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

230	Глава 6

энергии, а значит и ее стоимость. В итоге, приведенные затраты на уста- новку и эксплуатацию автономной ректификационной колонны будут не- монотонной функцией от флегмового числа R. При достижении некоторо- го значения R = Rопт приведенные затраты будут минимальными (рис. 6.6).

Конденсатор

QC

а н н о л о К

QH

Котел

Рис. 6.5. Автономная ректификационная колонна: QC – тепловая нагрузка конденсато- ра; QH – тепловая нагрузка котла

На практике значение Rопт обычно близко к 1,1 при автономном рас- смотрении ректификационной колонны, но при интеграции колонны в

Стоимость

Общая

Энергия

Капитальные

затраты

Rопт

R

Рис. 6.6. Определение оптимального значения флегмового числа автономной ректифи-

кационной колонны

Дополнительные принципы пинч-анализа	231

процесс значение Rопт может быть увеличено. При увеличении флегмового числа R возрастает тепловой поток через колонну и увеличивается нагруз- ка на конденсатор. Но если котел и конденсатор находятся на одной сторо- не от пинча, то увеличение тепловой нагрузки на колонну может быть скомпенсировано увеличением рекуперации процессной теплоты. В этом

случае дополнительная нагрузка на котел удовлетворяется за счет горячей

Т

Конденсатор котел

Н

Рис. 6.7. Увеличение флегмового числа не приводит к изменению энергопотребления, если котел и конденсатор расположены в подсистеме выше пинча. Штриховые линии – перед модификацией, сплошные – после

утилиты (рис. 6.7), и точно также количество теплоты, выделяющееся в конденсаторе, рекуперируется холодными потоками (рис. 6.7).

Таким образом, увеличивая флегмовое число, мы уменьшаем капи- тальные затраты без увеличения энергопотребления, но при этом увеличи- ваются капитальные затраты на теплообменную систему процесса. Дейст- вительно, как видно из рисунка 6.7, при увеличении R общий перенос теп- лоты между горячими и холодными потоками увеличивается, а движущие силы теплообмена уменьшаются, что и будет требовать увеличения общей площади поверхности теплообмена, а значит и капитальных затрат на соз- дание теплообменной системы.

Здесь может быть выполнена оптимизация за счет появления нового компромисса, а именно за счет нахождения компромисса между конкури-

рующими значениями капитальных затрат на ректификационную колонну

икапитальных затрат на теплообменную систему.

Втом же случае, когда котел и конденсатор находятся с разных сто- рон пинча, увеличение их тепловых нагрузок должно быть удовлетворено увеличением соответствующих утилит (рис. 6.8). Капитальные затраты на создание теплообменной системы также возрастут, так как появляется до-

232	Глава 6

полнительный теплообмен в конденсаторе и котле. В этом случае при оп-

тимизации рассматривается компромисс между энергией и капитальными

Т

Котел

конденсатор

Н

Рис. 6.8. Увеличение флегмового числа ведет к увеличению утилит, если котел и кон- денсатор расположены с разных сторон пинча. Штриховые линии – перед модификаци- ей, сплошные – после

затратами на теплообменную систему и колонну.

Представленный здесь краткий анализ позволяет заключить, что со-

ставные кривые технологических потоков позволяют не только определять целевые энергетические значения, но и изучать эффекты, вызываемые изменениями в реакторно-разделительной системе.

Кроме того, рассмотренные примеры позволяют сформулировать один из важнейших принципов пинч-анализа, известный под названием плюс/минус принцип, который кратко можно сформулировать так: увеличе-

ние энтальпийного изменения горячих потоков выше пинча и/или уменьше-

ние изменения энтальпии холодных потоков выше пинча приводит к уменьшению целевого значения горячей утилиты. И, аналогично: умень- шение изменения энтальпии горячих потоков ниже пинча и/или увеличение изменения энтальпии холодных потоков ниже пинча приводит к уменьше- нию целевого значения холодной утилиты (рис. 6.9 а).

Заметим, что общее потребление энергии процессом, обусловленное его кинетическими соотношениями, должно сохраняться (рис. 6.9 б) при любых изменениях в структуре потоков, а это приводит к следующим пра-

вилам при применении плюс/минус принципа: если мы делаем на горя- чих потоках ниже пинча, мы должны получить на горячих потоках вы-

Дополнительные принципы пинч-анализа	233

ше пинча или на холодных потоках выше пинча (рис. 6.9 а). Аналогич-

ное правило справедливо и к оставшимся трем ветвям составных кривых.

Давайте рассмотрим дистилляционную колонну с циркуляционным

Т

+		QH- α	α
ПИНЧ
-	-	Процесс
			α
+
		QC- α
		Q- Q = constant
		H	c
		Н
(а)		(б)

Рис. 6.9. Плюс/минус принцип определяет изменения процесса, ведущие к изменению потребления утилит: (а) – ветви составных кривых при изменении параметров процесса должны принимать наиболее оптимальное положение; (б) – энтальпийный баланс про-

цесса

контуром, в котором происходит охлаждение перекачиваемой вверх по ко- лонне флегмы (рис. 6.10). Циркуляционный поток на колонне является го- рячим потоком, и, как правило, тепловая нагрузка для такого контура яв- ляется величиной постоянной, т.е. изменяя расход циркулирующей жидко- сти, мы можем изменить наклон температурного графика этого потока и, следовательно, его целевую температуру ТТ (рис. 6.11). Если мы увеличим целевую температуру потока, мы тем самым увеличим движущие силы те- плообмена, независимо от того находится этот горячий поток выше или ниже пинча (рис. 6.12). Вследствие этого должна уменьшиться площадь поверхности теплообмена для указанного потока, что в свою очередь ска- жется на общих приведенных затратах проекта. Следовательно, после из- менения целевой температуры нашего горячего потока необходимо прово- дить новую оптимизацию проекта с целью определения нового Тmin (улучшенного). В конечном счете, это может привести и к уменьшению целевых энергетических значений проекта.

234	Глава 6

T

	а	TT
	н
	н
	о
	л
	о	TS
	К

Рис. 6.10. Дистилляционная колон-

на с циркуляционным контуром

	2	1
		TS

TT

3

Q H

Рис. 6.11. Температурный профиль потока цир- куляции: 1 – исходный; 2 – при увеличении расхода; 3 – при уменьшении расхода

В результате нашего обсуждения можно сформулировать еще один принцип пинч-анализа, а именно, необходимо поддерживать горячие пото- ки на максимально возможной температуре. Это дает возможность наибо- лее простым способом рекуперировать их теплоту. И кратко этот принцип можно сформулировать так: поддерживай горячие потоки горячими

(ПГПГ).

Аналогичный принцип существует и для холодных потоков. Дейст-

Т

PA1

PA2

Н

Рис. 6.12. Увеличение целевой температуры потока циркуляции приводит к увеличе-

нию движущих сил

Дополнительные принципы пинч-анализа	235

вительно, если мы вернемся к рассмотрению примера, изображенного на рис. 6.2, и уменьшим давление в процессе испарения смеси, то это приве- дет к уменьшению температуры испарения (рис. 6.13) и, как следствие, к увеличению движущих сил теплообмена со всеми описанными ранее эф-

Т

испарение

Н

Рис. 6.13. Уменьшение температуры холодных потоков приводит к увеличению

движущих сил

фектами. Следовательно, мы можем кратко сформулировать для холодных потоков: поддерживай холодные потоки холодными (ПХПХ).

Если изменение процесса, например, такое, как изменение давления в дистилляционной колонне, позволяет переместить холодный поток, на- ходящийся в подсистеме, расположенной над пинчем, в подсистему ниже пинча, то вследствие такой сдвижки, общая тепловая нагрузка потоков над пинчем, уменьшается, а ниже пинча – увеличивается, что приводит к уменьшению целевых значений как горячих, так и холодных утилит (рис. 6.14). Данное замечание является частным следствием принципа, а общая

/ закономерность может быть сформулирована следующим образом:

при переносе горячего потока из подсистемы ниже пинча в подсистему над пинчем мы создаем дополнительный горячий поток над пинчем и исклю- чаем горячий поток из подсистемы под пинчем. В результате происходит

одновременное уменьшение необходимых значений холодной и горячей утилит.

Аналогично, сдвиг холодного потока из подсистемы над пинчем в

подсистему под пинчем уменьшает целевые значения холодной и горячей

236	Глава 6

Т

испарение

Н

Рис. 6.14. Правило ПХПХ особенно эффективно при перемещении потока через пинч

утилиты вследствие создания холодного потока ниже пинча и удаления холодного потока выше пинча (рис. 6.15),

Т Сдвиг горячих	Т
потоков		+
	-	-
Сдвиг холодных		+
потоков
	Н	Н
(a)		(б)

Рис. 6.15. Перенос потоков через пинч и / принцип: (а) – направления переноса по- токов; (б) – характер энтальпийных изменений при переносе потоков через пинч

Все представленные в данной главе пинч-принципы направлены на

уменьшение стоимости потребляемых утилит за счет изменения некоторых параметров проектируемого или реконструируемого процесса, но при этом они не учитывают возможные изменения в приведенных материальных за- тратах. Изменения в процессах, приводящие к уменьшению потребления внешних энергоносителей, как правило, приводят и к изменению движу- щих сил теплообмена (рис. 6.9 а, 6.15 б), что может приводить к значи- тельным изменениям в системе теплообмена для рассматриваемого про- цесса. Таким образом, после каждого изменения параметров процесса не-

Дополнительные принципы пинч-анализа	237

обходимо определять минимальное значение приведенных затрат и новое оптимальное значение Тmin, при котором будет наблюдаться минимум приведенных затрат.

Уменьшение движущих сил теплообмена также будет снижать по- тенциальную возможность применения утилит на различных уровнях тем-

	+	- Принцип	ПГПГ и ПХПХ
			принципы

Сдвиг потоков	Только на одной
поперек пинча	стороне пинча

- Энергетическое улучшение	- Улучшение Т
- Общее улучшение
- Пересчет приведенной стоимости	- Нет изменения
	в энергии

- Переопределение Тmin

-Рассмотрение приведенных затрат на процессном уровне

Рис. 6.16. / , ПГПГ и ПХПХ принципы могут быть использованы для глобальной

оптимизации проекта

пературы. Например, когда движущие силы над пинчем становятся мень- ше, возможность для перераспределения тепловой нагрузки от пара высо- кого давления к пару низкого давления уменьшается. Следовательно, из- менение параметров процесса вступает в конкуренцию с наиболее выгод- ным размещением утилит, тепловых машин и тепловых насосов для сохра- нения движущих сил. Каждый раз, когда выполняется изменение процесса или перераспределение утилит, необходимо производить оптимизацию приведенных затрат в зависимости от изменения Тmin. В том же случае, когда используются множественные утилиты, оптимизация превращается в многомерную задачу, т. к. каждый пинч (процессный или утилитный) мо- жет иметь свое собственное значение Тmin.

Последовательность действий при оптимизации с помощью внесения изменений в процесс (реакторно-разделительную систему) показана на рис. 6.16.

238	Глава 6

Эффективность применения плюс/минус принципа зависит от выбо- ра параметров химико-технологического процесса, изменением которых проектировщик желает улучшить энергетические показатели проекта.

Рецикл

ОВ

Пар	реактор	Питание
	ОВ	Продукт
		Пар

Пар

Побочный продукт

Рис. 6.17. Технологическая схема типичного химического процесса

Обычно такие параметры называются управляющими параметрами. Рассмотрим пример, показывающий насколько велико значение пра-

вильного выбора управляющих параметров. На рис. 6.17 приведена техно- логическая схема типичного химического процесса, включающая химиче- ский реактор, систему разделения, состоящую из двух ректификационных колонн и теплообменную систему, включающую рекуперативные и ути- литные теплообменники. Если в качестве управляющего параметра вы- брать степень превращения исходного продукта в химическом реакторе, то изменение данного параметра окажет воздействие практически на все тех- нологические потоки рассматриваемого процесса (рис. 6.18). В этом слу- чае, при постоянных остальных параметрах процесса в реакторе, возникнет необходимость в изменении параметров потока исходного продукта, “пи- тающего” этот процесс. Следовательно, мы можем определить степень превращения вещества в реакторе как глобальный параметр процесса.

Дополнительные принципы пинч-анализа	239

М	= f (превращения)		Рецикл
			ОВ
	Пар		Питание
	реактор
Превращения		ОВ	Продукт

Пар

Пар

Побочный

продукт

Рис. 6.18. Изменение степени превращения в реакторе оказывает глобальное влияние на

технологические потоки процесса

С другой стороны, изменение давления в разделительной колонне будет оказывать влияние на потоки получаемых продуктов (рис. 6.19), и поэтому давление в колонне будет являться локальным параметром про-

цесса.

Если рассмотреть влияние, оказываемое изменением степени кон-

версии вещества и изменением локального давления в колонне на целевые энергетические значения и капитальные затраты с помощью составных кривых технологических потоков процесса, то мы придем к неожиданному результату. Управление глобальным параметром процесса оказывает меньший эффект на изменение величины целевых значений утилит и из- менения капитальных затрат, чем управление локальным параметром (рис. 6.20). Изменением давления в колонне (локальный параметр) можно до-

биться более значительного уменьшения целевых энергетических значений и большего увеличения движущих сил, чем при изменении степени пре- вращения в химическом реакторе (глобальный параметр). Поэтому в пинч- анализе основным управляющим параметром для выполнения модифика- ций процесса считается тот параметр, изменение которого оказывает большее влияние на значение стоимости потребляемой энергии и величи- ны капитальных затрат на теплообменную систему.

Во многих отраслях промышленности, не только химической, суще- ствуют разнообразные процессы, которые могут быть представлены на эн-