3. Введение в пинч-анализ

В соответствии с рассмотренной в предыдущих разделах иерархии ХТС, проектирование начинается с разработки проекта реакторной системы – первого слоя луковичной диаграммы. Затем переходит ко второму слою, в котором совместно рассматриваются системы разделения и рециклы. Результатом выполнения этих двух внутренних этапов должны стать материальный и энергетический балансы ХТС.

Таким образом, нам становится известной тепловая нагрузка и нагрузка на хладагенты для двух внешних слоев луковичной диаграммы (т.е. для теплообменной системы и системы энергоносителей). В большинстве применяемых в настоящее время методов проектирования для полной оценки проекта необходимо выполнить все четыре этапа проектирования, заключенных в луковичную диаграмму, независимо от того, выполняется проектирование «вручную» или с помощью автоматизированных систем.

В пинч-анализе, как мы уже упоминали, целевые значения, которые должен достигнуть проектировщик в результате выполнения проекта, можно получить после выполнения двух внутренних этапов луковичной диаграммы, т.е. мы можем сделать экономическую оценку всего проекта, реально не выполняя проекты для двух внешних слоев диаграммы. Более того, установление целей проектирования позволяет проектировщику вносить улучшения во внутренние слои луковичной диаграммы (реактор, системы разделения и рецикла), что в свою очередь дает возможность корректировать энергетические и инвестиционные данные (цели) для внешних слоев и т. д.

Такой подход позволяет быстро и эффективно проанализировать большое количество альтернативных проектов, которое при полном проектировании и расчете ХТС трудно было бы проанализировать за обозримое время.

Рассмотрим основные понятия пинч-анализа.

1. Построение составных кривых технологических потоков и определение энергетических целей

Рисунок 9.11 – Представление технологических потоков на температурно-энтальпийной плоскости: а– представление горячих потоков:1– конденсация;2 – охлаждение;б– холодные потоки:1– нагревание;2– испарение

Все технологические потоки ХТС можно разделить на две группы. В одну из них войдут те потоки, которые требуют охлаждения перед дальнейшей их обработкой. Мы будем называть такие потоки –горячими потоками. Во вторую группу потоков войдут те потоки, которые необходимо нагреть –холодные потоки.

Изменение теплосодержания технологических потоков удобно анализировать на температурно-энтальпийной диаграмме (рис. 9.11). Горячие технологические потоки принято обозначать вектором, направленным справа налево в температурно-энтальпийных координатах. Это связано с тем, что у горячих тепловых потоков происходит уменьшение их теплосодержания – энтальпии, как при охлаждении, так и при изменении их фазового состояния (рис. 9.11, а).

Аналогично у холодных технологических потоков ХТС при нагревании или изменении их фазового состояния теплосодержание возрастает, и поэтому в координатной плоскости температура – энтальпия такие потоки будут изображаться векторной линией, направленной слева направо.

Следовательно, общее изменение теплосодержания технологического потока в пределах изменения его температуры может быть вычислено с помощью выражения:

. (9.1)

Если теплоемкость вещества потока в пределах изменения температуры Т₁,Т₂остается постоянной, то уравнение (9.1) примет вид:

. (9.2)

Произведение удельной теплоемкостис_ри расходаМпринято называть потоковой теплоемкостью и обозначать идентификатором СР:

. (9.3)

Размерность потоковой теплоемкости определяется как [CP] = = Дж/(Кс).

Рисунок 9.12 – Энтальпийная диаграмма потоков 1 и 2

Рассмотрим систему из двух тепловых потоков. На рис. 9.12 представлена энтальпийная диаграмма этих технологических потоков – потоки изображены отрезками прямых в системе координат.

Первый поток (CP₁= 3 кВт/C) требуется охладить от 100Cдо 60C, а второй поток (CP₂= 4 кВт/C) – нагреть от 50Cдо 80C. Используя зависимость (9.3), определим количество теплоты, требуемое для нагрева потока 2:

С другой стороны поток 1 обладает избытком энергии:

Разность между конечной температурой потока 1 и начальной температурой потока 2 равна 10 C.

Свяжем потоки 1 и 2 противоточным теплообменником, который реализует минимальную температурную разность 10 C, при этом вся избыточная энергия потока 1 передается потоку 2 (рис. 9.13,а,б). Отрезки прямых, соответствующих тепловым потокам на энтальпийной диаграмме,расположены так, что их проекции на осьНполностью перекрывают друг друга.

Рисунок 9.13 – Полная и частичная рекуперация энергии при наличии двух тепловых потоков

Если выбрать теплообменник таким образом, чтобы минимальная температурная разность потоков в нем была 20 C, то количество тепла, переданного от потока 1 к потоку 2,уменьшится до 90 кВт. При этом потребуется охлаждение потока 1 на 30 кВт с помощью внешнего хладагента и нагрев потока 1 на 30 кВт с помощью внешнего источника энергии (рис. 9.13в,г). Отрезки, изображающие потоки, смещены друг относительно друга так, что минимальное расстояние между ними по осиТравно 20C. При этом участок осиН, который является общим для проекций обоих отрезков, представляет собой энергию рекуперации.

Анализ двухпотоковой технологической схемы позволяет сделать следующие выводы.

Во-первых: совместное построение температурно-энтальпийных графиков технологических потоков позволяет определить минимально необходимые значения горячих энергоносителейи холодных энергоносителейдля каждого заданного значения, т.е. существует корреляция между значениямии,. Здесь стоит отметить, что значениене может быть больше разности начальных температур горячего и холодного потока.

Во-вторых: если к процессу подводить бóльшую мощность, то и отводить от него необходимо бóльшую мощность, т.е.

.

Кратко это можно сформулировать следующим образом: «Больше вошло, больше вышло».