化工设计过程中的有效能分析

2022-09-11

对于目前的节能理念来说, 节能这一目标的实现不仅仅在能源损耗减少和节约的基础上, 同时能量循环利用也是一种有效的节约手段。虽然能量与那些环保材料存在本质的差异, 即不可通过回收实现再生利用, 但是可以通过减少传递过程中多余耗能的手段实现这一目标, 即将能量本身的数量或者质量作为参考, 保证在可持续发展理念与循环经济相结合, 通过合理的设备改造以及化学反应条件的控制, 最后完成能量的有效利用。而这对于化工业能源的利用以及改革方面来说, 也具有重要的意义和价值。笔者将通过本文, 就化工设计方面, 对化工中的有效能进行分析和探讨[1]。

1 有效能研究的理论基础

从物理学而言, 热能就是一种能量, 而在化工行业中, 热力学定律也是最主要的计算和测定参考之一, 即于二十世纪三十年代, 英国物理学家拉尔夫·福勒提出的热力学第零定律也是热力学三大定律的基础, 其定义是一个能量守恒转换的过程, 简而言之, 就是当甲系统与乙系统处于热平衡状态, 而乙系统又与丙系统热平衡, 那么甲系统与丙系统也必定处于热平衡, 而这一结论, 也为有效能的研究提供了重要的理论基础。

2 有效能的定义

有效能的界定是根据能量类型进行的, 即对于指定的系统具有相应效果的能量, 当环境发生变化时, 系统在自身能量与环境能量进行传递过程中所做的最大的功就是有效能, 在理论方面是不用考虑能量损耗等问题, 而通过公式表达也就是系统从目前状态[P, T) 向 (P0, T0) 转变的过程所做的功, 即

当然, 有效能与理想做功也是存在一定的差别的, 主要是由于有效能计算过程是针对环境状态的变化, 但其计算结果总是一个正值;而理想功, 则是两种状态下能量的差值。而根据这种差别, 可以将能量按照类型分为高质能量、僵态能量以及低质能量。对于高质能量而言, 主要是指大部分转化为做有用功的能量, 例如电能、水能以及风能等等;僵态能量主要是指不能用于做功的一些能量, 比如一些环境变化产生的能量, 如火山爆发、海啸等自然灾害产生的能量;低质能量主要是指那些可以部分转化为有用功的能力, 例如热传递能量、化学能等。而对于化工方面来说, 有效能需要对化学元素的环境状态变化按照热力学第一定律进行, 即包含温度的变化, 像加热、冷却等等;压力的变化, 像压缩、膨胀等, 状态的变化, 像融化、结晶与升华。但是对于功与热能转化都存在能量的损失, 所以实际来说, 功可以完全转化为热能, 而相反的, 热能只能部分转化为有效功。所以对于化工行业中的设计来说, 需要通过制定科学的方案, 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设计、换热流程以及反应流程三个阶段, 而分析每个阶段有效能出现损耗的环节以及原因, 同时对有效能损耗进行控制以及计算统计, 根据有效能以及损耗情况的评估报告, 提出相应的改进措施, 从而达到提高化工有效能利用率的最终目的。

3.1 化工设计流程

就化工设计来说, 是完成化工一系列流程的方向和参考, 所以要将减少能耗作为提升有效能的重要理念, 而化工的能量消耗不仅仅在热量转化为做功方面, 同样也在热量传递过程中, 并且当两个传递物的温差越大, 则能量损耗就越大。就以干馏为例, 为了提高回流比, 则会提高塔釜的供热以及塔顶的制冷, 造成两者间的温差持续增大, 而由于传递热量并没有丝毫改变, 反而会造成多余的损耗, 所以在设计过程中, 需要要求控制换热器面积的温差, 从而减少热量传递过程中的有效能损耗。

3.2 化工换热流程

换热流程是化工生产和设计中常见的现象, 即根据热量高温向低温传播的特性, 如果化工生产中出现两个温度不同的东西进行接触。就是发生换热现象, 即热量从温度较高的A物传向温度较低的B物上。如果在理想状态下, 忽略热量损耗。可以一微元为单位计算, 则可令A物体放出的热量为dQ, 则相对的有效能d BQ, H的计算可以用以下公式表示:

而B物体吸收的热量dQ的有效能d BQ, L可以用以下公式表

那么对于能量损失d W的计算, 可以通过公式:

通过以上计算过程可以得出几点结论: (1) 、换热可导致有效能损耗; (2) 、当温差作为固定值, 如果提高温度, 则有效能消耗将会越小; (3) 、如果温度为固定值, 而温差增大, 则有效能损耗越严重。所以可以根据以上结论进行相对的改进, 例如针对热量传递时可以区分为两种情况, 一种是低温中的传热, 需要保证温差尽可能缩小, 而对于高温条件下, 可以放宽对温差的限制。于此同时改变压力也是一种有效的手段, 即像在化工工业中会将蒸汽按照温度的高低进行区分, 180摄氏度以下的被认定为低压蒸汽, 而高于350摄氏度的为高压蒸汽, 对两类蒸汽的界定也不同, 一般情况, 采用低压蒸汽进行加热而高压蒸汽进行做功, 从而减少有效能的损耗[3]。

3.3 化学反应流程

化学反应流程中有效能的损耗主要是指反应物形态改变而产生的温度升高, 以及传递过程中对整个反应体系的改变, 而化学反应是不可逆的, 所以更需要考虑化学有效能的变化。以乙醇的制备过程中的有效能分析, 主要包含乙烯与水化合或者对玉米进行发酵制备, 由于乙烯是气态转化为液态乙醇需要大量的能量;而对于玉米制备来说, 是玉米种的糖类转化为液态, 其能量损耗要大大降低。而其通常可以通过一些节能手段, 从而提升有效能的转化率。例如通过压力差进行蒸馏, 减少蒸汽的消耗, 通过无氧环境进行发酵回收反应物等等;而对于热量传递与化学反应过程都是不可逆的过程, 可以将反应排除废气的热机械能和有效能进行充分循环利用, 从而提高化工产业的有效能利用率。

4 结语

有效能体现化工生产效率和能力的重要指标, 特别是在目前能源极度匮乏的形势下, 更需要增加能源利用率, 从而降低成本以及能源损失, 这不仅仅是社会发展的要求, 也是企业发展的需要。而对于化工设计过程中, 有效能的提升途径可以通过降低温差、改变压力条件以及优化设备隔热效果等等手段。当然这些都要建立在对有效能足够了解以及传递原理足够熟悉的基础上, 才能够让能源在传递、转化这一不可逆的过程中得到充分利用, 不但符合目前环境的要求, 也是目前生态评价的重要标准。

摘要：化工产业是我国主要支柱产业之一, 是食品、医药以及材料等产业的上游产业和基础产业。但同时, 化工产业又是高能耗产业。随着地球资源日益匮乏和“绿色化工、节能减排和可持续发展”的行业要求, 能源的有效利用率成为化工行业设计过程中研究的热点。本文详细阐述了化工设计过程中的有效能研究的理论基础和量化表征, 系统分析了化工流程中化工设计、换热流程以及反应流程的三个阶段中的有效能损耗及原因, 最后对有效能损耗进行计算统计和分析, 提出了相应的改进措施, 从而达到提高化工设计过程中有效能利用率, 以实现节能减排和绿色化工行业要求。

关键词：化工设计环节,能源有效率,分析和运用