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

40	Глава 2

ток рецикла с помощью конденсации пара и один теплообменник, в кото- ром охлаждается уходящий с установки, полученный в процессе продукт.

В этом теплообменнике для охлаждения используется техническая вода

(рис. 2.6.).

		Пар	Охл.	Число
			вода	аппаратов
	Конденсатор
		1200 360		4
	60O
	80O			180O
	C1
		2000		Р2
				120O
O	Котел	H		Р1
130		1200		100O
				120O
40O	C			3240
	360			O
				30

Рис. 2.6. Простая технологическая схема с двумя реакторами Р1, Р2 и системой разде- ления С1. Обозначения традиционные – С - охлаждение, Н – нагревание. Необходимо ответить на вопрос “Является ли интеграция данного процесса оптимальной?”

Анализ технологической схемы ХТС начинается с определения ис- точников теплоты (горячие потоки) и стоков теплоты (холодные потоки). Технологическая схема (рис. 2.6.) имеет два горячих и два холодных пото- ка, которые могут участвовать в теплообмене. В пинч-анализе начальные

температуры технологических потоков обычно называются температурами снабжения и обозначаются TS (от английского supply), а конечные темпе- ратуры потоков обычно именуются целевыми температурами и обознача- ются Tt (от английского target).

Снабжающие и целевые температуры потоков указаны на технологи- ческой схеме, там же указаны тепловые нагрузки, т.е. мы в данном случае

можем определить СР потоков как отношения

CP =		H		,	(2.4)
	T	− T
			t
	s

и записать полученные данные в таблицу 2.1.

Введение в пинч–принципы	41

Используемыми утилитами являются: пар при температуре 200оС и охлаждающая вода 25оС → 30оС. Процесс потребляет от внешних источни- ков энергию мощностью 1200 кВт, а мощность, отводимая от процесса к охлаждающей воде, равна 360 кВт. Запишем энтальпийный баланс, рас- сматриваемой ХТС (рис. 2.7). Разность между мощностью потребляемой от

горячих утилит и мощностью отводимой от процесса с помощью холодных утилит равняется дисбалансу в энтальпии между горячими и холодными потоками. В нашем случае она равна 840 кВ.

Таблица 2.1. Потоковые данные для процесса на рис. 2.6

№ по-	Температу-	Целевая	Потоковая	Тепловая на-
тока и	ра снабже-	температура	теплоемкость	грузка Н,
тип	ния TS ,	TТ, (оС)	СР, (кВт/оС)	(кВт)
	(оС)
1 гор.	180	80	20	2000
2 гор.	130	40	40	3600
3 хол.	60	100	80	-3200
4 хол.	30	120	36	-3240

QH

	1200
180O	H = 2000		80O
130O	H = 3600		40O
	ТС
120O	H = 3240		30O
100O	H = 3200		60O
	360
	QH - QC =		( H)
QC	1200	360	840

Рис. 2.7. Энтальпийный баланс ХТС. QH – теплота, потребляемая от внешних энерго- источников; QС – теплота, отводимая от ХТС внешними хладагентами; ТС – теплооб- менная система. На линиях, обозначающих технологические потоки, проставлены на- чальные и конечные температуры, а также их тепловые нагрузки

42	Глава 2

Уменьшая или увеличивая потребление энергии от горячих утилит, мы будем только увеличивать или уменьшать энергию, отдаваемую холод-

Рис. 2.8. Изменение энергии потребляемой ХТС будет приводить только к изменению энергии. отводимой от ХТС

ным утилитам, т.е. охлаждающей воде, а значение энтальпии, необходимой для нагрева холодных потоков, которое не может быть удовлетворено за счет теплообмена с горячими потоками, будет оставаться постоянным (рис. 2.8.).

На вопрос ²Будет ли являться значение 840 кВт минимальным значе- нием горячих утилит для рассматриваемого процесса?² с помощью рас- смотрения энтальпийного баланса ХТС ответить нельзя. Для ответа на этот вопрос нам необходимо рассмотреть движущие силы процесса теплообме- на в системе. Движущей силой в процессе теплопередачи является темпе- ратурный напор или по-другому разность между температурами теплоно- сителей, участвующих в теплообмене.

Для определения движущих сил в теплообменной сети ХТС мы должны вернуться к темепратурно-энтальпийной диаграмме и рассмотреть простую задачу с одним горячим потоком (тепловой источник) и одним холодным потоком (тепловой сток).

Потоковые данные – тип потоков, снабжающие температуры, целе- вые температуры и изменения энтальпий потоков, приведены в таблице

2.2.

В качестве внешних энергоносителей используется пар с температу- рой 180оС и охлаждающая вода с температурой 20оС.

Введение в пинч–принципы	43

Таблица 2.2. Потоковые данные для двухпотоковой задачи рекуперации теплоты.

Поток	Тип	Снабжающая	Целевая тем-	Н,
		температура ТS ,	пература Тt,	(МВт)
		(оС)	(оС)
1	хол.	30	100	14
2	гор.	150	30	-12

Понятно, что наиболее простым решением будет нагревание холод- ного потока с помощью пара и охлаждение горячего потока с помощью ох- лаждающей воды. Однако, такой подход приведет к чрезмерной стоимости энергоносителей и к противоречию с требованием промышленных пред-

приятий использовать минимально возможное количество энергии при производстве.

Для того, чтобы определить возможность сохранения тепловой энер- гии в системе мы представим оба технологических потока на температур- но-энтальпийной плоскости. Возможность теплообмена между рассматри- ваемыми потоками будет существовать только в том случае, если темпера-

тура горячего потока выше температуры холодного потока во всех точках

T (OC)

Пар

180 160

к

о

110

т

о

й

п

и

к

ч

я

о

р

о

о

п

т

Г

й

ы

н

д

о

л

о

Х

40	Tmin = 10O
20

QCmin = 1МВт		H (МВт)
Охл.	QREC = 11МВт	QHmin = 3МВт
Вода

110O

	3МВт	Пар
		95O	1МВт
	160O	50O
			40O
	11МВт	40O	Охл. Вода

а

б

Рис. 2.9. Двухпотоковая задача рекуперации теплоты: (а) – температурно – энтальпий- ный график технологических потоков для Тmin = 10 °С; (б) – технологическая схема

процесса

рисунка (рис. 2.9.). Разность температур между потоками по вертикальной оси и будет являться движущей силой теплопередачи.

44	Глава 2

Рисунок 2.9а. представляет температурно-энтальпийную диаграмму рассматриваемой задачи для минимальной разности температур Tmin = 10oC. Область перекрытия (потоки находятся один над другим) потоков вдоль энтальпийной оси определяет значение тепловой энергии, которую можно рекуперировать в данном процессе (для Tmin = 10oC). В нашем слу-

чае возможно сохранить 11 МВт, т.е. QREC = 11 МВт .Часть холодного по- тока, которая располагается за началом горячего потока (рис. 2.9а.), не мо-

Рис. 2.10. Начальные и конечные температуры потоков величины заданные и изме- няться не могут, а значения начальной и конечной энтальпий потоков величины отно- сительные. Абсолютными, наравне с граничными температурами, являются изменения энтальпии потоков, т.е. потоки могут сдвигаться горизонтально

жет быть нагрета за счет теплообмена с горячим потоком и должна быть нагрета паром. Это и есть минимальное значение, требуемое для горячих утилит, или энергетическая цель QHmin в рассматриваемой задаче QHmin = 3 МВт. Часть горячего потока, которая выдвинута за начало холодного пото- ка, не может быть охлаждена при теплообмене с холодным потоком, и для её охлаждения требуется охлаждающая вода (рис. 2.9а). Это минимальное значение холодных утилит, необходимое для удовлетворения требованиям рассматриваемого процесса QCmin = 1 МВт. Технологическая схема, соот- ветствующая диаграмме рис. 2.9а., приведена на рис. 2.9б.

Изменение теплосодержания потоков и их начальные и конечные температуры (т.е. наклон в температурно-энтальпийном представлении по- тока) – величины заданные и изменяться не могут, но относительное поло-

Введение в пинч–принципы	45

жение потоков на температурно-энтальпийной диаграмме мы можем изме- нять, передвигая потоки относительно друг друга вдоль оси абсцисс, т.е. в горизонтальном направлении. Это возможно потому, что изменять тепло- содержание каждого потока мы можем независимо от других потоков. Действительно, нагревать холодный поток в ХТС мы можем независимо от охлаждения горячих потоков, например, подводя к нему энергию от внеш- них энергоносителей.

На рис. 2.10а показаны сдвинутые потоки рассматриваемого примера таким образом, что в новой позиции DTmin равно 20оС. Область перекрытия потоков уменьшилась (т.е. уменьшилась рекуперация тепловой энергии) до 10 МВт. Большая часть холодного потока оказалась выдвинута за начало горячего потока, вследствие чего необходимая величина мощности внеш- ней энергии, подводимой с помощью пара, увеличилась до 4 МВт. Внизу

диаграммы горячий тепловой поток оказался больше выдвинут за начало холодного потока, что ведет к увеличению потребления охлаждающей во- ды, т.к. сейчас необходимо отводить от потока мощность, равную 2 МВт. Технологическая схема соответствующая диаграмме на рис. 2.10а, приве- дена на рис. 2.10б.

Анализ простой двухпотоковой технологической схемы позволяет нам сделать несколько важных выводов.

Во-первых: совместное построение температурно-энтальпийных гра- фиков технологических потоков позволяет определить минимально необ- ходимые значения горячих утилит QHmin и холодных утилит QCmin для каж- дого заданного значения DTmin, т.е. существует корреляция между значе-

ниями DTmin и QHmin, QCmin. Здесь стоит отметить, что значение DTmin не

может быть больше разности начальных температур горячего и холодного потока.

Во-вторых: мы увидели, что если к процессу подводить большую мощность, то и отводить от него необходимо большую мощность, т.е. QHmin + Х Þ QCmin + Х. Кратко это можно сформулировать следующим образом: ²Больше вошло, больше вышло².

Давайте сейчас применим рассматриваемый выше подход к техноло- гической схеме, содержащей несколько горячих и холодных потоков.

Предполагается, что расходы, температуры и тепловые нагрузки ка- ждого потока известны. Технологическая схема Рис. 2.11. имеет два горя- чих потока (источника теплоты) и два холодных потока (стока тепло- ты).Считая, что потоковые теплоемкости постоянные величины, мы можем вычислить их с помощью данных, представленных на технологической схеме (рис. 2.11.). Действительно, потоковые теплоемкости могут быть оп- ределены с помощью выражения (2.4), если известны изменения энтальпии потоков DH, начальные и конечные температуры потоков TS и Tt. Заметим, что СР будет величиной постоянной, т.е. не будет зависеть от температуры

46	Глава 2

в том случае, когда удельная теплоемкость вещества потока сp - величина постоянная, т.к. СР = М× сp.

		H = 27МВт		H = - 30МВт
	сырьё 2		230O		продукт 2
	140O		Реактор 2	200O	80O
	H = 32МВт
сырьё 1		Реактор 1
20O	180O		250O

Отходящий газS 40O

H = - 31.5МВт

40O

Продукт 1

40O

Рис. 2.11 Технологическая схема ХТС с двумя горячими и двумя холодными потоками.

Обозначения стандартные

В том случае, когда сp существенно зависит от температуры, темпе- ратурно-энтальпийная диаграмма потока будет представлена нелинейной функцией (см. рис. 2.2). Но мы можем условно разделить температурный интервал, в котором происходит изменение теплосодержания потока, на ряд интервалов, в каждом из которых сp можно считать постоянной вели- чиной, и вычислить DH для каждого из этих интервалов. Такой подход по- зволяет представить нелинейную Т-Н диаграмму потока в виде последова- тельно соединенных линейных сегментов. Для потоков технологической схемы (рис. 2.11) СР постоянные величины, и результаты вычислений мы можем записать в виде таблицы 2.3.

Нарисуем два горячих потока на температурно-энтальпийной плос- кости отдельно друг от друга. Их начальные и конечные температуры сей- час делят температурную ось на три интервала: Т1-Т2, Т2-Т3 и Т3-Т 4 (рис. 2.12а.). В температурном интервале между Т1 и Т2 присутствует только один поток – поток №2 и теплота доступная в этом интервале, будет вы- числяться выражением DH1 = CP2 (T1 - T2 ) = 0,15 ×50 = 7,5 МВт .

В интервале температур между Т2 и Т3 присутствуют два потока, по-

этому общее изменение теплосодержания потоков в этом интервале можно определить, суммируя индивидуальные изменения теплосодержания пото-

ков, т.е. DH2 = (CP2 + CP4 )(T2 - T3 ) = (0,15 + 0,25)×120 = 48 МВт.

		Введение в пинч–принципы				47
В следующем интервале температур опять находится поток №2, и
изменение	энтальпии	в	этом	интервале	температур	равно

DH3 = CP2 (T3 - T4 ) = 6 ×103 кВт .

Далее в температурных интервалах, которые образованы граничными температурами потоков, последовательно откладываются общие изменения энтальпий потоков, как это показано на рис. 2.12б. В результате мы полу-

чили так называемую составную кривую горячих потоков.

Таблица 2.3. Потоковые данные технологической схемы

	Начальная	Целевая		Расходная
Тип	температура.	температура. DH×10-3, кВт		теплоемкость
	TS,OC	TT,OC		CP, кВт/OC
хол	20	180	32,0	200
гор	250	40	-31,5	150
хол	140	230	27,0	300
гор	200	80	-30,0	250

Построенная нами составная кривая горячих потоков показывает, как

T1

T1

T3 T4

T, OC 250

200

			1	5	0
		=
	P
C		2

80

40

	0
5
2
=
P 4
C

Т, OC 250

200

	0
0
4
=
P
C

				0
				5
80			=	1
	C	P
40

			0
		5
		1
C	P	=

30,5	30,0	H×10-3кВт	6,0	48	7,5	H×10-3кВт
	61,5			61,5
(a) Горячие тепловые потоки			(b)	Составная кривая горячих
нарисованы отдельно			потоков

Рис. 2.12 Построение составной кривой горячих технологических потоков. Суммиро- вание теплоты, имеющейся в температурном интервале для каждого температурного интервала – (а) формирует составную кривую – (б)

происходило бы изменение энтальпии и температуры индивидуальных по- токов, если они были бы одним потоком, т.е. потоком, у которого потоко- вая теплоемкость зависит от температуры, а в рассматриваемых темпера- турных интервалах её можно было бы считать постоянной.

48								Глава 2
Аналогичная процедура позволяет построить составную кривую хо-
лодных потоков рассматриваемой задачи (рис. 2.13).
T, OC								T, OC
230							0	230										0
							0											0
							3											3
							=											=
							3											P
						P												C
180						C		180									0
																0
															5
															=
															P
140								140							C
		=	2	0	0							2	0	0
											=
	P									P
C		1							C
20								20
			32,0				27,0	H×10-3, кВт			24,0					20,0		15,0	H×10-3, кВт
						59,0									59,0
					а											б
Рис. 2.13 Построение составной кривой холодных технологических потоков аналогич-
но построению составной кривой горячих потоков
Составные кривые холодных и горячих потоков могут быть нарисо-
ваны на одной температурно-энтальпийной плоскости (рис. 2.14). Мини-
мальное расстояние между составными кривыми вдоль оси ординат – тем-
пературной оси, определяет								Тmin в теплообменной сети, соответствующей
данной температурно-энтальпийной диаграмме, а сама область наимень-
T, OC
250
200
150						Пинч
100								Tmin = 10O
50
0							QREC = 51,5											H×10-3, кВт
QCmin = 10,0															QHmin = 7,5
Рис. 2.14 Совместное изображение (рисование) горячей и холодной составных кривых
позволяет получить целевые энергетические значения для горячих и холодных энерго-
носителей

= 10оС,

Введение в пинч–принципы	49

шего сближения вдоль оси Т – пинчем (рис. 2.14). На рис. 2.14 кривые изо- бражены с минимальной разностью температур Тmin=10оС.

Область перекрытия кривых вдоль оси абсцисс определяет количест- во теплоты, которое может быть передано вертикально от горячих потоков, содержащихся в этой части горячей составной кривой, холодным потокам, которые содержит холодная составная кривая. Расположение составных кривых на Т-Н диаграмме (т.е. монотонное снижение горячей составной кривой и монотонный рост холодной составной кривой) всегда будет при- водить к максимальному перекрытию, а, следовательно, и к максимальной рекуперации тепловой энергии для заданного Тmin. В рассматриваемой за- даче для Тmin=10оС максимальная рекуперация теплоты QREC=51,5 МВт. В области на энтальпийной оси, где холодная составная располагается за на- чалом горячей составной кривой (рис. 2.14), рекуперация теплоты невоз- можна, и энергия к холодной составной кривой должна поступать от внеш- них горячих утилит, например, пара. Эта область на энтальпийной оси оп- ределяет целевые значения горячих утилит QHmin. Для рассматриваемой за-

дачи при Тmin = 10оС, QHmin = 7,5 МВт. В энтальпийной области, где горя- чая составная кривая располагается перед началом холодной составной,

рекуперация теплоты снова невозможна, и потоки горячей составной кри- вой должны отдавать свою энергию внешним холодным утилитам, напри- мер, потоку охлаждающей воды. Эта область определяет целевые значения

для холодных утилит QCmin (рис. 2.14). В нашей задаче для Тmin

QCmin = 10,0 МВт.

Точное задание значения величины горячих утилит, холодных утилит или Тmin фиксирует относительное положение составных кривых. При анализе нашего простого процесса (рис. 2.11) относительное расположение составных кривых определяет степень свободы проектирования теплооб- менной системы. Подобно двухпотоковой задаче, рассмотренной ранее, относительное положение составных кривых может быть изменено гори- зонтальным переносом кривых относительно друг друга. Очевидно, что для того, чтобы рекуперировать тепловую энергию горячих потоков холод- ными, горячая кривая должна быть нарисована выше холодной составной кривой во всех точках энтальпийного интервала. Практически при рисова- нии составных кривых это означает, что горячая составная кривая должна располагаться ближе к температурной оси для всех доступных на ней тем- ператур, чем холодная составная кривая (рис. 2.14). После такого построе-

ния путем горизонтальной сдвижки одной из кривых может быть выбрано необходимое их положение.

На рис. 2.15 показаны составные кривые, расположенные так, что Тmin = 20оС. Это достигнуто путем относительного их перемещения вдоль оси Н. Энтальпийная область перекрытия кривых уменьшилась, а значит