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

Предполагая, что Тmin = 5°С, необходимо:

а) построить каскад тепловых потоков и нарисовать большую со- ставную кривую для данных из таблицы 5.4, определить целевые энерге- тические значения, и также определить температуры и нагрузки охлажде- ния, если предполагается использовать два уровня охлаждения;

б) вычислить мощность, которую необходимо подводить к охлади- тельной системе, чтобы передать теплоту охлаждающей воде, которая при этом нагревается от 20°С до 25°С. Для вычисления необходимой внешней мощности может быть использована аппроксимация (5.7);

в) теплота, отдаваемая охладительным циклом процессу, может быть использована для уменьшения потребления внешней энергии. Предложить схему и вычислить возможную экономию энергии.

Решение.

а) Сначала вычислим сдвинутые границы температурных интервалов для рассматриваемого процесса (табл. 5.5).

Таблица 5.5. Сдвинутые температуры для данных таблицы 5.4 и

Тmin = 5°С.

Используя значения потоковой теплоемкости и сдвинутых интер- вальных температур, строим каскад тепловых потоков между интервалами

(рис. 5.44).

Спомощью построения теплового каскада определяем целевые энер-

гетические значения: QHmin = 18,4 МВт, QСmin = 18,4 МВт, а также пинч- температуру холодных потоков, равную -19°С, и горячих потоков -24°С.

Спомощью этих данных и каскада тепловых потоков строим боль- шую составную кривую рассматриваемого процесса (рис. 5.45 а), что по-

зволяет определить тепловые нагрузки на обоих уровнях охлаждения

(табл. 5.6).

Таблица 5.6. Уровни охлаждения и их тепловые нагрузки.

Схема двухуровневой системы охлаждения показана на рис. 5.45 б.

б) при вычислении работы, необходимой для выполнения холодиль- ного цикла, сначала определим температуру, на которой теплота будет от- даваться охлаждающей воде. С учетом того, что Тmin = 5°С получим:

TH = 25 + 5 = 30 + 273 = 303K.

Тогда необходимая работа для охлаждения первого уровня опреде- лится, как:

= 10,4 × 303 - 248 =

W1 0,6 ( 248 ) 3,8 МВт,

второго уровня:

= 8,0 × 303 - 228 =

W2 0,6 ( 228 ) 4,4 МВт.

И, следовательно, общая электрическая мощность, необходимая для пере- дачи теплоты охлаждающей воды, равна:

Wоб = W1 + W2 = 3,8 + 4,4 = 8,2 МВт.

в) Давайте сейчас предположим, что часть теплоты, которая потребляется на уровне 2, может отводиться к процессу выше пинча, как это показано на рис. 5.46 а.

Принципиальная схема аппаратурного оформления такого процесса показана на рис. 5.46 б. С помощью БСК мы определяем, что на темпера- туре 5°С (учитывая, что Тmin = 5°) необходимо подвести к процессу QН = 5,4 МВт мощности. Тогда мощность, которую необходимо будет отводить от второго уровня охлаждения, будет равна QC = QH – W, где W – работа, совершаемая за счет внешней энергии, которая преобразуется в теплоту и также эжектируется в процесс. Необходимую внешнюю работу мы можем определить из выражения:

Т , K, °С

Дроссельный клапан

Дроссельный

клапан

Рис. 5.45. Двухуровневая система охлаждения для низкотемпературной дистилляции: (а) – БСК и профили уровней охлаждения; (б) – схема двухуровневой системы охлаж-

дения

W =1,4 МВт.

Следовательно, QС = 5,4 – 1,4 = 4,0 МВт, и тогда от второго уровня необходимо отвести мощность равную, 8,0 – 4,0 = 4,0 МВт. Эта мощность с помощью холодильных циклов отводится к охлаждающей воде.

Т , K °С

290 20

(а)

Охлаждение водой

Процесс

Дроссельные клапаны

Уровнь 1

Дроссельный клапан

W

Уровень2

(б)

Рис. 5.46. Двухсторонняя система охлаждения для низкотемпературной дистилляции с частичным отводом теплоты в процесс: (а) – БСК, профили уровней охлаждения и пути переноса теплоты холодильными циклами; (б) – схема двухуровневой системы охлаж-

дения с частичной передачей теплоты в процесс

Большая составная кривая показывает, что на температуре 20°С к процессу необходимо подводить 13,0 МВт энергии. Учитывая, что Тmin = 5°, то передача теплоты должна производиться на 25°С. Поскольку режек- ция теплоты производится на 30°С, передача теплоты процессу на 25°С не-

M

Рис. 6.2. Увеличение расхода рецикла в реакторно-разделительной системе повлечет за

собой изменение в утилитной системе

Т

А В С Испарение

Н

Рис. 6.3. Увеличение тепловой нагрузки на испарение выше пинча вызывает увеличе-

ние горячей утилиты

На рисунке 6.2 показан процесс, включающий реактор, систему раз- деления и тепловую нагрузку, необходимую для испарения при разделении смеси. Как правило, кубовый остаток колонны не представляет большой коммерческой ценности, но он может содержать значительное количество продукта, который экстрагируется на верху колонны. Поэтому, если мы увеличим расход в рецикле, уменьшая тем самым выход кубового остатка, мы увеличим выход более ценного продукта на верху колонны и, следова- тельно, увеличим прибыльность всего процесса. Однако, увеличивая рас-

ход рецикла, мы сталкиваемся с необходимость увеличить тепловую на- грузку, требующуюся для выпаривания.

Тепловая нагрузка, необходимая для разделения смеси, если оно происходит выше пинча, может быть подведена как непосредственно от горячей утилиты, так и от горячих потоков. Строго говоря, увеличение

расхода рецикла будет приводить к увеличению расходов многих других потоков ХТС, многие из которых напрямую не связаны с увеличивающим- ся потоком дистиллята. Но изменение расхода в рецикле преобладающий

Т

испарение

В А

Н

Рис. 6.4. Увеличение тепловой нагрузки на испарение ниже пинча вызывает уменьше-

ние холодной утилиты

эффект оказывает на величину расхода теплоносителя, подводящего теп- лоту к процессу испарения. Если этот процесс располагается в подсистеме, находящейся выше пинча, то независимо от того, подводится энергия от горячей утилиты или от горячих потоков, горячая утилита при увеличении расхода в рецикле должна быть увеличена (рис. 6.3).

Если же процесс испарения расположен в подсистеме, находящейся ниже пинча, холодная утилита при увеличении расхода в рецикле будет уменьшаться (рис. 6.4).

Рассмотрим еще один пример с системой разделения. При увеличе- нии флегмового числа ректификационной колонны ее стоимость уменьша- ется. Действительно, если рассматривать автономную ректификационную колонну (рис. 6.5), то с увеличением флегмового числа от его минимально- го значения, число тарелок в колонне будет уменьшаться от бесконечной величины, а значит, стоимость колонны будет также уменьшаться (рис. 6.6). Но с увеличением флегмового числа R будет расти и потребление