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

80	Глава 2

150°С. Такой выбор позволяет найти размещения, отличные от сущест- вующих, и улучшить проект.

Однако температура хранения 25°С скорее всего не является крити- ческой температурой, поэтому, если представить питание колонны одним потоком, идущим от температуры 10°С до температуры 150°С, то вероят-

300 °C	300	°C
			°C
	200 °C	130
			200 °C
100 °C	100	°C
	а		б

300 °C	300 °C
Пинч	T	T	200 °C
150 °C	T
	130 °C
100 °C	100 °C
в			г

Рис. 2.45 Анализ и обработка смешивающихся потоков: а – базовая схема смешения потоков; б – для приведения результирующего потока к целевой температуре необхо- дим один теплообменник; в -–два смешивающихся потока разделены пинчем; г – изо-

термическое смешение

ность улучшить существующую схему значительно возрастает. Температу- ра хранения сырья в данном случае может быть фиксирована, как темпера- тура естественного разрыва потока между двумя размещениями.

Как правило, проектировщик, начиная проект, должен определить, какие снабжающие и целевые температуры будут жёстко фиксированы, а какие нет. В то же время всегда может случиться так, что, выполнив проект технологической схемы системы теплообмена, проектировщик увидит воз- можность его улучшения путём изменения оригинальных (полученных при обследовании) температур, которые были классифицированы, как жёсткие температуры. Понятно, что принятие подобных решений почти полностью

определяется технологией проектируемого процесса и в некоторой степени опытом проектировщика. Однако, инженер всегда должен искать возмож-

Введение в пинч–принципы	81

ность улучшения его теплообменной сети с помощью возможного измене- ния первоначальных потоковых данных.

Значительные сложности при выборе потоков также могут появиться,

когда в базовой технологической схеме присутствует смешение потоков или объединение потоков. На рисунке 2.45а схематически показаны два технологических потока, выходящих из установки разделения с разными температурами, после чего они должны быть смешаны и нагреты до общей

200 °C	200 °C
100 °C	100 °C
150 °C	150 °C
а	б

200 °C

100 °C	200 °C
		200 °C
	100 °C	150	°C

в

Рис. 2.46 Анализ и обработка расщепляющихся потоков: а – базовая схема потокового расщепления; б – потоковое расщепление с различными целевыми температурами представляется двумя потоками при определении капитальных и энергетических целей; в – с помощью байпасного потока можно исключить один нагреватель

целевой температуры. С точки зрения определения целевых капитальных затрат данную систему потоков необходимо было бы рассматривать, как один технологический поток потому, что её энергетические требования мо- гут быть удовлетворены с помощью одного теплообменного аппарата (рис. 2.45б).

На рисунке 2.45в показано, что может произойти, если данная систе- ма будет рассматриваться, как один технологический поток при определе- нии энергетических целей. Если температура смешения двух потоков ле- жит ниже пинча, тогда "охлаждающая способность" холодного потока ни- же пинча исчезает, из-за этого большое количество теплоты должно быть

82	Глава 2

передано холодным утилитам. Эта теплота будет передаваться через пинч вследствие энтальпийного баланса, что в свою очередь увеличит использо- вание горячих утилит. Поэтому для получения правильных энергетических целей мы должны предположить смешение потоков изотермическим, как показано на рис. 2.36г. Если Т = 200°С, то данная система рассматривается как два потока, а при Т < 200°С она должна быть рассмотрена, как система, состоящая из трёх потоков. Данное обстоятельство не должно служить причиной замешательства при проектировании. Оно просто означает, что в тех случаях при проектировании теплообменных сетей с минимальным по- треблением энергии, когда процесс смешения потоков нельзя рассматри- вать неизотермическим, проектировщик должен увеличить минимальное число размещений на единицу.

Рассмотрим случай, когда в базовой технологической схеме проис- ходит расщепление потока, т.е., когда ветви потока имеют различные целе- вые температуры и они не объединяются вновь (рис. 2.46а). При наличии такого расщепления необходимо использовать два теплообменных аппара- та вследствие различных целевых температур ветвей потока (рис. 2.46б).

При определении целевых значений для капитальных затрат такая система обычно представляется двумя потоками. Аналогично при энергетическом целеуказании две различные целевые температуры означают два потока. Однако, на рисунке 2.46в показан способ, с помощью которого можно обойтись одним теплообменным аппаратом, если воспользоваться байпас- ным потоком, который за счёт смешения с исходным потоком выполняет роль нагревателя и тем самым его заменяет.

Сейчас мы кратко укажем действия, которые должны выполняться при выборе потоков:

∙необходимо избегать переопределения задачи;

∙необходимо искать возможность улучшения проектируемой систе- мы за счёт изменения условий проведения процесса;

∙необходимо избегать неизотермического смешения на стадии опре- деления энергетических целей.

В заключении заметим, что для того, чтобы быть уверенным в пра- вильном определении и достижении энергетических целей, необходимо го-

рячие потоки определять как горячие с наибольшей возможной для них температурой, холодные потоки должны быть определены с наименьшей возможной для них температурой. Это может быть выражено принципом, который звучит как: "Поддерживай горячие потоки горячими, а холодные – холодными". С этим принципом мы ещё встретимся в последующих гла- вах.

Проектирование тепловых сетей с максимальной рекуперацией энергии	83

Глава 3

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ С МАКСМАЛЬНОЙ РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ

Во второй главе книги мы обсуждали компромисс между капитальными затратами и стоимостью энергии при проектировании тепловых сетей ХТС и выяснили, что при изменении Тmin от малых значений к большим капитальные затраты уменьшаются, а стоимость энергии растет (рис. 2.16). Если две этих стоимости объединить, то получим, что общая стоимость будет немонотонной функцией от Тmin, которая сначала снижается с ростом Тmin, достигает своего минимального значения, и далее, с увеличением Тmin, растет. Значение Тmin, при котором суммарная стоимость минимальна и является оптимальным для проектирования теплообменной системы. В следующих главах мы более подробно рассмотрим метод определения Тmin. Сейчас же мы остановимся на анализе основных правил, использующихся при проектировании тепловых сетей. В главе 2 отмечалось, что компромисс между стоимостью энергии и капитальными затратами предполагает, что ни один из теплообменников в сети теплообмена не имеет температурной разности меньше, чем Тmin между составными кривыми. Это требование в пинч анализе называется критерием Тmin.

Основываясь на этом критерии, мы вывели три основных правила пинч анализа. Если в проекте ХТС величины используемых внешних энергоносителей равны целевым энергетическим значениям, установленным с помощью составных кривых или табличного алгоритма задач, то в этом проекте отсутствует перенос тепловой энергии через пинч:

1.между технологическими потоками;

2.при использовании холодных утилит выше пинча;

3.при использовании горячих утилит ниже пинча.

Правила 2 и 3 иногда объединяют в одно: должен отсутствовать тепловой поток через пинч, вызванный неподходящим использованием энергоносителей.

Приведенные правила и критерий Тmin при проектировании тепловых сетей ХТС должны выполняться, а в противном случае проектировщик не сможет обеспечить достижения в проекте целевых энергетических значений. Для того чтобы были выполнены правила пинча, и отсутствовала передача теплоты через пинч, ХТС при проектировании должна быть

84	Глава 3

разделена на две части, подсистему выше пинча и подсистему ниже пинча. И как было показано в предыдущем разделе, наиболее удобно для дальнейшей работы это сделать представлением технологических потоков ХТС с помощью сеточной диаграммы. На рисунке 3.1 показаны данные техно-

				СР,
	Пинч			кВт
250°	150°		40°	°С
				150
2
200°	150°		80°	250
4
180°	140°		40°	200
			1
230°	140°	3		300
QHmin =7500 кВт			QСmin =10000 кВт

Рис. 3.1. Сеточная диаграмма для данных из таблицы 2.3

логических потоков из таблицы 2.3 в форме сеточной диаграммы. Разделение ХТС на пинче показано с помощью вертикальной линии. При построении составных кривых для заданного Тmin =10оС (рис. 2.14) мы определили целевые энергетические значения. Выше пинча к ХТС должна с помощью пара подводиться мощность QHmin=7500 кВт, ниже пинча с помощью охлаждающей воды необходимо отводить мощность QHmin=10000 кВт. Но с помощью каких методов мы можем создать тепловую сеть, обеспечивающую эти показатели? В пинч анализе разработаны достаточно простые приемы позволяющие это сделать.

3.1. Начинать проект необходимо от пинча

Составные кривые на рис. 2.14. показывают нам, что выше пинча вся теплота горячих потоков может быть рекуперирована холодными потоками, а ниже пинча, что вся необходимая для нагрева холодных потоков энергия может быть получена от горячих потоков. А это значит, что выше пинча все горячие потоки должны быть приведены к температуре пинча посредством теплообмена с холодными потоками. Аналогично ниже пин-

Проектирование тепловых сетей с максимальной рекуперацией энергии	85

ча, все холодные потоки должны быть приведены к своей пинч температуре, в результате взаимодействия с горячими потоками.

В области пинча действуют наименьшие движущие силы теплопередачи, поэтому это самая стесненная область для возможных размещений

T

ПИНЧ

H

Рис. 3.2. Начинать проектирование теплообменной сети необходимо в точке пинча и двигаться от него в сторону

рекуперативных теплообменников. Действительно, на всех теплообменных аппаратах в районе пинча минимальная разность температур должна быть строго равна Тmin. В том случае, когда проектировщик начинает размещение теплообменников с горячего или холодного края сеточной диаграммы, он может обнаружить, что в районе пинча невозможно обеспечить выполнения критерия Тmin без нарушения пинч правил. Поэтому, необходимо начинать размещение теплообменных аппаратов начиная от пинча (рис.3.2), выполнить размещение в более стесненной части задачи, что значительно уменьшает вероятность встретить трудности при дальнейшем выполнении проекта.

3.2. СР правила для теплообменников

Рассмотрим подсистему, располагающуюся под пинчем (рис. 3.3) и попробуем разположить теплообменник на горячем потоке №4 и холодном потоке №1. Потоковая теплоемкость горячего потока, в данном случае, больше, чем потоковая теплоемкость холодного потока (рис. 3.3). На рисунке 3.3б представлены температурные профили потоков на температур- но-энтальпийной плоскости (здесь мы должны помнить, что направления потоков на сеточной диаграмме и температурно-энтальпийной диаграмме противоположны, т.е. если горячие потоки на сеточной диаграмме направлены слева направо, то на Т-Н диаграмме они будут направлены справа налево, а для холодных потоков соответственно наоборот). Поскольку СР холодного потока меньше, чем горячего, то при изменении температуры

86	Глава 3

горячего и холодного потока на одинаковую по модулю величину, к холодному потоку потребуется подвести меньше энергии, чем отвести от горячего потока. Из-за этого наклон температурного профиля холодного потока будет круче, чем горячего. Поэтому при движении от пинча по эн-

			ПИНЧ			CP
						(кВт/OC)
	250	O	150	O
2						150
4	200O		150O			205
(а)	180O		140O
					1	200
	230O		140O		3	300
T
	ПИНЧ
					4
(б)					Неосуществимо
Tmin
	1

H

Рис. 3.3. Критерии для теплообменных связей размещаемых на пинче в подсистеме находящейся выше пинча. (а) – Размещение теплообменника на потоках с СРН ³ CPC; (б)

– температурные профили потоков в теплообменнике

тальпийной оси (рис. 3.3б) температурная разность между теплоносителями в теплообменнике будет уменьшаться. И поскольку рассматриваемое размещение теплообменника находится вблизи пинча и выше него, на холодной стороне теплообменника температурная разность должна быть равна Тmin. Но, как мы уже выяснили, температурные профили в данном теплообменнике при удалении от пинча будут сближаться (рис. 3.3б), и температурная разность между теплоносителями будет уменьшаться, что, очевидно, нарушает критерий Тmin, и поэтому данное размещение теплообменника неприемлемо.

С другой стороны на рисунке 3.4. показано размещение теплообменника, включающего тот же горячий поток, но с холодным потоком, имеющим потоковую теплоемкость СР = 300 кВт, т.е. большую, чем у горячего потока. В этом случае температурный профиль холодного потока будет более пологий, чем у горячего, и при размещении теплообменника в районе пинча, с температурной разностью на холодном конце обязательно равной Тmin, а разность температур между теплоносителями в направле-

Проектирование тепловых сетей с максимальной рекуперацией энергии	87

нии от холодного конца теплообменника к горячему будет только увеличиваться. Следовательно, при таком размещении температурная разность на горячей стороне теплообменника будет больше Тmin, т.е. критерий Тmin не будет нарушаться, и тогда размещение теплообменника на

выбранных потоках возможно.

			ПИНЧ			CP
						(кВт/OC)
	250	O	150	O
	2					150
	200O		150O			250
	4
(а)	180O		140O		1	200
	230O		140O		3	300

	T
	ПИНЧ
(б)	4

Выполнимо

Tmin

3

H

Рис. 3.4. Критерии для теплообменных связей размещаемых на пинче в подсистеме находящейся выше пинча: (а) – Размещение теплообменника на потоках с СРН ≤ CPC; (б)

– температурные профили потоков в теплообменнике

Таким образом, для того чтобы температурная разность между теплоносителями в теплообменниках, размещенных вблизи пинча и выше его, не уменьшалась, необходимо выполнение условия:

СРН ≤ СРС (выше пинча).

(3.1)

Из этого неравенства вытекают достаточно простые правила выбора потоков для начала размещения теплообменных аппаратов. Из рис. 3.4. видно, что для горячего потока №2 возможно объединение с любым из холодных потоков, т.к. он имеет наименьшую потоковую теплоемкость, и соотношение (3.1) будет всегда выполнено. Для следующего горячего потока выбор холодного партнера для теплообмена уже меньше, и в данном случае для потока № 4 теплообмен возможен только с потоком № 3.

88	Глава 3

Поэтому при выборе размещения теплообменников на пинче в подсистеме выше пинча, мы должны начать с горячего потока, имеющего максимальную потоковую теплоемкость СР, найти ему партнера для теплообмена среди холодных потоков так, чтобы выполнялось условие (3.1). Затем пе-

	ПИНЧ			CP
				(кВт/°C)
	2	150O	40O	150
(а)	4	150O	80O	250
		140O	20O	200
			1

T

Невыполнимо	ПИНЧ
	2
(б)	Tmin
	1

H

Рис. 3.5. Критерии для теплообменных связей, размещаемых на пинче в подсистеме находящейся ниже пинча: (а) – Размещение теплообменника на потоках с СРН ≤ CPC; (б) – температурные профили потоков в теплообменнике

реходим к рассмотрению горячего потока, имеющего следующую (меньшую) потоковую теплоемкость и т.д.

Проанализируем возможность размещения теплообменников ниже пинча, на пинче. Если при таком размещении объединяется холодный поток с горячим, у которого потоковая теплоемкость СР меньше, чем у холодного (т.е. у горячего потока наклон температурного профиля круче (рис. 3.5а), то температурная разность между теплоносителями, в направлении от горячего конца теплообменника к холодному, будет уменьшаться (рис. 3.5б). И поскольку горячая сторона теплообменника размещается на

пинче и имеет температурную разность	Тmin, то температурная разность
на холодном конце будет меньше, чем	Тmin. Следовательно, нарушается

критерий Тmin, и такое размещение теплообменника не выполнимо. Если

Проектирование тепловых сетей с максимальной рекуперацией энергии	89

мы объединим этот же холодный поток с горячим потоком, у которого СР больше, т.е. он имеет более пологий температурный профиль (рис. 3.6), то как видно из рис. 3.6б температурная разность на горячем конце будет больше, чем Тmin. Критерий Тmin не нарушается, и такое размещение возможно. Следовательно, для того, чтобы температурная разность в направлении от пинча не уменьшалась, при размещении теплообменника на пинче ниже пинча, необходимо выполнение условия:

СРН ≥ СРС (ниже пинча).

(3.2)

Заметим, что строгое выполнение СР неравенств (3.1) и (3.2) необходимо только, когда один из концов теплообменника находится в условиях пинча. Из неравенства (3.2) следует, что начинать выполнение размещения теплообменников в подсистеме ХТС, находящейся ниже пинча, мы должны с определения холодного потока, обладающего наибольшей потоковой теплоемкостью, подыскать ему партнера для теплообмена среди горячих

ПИНЧ

	2	150O	40O	150
(а)	4	150O	80O	250
		140O	20O	200
			1

T

	ПИНЧ
	4
	Tmin
(б)	1
	ВЫПОЛНИМО

H

Рис. 3.6. Критерии для теплообменных связей, размещаемых на пинче, в подсистеме находящейся ниже пинча: (а) – Размещение теплообменника на потоках с СРН ³ CPC; (б) – температурные профили потоков в теплообменнике