化工用能評價課程的設計和教學實踐

徐建　黃星亮　杜巍

[摘 要]化工用能評價是中國石油大學（北京）為能源化學工程專業新開設的一門核心專業課程，目的是培養學生進行化工企業的能效評價和化工過程的能量分析與優化的能力。作為新設專業的新開課程，課程在開設之初面臨著缺乏現成教材和系統教學內容的困難。我們在大量文獻調研的基礎上，結合我校能源化學工程專業的課程體系，規劃設計了課程的教學目標和教學內容。本文詳細介紹了化工用能評價課程的教學內容，并對我們在教學實踐中的一些經驗和體會進行了總結。

[關鍵詞]能源化學工程；化工用能評價；課程設計；教學實踐

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

能源化學工程專業是教育部于2010 年新批準設立的本科專業，旨在培養能源和環境建設方面急需的專業人才和管理人才。中國石油大學（北京）自2011年開設能源化學工程專業，是國內首批開設此專業的高校之一[1]。我校根據自身的辦學定位和專業優勢，確定了能源化學工程專業的培養目標，即培養掌握化石與可再生能源生產、高效清潔轉化利用過程中的基本理論、基本知識、基本技能以及化學加工技術，掌握企業能效評價、過程能量優化等技術，掌握能源化工過程設計技能的，能在煤化工、生物化工、石油天然氣化工、新能源領域等行業從事化工生產、生產管理、技術管理、化工用能評價、過程設計、技術開發、科學研究等工作的優秀專門人才。為了實現學生掌握化工企業能效評價和化工過程能量優化技術的培養目標，我校在規劃能源化學工程專業課程體系時設計了一門新的課程——化工用能評價，作為該專業的核心專業課程之一。

作為新設專業的新開課程，化工用能評價在開設之初面臨著缺乏成熟教材和系統教學內容的困難。我們在大量文獻調研的基礎上，特別是參考了有關化工節能和化工用能分析的專著[2-7]，結合我校能源化學工程專業的課程體系，規劃設計了課程的教學目標和教學內容。該課程自2014年面向我校首屆能源化學工程專業學生開設以來，已經講授了三次。在三年的教學實踐中，我們對教學內容和教學方法進行了不斷的調整和改進。本文介紹了我校開設的化工用能評價課程的教學目標和教學內容，并對我們在教學實踐中的一些經驗和體會進行了總結。

一、化工用能評價課程的教學目標

本課程作為能源化學工程專業的專業必修課，系統講授化工過程能量利用的科學性分析和評價方法，介紹根據化工過程用能水平的分析評價結果，尋找節能潛力，提出改進措施的途徑，以達到減低過程能量消耗、提高企業經濟效益的目的。具體達到以下四個教學目標：（1）掌握從化工單元過程、用能設備、生產裝置和系統及全廠等四個層次的能量平衡和使用平衡的計算方法；（2）掌握化工過程的能耗分析及節能改進的分析方法；（3）了解我國在企業能源管理方面的政策法規；（4）了解與石油化工企業用能分析相關的國家標準和行業標準。

二、化工用能評價課程的教學內容

根據上述課程的教學目標，我們規劃了化工用能評價課程的教學內容。課程分為七章，共40個學時，以下簡要介紹每章的具體內容。

（一）緒論

本章是課程背景知識的介紹，主要包括五個部分的內容：（1）能量的定義及其分類，重點介紹化工中最常見的機械能、內能和化學能。（2）能源的定義和分類，介紹按能源的轉換和利用層次、按能源的使用狀況及按能源對環境的污染程度進行的分類。（3）能源的重要地位，介紹能源與社會發展、能源與國民經濟、能源與人民生活、能源與環境之間的關系。（4）我國能源利用的現狀，用具體數據來介紹我國經濟發展面臨能源短缺和能源利用率低的問題。（5）用能評價工作的重要性，介紹為了實現國家的能源發展戰略，我國采取的多種宏觀政策，重點介紹《中華人民共和國節約能源法》《固定資產投資項目節能審查辦法》和《重點用能單位節能管理辦法》，以引出化工過程用能評價和分析工作的重要性。本章2個學時。

（二）熱力學基礎

對化工過程的用能分析主要采用的是熱力學的分析方法，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基礎，包括以下六個部分的內容：（1）熱力學的基本概念，介紹熱力系統、熱力學平衡狀態、狀態參數和狀態方程、 功和熱量、可逆過程等概念。（2）能量與熱力學第一定律，介紹閉口系統能量衡算式、穩定流動系統能量衡算式、第一定律在工藝過程中的應用和熱力學第一定律效率。（3）[烽] [用]與熱力學第二定律，介紹熱力學第二定律的幾種表述、熵的概念和孤立系統的熵增原理、熱力學第二定律的熵衡算方程式、能量和[烽] [用]的概念。（4）能量[烽] [用]的計算，介紹環境與物系的基準狀態、 物理[烽] [用]和化學[烽] [用]、機械能[烽] [用]、機械功[烽] [用]、熱量[烽] [用]、冷量[烽] [用]、封閉系統的[烽] [用]、穩定流動系統的[烽] [用]、化學反應的最大有用功、氣體的擴散[烽] [用]、化學反應[烽] [用]的計算模型、元素和化合物的化學[烽] [用]以及燃料的化學[烽] [用]。（5）[烽] [用]損失和[烽] [用]衡算方程式，介紹封閉系統的[烽] [用]衡算方程式、穩定流動系統的[烽] [用]衡算方程式和典型不可逆穩定流動過程的[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個學時。

（三）工藝過程用能的熱力學分析

作為進行化工過程用能分析的基礎，從化學工程的角度，可按其微觀變化的共性，歸納為“三傳一反”過程，即傳熱、傳質、流體流動和化學反應（燃燒） ，通過熱力學分析方法，介紹這四類共性過程的能量使用和轉變規律，及其能量損失和[烽] [用]損失的計算方法，并結合工藝特點討論通過工藝條件的優化提高能量效率和[烽] [用]效率的途徑。本章包括四個部分的內容：（1）傳熱過程的熱力學分析，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）傳質過程的熱力學分析，包括混合過程[烽] [用]損和分離[烽] [用]的概念，以及實際分離過程的[烽] [用]損耗。（3）流體流動過程的熱力學分析，主要介紹節流過程的[烽] [用]損和流動[烽] [用]轉變過程的[烽] [用]損。（4）化學反應過程的熱力學分析，介紹化學反應的熱力學[烽] [用]差、實際反應過程的[烽] [用]損耗、實際反應過程的[烽] [用]平衡以及燃燒過程的熱力學分析。本章8個學時。

（四）單元設備的用能評價

單元設備是化工生產裝置的基礎，裝置能量平衡和[烽] [用]平衡測試與分析通常是從設備開始的，本章主要介紹對化工生產中的各類單元設備進行能量平衡和[烽] [用]平衡的計算方法，并結合具體實例討論通過工藝條件的優化提高工藝設備能量效率和[烽] [用]效率的途徑，包括五個部分的內容：（1）國家標準GB/T 2587-2009用能設備能量平衡通則，介紹用能設備能量平衡模型、能量平衡計算時的基準、能量平衡測試要求、能量平衡測算的內容以及能量平衡結果的表示方法。（2）機泵設備的用能評價，主要包括離心機和壓縮機。（3）工業爐設備的用能評價，主要包括工藝加熱爐、反應爐和尾氣焚燒爐。（4）工藝用能設備的用能評價，主要包括反應設備和塔類設備。（5）能量回收利用設備，主要包括換熱設備和動力回收設備。本章8個學時。

（五）化工裝置的用能評價

當完成單元設備的能量平衡和[烽] [用]平衡計算后，就可以匯總為裝置的能量平衡和[烽] [用]平衡，并對裝置進行用能分析，從而找出能量在數量上的損失和能量在質量上貶值的部位，從而提出改進的方向和具體改進的措施，達到降低裝置能耗的目的。本章主要介紹幾個與化工裝置用能分析有關的國家標準和行業規定，以及工藝過程用能三環節模型，并結合具體實例討論通過工藝條件優化提高化工裝置能量效率和[烽] [用]效率的途徑。主要包括六個部分的內容：（1）GB/T 2589-2008綜合能耗計算通則，介紹綜合能耗計算的術語和定義、能源種類和計算范圍、綜合能耗的計算方法以及各種能源折算標準煤的原則。（2）GB/T 3484-2009企業能量平衡通則，主要介紹企業能量平衡框圖、企業能量平衡方程、企業能量平衡的方法、企業能量平衡的指標和企業能量平衡報告。（3）GBT 14909-2005能量系統[烽] [用]分析技術導則，主要介紹[烽] [用]平衡方程、[烽] [用]分析的評價指標、[烽] [用]分析的步驟。（4）GB/T 50441-2016石油化工設計能耗計算標準，介紹石油化工設計能耗計算的一般規定、能耗的計算方法和計算規定。（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算及評價方法（2003年），介紹煉油廠能耗的定義與計算規則、能耗的計算方法、能量換算系數的計算方法和能耗評價指標的計算方法。（6）化工過程用能分析方法，介紹石油化工過程用能的特點、工藝過程用能三環節模型，以及各環節的能量平衡關系和評價指標。本章6個學時。

（六）化工過程能量的分析與優化

本章從系統工程的角度出發，介紹過程能量集成方法中最實用的技術——夾點分析技術在化工過程的能量分析和優化中的應用，主要包括六個部分的內容：（1）過程系統的夾點及其意義，主要包括夾點的形成、用“問題表格法”確定夾點的方法、夾點的意義和換熱網絡的設計原則。（2）換熱網絡設計目標，主要介紹換熱網絡設計的能量目標、換熱單元數目目標、 換熱網絡面積目標和經濟目標，以及最優夾點溫差的確定。（3）換熱網絡的優化設計，主要介紹夾點技術設計原則、初始網絡的生成、熱負荷回路的斷開與換熱單元的合并、物流間匹配換熱的經驗規則。（4）換熱網絡的改造，介紹現行換熱網絡的分析、換熱網絡改造的設計目標、換熱網絡改造步驟。（5）Aspen Energy Analyzer在能量分析及優化中的應用，介紹換熱網絡的建立和分析、換熱網絡的自動設計、換熱網絡的改造。本章8個學時。

（七）化工用能評價理論的新進展

以上的課程內容主要介紹的是目前工業界比較通用的基于熱力學第一定律和熱力學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理論的新進展，包括可避免[烽] [用]損失與不可避免[烽] [用]損失、熱經濟學、有限時間熱力學、積累[烽] [用]理論和能值分析等。本章2個學時。

三、教學實踐總結

該課程自2014年面向我校首屆能源化學工程專業學生開設三年的教學實踐中，我們對教學內容和教學方法進行了不斷的調整和改進，以下對我們在教學實踐過程中的經驗和體會進行總結。

（一）與化工熱力學課程內容的銜接

化工過程的用能評價方法主要是基于熱力學第一定律和熱力學第二定律的能量分析和[烽] [用]分析方法，要求學生具有比較扎實的化工熱力學基礎知識。我校能源化學工程專業的化工熱力學課程開設在第五學期，因此我們把化工用能評價課程開設在剛學完化工熱力學的第六學期。盡管如此，我們在教學實踐中仍然發現，由于化工熱力學課程本身比較抽象難學，很多學生即使在剛剛學習完化工熱力學課程之后，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對熱力學基礎知識進行介紹。此外我們還對這部分內容在化工熱力學課程的基礎上進行了擴展，重點介紹能量[烽] [用]的計算、穩定流動系統的[烽] [用]衡算方程和典型過程[烽] [用]平衡與[烽] [用]效率表示方法，為后續各章節的學習奠定必要的理論基礎。

（二）注重理論與應用實例的結合

化工用能評價作為我校能源化工專業高年級的專業必修課，具有很強的應用背景。為了更好地激發學生的學習興趣，培養學生運用所學的專業基礎知識分析問題和解決問題的能力，我們在平時的教學工作中，特別注重了實例的收集和運用，在每一章的基礎理論知識學習之后，通過實例引導學生對具體的化工過程進行能量的分析。例如，在單元設備的用能評價部分，課程中介紹了高壓加氫裝置應用液力透平回收壓力能[8]，和二甲醚生產中利用膨脹透平回收反應器尾氣的壓力能、利用燃氣-蒸汽聯合循環發電回收尾氣化學能[9]的兩個實例，引導學生通過文獻上的具體應用實例進行設備能量利用的計算和分析。在工藝過程用能三環節模型部分，課程介紹了利用三環節模型對加氫裂化裝置進行用能和節能研究的實例[10]，加深了學生對于模型方法的理解，幫助學生掌握此模型方法的具體應用。

（三）充分發揮流程模擬軟件在教學中的作用

能量平衡和[烽] [用]平衡計算是化工過程用能評價的基礎，而商用流程模擬軟件如Aspen Plus等在化工設備和化工裝置的物料衡算與能量衡算方面具有強大的功能。在化工單元設備和化工裝置用能評價中，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用方面的介紹，引導學生借助流程模擬軟件對化工過程進行能量的分析和優化。在第六章介紹完夾點分析方法的基本理論之后，還介紹了Aspen Energy Analyzer軟件在換熱網絡設計和優化中的應用。為了加強流程模擬軟件應用的教學效果，我們除了課堂講授和要求學生課下練習外，還安排了2個學時的上機時間，布置具體的應用算例集中練習和答疑。通過這樣的設置，加深了學生對基礎理論知識的理解，提高了學生的學習興趣，同時在學習過程中使得學生熟悉了流程模擬軟件的應用，為后續化工設計課程的學習和畢業設計打下了良好的基礎。

四、結語

化工用能評價是我校面向能源化學工程專業高年級學生新開設的一門特色課程，課程的核心目標是培養學生運用所學過的基礎理論進行化工過程的能量分析與優化的能力。在今后的教學實踐中，我們還需要進行持續的教學改革，進一步優化教學內容，改進教學方法，以便更好地實現課程的培養目標。

[ 參 考 文 獻 ]

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[10] 戴寶華，張英.加氫裂化裝置用能三環節分析及改進[J].當代化工，2007（1）：33-36.

[責任編輯：鐘 嵐]