化工用能评价课程的设计和教学实践

徐建　黄星亮　杜巍

[摘 要]化工用能评价是中国石油大学（北京）为能源化学工程专业新开设的一门核心专业课程，目的是培养学生进行化工企业的能效评价和化工过程的能量分析与优化的能力。作为新设专业的新开课程，课程在开设之初面临着缺乏现成教材和系统教学内容的困难。我们在大量文献调研的基础上，结合我校能源化学工程专业的课程体系，规划设计了课程的教学目标和教学内容。本文详细介绍了化工用能评价课程的教学内容，并对我们在教学实践中的一些经验和体会进行了总结。

[关键词]能源化学工程；化工用能评价；课程设计；教学实践

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）12-0076-03

能源化学工程专业是教育部于2010 年新批准设立的本科专业，旨在培养能源和环境建设方面急需的专业人才和管理人才。中国石油大学（北京）自2011年开设能源化学工程专业，是国内首批开设此专业的高校之一[1]。我校根据自身的办学定位和专业优势，确定了能源化学工程专业的培养目标，即培养掌握化石与可再生能源生产、高效清洁转化利用过程中的基本理论、基本知识、基本技能以及化学加工技术，掌握企业能效评价、过程能量优化等技术，掌握能源化工过程设计技能的，能在煤化工、生物化工、石油天然气化工、新能源领域等行业从事化工生产、生产管理、技术管理、化工用能评价、过程设计、技术开发、科学研究等工作的优秀专门人才。为了实现学生掌握化工企业能效评价和化工过程能量优化技术的培养目标，我校在规划能源化学工程专业课程体系时设计了一门新的课程——化工用能评价，作为该专业的核心专业课程之一。

作为新设专业的新开课程，化工用能评价在开设之初面临着缺乏成熟教材和系统教学内容的困难。我们在大量文献调研的基础上，特别是参考了有关化工节能和化工用能分析的专著[2-7]，结合我校能源化学工程专业的课程体系，规划设计了课程的教学目标和教学内容。该课程自2014年面向我校首届能源化学工程专业学生开设以来，已经讲授了三次。在三年的教学实践中，我们对教学内容和教学方法进行了不断的调整和改进。本文介绍了我校开设的化工用能评价课程的教学目标和教学内容，并对我们在教学实践中的一些经验和体会进行了总结。

一、化工用能评价课程的教学目标

本课程作为能源化学工程专业的专业必修课，系统讲授化工过程能量利用的科学性分析和评价方法，介绍根据化工过程用能水平的分析评价结果，寻找节能潜力，提出改进措施的途径，以达到减低过程能量消耗、提高企业经济效益的目的。具体达到以下四个教学目标：（1）掌握从化工单元过程、用能设备、生产装置和系统及全厂等四个层次的能量平衡和使用平衡的计算方法；（2）掌握化工过程的能耗分析及节能改进的分析方法；（3）了解我国在企业能源管理方面的政策法规；（4）了解与石油化工企业用能分析相关的国家标准和行业标准。

二、化工用能评价课程的教学内容

根据上述课程的教学目标，我们规划了化工用能评价课程的教学内容。课程分为七章，共40个学时，以下简要介绍每章的具体内容。

（一）绪论

本章是课程背景知识的介紹，主要包括五个部分的内容：（1）能量的定义及其分类，重点介绍化工中最常见的机械能、内能和化学能。（2）能源的定义和分类，介绍按能源的转换和利用层次、按能源的使用状况及按能源对环境的污染程度进行的分类。（3）能源的重要地位，介绍能源与社会发展、能源与国民经济、能源与人民生活、能源与环境之间的关系。（4）我国能源利用的现状，用具体数据来介绍我国经济发展面临能源短缺和能源利用率低的问题。（5）用能评价工作的重要性，介绍为了实现国家的能源发展战略，我国采取的多种宏观政策，重点介绍《中华人民共和国节约能源法》《固定资产投资项目节能审查办法》和《重点用能单位节能管理办法》，以引出化工过程用能评价和分析工作的重要性。本章2个学时。

（二）热力学基础

对化工过程的用能分析主要采用的是热力学的分析方法，主要包括能量分析法和有效能（[烽] [用]）分析法。本章主要介绍化工过程用能分析的热力学基础，包括以下六个部分的内容：（1）热力学的基本概念，介绍热力系统、热力学平衡状态、状态参数和状态方程、 功和热量、可逆过程等概念。（2）能量与热力学第一定律，介绍闭口系统能量衡算式、稳定流动系统能量衡算式、第一定律在工艺过程中的应用和热力学第一定律效率。（3）[烽] [用]与热力学第二定律，介绍热力学第二定律的几种表述、熵的概念和孤立系统的熵增原理、热力学第二定律的熵衡算方程式、能量和[烽] [用]的概念。（4）能量[烽] [用]的计算，介绍环境与物系的基准状态、 物理[烽] [用]和化学[烽] [用]、机械能[烽] [用]、机械功[烽] [用]、热量[烽] [用]、冷量[烽] [用]、封闭系统的[烽] [用]、稳定流动系统的[烽] [用]、化学反应的最大有用功、气体的扩散[烽] [用]、化学反应[烽] [用]的计算模型、元素和化合物的化学[烽] [用]以及燃料的化学[烽] [用]。（5）[烽] [用]损失和[烽] [用]衡算方程式，介绍封闭系统的[烽] [用]衡算方程式、稳定流动系统的[烽] [用]衡算方程式和典型不可逆稳定流动过程的[烽] [用]损失。（6）装置的[烽] [用]效率和[烽] [用]损失效率，介绍[烽] [用]效率的一般定义和[烽] [用]效率的不同形式。本章6个学时。

（三）工艺过程用能的热力学分析

作为进行化工过程用能分析的基础，从化学工程的角度，可按其微观变化的共性，归纳为“三传一反”过程，即传热、传质、流体流动和化学反应（燃烧） ，通过热力学分析方法，介绍这四类共性过程的能量使用和转变规律，及其能量损失和[烽] [用]损失的计算方法，并结合工艺特点讨论通过工艺条件的优化提高能量效率和[烽] [用]效率的途径。本章包括四个部分的内容：（1）传热过程的热力学分析，介绍传热[烽] [用]损、有散热损失的传热过程和不同温度流体的直接混合过程的[烽] [用]损。（2）传质过程的热力学分析，包括混合过程[烽] [用]损和分离[烽] [用]的概念，以及实际分离过程的[烽] [用]损耗。（3）流体流动过程的热力学分析，主要介绍节流过程的[烽] [用]损和流动[烽] [用]转变过程的[烽] [用]损。（4）化学反应过程的热力学分析，介绍化学反应的热力学[烽] [用]差、实际反应过程的[烽] [用]损耗、实际反应过程的[烽] [用]平衡以及燃烧过程的热力学分析。本章8个学时。

（四）单元设备的用能评价

单元设备是化工生产装置的基础，装置能量平衡和[烽] [用]平衡测试与分析通常是从设备开始的，本章主要介绍对化工生产中的各类单元设备进行能量平衡和[烽] [用]平衡的计算方法，并结合具体实例讨论通过工艺条件的优化提高工艺设备能量效率和[烽] [用]效率的途径，包括五个部分的内容：（1）国家标准GB/T 2587-2009用能设备能量平衡通则，介绍用能设备能量平衡模型、能量平衡计算时的基准、能量平衡测试要求、能量平衡测算的内容以及能量平衡结果的表示方法。（2）机泵设备的用能评价，主要包括离心机和压缩机。（3）工业炉设备的用能评价，主要包括工艺加热炉、反应炉和尾气焚烧炉。（4）工艺用能设备的用能评价，主要包括反应设备和塔类设备。（5）能量回收利用设备，主要包括换热设备和动力回收设备。本章8个学时。

（五）化工装置的用能评价

当完成单元设备的能量平衡和[烽] [用]平衡计算后，就可以汇总为装置的能量平衡和[烽] [用]平衡，并对装置进行用能分析，从而找出能量在数量上的损失和能量在质量上贬值的部位，从而提出改进的方向和具体改进的措施，达到降低装置能耗的目的。本章主要介绍几个与化工装置用能分析有关的国家标准和行业规定，以及工艺过程用能三环节模型，并结合具体实例讨论通过工艺条件优化提高化工装置能量效率和[烽] [用]效率的途径。主要包括六个部分的内容：（1）GB/T 2589-2008综合能耗计算通则，介绍综合能耗计算的术语和定义、能源种类和计算范围、综合能耗的计算方法以及各种能源折算标准煤的原则。（2）GB/T 3484-2009企业能量平衡通则，主要介绍企业能量平衡框图、企业能量平衡方程、企业能量平衡的方法、企业能量平衡的指标和企业能量平衡报告。（3）GBT 14909-2005能量系统[烽] [用]分析技术导则，主要介绍[烽] [用]平衡方程、[烽] [用]分析的评价指标、[烽] [用]分析的步骤。（4）GB/T 50441-2016石油化工设计能耗计算标准，介绍石油化工设计能耗计算的一般规定、能耗的计算方法和计算规定。（5）中国石油化工股份有限公司所颁布的炼油厂能量消耗计算及评价方法（2003年），介绍炼油厂能耗的定义与计算规则、能耗的计算方法、能量换算系数的计算方法和能耗评价指标的计算方法。（6）化工过程用能分析方法，介绍石油化工过程用能的特点、工艺过程用能三环节模型，以及各环节的能量平衡关系和评价指标。本章6个学时。

（六）化工过程能量的分析与优化

本章从系统工程的角度出发，介绍过程能量集成方法中最实用的技术——夹点分析技术在化工过程的能量分析和优化中的应用，主要包括六个部分的内容：（1）过程系统的夹点及其意义，主要包括夹点的形成、用“问题表格法”确定夹点的方法、夹点的意义和换热网络的设计原则。（2）換热网络设计目标，主要介绍换热网络设计的能量目标、换热单元数目目标、 换热网络面积目标和经济目标，以及最优夹点温差的确定。（3）换热网络的优化设计，主要介绍夹点技术设计原则、初始网络的生成、热负荷回路的断开与换热单元的合并、物流间匹配换热的经验规则。（4）换热网络的改造，介绍现行换热网络的分析、换热网络改造的设计目标、换热网络改造步骤。（5）Aspen Energy Analyzer在能量分析及优化中的应用，介绍换热网络的建立和分析、换热网络的自动设计、换热网络的改造。本章8个学时。

（七）化工用能评价理论的新进展

以上的课程内容主要介绍的是目前工业界比较通用的基于热力学第一定律和热力学第二定律的能量平衡和[烽] [用]平衡分析方法，本章简要介绍化工用能评价理论的新进展，包括可避免[烽] [用]损失与不可避免[烽] [用]损失、热经济学、有限时间热力学、积累[烽] [用]理论和能值分析等。本章2个学时。

三、教学实践总结

该课程自2014年面向我校首届能源化学工程专业学生开设三年的教学实践中，我们对教学内容和教学方法进行了不断的调整和改进，以下对我们在教学实践过程中的经验和体会进行总结。

（一）与化工热力学课程内容的衔接

化工过程的用能评价方法主要是基于热力学第一定律和热力学第二定律的能量分析和[烽] [用]分析方法，要求学生具有比较扎实的化工热力学基础知识。我校能源化学工程专业的化工热力学课程开设在第五学期，因此我们把化工用能评价课程开设在刚学完化工热力学的第六学期。尽管如此，我们在教学实践中仍然发现，由于化工热力学课程本身比较抽象难学，很多学生即使在刚刚学习完化工热力学课程之后，对其中基本概念的理解还比较欠缺，因此还有必要在授课时对热力学基础知识进行介绍。此外我们还对这部分内容在化工热力学课程的基础上进行了扩展，重点介绍能量[烽] [用]的计算、稳定流动系统的[烽] [用]衡算方程和典型过程[烽] [用]平衡与[烽] [用]效率表示方法，为后续各章节的学习奠定必要的理论基础。

（二）注重理论与应用实例的结合

化工用能评价作为我校能源化工专业高年级的专业必修课，具有很强的应用背景。为了更好地激发学生的学习兴趣，培养学生运用所学的专业基础知识分析问题和解决问题的能力，我们在平时的教学工作中，特别注重了实例的收集和运用，在每一章的基础理论知识学习之后，通过实例引导学生对具体的化工过程进行能量的分析。例如，在单元设备的用能评价部分，课程中介绍了高压加氢装置应用液力透平回收压力能[8]，和二甲醚生产中利用膨胀透平回收反应器尾气的压力能、利用燃气-蒸汽联合循环发电回收尾气化学能[9]的两个实例，引导学生通过文献上的具体应用实例进行设备能量利用的计算和分析。在工艺过程用能三环节模型部分，课程介绍了利用三环节模型对加氢裂化装置进行用能和节能研究的实例[10]，加深了学生对于模型方法的理解，帮助学生掌握此模型方法的具体应用。

（三）充分发挥流程模拟软件在教学中的作用

能量平衡和[烽] [用]平衡计算是化工过程用能评价的基础，而商用流程模拟软件如Aspen Plus等在化工设备和化工装置的物料衡算与能量衡算方面具有强大的功能。在化工单元设备和化工装置用能评价中，除了介绍能量分析的基本方法外，我们还在课程中增加了流程模拟软件应用方面的介绍，引导学生借助流程模拟软件对化工过程进行能量的分析和优化。在第六章介绍完夹点分析方法的基本理论之后，还介绍了Aspen Energy Analyzer软件在换热网络设计和优化中的应用。为了加强流程模拟软件应用的教学效果，我们除了课堂讲授和要求学生课下练习外，还安排了2个学时的上机时间，布置具体的应用算例集中练习和答疑。通过这样的设置，加深了学生对基础理论知识的理解，提高了学生的学习兴趣，同时在学习过程中使得学生熟悉了流程模拟软件的应用，为后续化工设计课程的学习和毕业设计打下了良好的基础。

四、结语

化工用能评价是我校面向能源化学工程专业高年级学生新开设的一门特色课程，课程的核心目标是培养学生运用所学过的基础理论进行化工过程的能量分析与优化的能力。在今后的教学实践中，我们还需要进行持续的教学改革，进一步优化教学内容，改进教学方法，以便更好地实现课程的培养目标。

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[责任编辑：钟 岚]