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

70	Глава 2

Три полученные нами правила можно обобщить как:

∙Источник (под пинчем) и сток (над пинчем) должны быть разделены.

∙Горячие утилиты использовать в области над пинчем, холод- ные – под пинчем.

Т

Р
а	Сток
д
з
е
л
	е
	н
	и
	е

Источник

QCmin

Н

Рис. 2.33. Разделение ХТС при проектировании

Такое обобщение ведет к простому правилу проектирования энерго- сберегающих ХТС:

∙ При проектировании ХТС необходимо разделить ХТС на две части (рис. 2.33.), часть выше пинча и часть ниже пинча, а затем выпол- нять проекты раздельно для них. Такое разделение приведет к вы-

полнению установленных нами правил и позволит достичь целевых энергетических значений.

Заключение.

∙Пинч делит ХТС на тепловой сток и тепловой источник.

∙При достижении целевых энергетических значений нет передачи теплоты через пинч:

- от процесса к процессу;

- при неправильном использовании энергоносителей.

Введение в пинч–принципы	71

2.4. Представление сети теплообменных аппаратов

R1

СЫРЬЁ

D1

R2

D2

ПРОДУКТ

Рис. 2.34. Типичная технологическая схема ХТС: R – реактор, D – ректификационная

колонна

Инженеры-технологи, проектировщики, конструкторы работают с разнообразными технологическими схемами ХТС. Это могут быть струк- турные, функциональные, принципиальные и другие виды технологиче- ских схем, на которых технологическое оборудование и связи между раз- личными аппаратами – технологические потоки изображаются унифициро- ванным способом, благодаря чему специалисты могут свободно ориенти- роваться в различных технологических схемах.

Пример стандартной технологической схемы приведен на рис. 2.34

Теплообменные аппараты на схеме показаны понятными и подходящими символами, технологические потоки также легко могут быть идентифици- рованы.

В предыдущем разделе нашего курса мы выяснили, что при проекти-

ровании теплообменной системы ХТС должна быть разделена на две части

– подсистему, находящуюся выше пинча и подсистему, находящуюся ниже пинча. После чего, для исключения переноса теплоты через пинч, проекти- рование теплообменных систем для каждой из этих подсистем выполняют- ся раздельно. Но можно ли представить разделение ХТС на две части с по-

72	Глава 2

R1

Сырьё

D1	R2
	D2

	Продукт
Выше пинча			Ниже пинча
	R1		R1
Сырьё		Сырьё
D1	R2	D1	R2
	D2		D2
Продукт		Продукт

Рис. 2.35. На обычной технологической схеме очень трудно провести разделение ХТС на подсистему, находящуюся выше пинча, и подсистему ниже пинча: R – реактор, D –

ректификационная колонна

мощью пинча? После того, как мы определили пинч температуры для го- рячих и холодных потоков, можно на традиционной технологической схе- ме выделить те потоки либо части потоков, которые будут принадлежать подсистеме, находящейся ниже пинча, и таким образом получить различ- ное изображение потоков, находящихся выше пинча и ниже пинча (рис. 2.35). Получилась достаточно сложная структура. При этом необходимо ещё различать холодные и горячие потоки, а если ХТС будет содержать несколько десятков потоков, то работать с такими схемами будет очень трудно и сложно.

Но если рассматривать только те потоки, которые необходимо на- греть или охладить, и отбросить при анализе всё оборудование, за исклю- чением теплообменных аппаратов, нагревателей и охладителей (теплооб- менники, где одним из теплоносителей является хладагент), ХТС может быть представлена на сеточной диаграмме. Горячие потоки на сеточной

Введение в пинч–принципы	73

C

H

Рис. 2.36. Представление технологических потоков и связывающих их теплообменни- ков на сеточной диаграмме: Н – нагреватель, С – охладитель

диаграмме показываются линиями, направленными слева направо в верх- ней части диаграммы, а холодные потоки – линиями, направленными спра-

100O 100O

100O	100O
	C

90O90O

H 90O

Рис. 2.37. Разделение ХТС на две подсистемы. Вертикальные линии показывают лока- лизацию пинча. Слева от вертикальных линий находится подсистема потоков, распо- лагающаяся выше пинча, справа – ниже. Н – нагреватель, С – охладитель

ва налево в нижней части диаграммы (рис. 2.36).

Теплообменные аппараты между технологическими потоками изо- бражаются двумя окружностями на соответствующих потоках. Окружности соединены линией (рис. 2.36). Нагреватели и охладители изображаются одной окружностью, внутри которой пишется буква Н или С соответствен- но. Тепловые нагрузки обычно проставляются внизу изображения тепло- обменника, а температуры потоков над – соответствующими линиями.

На сеточной диаграмме достаточно просто показывается локализация пинча. Пинч изображается вертикальной линией или двумя параллельными

74	Глава 2

вертикальными линиями, разделяющими сеточную диаграмму на две час- ти, а именно на потоки, принадлежащие подсистеме, находящейся над пинчем, и потоки ниже пинча (рис. 2.37). Потоки, находящиеся над пинчем после разделения будут находиться в левой части сеточной диаграммы, а

C C

H

H

Рис. 2.38. Применение сеточной диаграммы легко позволяет выявить перенос теплоты

через пинч

потоки ниже пинча – в правой (рис. 2.37). Поскольку пинч температуры го- рячих и холодных потоков отличаются на Tmin, то и на сеточной диаграм- ме разделение горячих и холодных потоков происходит на их пинч темпе-

	ратурах (рис. 2.37).
		Направленные линии, изображающие технологические потоки на се-
					точной диаграмме, рисуются в со-
					ответствии с изменением темпера-
			H		туры потоков, а это легко позволя-
					ет при анализе, действующих ХТС
	1	1	2	C	идентифицировать теплообменные
					аппараты,	посредством которых
					теплота переносится поперёк пин-
	2	3	4		ча, и выполнять			проекты, запре-
					щая перенос теплоты через пинч
					(рис. 2.38).
					Традиционная				технологиче-
		3	4		ская схема	теплообменной				сети
					хорошо знакома			технологам и
	Рис. 2.39. Традиционная потоковая схема				конструкторам.		На		такой	схеме
					изображаются только теплообмен-
	теплообменной сети
					ные аппараты		и	технологические

потоки (рис. 2.39). Горячие потоки изображаются идущими слева направо, а холодные – снизу вверх. Также, как и на сеточной диаграмме на традици- онной потоковой схеме теплообменные аппараты, в которых используются внешние утилиты, изображаются одиночными окружностями на потоках с

Введение в пинч–принципы	75

		H				H
1	E1	E2	C	1	E1	E2	C
2	E3	E4		2		E4	E3
	3	4			3	4

Рис. 2.40. Изменение расположения теплообменников Е3 и Е4 на традиционной схеме

теплообменной сети требует перерисовать маршрут технологических потоков

буквой Н внутри для нагревателей и буквой С для охладителей (рис. 2.39). Но в отличие от сеточной диаграммы рекуперативные теплообменные ап- параты изображаются одной окружностью, располагающейся на пересече- нии холодного и горячего потока (конечно там, где это необходимо). Но

1	E1 E2	C	1	E1 E2		C
2	E3	E4	2		E4	E3
		3				3
H		4		H		4

Рис. 2.41. Изменение расположения теплообменников Е3 и Е4 на сеточной диаграмме

такое представление теплообменной системы крайне неудобно при её про- ектировании или её реконструкции, особенно если эта работа выполняется вручную. Действительно, каждое изменение расположения теплообменных аппаратов требует перерисовывать маршрут технологического потока (рис. 2.40), а если потоков много, то это только запутывает и загрязняет техноло- гическую схему. В то же время при использовании сеточной диаграммы изображения теплообменных аппаратов просто передвигаются вдоль пото- ков и нет необходимости перерисовывать маршрут потоков (рис. 2.41), что особенно удобно, если в ХТС насчитывается несколько десятков потоков.

Внимательный читатель видимо уже заметил, что направление тех- нологических потоков, изображённых на сеточной диаграмме, противопо-

76	Глава 2

Пинч

Выше

		е
	ж
и
Н

Пинч

Т

Н

Рис. 2.42. Направление горячих и холодных потоков на сеточной диаграмме противо-

положно направлению соответствующих составных кривых

ложно направлению составных кривых на температурно-энтальпийной диаграмме (рис. 2.42), а именно, если на сеточной диаграмме горячие по- токи изображаются идущими слева направо, то составная кривая горячих потоков на температурно-энтальпийной диаграмме имеет обратное направ- ление. Аналогично и для холодных потоков.

Такое представление потоков является исторически сложившейся традицией в пинч-анализе, поскольку техники построения составных кри- вых и сеточных диаграмм развивались независимо друг от друга.

Заключение.

Сеточная диаграмма

∙ясно показывает локализацию и значение пинча;

∙позволяет выполнять полный проект без изменения маршрута тех-

нологических потоков.

Введение в пинч–принципы	77

2.5 Сбор данных

Проектируя технологическую схему системы теплообмена для любо- го процесса, инженер опирается на свой опыт и опыт создания подобных процессов и использует при этом потоковые данные, полученные при соз- дании первых двух слоёв луковичной диаграммы. И от качества этих дан- ных зависит возможность достижения оптимума в выполняемом проекте. Понятно, что если в исходных для проектирования данных будут ошибки, то, независимо от опыта проектировщиков и используемого ими инстру- ментария, проект может быть не только не оптимальным, но и вообще не работоспособным, поскольку целевые значения, достигнутые при проекти- ровании, были ошибочными. Аналогичная зависимость существует и при выполнении проектов реконструкции предприятий, поэтому жизненно

Т

Горячий поток

Холодный поток

Н

Рис. 2.43 Сегментирование и линеаризация горячего и холодного потоков

важно получить исходные данные адекватные проектируемому процессу.

2.5.1 Точность данных

При изучении определения целевых значений с помощью алгоритма табличной задачи мы предполагали, что все потоковые теплоёмкости не зависят от температуры. В реальных задачах удельные теплоёмкости про- дуктов технологических потоков всегда зависят от температуры, поэтому очень важно знать в каких пределах может применяться линейная аппрок- симация температурно-энтальпийной зависимости.

Рассмотрим составные кривые некоторого процесса, в котором зави- симости потоковых теплоёмкостей от температуры существенны (рис. 2. 43). Очевидно, что наибольшее влияние на установление энергетических

78	Глава 2

целей будут оказывать погрешности определения потоковых теплоёмко- стей в области пинча. Поэтому в этой области мы должны наиболее тща- тельно аппроксимировать СР потоков.

Там, где линеаризация СР = const не приемлема, потоки должны быть разделены на температурные сегменты, в каждом из которых допус- тимо считать потоковую теплоёмкость постоянной. Линеаризацию необхо- димо производить так, как это показано на рис. 2.43, т.е. ломаная линия, аппроксимирующая горячую составную кривую, должна располагаться с её холодной стороны, и наоборот ломаная, аппроксимирующая холодную со- ставную кривую, должна находиться с её горячей стороны. Это даёт уве- ренность, что достигнутые в проекте целевые значения могут быть реали- зованы на практике.

В главе 2 мы уже кратко останавливались на способах определения потоковых теплоёмкостей, например (2.4). Давайте ещё раз посмотрим, как это может быть сделано на простом примере, приведенном на рис. 2.44. Используя технологическую схему, мы можем отобразить тепловой баланс потока на температурно-энтальпийной диаграмме с указанием тепловых нагрузок теплообменных аппаратов. С помощью такой диаграммы и соот- ношения (2.4) мы вычислим потоковые теплоёмкости в различных интер- валах температуры. Но в таком подходе существуют возможности сделать ошибки. Укажем две наиболее вероятные из них. Во-первых, проектная на- грузка на оборудование, указанная на технологических схемах, далеко не всегда совпадает с реально существующей. Во-вторых, данный метод не может идентифицировать температурные интервалы, в которых могут про- исходить фазовые переходы или неизотермические химические реакции, а это может привести к существенной ошибке, если они локализуются в рай- оне пинч-температур.

Таким образом, при получении данных должны быть выполнены следующие правила:

∙получение грубых данных;

∙определение локализации пинча;

∙уточнение данных в области, прилегающей к пинчу.

Заметим, что в случаях, когда имеются фазовые переходы в техноло- гических потоках, их температуры должны быть заранее выбраны как точ- ки излома составных кривых при линеаризации, если это, конечно, необхо- димо. Это должно быть сделано потому, что пинч очень часто локализует- ся именно в этих точках.

Введение в пинч–принципы	79

2.5.2 Выбор потоков

Давайте ещё раз рассмотрим систему подогрева исходного сырья для его подачи в ректификационную колонну (рис. 2.44). Для дальнейшего анализа технологической схемы на рис. 2.44 необходимо сделать её пото- ковое представление и определить потоковые данные. Но сколько потоков мы должны использовать для этого? Предположим, что для представления питания мы выбрали три потока, т.е. первый поток – это поток между тем- пературами 10°С и 25°С, второй – между 25°С и 70°С и третий – между 70°С и 150°С. Совершенно понятно, что это не очень хорошая идея, пото-

		150 °C
	а
			H3	°C
			25		25 °C	10 °C
	Ректификация		70 °C
						Питание
			H2	Хранилище
						H1
	T °C
	150	°C
б	70	°C
	25	°C
	10	°C
		H1 H2			H3	H, кВт

Рис. 2.44 Определение потоковой теплоёмкости с помощью графического представле- ния изменения теплосодержания потока: а – технологическая схема подготовки потока сырья, питающего ректификационную колонну; б – температурно-энтальпийная диа-

грамма потока

му что на стадии построения технологической схемы возможно определе- ние в качестве предпочтительного "партнера" для размещения рекупера- тивной теплообменной связи уже реально существующего "партнера". Это

означает большую вероятность синтеза оригинальной технологической схемы. Далее предположим, что для представления исследуемой схемы были выбраны два потока: один от 10°С и до температуры хранения, рав- ной 25°С, и второй от температуры 25°С и до целевой температуры сырья -