化工設計過程中的有效能分析

邢銀全(重慶化工設計研究院，重慶 400039)

對于目前的節能理念來說，節能這一目標的實現不僅僅在能源損耗減少和節約的基礎上，同時能量循環利用也是一種有效的節約手段。雖然能量與那些環保材料存在本質的差異，即不可通過回收實現再生利用，但是可以通過減少傳遞過程中多余耗能的手段實現這一目標，即將能量本身的數量或者質量作為參考，保證在可持續發展理念與循環經濟相結合，通過合理的設備改造以及化學反應條件的控制，最后完成能量的有效利用。而這對于化工業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

從物理學而言，熱能就是一種能量，而在化工行業中，熱力學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，英國物理學家拉爾夫·福勒提出的熱力學第零定律也是熱力學三大定律的基礎，其定義是一個能量守恒轉換的過程，簡而言之，就是當甲系統與乙系統處于熱平衡狀態，而乙系統又與丙系統熱平衡，那么甲系統與丙系統也必定處于熱平衡，而這一結論，也為有效能的研究提供了重要的理論基礎。

2 有效能的定義

有效能的界定是根據能量類型進行的，即對于指定的系統具有相應效果的能量，當環境發生變化時，系統在自身能量與環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從目前狀態〔P,T)向(P0,T0)轉變的過程所做的功，即

當然，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境狀態的變化，但其計算結果總是一個正值；而理想功，則是兩種狀態下能量的差值。而根據這種差別，可以將能量按照類型分為高質能量、僵態能量以及低質能量。對于高質能量而言，主要是指大部分轉化為做有用功的能量，例如電能、水能以及風能等等；僵態能量主要是指不能用于做功的一些能量，比如一些環境變化產生的能量，如火山爆發、海嘯等自然災害產生的能量；低質能量主要是指那些可以部分轉化為有用功的能力，例如熱傳遞能量、化學能等。而對于化工方面來說，有效能需要對化學元素的環境狀態變化按照熱力學第一定律進行，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，狀態的變化，像融化、結晶與升華。但是對于功與熱能轉化都存在能量的損失，所以實際來說，功可以完全轉化為熱能，而相反的，熱能只能部分轉化為有效功。所以對于化工行業中的設計來說，需要通過制定科學的方案，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計、換熱流程以及反應流程三個階段，而分析每個階段有效能出現損耗的環節以及原因，同時對有效能損耗進行控制以及計算統計，根據有效能以及損耗情況的評估報告，提出相應的改進措施，從而達到提高化工有效能利用率的最終目的。

3.1 化工設計流程

就化工設計來說，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化為做功方面，同樣也在熱量傳遞過程中，并且當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的制冷，造成兩者間的溫差持續增大，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和設計中常見的現象，即根據熱量高溫向低溫傳播的特性，如果化工生產中出現兩個溫度不同的東西進行接觸。就是發生換熱現象，即熱量從溫度較高的A物傳向溫度較低的B物上。如果在理想狀態下，忽略熱量損耗。可以一微元為單位計算，則可令A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論:(1)、換熱可導致有效能損耗；(2)、當溫差作為固定值，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。所以可以根據以上結論進行相對的改進，例如針對熱量傳遞時可以區分為兩種情況，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，即像在化工工業中會將蒸汽按照溫度的高低進行區分，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 化學反應流程

化學反應流程中有效能的損耗主要是指反應物形態改變而產生的溫度升高，以及傳遞過程中對整個反應體系的改變，而化學反應是不可逆的，所以更需要考慮化學有效能的變化。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酵制備，由于乙烯是氣態轉化為液態乙醇需要大量的能量；而對于玉米制備來說，是玉米種的糖類轉化為液態，其能量損耗要大大降低。而其通常可以通過一些節能手段，從而提升有效能的轉化率。例如通過壓力差進行蒸餾，減少蒸汽的消耗，通過無氧環境進行發酵回收反應物等等；而對于熱量傳遞與化學反應過程都是不可逆的過程，可以將反應排除廢氣的熱機械能和有效能進行充分循環利用，從而提高化工產業的有效能利用率。

4 結語

有效能體現化工生產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，這不僅僅是社會發展的要求，也是企業發展的需要。而對于化工設計過程中，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化設備隔熱效果等等手段。當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上，才能夠讓能源在傳遞、轉化這一不可逆的過程中得到充分利用，不但符合目前環境的要求，也是目前生態評價的重要標準。

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

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

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

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

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