- •Раздел іі тепловые процессы
- •Основы теплопередачи
- •Основные понятия и определения
- •Теплофизические свойства веществ
- •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 226
- •Глава 9 основные принципы интеграции тепловых процессов 302
- •Глава 10 выпаривание 338
- •Раздел II. Тепловые процессы
- •Глава 7 Основы теплопередачи 108
- •Глава 8 Нагревание, охлаждение, конденсация 226
- •Глава 9 основные принципы интеграции тепловых процессов 302
- •Глава 10 выпаривание 338
-
Химико-технологическая система как объект проектирования
Как уже отмечалось выше, ХТС являются структурно сложными объектами, состоящими из различных химико-технологических процессов, в каждом из которых происходят различные физико-химические преобразования.
Для получения из исходного сырья готовой продукции необходимо выбрать необходимые процессы (смешение, нагревание, химические реакции, разделение смеси и т.п.) и объединить их с помощью технологических потоков в технологическую схему химического производства, т.е. синтезировать ХТС. После синтеза структуры ХТС приступают к построению ее математической модели.
Математическая модель ХТС представляет собой систему уравнений математического описания, отражающих сущность явлений, протекающих в объекте моделирования, которая с помощью определенного алгоритма позволяет прогнозировать поведение объекта при изменении входных и управляющих параметров. Условное изображение ХТС с основными группами параметров представлено на рис. 9.2.
Рисунок 9.2 –
Структура ХТС с основными группами
параметров
Под управляющими понимают параметры, на которые можно воздействовать в соответствии с необходимостью управления процессами. Такими параметрами обычно являются расход сырья или энергоресурсов, температура, давление и т.д.
К выходным параметрам обычно относят характеристики получаемых продуктов (расход, состав, температура, давление и др.).
Математическая модель позволяет прогнозировать поведение ХТС. С помощью математической модели можно рассчитать значения расходов, составов, температур и других параметров продуктов. Она также позволяет рассчитывать геометрические размеры машин и аппаратов, прогнозировать расход сырьевых и энергетических ресурсов.
Более подробно вопросы анализа, синтеза, оптимизации и эксплуатации ХТС рассматриваются в специальных учебных дисциплинах. Мы же рассмотрим только основы проектирования ХТС.
-
Рисунок 9.3 – «Луковичная» диаграмма
Ввиду большой сложности процедура системного проектирования ХТС не может быть проведена в один этап. Поэтому для проектирования сложных ХТС разработана определенная последовательность этапов проектирования, представляющая собой последовательную многоступенчатую процедуру, которую часто сравнивают с луковицей, также имеющей сложную слоистую структуру.
«Луковичная» диаграмма, (рис. 9.3) разработанная Линнхоффом (Манчестерский институт науки и технологии) изображает иерархию проектирования химико-технологического процесса.
Рисунок
9.4 – Схема потоков реактора:
С –
сырье; П – продукт
Основными этапами проектирования реакторов в ХТС являются:
1) выбор маршрутов химического синтеза молекул заданного целевого продукта с учетом сырья и известных химических реакций;
2) выбор типа и конструкции реактора:
– непрерывного или периодического действия;
– емкостные или трубчатые реакторы;
– изотермические, адиабатические или политропические реакторы;
3) выбор структуры реакторной подсистемы:
– одиночный реактор;
– реакторы, соединенные параллельно или последовательно;
– реакторная система с рециклом или без него;
4) расчет технологических показателей эффективности каждого реактора и реакторной системы в целом:
– степени превращения;
– селективности;
– выхода продукта.
При расчете и оптимизации реакторной подсистемы можно использовать модели реакторов идеального смешения, идеального вытеснения, модели с перемешиванием и модели каскадов реакторов.
В результате выполнения проекта системы химических реакторов становятся известными такие величины как выход конечного продукта и выход непрореагировавших веществ, которые являются исходными данными для проектирования системы разделения и системы рециркуляции непрореагировавшего вещества. Следовательно, после проектирования реакторов следует проектирование систем разделения и рециркуляции, которые представляют собой второй слой луковичной диаграммы (рис. 9.5).
Рисунок 9.5 –
Схема системы разделения
Рисунок
9.6 – Система теплообмена: О –
охлаждение; Н – нагревание
Как видно из рис. 9.6, часть требуемой тепловой нагрузки ХТС можно обеспечить за счет рекуперации теплоты технологических потоков. Оставшаяся часть тепловой нагрузки требует подвода внешних источников энергии, например, греющего пара, необходимого для подогрева смеси в кубе колонны, или охлаждающей воды для конденсации пара дистиллята.
После того, как выполнен проект теплообменной системы процесса, становятся известными параметры внешних энергоносителей, необходимые для достижения поставленных перед ХТС целей. Эти параметры становятся исходными для проектирования системы внешних энергоисточников и энергоносителей. Проектирование этой системы является четвертым этапом всей процедуры проектирования, а сама система – четвертым слоем луковичной диаграммы (рис. 9.7).
Следуют еще раз подчеркнуть, что все этапы и процедуры проектирования ХТС взаимосвязаны и взаимообусловлены.
Рисунок 9.7 – Схема процесса и системы теплообмена
Рисунок
9.8 – Модификация системы
реактор –
разделение
Если мы будем рассматривать изменения в процессе, протекающем в химическом реакторе таким образом, что будет увеличиваться степень превращения исходного сырья, то это приведет к увеличению выхода продукта, меньшим затратам на разделение, уменьшению потока рециркуляции и к снижению общей стоимости проекта. Следовательно, перед началом проектирования теплообменной системы мы будем иметь лучшую структуру ХТС (следует отметить, что возможно и обратное влияние). Таким образом, изменения в процессе вызывают изменения в теплообменной системе и в количестве потребляемых внешних энергоносителей.
Аналогично изменения в теплообменной системе будут вызывать изменения и в химическом процессе, и в требованиях к внешним энергоносителям (рис. 9.9).
Рассмотрим пример улучшения проекта с помощью пинч-анализа. На рис. 9.10, а представлена основная часть взаимодействующих потоков некоторого химического процесса, спроектированная без использования методов пинч-анализа.
Рисунок
9.9 – Проектное взаимодействие между
слоями луковичной диаграммы
Рисунок 9.10 – Схема технологического процесса: а – до реконструкции; б – после реконструкции
Поскольку методы пинч-анализа позволяют устанавливать цели проектирования (оптимальные значения выбранных целевых функций) еще до создания проекта теплообменной системы, выберем в качестве таковых:
– число теплообменников в системе;
– общую поверхность теплообмена;
– параметры потребляемых энергоносителей.
Результат проектирования системы с использованием пинч-анализа представлен на рис. 9.10, б.
В итоге из исходного проекта было полностью исключено использование охлаждающей воды, потребление энергии снижено на 38 %, число теплообменников сократилось вдвое, а их общая поверхность теплообмена уменьшена на 15 %.
В заключение отметим применимость методов пинч-анализа и те улучшения, которые позволяет сделать интеграция процесса:
1) качественное улучшение процесса проектирования;
2) снижения затрат на энергоносители;
3) уменьшение выбросов вредных веществ в окружающую среду;
4) снижение капитальных затрат;
5) увеличение производительности производства;
6) применимость для всех производственных процессов;
7) использование как для новых проектов, так и для реконструкции действующих предприятий.