Пинч / Смит Р.,Клемеш Й.,Товажнянский Л.Л.,Капустенко П.А.,Ульев Л.М.-- Основы интеграции тепловых процессов (2000)

220 Глава 5

Таблица 5.4. Потоковые данные для процесса низкотемпературной дистил- ляции.

								Потоковая
№		Поток	Тип	Темпера-		Темпе-	Н1,	теплоем-
				тура снаб-		ратура	МВт	кость СР,
				жения		целевая		МВт/°С
				ТS,°С		ТТ,°С
1	Питание колонны		Гор.	20		0	8,0	0,4
		1
2		Конденсатор ко-	Гор.	-19		-20	12,0	12,0
		лонны 1
3		Конденсатор ко-	Гор.	-39		-40	8,0	8,0
		лонны 2
4		Котел колонны 1	Хол.	19		20	12,	12,0
5		Котел колонны 2	Хол.	-1		0	8,0	8,0
6		Низ колонны 2	Хол.	0		20	2,0	0,1
7		Верх колонны 2	Хол.	-40		20	6,0	0,1
						12,0 МВт
					-39°			20°
								6,0 МВт
		12,0 МВт		-20°
		-19°
						К2
20°		0°	К1		-1°		0°	20°
						8,0 МВт		2,0 МВт
		8,0 МВт
		19°			20°
				12,0 МВт

Рис. 5.43. Технологическая схема процесса низкотемпературной дистилляции: К1 – дистилляционная колонна 1; К2 – дистилляционная колонна 2

Выбор и размещение утилит	221

Предполагая, что Тmin = 5°С, необходимо:

а) построить каскад тепловых потоков и нарисовать большую со- ставную кривую для данных из таблицы 5.4, определить целевые энерге- тические значения, и также определить температуры и нагрузки охлажде- ния, если предполагается использовать два уровня охлаждения;

б) вычислить мощность, которую необходимо подводить к охлади- тельной системе, чтобы передать теплоту охлаждающей воде, которая при этом нагревается от 20°С до 25°С. Для вычисления необходимой внешней мощности может быть использована аппроксимация (5.7);

в) теплота, отдаваемая охладительным циклом процессу, может быть использована для уменьшения потребления внешней энергии. Предложить схему и вычислить возможную экономию энергии.

Решение.

а) Сначала вычислим сдвинутые границы температурных интервалов для рассматриваемого процесса (табл. 5.5).

Таблица 5.5. Сдвинутые температуры для данных таблицы 5.4 и

Тmin = 5°С.

№ потока	тип	TS	TT	TS*	TT*
1	Гор.	20	0	17,5	-2,5
2	Гор.	-19	-20	-21,5	-22,5
3	Гор.	-39	-40	-41,5	-42,5
4	Хол.	19	20	21,5	22,5
5	Хол.	-1	0	1,5	2,5
6	Хол.	0	20	2,5	22,5
7	Хол.	-40	20	-37,5	22,5

Используя значения потоковой теплоемкости и сдвинутых интер- вальных температур, строим каскад тепловых потоков между интервалами

(рис. 5.44).

Спомощью построения теплового каскада определяем целевые энер-

гетические значения: QHmin = 18,4 МВт, QСmin = 18,4 МВт, а также пинч- температуру холодных потоков, равную -19°С, и горячих потоков -24°С.

Спомощью этих данных и каскада тепловых потоков строим боль- шую составную кривую рассматриваемого процесса (рис. 5.45 а), что по-

зволяет определить тепловые нагрузки на обоих уровнях охлаждения

(табл. 5.6).

222	Глава 5

	Горячая утилита
22,5°С-----------------------------------------------------------------------------------			18,4 МВт
		Н = 12,2
21,5°С			6,2 МВт
		Н = 0,8
17,5°С			5,4 МВт
		Н = - 3,0
2,5°С			8,4 МВт
		Н = 7,7
1,5°С			0,7 МВт
		Н = - 1,2
- 2,5°С			1,9 МВт
		Н = 1,9
- 21,5°С			0,0 МВт
		Н = - 11,9
22,5°С			11,9 МВт
		Н = 1,5
- 37,5°С			10,4 МВт
		Н = 0,0
- 41,5°С			10,4 МВт
		Н = - 8,0
- 42,5°С			18,4 МВт
	Холодная утилита

Рис. 5.44. Каскад тепловых потоков для рассматриваемого процесса низкотемпера-

турной дистилляции

Выбор и размещение утилит	223

Таблица 5.6. Уровни охлаждения и их тепловые нагрузки.

№	Т*, °С	Т, °С	Нагрузка, МВт
Уровень 1	-22,5	-25	10,4
Уровень 2	-42,5	-45	18,4 – 10,4 = 8,0

Схема двухуровневой системы охлаждения показана на рис. 5.45 б.

б) при вычислении работы, необходимой для выполнения холодиль- ного цикла, сначала определим температуру, на которой теплота будет от- даваться охлаждающей воде. С учетом того, что Тmin = 5°С получим:

TH = 25 + 5 = 30 + 273 = 303K.

Тогда необходимая работа для охлаждения первого уровня опреде- лится, как:

= 10,4 × 303 - 248 =

W1 0,6 ( 248 ) 3,8 МВт,

второго уровня:

= 8,0 × 303 - 228 =

W2 0,6 ( 228 ) 4,4 МВт.

И, следовательно, общая электрическая мощность, необходимая для пере- дачи теплоты охлаждающей воды, равна:

Wоб = W1 + W2 = 3,8 + 4,4 = 8,2 МВт.

в) Давайте сейчас предположим, что часть теплоты, которая потребляется на уровне 2, может отводиться к процессу выше пинча, как это показано на рис. 5.46 а.

Принципиальная схема аппаратурного оформления такого процесса показана на рис. 5.46 б. С помощью БСК мы определяем, что на темпера- туре 5°С (учитывая, что Тmin = 5°) необходимо подвести к процессу QН = 5,4 МВт мощности. Тогда мощность, которую необходимо будет отводить от второго уровня охлаждения, будет равна QC = QH – W, где W – работа, совершаемая за счет внешней энергии, которая преобразуется в теплоту и также эжектируется в процесс. Необходимую внешнюю работу мы можем определить из выражения:

224	Глава 5

Т , K, °С

290		20
(а) 270	0
250		-20
230		-40			Уровень охлаждения 1							Уровень охлаждения 2
	0													Н, МВт
				5			10			15		20
										Охлаждение водой

Дроссельный клапан

(б)	Уровнь 1

Дроссельный

клапан

Уровень2	W

Рис. 5.45. Двухуровневая система охлаждения для низкотемпературной дистилляции: (а) – БСК и профили уровней охлаждения; (б) – схема двухуровневой системы охлаж-

дения

	Q	H	- W	æ T		- T ö
W =				ç	H	C	÷
		0,6		× ç		÷,
				è		TC ø

W =	5,4 - W	é	(5 + 273)	- 228ù	,
	0,6	× ê	228	ú
		ë		û

W =1,4 МВт.

Выбор и размещение утилит	225

Следовательно, QС = 5,4 – 1,4 = 4,0 МВт, и тогда от второго уровня необходимо отвести мощность равную, 8,0 – 4,0 = 4,0 МВт. Эта мощность с помощью холодильных циклов отводится к охлаждающей воде.

Т , K °С

290 20

270	0
250	-20
230		-40				Уровень охлаждения 1						Уровень охлаждения 2
	0				5			10				15			20		Н, МВт

(а)

Охлаждение водой

Процесс

Дроссельные клапаны

Уровнь 1

Дроссельный клапан

W

Уровень2

(б)

Рис. 5.46. Двухсторонняя система охлаждения для низкотемпературной дистилляции с частичным отводом теплоты в процесс: (а) – БСК, профили уровней охлаждения и пути переноса теплоты холодильными циклами; (б) – схема двухуровневой системы охлаж-

дения с частичной передачей теплоты в процесс

Большая составная кривая показывает, что на температуре 20°С к процессу необходимо подводить 13,0 МВт энергии. Учитывая, что Тmin = 5°, то передача теплоты должна производиться на 25°С. Поскольку режек- ция теплоты производится на 30°С, передача теплоты процессу на 25°С не-

226	Глава 5

значительно уменьшит потребление внешней энергии, но приведет к зна- чительному увеличению сложности проекта и его эксплуатации. Далее предполагая, что оставшаяся тепловая мощность на 2-м уровне охлажде- ния и мощность, потребляемая на 1-м уровне охлаждения, отводится к ох- лаждающей воде, вычисляем:

W1	=	10,4	æ	303- 248	ö	= 3,8 МВт,
		0,6	×ç	248	÷
			è		ø

W2 = 4,0 ×æç 303- 228 ö÷ = 2,2 МВт. 0,6 è 228 ø

Общая затрачиваемая мощность в этом случае равна 1,4 + 3,8 + 2,2 = 7,4 МВт, что на 0,8 МВт меньше, чем в первом случае. Следует заметить, что использование выражения (5.7) для вычисления потребляемой мощно- сти, необходимой для проведения охладительного цикла, дает очень при- близительные значения. Для более точного вычисления работы внешних сил необходимо использовать методы, развитые в термодинамике для рас- чета обратных термодинамических циклов.

5.10. Заключение

Для выбора и размещения утилит наиболее удобным инструментом является большая составная кривая, которая может быть построена как из алгоритма проблемной таблицы, так и непосредственно с помощью со- ставных кривых.

Дополнительные принципы пинч-анализа	227

ЧАСТЬ II

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ГЛАВЫ ИНТЕГРАЦИИ ПРОЦЕССОВ

Глава 6

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПИНЧ-АНАЛИЗА

6.1.Методы модификации процессов

До сих пор мы изучали методы пинч-анализа, относящиеся к проек- тированию теплообменных систем ХТС и выбору энергоносителей, т.е. к двум внешним слоям луковичной диаграммы ХТС (рис. 6.1), считая при этом, что два внутренних слоя фиксированы. Но в первой главе мы отме- чали, что все слои луковичной диаграммы взаимосвязаны и изменение в одном из них может повлечь за собой изменение в других слоях. Теперь взаимосвязь, в принципе, можно ограничить или исключить вовсе, но можно и использовать с целью снижения общей стоимости проекта. Да- вайте рассмотрим несколько примеров такого взаимодействия.

В

н

ер

г

еэ

он

о

и

н

с

еп

и

ш

л

т

т

о

е

а

е

л

о

н

м

и

ра

б

е

а

з

д

л

м

т

с

м

е

е

е

н

и

с

т

е

а

С

н

и

С

Реактор

и

я

ис С

		ра
	а	з	д
	м		е
			л
	е
			е
	т		н
	Реактор			и
				я

Рис. 6.1. При проектировании системы теплообмена ХТС и выборе утилит считается,

что проекты реакторной и разделительной системы фиксированы

228	Глава 6

Н	К
Реактор
Нагреватель

M

Рис. 6.2. Увеличение расхода рецикла в реакторно-разделительной системе повлечет за

собой изменение в утилитной системе

Т

А В С Испарение

Н

Рис. 6.3. Увеличение тепловой нагрузки на испарение выше пинча вызывает увеличе-

ние горячей утилиты

На рисунке 6.2 показан процесс, включающий реактор, систему раз- деления и тепловую нагрузку, необходимую для испарения при разделении смеси. Как правило, кубовый остаток колонны не представляет большой коммерческой ценности, но он может содержать значительное количество продукта, который экстрагируется на верху колонны. Поэтому, если мы увеличим расход в рецикле, уменьшая тем самым выход кубового остатка, мы увеличим выход более ценного продукта на верху колонны и, следова- тельно, увеличим прибыльность всего процесса. Однако, увеличивая рас-

Дополнительные принципы пинч-анализа	229

ход рецикла, мы сталкиваемся с необходимость увеличить тепловую на- грузку, требующуюся для выпаривания.

Тепловая нагрузка, необходимая для разделения смеси, если оно происходит выше пинча, может быть подведена как непосредственно от горячей утилиты, так и от горячих потоков. Строго говоря, увеличение

расхода рецикла будет приводить к увеличению расходов многих других потоков ХТС, многие из которых напрямую не связаны с увеличивающим- ся потоком дистиллята. Но изменение расхода в рецикле преобладающий

Т

испарение

В А

Н

Рис. 6.4. Увеличение тепловой нагрузки на испарение ниже пинча вызывает уменьше-

ние холодной утилиты

эффект оказывает на величину расхода теплоносителя, подводящего теп- лоту к процессу испарения. Если этот процесс располагается в подсистеме, находящейся выше пинча, то независимо от того, подводится энергия от горячей утилиты или от горячих потоков, горячая утилита при увеличении расхода в рецикле должна быть увеличена (рис. 6.3).

Если же процесс испарения расположен в подсистеме, находящейся ниже пинча, холодная утилита при увеличении расхода в рецикле будет уменьшаться (рис. 6.4).

Рассмотрим еще один пример с системой разделения. При увеличе- нии флегмового числа ректификационной колонны ее стоимость уменьша- ется. Действительно, если рассматривать автономную ректификационную колонну (рис. 6.5), то с увеличением флегмового числа от его минимально- го значения, число тарелок в колонне будет уменьшаться от бесконечной величины, а значит, стоимость колонны будет также уменьшаться (рис. 6.6). Но с увеличением флегмового числа R будет расти и потребление