Пинч / Смит Р.,Клемеш Й.,Товажнянский Л.Л.,Капустенко П.А.,Ульев Л.М.-- Основы интеграции тепловых процессов (2000)
.pdf330 |
Глава 8 |
|
|
ся дополнительные нагрузки для системы охлаждения. Вследствие этого вся процедура определения капитальных вложений и стоимости потреб- ляемой энергии будет исключительно громоздкой.
Если мы воспользуемся свойствами Большой эксергетической со- ставной кривой, показывающей потери эксергии в системе, то мы можем установить целевые значения для проекта, не прибегая к самому проекти- рованию системы охлаждения. Действительно, на рисунке 8.11а показана Большая эксергетическая составная кривая с одним уровнем охлаждения.
Заштрихованная область между Большой составной кривой процесса и уровнем охлаждения численно определяет потери эксергии в системе ох- лаждения. Мы можем ввести новый уровень охлаждения, как показано на рис. 8.11б, и тем самым уменьшить величину эксергетических потерь в
ηc
α |
H
WA |
ExA |
WБ |
ExА- α |
|
Охлаждение |
Охлаждение |
|||
|
|
1 |
(α) |
W = WA - WБ = ηex |
|
а |
б |
Рис. 8.11. Изменение системы охлаждения с одним уровнем охлаждения – (а) на систе- му охлаждения с двумя уровнями – (б) приводит к уменьшению потребления внешней
мощности на величину пропорциональную α
системе охлаждения на величину α. После этого, считая эксергетический к.п.д. системы охлаждения ηе постоянным, мы можем определить на какую величину уменьшится механическая мощность, потребляемая системой при введении нового уровня охлаждения:
W |
− W = |
α |
. |
(8.7) |
|
||||
A |
B |
ηe |
|
|
|
|
|
Пинч-анализ наиболее распространенных процессов химической технологии |
333 |
шаться (рис. 8.12), и, как следует из (8.7), изменение заштрихованной час-
ти будет пропорционально изменению целевого значения механической работы охладительных циклов.
Описанный подход использовался в [20] для предсказания целевой механической мощности системы низкотемпературного охлаждения (рис. 8.13б). Эти два проекта имеют различные теплообменные сети и системы охлаждения. С помощью введения новых эксергетических уровней можно предсказать общее уменьшение потребления мощности на Н = 3,83 МВт.
Более детальное моделирование проектов А и В показывает возможность уменьшения мощности на Н = 3,76 МВт, т.е. различие между определе- нием целей с помощью Большой составной кривой и выполненной мате- матической моделью проекта составляет всего ~ 1.9%.
На рисунках 8.14 и 8.15 показано применение рассмотренных нами методов к процессам низкотемпературной дистилляции. На рисунке 8.14б внешняя кривая является Большой эксергетической составной кривой про- цесса и строится она, как мы помним, из потоковых данных. На этой ста-
дии инженер свободен в выборе взаимодействия между промежуточными кипятильниками, конденсаторами и другими элементами проекта.
ηС |
ηС БЭСК |
Окружающая Среда |
Окружающая Среда |
В |
Б |
|
А |
||
|
Н Н
а |
б |
в |
Рис. 8.14. Два этапа применения пинч-анализа к выполнению проектов низкотемпера- турной дистилляции. Первый: каждая колонна основного процесса – а проектируется самостоятельно с оптимизацией приведенных затрат. Затем строится центральный профиль процесса – б и Большая эксергетическая составная кривая – в. Область между этими кривыми определяет энергопотребление промежуточных потоков и конденсато-
ров
Внутри БЭСК находится, так называемый, центральный профиль процесса (ЦПП), и строится он на основании колонных профилей. Окру- жен этот профиль областью, показывающей общие обратимые изменения эксергии процесса. Внешняя часть БЭСК представляет действительные (необратимые) эксергетические потери в системе. Если мы введем утилит- ные уровни, то область между утилитными уровнями и БЭСК даст точное
Пинч-анализ наиболее распространенных процессов химической технологии |
335 |
оптимизация выпускаемой продукции и эффективность энергопотребле- ния.
8.4. Интеграция периодических процессов
Периодические процессы могут быть вполне определенными и мно- гоцелевыми, существуют также циклические непериодические процессы.
Определенные и циклические производства часто встречаются в пищевой и виноводочной промышленности. Многоцелевые и нерегулярные процес- сы можно встретить в полимерной промышленности, фармацевтической промышленности и на других производствах, где продукция выпускается малыми объемами.
Понятно, что сама концепция интегрирования процессов применима скорее к определенным и циклическим периодическим процессам, чем к нерегулярным или многоцелевым. Однако промышленный опыт показыва- ет значительные возможности увеличения прибыли в результате примене- ния интеграции в процессах, относящихся к периодическим или полупе- риодическим процессам и перекрывающим всю область от определен- ных/циклических до многоцелевых/нерегулярных. Результатом примене- ния интеграции обычно является: устранение узких мест производства, снижение себестоимости и увеличение качества продукции, уменьшение брака, уменьшение времени цикла производства и т.д.
Периодические процессы лимитируются обычно следующими че- тырьмя ключевыми параметрами:
∙материальный поток (например, ожидание следующей загрузки);
∙тепловой поток (например, ожидание достижения регламенти- руемых температур);
∙емкость оборудования (например, ожидание опорожнения сле- дующего сосуда);
∙труд (например, ожидание следующей смены).
Эти параметры обычно взаимодействуют, и тепловые потоки, при этом играют существенную роль в технической реализации процесса. Ма- териальный поток может зависеть от скоростей нагрева, загрузки или ох- лаждения продукта. Емкость оборудования может лимитироваться време- нем пребывания продуктов в реакторе, которое, в свою очередь, будет ли- митироваться теплообменом. Качество разделения может лимитироваться возможными температурными пределами и т.д. Выполнение энергоаудита для периодических процессов обычно позволяет добиться успехов в:
∙увеличении производительности,
∙улучшении качества продукции,
∙уменьшении удельного энергопотребления.
Естественный вопрос, который возникает перед инженером при ана- лизе периодических процессов, это: каким образом включить временной
336 |
Глава 8 |
|
|
масштаб процесса в создаваемую модель? Для этого уже разработаны раз- личные правила и процедуры. Например, модель усреднения во времени, модель временного расслоения, модель временной диаграммы событий [28], каскадная модель [29], модель утилитных кривых периодических процессов [30, 31] и т.д. Простой пример успешного интегрирования пе- риодических процессов приведен на рисунках 8.16 и 8.17.
Сырье 10° |
110° |
ОВ |
50° |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Пар |
|
|
|
|
|
Р1 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100° |
|
|
|
10° |
135° |
ОВ |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Р1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Колонна |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пар |
|
134° |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Колонна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОВ |
Р2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
35° |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Время |
|
|
|
|
Продукт |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8.16. Диаграмма событий процесса и технологическая схема простого периодиче- ского процесса. Реактор №2 лимитирующий
На рисунке 8.16 показана технологическая схема циклического пе- риодического процесса, но с общей нерегулярностью выпуска продукции и с многоцелевыми реакторными емкостями. Слева внизу этого рисунка приведена временная диаграмма событий для рассматриваемого процесса. Время цикла в исходном процессе равно 5,6 часа, а лимитирующим явля- ется реактор №2.
На рисунке 8.17 представлен проект реконструкции исходного про- цесса и временная диаграмма событий. Здесь производительность реактора №1 увеличена за счет организации подогрева продукта во время его за- грузки в реактор. Производительность реактора №2 увеличена за счет предварительного подогрева исходного сырья и охлаждения продукта. Эти
мероприятия интегрированы с целью рекуперации тепловой энергии за счет введения дополнительной накопительной емкости. Вследствие этого, время цикла уменьшилось до 3,25 часов, а производительность возросла на
72%.
Пинч-анализ наиболее распространенных процессов химической технологии |
337 |
Как указывалось выше, концепция интегрирования в периодических процессах совсем неочевидна, но, как показывает мировой опыт, примене- ние пинч-анализа к периодическим процессам довольно часто приводит к эффектам более значительным, чем в случае непрерывных процессов.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОВ |
|
|
110° ОВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Сырье 10° |
|
|
60 |
° |
|
|
|
|
|
|
50° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Р1 |
|
ОВ |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
Р1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Колонна 78° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
135° |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пар |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
134 |
° |
||||||||||||||||
Колонна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продукт |
ОВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р2 |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Р2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
35° |
|
|
|
140° |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Время |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15° |
|
|
|
|
Накопительный |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
бак |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8.17. Проект реконструкции для процесса на рис. 8.16
Более поздние методы, развитые для периодических процессов, чи- татель может найти в работах [9, 31].
338 |
Глава 9 |
|
|
Глава 9
ИНТЕГРАЦИЯ ПРОЦЕССОВ В ПРЕДЕЛАХ ПРОИЗВОСТВЕННО-ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
Интеграция в пределах большого производственно- территориально- го комплекса возвращает нас к истокам пинч-анализа, т.е. к оптимизации теплоэнергетических систем промышленных предприятий. Но в отличии от традиционного пинч-анализа, интеграция производственных комплек- сов выводит нас за границы индивидуальных процессов.
Типичные процессы нефтеперерабатывающих производств, основ- ных химических производств, производств пищевой и углехимической промышленностей располагаются на территории больших производствен- ных комплексов, которые, как правило, снабжаются энергией (пар, элек- троэнергия) от одной централизованной утилитной системы (теплоэлек- троцентраль). Схематически промышленно-территориальный комплекс изображен на рис. 1.14, где мы видим несколько отдельных процессов, ко- торые снабжаются энергией от одной центральной утилитной системы. Потребление пара в качестве горячей утилиты и использование пара, по- лучаемого в процессе производства, происходит через паровые магистрали комплекса. Утилитная система, потребляя природное топливо (газ, уголь и т.д.), производит энергию, которой и снабжает процессы в производствен- ном комплексе (рис. 1.14). Для передачи пара разного уровня, как правило, используется несколько паровых магистралей. Заметим, что если количе- ство энергии, генерированной в процессе, превосходит потребности самого процесса, то эта энергия может быть экспортирована за его территорию и, соответственно, наоборот. Потребление холодных и горячих утилит может быть определено с помощью больших составных кривых, но поскольку производственный комплекс может включать несколько процессов, то утилиты, необходимые в каждом отдельном процессе, могут иметь различ- ный энергетический уровень, а разность этих уровней может, очевидно,
служить потенциалом для энергосбережения и когенерации электрической энергии. Поэтому для корректного использования энергетических ресурсов в больших производственно-территориальных комплексах в пинч-анализе разработаны специальные методы, к рассмотрению которых мы сейчас и приступим.