Луковичная диаграмма

1.

Луковичная диаграмма
Пинч анализ

2. Методика проектирования ресурсо- и энергосберегающих ХТС. «Луковичная» диаграмма Ввиду большой сложности процедура системного

проектирования ХТС
не может быть проведена в один этап. Поэтому для проектирования
сложных ХТС разработана определенная последовательность этапов
проектирования, представляющая собой последовательную
многоступенчатую процедуру, которую часто сравнивают с луковицей,
также имеющей сложную слоистую структуру.
«Луковичная» диаграмма, (рис.1) изображает иерархию
проектирования химико-технологического процесса
.
Рис.1
Рис.1

3. Процесс проектирования начинают с химического реактора. Он же и формируют внутренний круг «луковичной» диаграммы (рис. 2).

Процесс проектирования начинают с химического реактора.
Он же и формируют внутренний круг «луковичной» диаграммы
(рис. 2). Основными этапами проектирования реакторов в ХТС
являются:
1) выбор маршрутов химического синтеза молекул заданного
целевого продукта с учетом сырья и известных химических
реакций;
2)выбор типа и конструкции реактора:
– непрерывного или периодического действия;
– емкостные или трубчатые реакторы;
– изотермические, адиабатические или политропические
реакторы;
3) выбор структуры реакторной подсистемы:
– одиночный реактор;
– реакторы, соединенные параллельно или последовательно;
– реакторная система с рециклом или без него;
4) расчет технологических показателей эффективности каждого
реактора и реакторной системы в целом:

4.

В результате выполнения проекта системы химических
реакторов становятся известными такие величины как
выход конечного продукта,
степени превращения,
селективность
которые
являются
исходными
данными
для
проектирования системы разделения и системы
рециркуляции, непрореагировавшего вещества
Рис2 .Первый слой луковичной диаграммы.

5. Рис. 1.4 Рис.3 Второй слой система разделения и рециркуляция После выполнения второго слоя становятся известными материальный и

энергетический балансы процесса, на
основании которых мы можем проектировать систему
теплообмена, чтобы достичь требуемых в ХТС температур
технологических потоков (рис.3). Таким образом,
проектирование теплообменной системы является третьим
слоем луковичной диаграммы

6. па Рис 4. Третий слой диаграммы Как видно из рис.4 , часть требуемой тепловой нагрузки ХТС можно обеспечить за счет рекуперации

па
Рис 4. Третий слой диаграммы
Как видно из рис.4 , часть требуемой тепловой нагрузки
ХТС можно обеспечить за счет рекуперации теплоты
технологических потоков. Оставшаяся часть тепловой
нагрузки требует подвода внешних источников энергии,
например, греющего пара, необходимого для подогрева
смеси в кубе колонны, или охлаждающей воды для
конденсации пара дистиллята.

7. После того, как выполнен проект теплообменной системы процесса, становятся известными параметры внешних энергоносителей,

необходимые для
достижения поставленных перед ХТС целей. Эти
параметры становятся исходными для проектирования
системы внешних энергоисточников и
энергоносителей. Проектирование этой системы
является четвертым этапом всей процедуры
проектирования, а сама система – четвертым слоем
луковичной диаграммы (рис.5).

8. Рис 1.6

Турбина
Печь
Рис. 5 Четвертый слой диаграммы

9.

Графическая схема луковичной диаграммы показывает, что
любое улучшение или ухудшение слоя луковичного проекта
вызывает соответствующий отклик в других слоях, что
позволяет вносить соответствующий правки и путем
последовательных итераций (повторение какого-либо
действия) произвести останов в соответствии с заданными
критериями.

10. Интеграция тепловых потоков -пинч анализ

Потребление энергоресурсов во многих случаях на
30 – 50% больше, чем это необходимо по
балансовым показателям производства. Эти цифры
показывают наличие большого энергосберегающего
резерва в химических производствах.
Кроме поступающих извне, многие производства
располагают внутренним теплом экзотермических
процессов и вторичных энергоресурсов,
использование которых может обеспечить
значительное уменьшение энергозатрат на
производство в целом.

11. Рис. 1 Рис. 1 Иерархическая структура ХТС Минимальный элемент в структуре ХТС – единичный аппарат (теплообменник, реактор,

Рис. 1
Рис. 1 Иерархическая структура ХТС
Минимальный элемент в структуре ХТС – единичный аппарат
(теплообменник, реактор, выпарной аппарат, ректификационная
колонна). Это – низший масштабный уровень. Несколько аппаратов,
выполняющих вместе какое-либо преобразование исходных
веществ, – агрегат (реакционный узел, система фильтрования и т.п.).
Совокупность подсистем второго уровня образуют подсистему
уровня отделения (отделение выпаривания раствора, отделение
сушки твердых материалов). Совокупность отделений и участков
образует ХТС производства в целом.

12. До настоящего времени в большинстве случаев вопросы энергосбережения решают на начальном (аппаратном) уровне или на невысоком

уровне интеграции (узлы и агрегаты или отделения
химического производства). Например, до настоящего времени еще
применяют тепловые схемы с последовательно расположенными
теплообменниками.
Применение таких схем объясняется тем фактом, что температура
холодного теплоносителя плавно стремится к начальной
температуре самого горячего теплоносителя и наоборот –
температура горячего теплоносителя стремится к начальной
температуре самого холодного теплоносителя. Движущая сила
процесса (полезная разность температур) в этом случае, как
правило, имеет максимальную величину, а поверхность
теплообмена – минимальна.
Однако опыт показывает, что экономический эффект при
оптимальной структуре ХТС высокого уровня интеграции примерно
на порядок выше эффектов от интенсификации и оптимальной
организации отдельных элементов или оптимального управления
процессом.

13. Одним из основных затруднений при поиске оптимальной ХТС для задач промышленного масштаба является огромное число ее возможных

вариантов.
Например, при синтезе системы теплообменников,
состоящей из 25 холодных и горячих потоков,
существует 10117 различных вариантов структуры. Для
разделения смеси из 18 веществ на отдельные
компоненты в системе главных колонн возможны
около 25 миллионов различных структур.
Такое обилие альтернативных вариантов, в свою
очередь, порождает многочисленные принципы и
подходы к анализу и синтезу ХТС, среди которых можно
выделить два направления.

14.

Первое направление основано на поиске
оптимальной ХТС строгими алгоритмическими
методами с решением сложных оптимизационных
задач.
Второе направление связано с использованием
различных эвристических методов, однако они часто
дают противоречивые и неоднозначные результаты.
Созданный в 1980 году английским исследователем
Линнхофом пинч анализ предлагает иной подход.
Метод основан
на термодинамическом
анализе составных кривых потоков, который основан
на принципах и методах эксергеческого анализа.

15.

Изменение эксергии определяется по формуле
ΔЕ ~ 1/средняя дв. сила (ΔТ),
из которой следует, что уменьшение движущей силы
приведет к росту использования полной энергии
процесса.
Концепция интегрирования пригодна как для
периодических так и непрерывных процессов и как
показывает мировой опыт, применение пинч-анализа
к периодическим процессам довольно часто
приводит к эффектам более значительным, чем в
случае непрерывных процессов.

16. Введение в пинч-анализ Все технологические потоки ХТС можно разделить на две группы. В одну из них войдут те потоки, которые

требуют охлаждения перед
дальнейшей их обработкой. Мы будем называть
такие потоки – горячими потоками. Во вторую
группу потоков войдут те потоки, которые
необходимо нагреть – холодные потоки.
Изменение теплосодержания технологических
потоков удобно анализировать на температурноэнтальпийной диаграмме (рис.)

17. рис1

Представление технологических потоков
на температурно-энтальпийной плоскости:
а – представление горячих потоков: 1 –
конденсация; 2 – охлаждение; б –
холодные потоки: 1 – нагревание; 2 –
испарение(кипение)

18. Горячие технологические потоки принято обозначать вектором, направленным справа налево в температурно-энтальпийных координатах.

Это связано с
тем, что у горячих тепловых потоков происходит
уменьшение их теплосодержания – энтальпии, как при
охлаждении, так и при изменении их фазового
состояния (рис.).
Аналогично у холодных технологических потоков ХТС
при нагревании или изменении их фазового состояния
теплосодержание возрастает, и поэтому в
координатной плоскости температура – энтальпия такие
потоки будут изображаться векторной линией,
направленной слева направо.

19. Если теплоемкость вещества потока в пределах изменения температуры Т1, Т2 остается постоянной, то Произведение удельной

Если теплоемкость вещества потока в пределах
изменения температуры Т1, Т2 остается постоянной, то
Произведение удельной теплоемкости ср и расхода М
принято называть потоковой теплоемкостью и
обозначать идентификатором СР:
Размерность потоковой теплоемкости определяется как
[CP] = Дж/(град с).

20. Рассмотрим систему из двух тепловых потоков. На рис. (внизу) представлена энтальпийная диаграмма этих технологических потоков –

Рассмотрим систему из двух тепловых потоков. На
рис. (внизу) представлена энтальпийная диаграмма
этих технологических потоков – потоки изображены
отрезками прямых в системе координат .
Первый поток (CP1 = 3 кВт/ C) требуется охладить от 100
C до 60 C, а второй поток (CP2 = 4 кВт/ C) – нагреть от
50 C до 80 C. Используя зависимость определим
количество теплоты, требуемое для нагрева потока 2:

21. Разность между конечной температурой потока 1 и начальной температурой потока 2 равна 10 C. Свяжем потоки 1 и 2 противоточным

Разность между конечной температурой потока 1 и
начальной температурой потока 2 равна 10 C.
Свяжем потоки 1 и 2 противоточным теплообменником,
который реализует минимальную температурную разность
10 C, при этом вся избыточная энергия потока 1 передается
потоку 2 (рис. , а, б). Отрезки прямых, соответствующих
тепловым потокам на энтальпийной диаграмме,
расположены так, что их проекции на ось Н полностью
перекрывают друг друга.

22. РИ

Полная и частичная рекуперация при наличии двух тепловых
потоков
РИ

23.

Если выбрать теплообменник таким образом, чтобы
минимальная температурная разность потоков в
нем была 20 C, то количество тепла, переданного от
потока 1 к потоку 2, уменьшится до 90 кВт. При этом
потребуется охлаждение потока 130 кВт с помощью
внешнего хладагента и нагрев потока 1 на 30 кВт с
помощью внешнего источника энергии (рис. в, г).
Отрезки, изображающие потоки, смещены друг
относительно друга так, что минимальное расстояние
между ними по оси Т равно 20 C. При этом участок
оси Н, который является общим для проекций обоих
отрезков, представляет собой энергию рекуперации.
Анализ двухпотоковой технологической схемы
позволяет сделать следующие выводы.

24.

25. Если представить себе белее сложную схему, то она может иметь вид: Вверху и внизу (горизонтальная линия) обозначены резервы

Если представить себе белее сложную схему, то она может иметь
вид:
Пинч
Вверху и внизу (горизонтальная линия) обозначены резервы
«горячего» и «холодного» тепла-40 и 120 един. соответственно.
Наиболее узкое место называется пинчем. Пинч равен 10 0 С.

26. На следующем рисунке видно , что сдвигая температурно-энтальпийные кривые по оси энтальпий можно регулировать соотношение

На следующем рисунке видно , что сдвигая температурноэнтальпийные кривые по оси энтальпий можно регулировать
соотношение «холодной» и «горячей» энергии. Чем меньше
пинч, тем лучше энергетика процесса. И тем больше капитальные
затраты.
На левом рисунке затраты меньше, чем на правом

27.

В области пинча действуют наименьшие движущие
силы теплопередачи, поэтому это самая стесненная
область для возможных размещений.
Начинать проектирование теплообменной сети
необходимо в точке пинча и двигаться от него в
сторону.

28.

Проектирование тепловой сети подчиняется СР
правилам. Например, сеть должна соответствовать
условиям.
СРнагрев ≤ СРхолод (выше пинча)
СРнагрев ≥ СРхолод (ниже пинча)
Из этой формулы следует, что, если теплоемкости
потоков близки, а это встречаются довольно часто, то
интегрировать следует потоки с близкими
массовыми расходами.
Следующее важное правило - не пересекать
пинч.

29.

Предположим, что при проектировании принято решение
компенсировать охлаждение участка А теплом из участка В.
После удаления этого участка диаграмма примет вид, из
которого следует, что возрастают энергозатраты на нагрев и
охлаждение.
А
В
После перехода через пинч энергозатраты возросли

30. Известно, что основной размер аппарата определяют по формуле Так как пинч анализ предполагает уменьшение движущей силы

процесса, то в
результате растут капитальные затраты.

31.

32.

Установление малых значений Тmin требует
использование теплообменников, работающих в
чисто противоточном режиме. Для кожухотрубчатых
теплообменников не следует принимать Тmin
меньше чем 10 ºС, так как даже в одноходовых
теплообменниках
периодически
возникают
поперечные течения в межтрубном пространстве.
При использовании пластинчатых теплообменников
Тmin может достигать 5 ºС, а при установке
пластинчато-ребристых аппаратов Тmin может быть
снижено до 1–2 ºС.

33. Цена за энергосбережение при реконструкции, уже имеюшихся ХТС – трубопроводы с теплоизоляцией, они могут быть большой длины и

неудобны для прокладки;
– при необходимости – насосы или газодувки с пусковой и пр.
аппаратурой;
– вся трубопроводная запорная и регулирующая арматура;
– системы КИП и автоматики, при этом регулирование
становится взаимозависимым и без процессорнокомпьютерного управления нереализуемым;
– опоры, траншеи, эстакады, прочие металлоконструкции;
– устройства сдувок, слива, чистки, пуска и останова и пр.;
– при необходимости – дополнительные средства техники
безопасности и прочее.