價(jià)部分，課程中介紹了高壓加氫裝置應(yīng)用液力透平回收壓力能[8]，和二甲醚生產(chǎn)中利用膨脹透平回收反應(yīng)器尾氣的壓力能、利用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電回收尾氣化學(xué)能[9]的兩個(gè)實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生通過文獻(xiàn)上的具體應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行設(shè)備能量利用的計(jì)算和分析。在工藝過程用能三環(huán)節(jié)模型部分，課程介紹了利用三環(huán)節(jié)模型對加氫裂化裝置進(jìn)行用能和節(jié)能研究的實(shí)例[10]，加深了學(xué)生對于模型方法的理解，幫助學(xué)生掌握此模型方法的具體應(yīng)用。

（三）充分發(fā)揮流程模擬軟件在教學(xué)中的作用

能量平衡和[烽] [用]平衡計(jì)算是化工過程用能評價(jià)的基礎(chǔ)，而商用流程模擬軟件如Aspen Plus等在化工設(shè)備和化工裝置的物料衡算與能量衡算方面具有強(qiáng)大的功能。在化工單元設(shè)備和化工裝置用能評價(jià)中，除了介紹能量分析的基本方法外，我們還在課程中增加了流程模擬軟件應(yīng)用方面的介紹，引導(dǎo)學(xué)生借助流程模擬軟件對化工過程進(jìn)行能量的分析和優(yōu)化。在第六章介紹完夾點(diǎn)分析方法的基本理論之后，還介紹了Aspen Energy Analyzer軟件在換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的應(yīng)用。為了加強(qiáng)流程模擬軟件應(yīng)用的教學(xué)效果，我們除了課堂講授和要求學(xué)生課下練習(xí)外，還安排了2個(gè)學(xué)時(shí)的上機(jī)時(shí)間，布置具體的應(yīng)用算例集中練習(xí)和答疑。通過這樣的設(shè)置，加深了學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)在學(xué)習(xí)過程中使得學(xué)生熟悉了流程模擬軟件的應(yīng)用，為后續(xù)化工設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

化工用能評價(jià)是我校面向能源化學(xué)工程專業(yè)高年級學(xué)生新開設(shè)的一門特色課程，課程的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)過的基礎(chǔ)理論進(jìn)行化工過程的能量分析與優(yōu)化的能力。在今后的教學(xué)實(shí)踐中，我們還需要進(jìn)行持續(xù)的教學(xué)改革，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，以便更好地實(shí)現(xiàn)課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]