“火用分析”等概念在一个创新案例中的应用

张 英

马钢(集团)控股有限公司科技管理部 安徽马鞍山 243000)



“火用分析”等概念在一个创新案例中的应用

张 英

马钢(集团)控股有限公司科技管理部 安徽马鞍山 243000)

结合化学工程的基本原理，剖析了一个专利发明中所应用的思路和方法，归纳了对行业中节能技术与设备开发创新的启示。

思路；节能；创新

“火用分析”方法是过程热力学分析的基本方法之一。在上世纪七十年代能源危机发生之后，对能量的品质即：“火用”的研究及应用得到了普遍重视。

火用是指体系所处的状态到达基准态之间所能提供的理想功。单位能量所含的火用称为能级。理论上能全部转化为功的能量，其能级为1，如：电能、机械能等；完全不能转化为功的能量，其能级为0，也称之为“僵态能”；低级能量的能级大于0小于1。

低级能量在冶金工厂内点多面广、种类繁多。目前对低级能量的利用率依然不高，很多低级能量依然由间接或直接的途径排放到环境中，例如：需冷却的工艺介质的热量通过循环水冷却水系统换热移除并由开放式净循环水系统中冷却塔的水汽向大气排放；高炉水冲渣产生的蒸汽的直接排放，蒸汽冷凝水的热量排放等等。回收利用这些低级能量的潜力不小。

笔者发现专利 “低火用热源驱动型溶液浓缩-纯化机组”中所应用的思路和方法，可能对行业中节能技术与设备开发具有较好的示范意义。结合化工热力学和化工原理的方法，剖析了案例中应用的创新思路和具体方法供同行讨论借鉴。

1 创新目标

专利针对浓缩溶质或提纯溶液的需求，基于“背景技术”的原料、产物、设备、方法和热源情况，提出了低火用热源的选项。

1.1 原料

化工生产过程产生各种溶液。其中，目标产品溶液浓缩后转序。而副产物，直接排放会造成环境污染；直接转移处理则贮运费用高、后处理产生的大量气体或液体也因缺少合适的消纳措施而形成污染转移。通常将溶液加热蒸发后的浓缩(浆)液转序(移)。

1.2 产出物

分娩方式不同，生殖系统的恢复不同。自然分娩的女性子宫完整，子宫缩复快，出血时间短，阴道或会阴部会有不同程度的裂伤或侧切，这需要慢慢愈合。剖宫产的女性子宫有切口，子宫缩复时间稍长。

蒸发出的汽体除含有溶剂汽体外，有些还含有腐蚀性、剧毒等有害化学介质。就地排放，不仅污染环境、更对生产现场设备造成腐蚀、也极大危害了操作人员的身心健康。排放的化学物也是企业的中间产品或原料，不加以回收，也使产品收率降低、原料消耗增加。

1.3 设备

普遍采用的蒸发器以升膜降膜蒸发器居多，以蒸汽等高火用热源提供从溶液中蒸发出溶剂的动力。

1.4 方法和热源

以单效蒸发为例，每蒸发1 t水，至少消耗1.1 t蒸汽。蒸汽虽然是化工企业必有的能源介质，但作为高火用热源，蒸发浓缩目标产品的溶液，能耗成本已经比较高；用于蒸发副产废液则更加不经济。由于上述原因，除了必须蒸发浓缩目标产品的溶液，化工企业一般都难以接受用蒸汽加热浓缩副产废液的方式。另一方面，化工企业生产过程中也存在着众多需要冷却的介质，其中温度低于100 ℃的不能用来生产蒸汽之类的高火用热源的介质，一般都通过循环冷却水冷却，介质中的低火用废热最终排放到大气。

2 应用原理

发明目标是采用低火用热源来驱动溶液浓缩——溶剂纯化过程，为此利用了三个基本物理化学原理：1)溶剂在低压下沸点降低；2)为保持溶剂和低火用废热流之间的传热温度差，选定的某一低压能使溶剂沸点低于热源温度；3)对溶剂蒸汽进行连续冷凝，从而稳定保持溶剂蒸发所需的特定低压。由于改变了溶液蒸发的工况，即改变了溶液蒸发过程的始态和终态，使得采用低火用热源驱动成为可能；还衍生出其他优点。

3 技术状态

3.1 机组部件组成

如图1，包括：1-原料液预热器；2-纯化液冷凝冷却器；3-纯化液水封槽；4-溶液蒸发器/循环溶液加热器；5-溶液循环泵；6-真空泵；以及用于监控机组运行的仪表自动化系统等。机组部件1、2、4均在负压状态下运行，溶剂在其中发生蒸发、冷凝过程；这类部件可以集成于一个腔体内，各部件用隔板分隔，隔板上留有介质的通道；也可单独设置，部件之间通过管道连接。通过对溶剂蒸汽的连续冷凝，保持上述部件的工作压强条件始终为某一负压下。这样就可以使用低火用值热源作为机组热源。

图1 机组部件组成图

低火用值热源，采用生产过程中需要冷却的介质或温度低于100℃的介质。

3.3 技术方案

在机组投用前启动真空泵，将机组腔体内部压强降低到工作压强后，停真空泵；再向机组投料和供热、供冷；机组运行时，真空度依靠连续的蒸发—冷凝过程来保持，真空泵不需要连续运行；机组内积累的不凝性气体，间断开启真空泵排出机组。

原料液A进入溶液浓缩-纯化机组内，首先经原料液预热器与来自溶液蒸发器的发生蒸汽I换热后进入溶液蒸发器/循环溶液加热器，溶液蒸发器和循环溶液加热器为一体化部件。在此部件中，原料液中的溶剂被蒸发为溶剂蒸汽I，原料液溶质中的可分解盐类和/或可挥发物质同时受热分解和挥发。溶剂蒸汽和原料液溶质中的可分解盐类和/或可挥发物质受热分解和挥发后混合成为发生蒸汽I进入原料液预热器。原料液中未被蒸发的溶剂和溶质流至溶液蒸发器底部，成为浓缩(浆)液G；部分浓缩(浆)液通过溶液循环泵再送回到循环溶液加热器/溶液蒸发器中加热—蒸发，籍以补充提供溶剂蒸发所需的蒸发潜热；多余部分浓缩(浆)液G则排出；循环溶液加热器的热源是机组外供的低火用热源E。

发生蒸汽I在原料液预热器加热原料液A的同时，被部分冷凝；冷凝液和部分未被冷凝的发生蒸汽J排入纯化液冷凝冷却器继续冷凝冷却后得到纯化液D；纯化液D经纯化液水封槽排出机组。纯化液冷凝冷却器的冷源C需由外部提供。

依据机组内浓缩(浆)液的温度，调节原料液加入量及机组供热量，就可以控制浓缩(浆)液中溶剂的含量。

4 性能评估

4.1 经济性好

4.1.1 通常，低火用热源的单位热量成本价格要低于高火用热源的；溶液在机组内负压状态下蒸发，溶液沸点降低；采用相关工序内需冷却介质或其他低火用值热源而不是蒸汽等高火用值热源而作为溶液中溶剂的蒸发动力，能耗成本则降低；依照热力学第一定律、热力学第二定律分析，也可以得出：1)该发明的热工耗量略低于其他方法(装置)；2)由于采用低火用热源，进出机组物料流的火用值均低于其他方法；其火用效率高。

4.1.2 机组综合了1)在原料液产生端就地消纳溶液蒸发得到的溶剂纯化液；2)提高排出液浓度、减少排出量；3)就近利用低火用热源的三种需求，对既有装置的嵌入性良好。原料液如果是需要转移处理的副产废液，通过机组回收溶剂后，就减少了需转移处理的废液量。

4.1.3 机组部件的原料液预热器、溶液蒸发器、循环溶液加热器、纯化液冷凝冷却器、纯化液水封槽集成于一个腔体内，机组体积小。

4.1.4 原料液进入机组时，不需要加热到沸点附近，在常温下即可进入机组；原料液在机组内与发生蒸汽换热升温接近沸点，同时将部分发生蒸汽冷凝；冷却水消耗减少。

4.1.5 机组真空度依靠连续的蒸发—冷凝过程来保持，真空泵不需连续运行。

4.2 原料液的普适性高

机组内浓缩(浆)液强制循环，适用于易结晶、易发泡的溶液；由于机组采用低火用值热源和真空蒸发，机组工作温度低，适用于热敏性的溶液。

4.3 环境安全

机组在真空条件下运行，发生泄漏时，机组真空不能保持，可立即发现；且机组不会发生向外的泄漏，出现事故状态对环境仍零排放。

5 结语

笔者对这个案例进行剖析，认为通过“火用分析”等概念能对创新实践有些启示：1)通过改变能源用户的终态条件，可以挖掘出低火用热源的利用潜力；2)利用这些低级能量的技术难点不仅是发现焓值匹配的能量用户、还要对现有工艺装置要具备良好的嵌入性、最为重要的是能够寻找到能级匹配的途径。

[1] 天津大学物理化学教研室. 物理化学(上)[M]. 北京，高等教育出版社，1982

[2] 天津大学化工原理教研室. 化工原理(上)[M]. 天津，天津科学技术出版社，1987

[3] 朱自强，徐汛. 化工热力学(第2版)[M]. 北京， 化学工业出版社，1991

[4] 沈文奎. 低火用热源驱动型溶液浓缩-纯化机组[P]中国专利：20131071206540，2014-07-16.

Concept of Energy Level Analysis Apply in an Innovation Case

ZHANG Ying

Integrating with Basic principles of Chemical Engineering,analyses the ideas and methods used in a patent invention,concludes the revelations of energy-saving technology and innovation in equipment developments

ideas;energy-saving；innovation

2016-10-30

张英(1982- )，女，湖北蕲春人，马钢(集团)公司科技管理部，工程师，工学硕士。

TQ013.1

B

1672-9994(2016)04-0051-03