《ACS Omega》：Exergy Analysis of Sulfuric Acid Production: A Systematic Framework Using UniSim Design
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本研究提出了一种系统化的化工过程?分析框架，直接在UniSim Design（UniSim Design）中实现，并以双接触法（Double Contact Process）硫酸生产为例演示其应用。研究人员在模拟器内对热?（Thermal Exergy）、机械
本研究提出了一种系统化的化工过程?分析框架，直接在UniSim Design（UniSim Design）中实现，并以双接触法（Double Contact Process）硫酸生产为例演示其应用。研究人员在模拟器内对热?（Thermal Exergy）、机械?（Mechanical Exergy）和化学?（Chemical Exergy）进行了评估，实现了对单元级和装置级不可逆性的综合评价。结果表明，硫燃烧炉（Sulfur-Burning Furnace）和主要换热器（Heat Exchanger）占总?损（Exergy Destruction）的70%以上。将蒸汽压力从42 bar提高至60 bar，可减少2381 kW（1.33%）的功损失（Lost Work），并增加16%的发电潜力；而选定换热器出口温度的优化仅带来边际改善。对炉体与热回收段进行流程重组，证实了相关不可逆性属于不可避免且内生的（Unavoidable and Endogenous）。装置总?效率（Exergy Efficiency）为21.02%，计入产品流?后提升至48.25%。研究人员采用格拉斯曼图（Grassmann Diagram）可视化?流与损失。研究结果证实了UniSim Design作为工业过程应用?分析的稳健透明平台的适用性。
本研究聚焦于硫酸生产过程的?分析，以双接触法硫酸生产装置为研究对象，采用UniSim Design过程模拟软件构建系统化的?分析框架。该研究发表于《ACS Omega》，旨在弥合热力学理论与工业实践之间的鸿沟，为化工工程学生和从业人员提供可直接操作的?分析方法学指导。
研究背景方面，化学工业是全球能耗最高的产业部门之一，约占工业总能耗的30%。在原材料、基础设施和公用工程成本持续上升的背景下，提升能源效率已成为工业企业的战略优先事项。?分析（Exergy Analysis, EA）作为一种基于热力学第二定律的分析方法，能够同时考量能量转化的数量与品质，通过评估不可逆性并识别有用功的损失位置，为诊断过程低效环节和优化热化学系统提供深入洞见。尽管?分析在学术研究中已有长足发展，但其在工业实践中的应用仍显不足，部分原因在于缺乏清晰的指导性资源来演示如何利用商业模拟工具开展此类分析。现有文献常直接呈现?分析结果，而未详细说明方法论步骤，制约了该方法的广泛采纳。此外，虽然UniSim Design、Aspen HYSYS和Aspen Plus等商业过程模拟环境已具备高保真建模能力，但?分析尤其是化学?计算，通常仍需借助外部电子表格或后处理脚本完成，这种碎片化的工作流限制了自动化、可扩展性和可重复性。基于此，研究人员选择以工业上具有重要意义的双接触法硫酸生产为案例，在UniSim Design中直接实现完整的?分析流程，提供从系统定义、数据提取到?计算的分步指导。
研究人员采用的关键技术方法包括：以处理能力约4400吨/日的双接触法硫酸生产装置（文献中记为S1装置）为参考系统，在UniSim Design中建立全流程模拟；选用立方型缔合（Cubic Plus Association, CPA）热力学模型处理硫酸-水系统的强非理想性，对蒸汽和冷却水公用工程则采用ASME蒸汽模型；利用UniSim Design内置的电子表格和实时流股复制功能，直接在模拟环境内计算38股工艺物流的热?、机械?和化学?，其中化学?计算基于Kotas的标准摩尔化学?数据，对气相、液相和气液混合相分别采用相应的计算公式，液相活度系数通过UniSim ThermoWorkbench确定；通过建立环境状态（25°C、1 atm）下的流股副本，实现物理?的自动化计算；采用格拉斯曼图可视化各单元和整体装置的?流分布与损失情况。
研究结果部分以清晰的小标题组织如下。
硫燃烧炉与换热系统的?分布与损失：通过格拉斯曼图分析，R-101（硫燃烧炉）是装置中?损最大的单元，功损失达87,518.97 kW，占总?损的48.95%。这反映了硫初始氧化反应的高度不可逆性，该步骤受反应动力学、热量释放和热力学约束的本质限制。R-101的入流化学?约311,736 kW（来自硫进料，流股5），其中近一半未以化学形式保留，而是转化为反应器出口的热?（72,771 kW）和功损失（87,519 kW）。紧随R-101之后，E-102（废热锅炉）是第二关键贡献单元，功损失20,213.97 kW（占11.31%），该单元处理高温工艺气体的巨大热梯度，有限温差传热导致的?毁是其核心因素。第三大热点为E-107，功损失17,520.96 kW（占9.80%），同样因温度不匹配导致显著的?降解。三者合计占总功损失的70%以上，确认为效率提升策略的首要目标。E-102在再分配R-101出口大量热?方面发挥关键作用，31,391 kW的?以蒸汽形式有效回收，但另有20,214 kW因有限温差传热而毁损。
催化转化段及其间冷器（R-102至R-104及E-103、E-104）的?分布与不可逆性：R-102入流化学?154,832 kW，部分消耗于SO?氧化为SO?的反应，释放41,505 kW热?，同时伴随约6,062 kW功损失。热料流通过E-103时，热?从41,505 kW降至22,808 kW，12,213 kW用于蒸汽发生，但约6,484 kW因有限温差而损失。R-103中化学?进一步降低（128,609 kW至119,054 kW），释放30,555 kW热?，不可逆性约1,905 kW。E-104移出部分热量，热?从23,321 kW降至16,615 kW，有利用回收但亦有836 kW功损失。R-104继续反应，化学?降至116,823 kW，产生25,167 kW热?，不可逆性447 kW。此段揭示了化学?向热?的阶梯式转化，换热器实现能量回收但引入显著毁损。
吸收段（Mix-3、E-107和T-102）的?分布与损失：Mix-3入流化学?达1,109,336 kW，经轻微调整后传递至E-107和T-102。E-107中部分热?（5,553 kW）被降低，有用热回收4,007 kW，但不可逆性显著（17,521 kW功损失）。T-102处理大量化学?（1,185,933 kW），同时产生5,278 kW损失。此段化学向热?的转化有限，但总功损失近29,608 kW，成为次于主反应器的次要高耗点。
蒸汽升压优化策略：在不改变工艺侧操作条件的前提下，将E-102、E-103和E-108产生的蒸汽压力从42 bar提高至60 bar，总功损失减少2,381 kW（相对初始值降低1.33%）。若考虑蒸汽膨胀发电，效益显著放大，发电量可增加16%。
换热器出口温度优化：利用UniSim Design优化器确定E-106和E-107的最优出口温度。E-106出口温度允许在160°C至200°C范围变化，E-107在50°C至100°C范围变化，目标为最小化装置总功损失并约束其为正值。得到的最优出口温度分别为170°C（E-106）和77.5°C（E-107），但功损失仅减少963.4 kW（0.54%），改善幅度甚微。
炉体与热回收段重组：将R-101和E-102的功损失降低作为重点，尝试将硫进料分为三等分，导入三台串联操作的炉体，中间设置两台换热器（E-102a和E-102b）回收热量并产生42 bar高压蒸汽。约束流股7和9的出口温度相等，并调整使最后炉体出口温度与基准工况一致。三台炉体R-101a、R-101b、R-101c的出口温度分别为418°C、420.4°C和423°C，流股7和9的温度固定为150.7°C。比较总功损失发现，基准工况中R-101与E-102的功损失之和，等于重组后R-101a、R-101b、R-101c与E-102a、E-102b的功损失之和；E-102的热负荷亦与E-102a和E-102b的总换热量相等。即使进一步增加串联炉体数量，结果保持不变。这证实R-101与E-102的联合功损失是不可避免且内生的，进一步合理的流程重组无法带来改善，该毁损源于炉体/热回收系统本身而非上下游单元所强加。
装置总体效率：装置整体?效率相对较低，为21.02%，主要因计算中未考虑 outgoing 物料流股?（其在模拟中未回收利用）。若计入这些流股?，整体效率将显著提升至48.25%。
研究讨论与结论部分总结如下。研究人员指出，效率与功损失贡献百分比之间存在明显的逆趋势：效率较高的单元通常对整体不可逆性贡献较小，而低效率单元则是功损失的显著来源。这强调了?毁在塑造单元性能中的作用，有用功耗散更大的设备必然限制过程效率。部分单元处于中间位置，具有中等效率和适度但非主导的功损失贡献，这种模式有助于区分已接近热力学潜力的单元和需要优先关注的单元。较小的贡献者如混合器（MX1、MX3）主要代表不可避免的不可逆性，因混合本质增加熵，其改善潜力远低于反应器和换热器。
研究结论部分指出，本工作在UniSim Design模拟平台上完成了双接触法硫酸生产的详细?分析。通过采用教学性和系统性的方法，研究展示了如何将基本?概念有效应用于真实工业案例，弥合热力学理论与实际过程模拟之间的鸿沟。该工作流被证明稳健且透明，因为UniSim能够在模拟器内一致地计算焓、熵和?，将所有步骤整合到单一环境中。结果确认了硫燃烧炉（R-101）作为?损主要来源的主导作用，反映了初始硫氧化反应的强不可逆性。与R-101并列，E-102和E-107等换热器被识别为?毁的重要贡献者，主要源于传热过程中的有限温差。三者合计占装置总不可逆性的70%以上，强调了它们作为效率提升首要目标的重要性。
三项改进策略经过测试：第一，将E-102、E-103和E-108产生的蒸汽压力从42 bar提高至60 bar，总功损失减少2,381 kW（1.33%）；更重要的是，考虑蒸汽膨胀发电时，发电量可增加16%。第二，利用UniSim优化器优化E-106和E-107的出口温度，仅带来边际收益，功损失减少963.4 kW（0.54%）。第三，将炉体/热回收段重组为三个串联炉体配中间换热器的配置，分析显示此配置中R-101与E-102的联合功损失与基准工况相等，即使增加炉体数量结果亦不变，表明此段不可逆性既不可避免又属内生，源于反应和热量回收系统本身而非上下游单元强加。
在装置层面，整体?效率较低（21.02%），因 outgoing 气流?被排除在外（其做功潜力未被回收）。计入后可提高至48.25%，凸显了清晰界定系统边界对评估过程性能的重要性。
未来工作应扩展至?经济（Exergoeconomic）和?环境（Exergoenvironmental）分析，实现热力学、经济和环境的综合评估；应用?损分解为不可避免/可避免和内源/外源部分的方法，提供更清晰的改进洞见；将方法学与动态模拟或数字孪生框架耦合，增强其在实时监控、预测性维护和先进过程控制中的应用，与新兴工业实践保持一致。
