- •Основы теплопередачи
- •Основные понятия и определения
- •Тепловые балансы
- •Теплопроводность
- •Уравнение Фурье. Коэффициент теплопроводности
- •Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •Теплопроводность плоской, цилиндрической и сферической стенок при стационарном режиме
- •Тепловое излучение
- •Основные законы излучения
- •Теплообмен между твердыми телами при излучении
- •Тепловое излучение газов и паров
- •Конвективный теплообмен
- •Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена
- •Тепловое подобие
- •Теплоотдача без изменения агрегатного состояния теплоносителя
- •Теплоотдача при изменении агрегатного состояния теплоносителя
- •Теплоотдача в дисперсных системах с твердой фазой
- •Сложная теплоотдача
- •Численные значения коэффициентов теплоотдачи
- •Гидродинамический и тепловой пограничные слои
- •Теплопередача
- •Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи
- •Теплопередача через плоские, цилиндрические и сферические стенки при установившемся процессе
- •Средняя движущая сила теплопередачи
- •Тепловая изоляция
- •Нестационарный теплообмен
- •Список литературы к главе 7
- •Нагревание, охлаждение, конденсация
- •Нагревание
- •Нагревание водяным паром и горячей водой
- •Нагревание топочными газами
- •Нагревание высокотемпературными теплоносителями
- •Нагревание электрическим током
- •Охлаждение
- •Конденсация
- •Конструкции и расчет теплообменных аппаратов
- •Поверхностные теплообменники
- •Смесительные теплообменные аппараты
- •Расчет теплообменных аппаратов
- •Проектный расчет рекуперативных теплообменников
- •Поверочный расчет рекуперативных теплообменников
- •Расчет регенеративных теплообменников
- •Расчет теплообменников смешения
- •Сравнительная оценка и выбор конструкций теплообменных аппаратов
- •Список литературы к главе 8
- •Основные принципы интеграции тепловых процессов
- •Состав, структура и иерархия химико-технологической системы
- •Химико-технологическая система как объект проектирования
- •Введение в пинч-анализ
- •Построение составных кривых технологических потоков и определение энергетических целей
- •Построение составных кривых потоков хтс
- •«Точка пинча» потоков хтс
- •Деление тепловых потоков хтс
- •Представление сети теплообменных аппаратов
- •Проектирование тепловой сети с максимальной рекуперацией энергии
- •Список литературы к главе 9
- •Выпаривание
- •Общие сведения
- •Некоторые основные свойства растворов
- •Принцип работы выпарного аппарата
- •Однокорпусные выпарные установки
- •Выпарные аппараты непрерывного действия
- •Материальный баланс
- •Тепловой баланс
- •Поверхность нагрева выпарного аппарата
- •Потери полезной разности температур
- •Выпарные аппараты периодического действия
- •Выпаривание при переменном уровне раствора в аппарате
- •Выпаривание при постоянном уровне раствора в аппарате
- •Выпаривание при постоянном весе раствора в аппарате
- •Многокорпусные выпарные установки
- •Типовые схемы многокорпусных выпарных установок
- •Материальный баланс многокорпусной выпарной установки
- •Общая полезная разность температур выпарной установки
- •Распределение полезной разности температур по корпусам выпарной установки
- •Полезная разность температур при равной поверхности нагрева корпусов
- •Полезная разность температур при минимальной суммарной поверхности нагрева корпусов
- •Полезная разность температур при равной поверхности нагрева корпусов при минимальной общей поверхности нагрева
- •Распределение общего перепада давления между корпусами по заданным давлениям вторичного пара
- •Число корпусов выпарной установки
- •Последовательность расчета многокорпусных выпарных установок
- •Основные направления повышения экономической эффективности выпарных установок
- •Интенсификация тепло- и массообмена
- •Утилизация вторичных энергоресурсов
- •Выпаривание с тепловым насосом
- •Улучшение эксплуатационных характеристик выпарных установок
- •Комбинирование выпаривания с другими технологическими процессами
- •Выпарные установки мгновенного испарения
- •Конструкции выпарных аппаратов
- •Выпарные аппараты с естественной циркуляцией
- •Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией
- •Пленочные выпарные аппараты
- •Основы теплового расчета выпарных аппаратов
- •Роторные тонкопленочные испарители
- •Выпарные аппараты погружного горения
- •Список литературы к главе 10
- •Содержание
- •Раздел I. Гидромеханические процессы
- •Глава 7 Основы теплопередачи 108
- •Глава 8 Нагревание, охлаждение, конденсация 217
- •Глава 9 основные принципы интеграции тепловых процессов 290
- •Глава 10 выпаривание 324
- •Раздел II. Тепловые процессы
- •Глава 7 Основы теплопередачи 108
- •Глава 8 Нагревание, охлаждение, конденсация 217
- •Глава 9 основные принципы интеграции тепловых процессов 290
- •Глава 10 выпаривание 324
- •Для заметок для заметок для заметок
- •Процеси та апарати хімічної технології
Состав, структура и иерархия химико-технологической системы
Химико-технологическая система является сложным структурированным объектом, состоящим из десятков и сотен различных аппаратов и устройств, связанных между собой различными потоками. Исследовать ХТС в целом задача чрезвычайно сложная и, как правило, малоэффективная. Для изучения и исследования ХТС проводят ее систематизацию, выделяя подсистемы, например, по двум признакам – функциональному и масштабному.
Функциональные подсистемыобеспечивают выполнение функций производства в целом и включают подсистемы: технологическую, энергетическую и управления. Совокупность функциональных подсистем образуютсостав ХТС.
Масштабные подсистемывыполняют определенные функции при переработке сырья в готовую продукцию, и их структура представлена на рис. 9.1.
Рисунок
9.1 – Иерархическая структура ХТС
Иерархическая структура ХТС позволяет упростить решение задачи экономии энергоресурсов и использовать полученные результаты в различных производствах.
Среди всех факторов и мероприятий повышения эффективности ХТС (производства) и сокращения энергозатрат основными являются:
– интенсификация рабочих процессов в элементах установок (конструктивные и режимные методы);
– снижение расхода энергии на реализацию процесса;
– уменьшение капитальных затрат;
– улучшение эксплуатационных характеристик;
– утилизация вторичных энергоресурсов;
– интеграция различных процессов друг с другом.
Некоторые из перечисленных мероприятий относятся к отдельным аппаратам или реакторам, другие к ХТС различного уровня интеграции.
Все эти методы в значительной мере взаимосвязаны. Например, при интенсификации теплообменных процессов уменьшаются поверхность теплопередачи аппаратов и капитальные затраты, но одновременно, в ряде случаев, может возрасти расход энергии.
До настоящего времени в большинстве случаев вопросы энергосбережения решают на начальном (аппаратном) уровне или на невысоком уровне интеграции (узлы и агрегаты или отделения химического производства). Например, до настоящего времени еще применяют тепловые схемы с последовательно расположенными теплообменниками.
Применение таких схем объясняется тем фактом, что температура холодного теплоносителя плавно стремится к начальной температуре самого горячего теплоносителя и наоборот – температура горячего теплоносителя стремится к начальной температуре самого холодного теплоносителя. Движущая сила процесса (полезная разность температур) в этом случае, как правило, имеет максимальную величину, а поверхность теплообмена – минимальна.
Однако опыт показывает, что экономический эффект при оптимальной структуре ХТС высокого уровня интеграции примерно на порядок выше эффектов от интенсификации и оптимальной организации отдельных элементов или оптимального управления процессом. Следует отметить, что большой экономический эффект достигается в этом случае как при проектировании новых производств, так и при реконструкции действующих.
Примерно с 1970 г. ведутся многочисленные исследования как по выявлению общих законов и свойств оптимальных ХТС, так и по разработке методов и алгоритмов их синтеза. Обзор этих работ приведен в специальной литературе.
Одним из основных затруднений при поиске оптимальной ХТС для задач промышленного масштаба является огромное число ее возможных вариантов. Например, при синтезе системы теплообменников, состоящей из 25 холодных и горячих потоков, существует 10117различных вариантов структуры. Для разделения смеси из 18 веществ на отдельные компоненты в системе главных колонн возможны около 25 миллионов различных структур.
Такое обилие альтернативных вариантов, в свою очередь, порождает многочисленные принципы и подходы к анализу и синтезу ХТС, среди которых можно выделить два направления. Первое направление основано на поиске оптимальной ХТС строгими алгоритмическими методами с решением сложных оптимизационных задач. Второе направление связано с использованием различных эвристических методов, однако они часто дают противоречивые и неоднозначные результаты.
Среди алгоритмических методов синтеза и анализа ХТС можно выделить две большие группы: интегральныеидекомпозиционныеметоды.
Суть интегральных методов заключается в объединенном математическом описании отдельных подсистем, процессов и аппаратов. Они обычно очень громоздки и требуют большого объема информации. Полученные решения осложняются возможностью появления локальных оптимумов.
При декомпозиционном подходе каждый аппарат, процесс или подсистему рассчитывают отдельно, а расчет всей ХТС состоит из последовательного расчета ее элементов. Очевидно, что данный подход не в состоянии учесть возникновения новых свойств, которые присущи системе в целом.
Существуют и различные комбинации указанных методов.
Чтобы избежать недостатков и трудностей, присущих отмеченным выше способам, и достичь желаемого результата при синтезе оптимальной структуры ХТС, необходимо использовать методы, которые обладают следующими специфическими свойствами:
– минимальным объёмом исходной информации;
– возможностью учета качественно различных требований к свойствам синтезируемой ХТС;
– получением простых структур;
– возможностью диалога между проектировщиком и вычислительной машиной с использованием «личного опыта»;
– возможность нахождения альтернативных структур в районе оптимума;
– применимость к решению больших промышленных задач.
Метод проектирования, обладающий указанными свойствами, появился на Западе во время мирового энергетического кризиса 70-х годов. Этот метод интенсивно развивается в последние два десятилетия и известен под названием «Пинч-анализ».
Основные принципы этого метода рассмотрены в следующих разделах.