Ist die Erwärmung des Reboilers mit überhitztem Dampf sinnvoll?
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Wie im Titel erwähnt, verwendet man bei der Konstruktion von Destillationskolonnen üblicherweise überhitzten Dampf mit einem Druck von 0,55 MPa zur Erwärmung des Reboilers – in der Regel handelt es sich dabei um gesättigten Dampf. Gibt es irgendwelche Probleme damit, den Reboiler mit überhitztem Dampf zu erhitzen? Bitte geben Sie mir, den Lehrern, ein paar Ratschläge! Danke!
Hat ein großer Temperaturunterschied sowie hohe Temperaturen Auswirkungen auf das Prozessmedium?
Das Prinzip des Reboilers besteht darin, der Destillationskolonne eine Wärmequelle zuzuführen und so die leichten Bestandteile in der Kolonnenbasis weiter zu verdampfen. Bei großen Temperaturunterschieden nimmt die Menge der verdampfenden schweren Bestandteile zu, was die Steuerung der Destillation erschwert. Zudem kann es bei Vorhandensein koksbildender Bestandteile in der Kolonnenbasis zu Koksbildung kommen, wenn die Temperatur zu hoch ist
Einige Medien können aufgrund von lokaler Überhitzung zerfallen oder verkoken usw. In solchen Fällen ist es notwendig, den Druck und die Temperatur zu senken, andernfalls ist das nicht erforderlich.
Ich denke, die indirekte Erwärmung ist deshalb möglich
Wenn das zu erwärmende Medium hohen Temperaturen standhält, sollte es kein Problem geben (Überhitzdampf bei 0,55 MPa erreicht in der Regel nicht mehr als 300 Grad), doch in der Praxis neigen Wärmetauscher dazu, undicht zu werden.
Prüfen Sie, ob der Wärmetausch mit gesättigtem Dampf besser ist oder der mit überhitztem Dampf
Diesen Beitrag hat zuletzt arpcd am 24.11.2016 um 06:10 bearbeitet. Es scheint, als wäre der Verfasser des Beitrags noch Anfänger – dazu gibt es am Ende des Beitrags Gründe. Die Probleme eines Anfängers lassen sich wie folgt beschreiben: In der Niederlassung xx der Hauptfabrik gibt es einen Reboiler E101, der zur Erwärmung der Materialien mit gesättigtem Dampf verwendet wird. Es handelt sich dabei um einen vertikalen Rohrgehäuse-Wärmetauscher – also um den einfachsten Typ von Wärmetauschern. Der Betrieb dieses Geräts verläuft normal und das Gerät ist in gutem Zustand. Nun wird das Dampfsystem der Hauptfabrik umgebaut, damit beim Transport des Dampfs über lange Strecken so wenig Kondenswasser entsteht wie möglich – dadurch soll die Effizienz der Dampfnutzung erhöht werden. Deshalb sollen alle Niederlassungen ihre eigenen Dampfanlagen überprüfen. Im Zuge der Umgestaltung des gesamten Werks muss die Technische Abteilung der Zweigstelle XX Berechnungen für E101 durchführen – nämlich ob es möglich ist, den bisher verwendeten gesättigten Dampf durch Überhitzten Dampf unter denselben Druckbedingungen zu ersetzen Es werden Bewertungen zu Faktoren wie Energieverbrauch, Prozesskennzahlen und Anlagensicherheit vorgenommen, damit das Technologie- und Modernisierungsbüro die nachfolgenden Modernisierungsarbeiten planen kann. Um eine Antwort zu erhalten, können Sie den oben genannten Fall virtuell nachstellen, tatsächlich berechnen und zu einem Ergebnis kommen. Woher kommt die Erfahrung der Profis? Berechnet. . . . Beginn der Szenenspiel: Die Parameter des Wärmeaustauschers E101 sowie der verwendeten Dampfparameter sind wie folgt. Da es sich um einen in Betrieb befindlichen Apparat handelt, gelten alle unten angegebenen Werte als tatsächliche Werte – das ist sehr wichtig. Die Wärmeaustauschoberfläche beträgt F=40 m², der maximale Wärmeübergangskoeffizient liegt bei Kmax=500 W/m²·℃. Die durchschnittliche Temperaturdifferenz beim Wärmeübergang beträgt T=50℃ (die Verdampfungstemperatur des Mediums liegt bei 112℃). Die maximale Leistung, die im Betrieb erreicht werden kann, beträgt Qmax=1000 kW ； Verwendet wird gesättigter Dampf mit einem Druck von 0,55 MPaG (Nenndruck). Der Dampf kondensiert bei der Sättigungstemperatur: P = 0,55 MPaG, T = 162 °C. Die spezifische Enthalpie des Dampfs beträgt H = 2760 kJ/kg. Die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck ist Cp = 2,5129 kJ/kg·°C. Die spezifische Enthalpie des gesättigten Wassers beträgt H0 = 685 kJ/kg. Somit beträgt die Latenzwärme bei der Kondensation des Dampfs r = 2760 – 685 = 2075 kJ/kg. Bei einer gegebenen Wärmebelastung von 1000 kW beträgt der Dampfverbrauch W = 1735 kg/Stunde. Und Sie als Hauptfigur in dem Stück – der Techniker der XX-Produktionsstätte – haben die Aufgabe, zu überprüfen, ob dieses verdammte E101 tatsächlich mit Überhitzungsdampf betrieben werden kann. Zudem müssen Sie den Energieverbrauch, die Prozessparameter sowie die Sicherheit der Geräte bewerten. Das ist alles Teil Ihrer Aufgaben. Wenn die Arbeit nicht erledigt oder schlecht gemacht wird, ist der Vorgesetzte unzufrieden – dann ist die Leistungsbewertung am Jahresende definitiv im Eimer! ! Die von den Leuten vom Technischen Umwandlungsbüro angegebenen Parameter für den überhitzten Dampf lauten wie folgt: P=0,55 MPaG, T=262 °C, Überhitzungstemperatur 100 °C, spezifische Enthalpie H=2981 kJ/kg, spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck Cp=2,1047 kJ/kg·°C, spezifische Enthalpie des gesättigten Wassers H0=685 kJ/kg. Dadurch beträgt die Gesamtenergie, die beim Kondensieren des überhitzten Dampfs zu gesättigtem Wasser benötigt wird, r=2981–685=2297 kJ/kg.
Nun zu den drei wichtigsten Aspekten: Energieverbrauch, Prozessparameter sowie Sicherheit der Anlagen. 1. Energieverbrauch: Dieser lässt sich einfach berechnen. Unter der Annahme, dass der überhitzte Dampf vollständig im Wärmetauscher kondensiert werden kann, wird die Anforderung an die Prozesswärmebedarf erfüllt. Die Menge an Dampf, die benötigt wird, beträgt W=Q/r=1000·3600/2297=1567 kg/h. Im Vergleich zu den ursprünglich benötigten 1735 kg/h bedeutet das eine Reduzierung um 1735–1567=168 kg/h – das entspricht einem Anteil von 9,7%, also fast 10%. Die vorhandenen Dampfleitungen und Ventile können weiterhin verwendet werden. . Der Leiter hörte das und sagte: „Oh, der Verbrauch wird geringer, und die Rohrleitungsventile können weiterverwendet werden – das ist ja großartig.“ (Entschuldigung, Chef, aber die schlechten Nachrichten kommen normalerweise erst am Ende.) . 2. Prozessparameter: Zunächst müssen Sie überprüfen, ob die Wärmeaustauschfläche von E101 ausreicht – also ob die Wärmeaustauschfläche von E101, die mit überhitztem Dampf in Berührung kommt, den Anforderungen des Prozesses entspricht. Andernfalls sind die in Schritt 1 ermittelten Verbrauchswerte völlig unbrauchbar. Aufgrund der Verwendung von überhitztem Dampf muss in E101 zwangsläufig zwischen einer Phase mit spezifischer Wärme und einer Phase mit latenter Wärme unterschieden werden. Der Dampf kann erst dann kondensieren, nachdem die Überhitzung von 100 °C aufgebraucht wurde. Dies geschieht in zwei Schritten: Zunächst wird der Dampf auf 262 °C abgekühlt, anschließend auf 162 °C. Der erste Schritt gehört zur Phase mit spezifischer Wärme, der zweite Schritt zur Phase mit latenter Wärme. Wenn die Wärmebelastung konstant bleibt – also weiterhin 1000 kW – kann man die Wärmebelastung für jede dieser Phasen separat berechnen. Für die Phase mit spezifischer Wärme gilt: Cp = (2,5129 + 2,1047) / 2 = 2,3088 kJ/kg·°C. Die Wärmebelastung Q1 beträgt daher: Q1 = WCpΔT = 1567 × 2,3088 × 100 = 361.842 kJ/Stunde = 101 kW. Das entspricht etwa 10 % der Gesamtbelastung ； Schwachwärmestufe: Einfach – 1000 – 101 = 899 kW. Wenn man die Starkwärmestufe abzieht, bleibt 899 kW übrig. Das entspricht 90 % der gesamten Wärmebelastung. Berechnung der Fläche: Die Schwachwärmestufe macht 90 % aus. Da diese Stufe den ursprünglichen Betriebsbedingungen entspricht, kann man mit einem Rabatt von 10 % rechnen. Somit beträgt F = 40 × 90 % = 36 m². Das bedeutet, dass von den 40 m² Austauschfläche 36 m² für die Schwachwärmestufe benötigt werden, während die restlichen 4 m² für die Starkwärmestufe verwendet werden. Kann das so den Prozess von 262 bar Dampf zu 162 bar Dampf ermöglichen? Auch die Berechnung des spezifischen Wärmetransfers ist nicht schwierig. Für den Wert des Gesamtwärmeübergangskoeffizienten ist etwas Erfahrung erforderlich. Im Allgemeinen ist der Wärmeübergangskoeffizient auf der Seite der Gasphase sehr niedrig. Der Grund dafür, dass der E101 einen Gesamtwärmeübergangskoeffizienten von bis zu 500 aufweist, liegt darin, dass auf einer Seite Dampf kondensiert und auf der anderen Seite eine gesättigte Lösung verdampft – beides sind Phasenwechselprozesse. Dadurch sind die Wärmeübergangskoeffizienten sehr hoch. Wenn überhitzter Dampf verwendet wird, liegt der Wärmeübergangskoeffizient auf dieser Seite in der Größenordnung von einigen Dutzend – es ist kaum möglich, diesen Wert über 100 zu bringen. Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wird in der Regel vom niedrigeren Wert bestimmt. Es ist also sinnlos, wenn der Wert auf der Seite der Verdampfung zu hoch ist. Man kann hier mit einem Wert von K=100 rechnen. Es handelt sich schließlich nur um eine Schätzung – es macht nichts, wenn die Simulation nicht perfekt ist. Fehler sind erlaubt. Die Wärmelast ist bekannt. Den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten haben Sie mit 100 geschätzt. Der verbleibende Temperaturunterschied kann dann berechnet werden. Dabei wird der durchschnittliche logarithmische Temperaturunterschied verwendet: Temperaturunterschied am kühlen Ende: 162–112 = 50 °C; Temperaturunterschied am heißen Ende: 262–112 = 150 °C. Der logarithmische Temperaturunterschied T beträgt (150–50)/ln(150/50) = 91 °C. Beachten Sie, dass der Temperaturunterschied sehr wichtig ist – darauf wird später noch eingegangen. F = Q / (T × K) = 101 × 1000 / (91 × 100) = 11 m². Das bedeutet, dass man eine Wärmeübertragungsfläche von 11 m² benötigt, um die Anforderungen im Bereich der Sensible-Wärme zu erfüllen. Insgesamt sind also 11 + 36 = 47 m² an Wärmeübertragungsfläche erforderlich, um die Anforderungen bezüglich des Einsatzes von Überdampf zu erfüllen. Doch das Modell E101 verfügt nur über eine Fläche von 40 m² – ein Problem, das sowohl die Technikabteilung als auch die Leitung vor Herausforderungen stellt. Wie groß kann die Wärmebelastung dieses aktuellen E101 sein? 11 m² wurden verwendet, um den überhitzten Dampf abzukühlen. Die verbleibenden 29 m² können eine Wärmebelastung von Q2 = FxKxT = 29 × 500 × 50 = 725.000 W = 725 kW bewältigen. Das bedeutet, dass das vorhandene E101 nach Verwendung des überhitzten Dampfs maximal eine Wärmebelastung von Qmax = 101 + 725 = 826 kW bewältigen kann (100 ist dabei der maximale Wert für K). Im Vergleich zu den Anforderungen von 1000 kW ergibt sich ein Mangel von 1 – 826/1000 = 17,4 %. Mit anderen Worten: Die Verdampfungsmenge auf der Mediumseite ist um 18 Prozent geringer – und das bei einem Wert von K von 100. In der Regel liegt der Wert von K selten über 100. . Der Vorgesetzte fragt dich unbewusst: Könntest du die Dampfdosierung erhöhen? Wer hat denn festgelegt, dass du nur eine Durchflussrate von 1567 kg/h verwenden darfst? Ist es in Ordnung, wenn du 2000 kg/h verwendest? Zwei Tonnen Dampf pro Stunde – unsere Niederlassung kann sich das leisten. Geld ist kein Problem. . Führungskräfte sind wirklich äußerst anspruchsvoll – sie schimpfen zwar, aber was abgerechnet werden muss, wird trotzdem abgerechnet. In solchen Fällen kann man Grenzwerte festlegen, also die maximal zulässigen Betriebsbedingungen für die Anlage. Bei E101 ist beispielsweise der Zustand „262 Dampf → 162 Dampf → 162 Wasser“ ein normaler Zustand. Ein anderer, abnormaler Zustand (der von den Führungskräften gewünscht wird) ist jedoch, dass der überhitzte Dampf überhaupt nicht kondensiert und nur durch sensible Wärme erhitzt wird. Wie viel Dampf ist dann erforderlich? W=Q/(Cp·t), wobei Q 1000 kW beträgt. Für die Wärmekapazität wird ein Wert von 2,3088 kJ/kg·℃ verwendet. Wie groß ist der Temperaturunterschied? Ich weiß es nicht. Wenn wir es nicht wissen, können wir einen Wert annehmen oder schätzen. Die Überhitzungstemperatur des Dampfs beträgt 100 °C – das ist also der maximale Temperaturunterschied. Da der Dampf nicht kondensiert, müssen wir nun berechnen, wie viel überhitzter Dampf benötigt wird W = 1000 × 3600 / (2,3088 × 100) = 15.592 kg/h. Das entspricht einem Dampfverbrauch von 15,6 Tonnen pro Stunde. . . Ist dieser Wert richtig? ？ Q=WCpt ist Ihre Gleichung zur Berechnung der Energiezufuhr. Gleichzeitig gilt jedoch auch Q=FKT – das ist die Obergrenze für Q, die durch den Wärmetauscher festgelegt wird. Für die sensible Wärme gibt es eine maximale Wertgrenze (die maximale Temperaturdifferenz, die E101 erreichen kann, beträgt 262–112 = 150 °C). Qmax = 40 × 150 × 100 = 600 kW. Das sind nur 60 % der ursprünglichen Leistung von E101, nämlich 1000 kW. Das ist nicht gut – das bedeutet, dass die 15,6 Tonnen/Stunde an Dampf, die bereitgestellt werden, nicht vollständig genutzt werden können. Der Wärmetauscher kann diese Menge an Dampf einfach nicht aufnehmen. Die Fläche von 40 m² entspricht in diesem Fall einer Autobahn – die maximale Durchfahrtskapazität wird dabei an der schmalsten Stelle der Straße festgelegt. Im hinteren Bereich gibt es vier Fahrspuren (die Dampfmenge, die bereitgestellt werden kann, ist groß genug), doch vorne gibt es nur zwei Fahrspuren (Fläche von 40 m²). Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 120 km/h – die Durchfahrtskapazität ist also begrenzt. Selbst wenn es acht Fahrspuren gäbe, könnte man trotzdem nicht schneller fahren – die Dampfmenge kann maximal zu 60 % der Kapazität genutzt werden. . . Die eigentliche Berechnung sollte eigentlich nach Angabe von WCpt = FKT mittels des Trial-and-Error-Verfahrens durchgeführt werden. Denn es gibt hier zwei Variablen: den Dampfverbrauch W und die Temperaturdifferenz t (t ist der Temperaturabfall des überhitzten Dampfes; T ist die logarithmische Mitteltemperaturdifferenz im Wärmetauscher; sobald t bekannt ist, ist auch T bestimmt). Es muss also ein Trial-and-Error-Verfahren angewandt werden. (Wie löst man eine Gleichung mit zwei Unbekannten?) Wie gut sind die Kenntnisse in Mathematik? ), aber die aufwändige Methode der Versuchsreihen ist nicht mehr notwendig. Unabhängig davon, unter welchen Bedingungen dein Dampfsystem arbeitet – egal ob der Dampf kondensiert oder nicht – kann das Gerät E101 die ursprünglich geforderten Leistungen von 1000 kW nicht erbringen. Die maximale Leistung, die erreicht werden kann, liegt bei 82 % der ursprünglichen Leistung, sofern der überhitzte Dampf kondensieren kann. Wenn der überhitzte Dampf nicht kondensiert, beträgt die maximale Leistung 60 %. Das sind die Grenzwerte in den Prozessberechnungen – und das ist auch die Antwort, die die Vorgesetzten von dir erwarten. Du musst deinem Geld nicht scheuenden Vorgesetzten sagen, dass es auch nichts nützt, 100 Tonnen Dampf pro Stunde zur Verfügung zu stellen – die Fläche von E101 ist schließlich begrenzt. Auf unserer Autobahn wurden nur zwei Fahrspuren gebaut; das reicht nicht aus! Selbst wenn Ihr Vorgesetzter Ihnen einen BMW X5 gibt, können Sie auf den Landstraßen, die überall mit Kameras überwacht werden und wo eine Geschwindigkeitsbegrenzung von 40 km/h gilt sowie an bestimmten Stellen auch noch Geschwindigkeitskontrollen stattfinden, doch nur 40 km/h fahren, oder? (Der Chef wurde nervös – ich habe dem Geliebten in der Villa am Stadtrand gerade einen X5 besorgt. Hat dieser Kerl das gesehen?) Komm zurück und kümmere dich um ihn! ! Die Handlung wird spannender! Jetzt weiß man also, warum in den gegebenen Bedingungen eine maximale Wärmelast von Qmax=1000kW vorgesehen ist, oder? ？ Oftmals erreichen die tatsächlichen Daten der im Betrieb befindlichen Wärmeübertrager nicht den Wert von Qmax, da ein Konstruktionspuffer vorhanden ist. Mit anderen Worten: Ihre Aufgabe besteht darin, diesen Puffer auszunutzen – verstanden? Oh, mein Gott – wir erhitzen hier doch empfindliche Materialien, die auf Temperatur reagieren. Der Temperaturunterschied darf also nicht zu groß sein. . . . . . Die Handlung kann aufgepeppt werden. . . . . . 3. Sicherheit der Anlage: Die letzte Frage betrifft die tatsächliche Temperaturdifferenz beim E101 – sie liegt bei nur 50 °C. Bei herkömmlichen Rohrgehäuse-Wärmeaustauschern ist eine Erweiterungsstufe notwendig, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Seiten mehr als 60 °C beträgt. Das E101 verfügt jedoch nicht über eine solche Erweiterungsstufe. Wenn überhitzter Dampf verwendet wird, kann das E101 zwar Temperaturen von bis zu 262 °C aushalten – vorausgesetzt, das Material des E101 ist in Ordnung. Doch ohne Erweiterungsstufe kann das E101 keine Temperaturdifferenz von bis zu 100 °C zwischen den heißen und kalten Seiten ertragen (heiße Seite: 150 °C, kalte Seite: 50 °C). Die dadurch entstehenden Spannungen sind enorm! Die Ausrüstung birgt ein enormes Risiko! ! Falls Sie mit Temperaturdifferenzspannungen nicht vertraut sind, können Sie sich an Freunde mit Fachkenntnissen im Bereich Anlagentechnik wenden. Falls Sie sich in einer Fabrik befinden, sollten Sie die Anlagentechniker fragen, welche ernsten Folgen eine Temperaturdifferenz von 100 °C für E101 haben könnte. . Oh, unser Wärmetauscher ist ein hochmodernes neues Modell – man braucht keine Dehnungsringe oder ähnliche Komponenten. . . . . . Die Gerätesicherheit ist kein Problem. Punkt 3 kann weggelassen werden; auch die Handlung kann gekürzt werden. . . . . . Es wurde bereits berechnet und geschrieben – im Detail wurde viel erklärt. Jetzt müssen Sie doch eine Schlussfolgerung sowie Empfehlungen geben, oder? ？ Der Rechenvorgang reicht bereits aus, um zu dem Schluss zu kommen – dass der Einsatz überhitzter Dampf die ursprüngliche Prozessbelastung nicht bewältigen kann. Mit anderen Worten: Die Leistung wird reduziert, und das Gerät selbst ist stark gefährdet. Die durch die zu großen Temperaturunterschiede im Vergleich zur ursprünglichen Konstruktion entstehenden Belastungen können sicherlich Schäden am E101 verursachen. . . Der Chef mit finsterer Miene? ？ ？ ？ Keine Eile, man sollte trotzdem einen Vorschlag machen. . . . . Falls überhitzter Dampf verwendet werden soll, muss der vorhandene E101 aufgrund der unzureichenden Wärmeübertragungsfläche ausgetauscht werden. Eine Neugestaltung und Neufertigung wäre erforderlich – mit enormen Kosten. Die Leitung wird sicherlich sagen, dass dies ein zeitaufwändiger und arbeitsintensiver Prozess ist. Gibt es eine einfachere Lösung? Ja, vor dem Eintritt in E101 sollte ein Dampferhitzer installiert werden, um den überhitzten Dampf zu sättigen. Es gibt zahlreiche etablierte Hersteller solcher Dampferhitzer – man kann einfach einen kaufen. Was das für den Dampferhitzer benötigte Wasser angeht, so reicht es aus, etwas Kondenswasser aus E101 abzuzweigen. . . . . Die Augen des Vorgesetzten begannen zu leuchten – dieser Junge hatte Recht. Man sollte genau das tun, was er vorschlägt. Am Ende des Jahres wird die Fabrik als vorbildlich eingestuft, die Leistung wird verdoppelt. In zwei Jahren kann er zum Leiter befördert werden. Sein technisches Niveau ist gut – seine Argumente sind logisch und fundiert. Er gehört nicht zu jenen unzuverlässigen jungen Leuten, die einfach nur wild drauflosreden, keine Daten haben, keine Vorschläge einbringen können und keine Lösungen anbieten können. Wenn er in Zukunft klug handelt, kann er mein Assistent werden~~~ Das ist also die simulierte Handlung. . . . . . Das Wichtigste in einer Szenenspiel-Situation ist – als Protagonist musst du selbst die Berechnungen durchführen und die entsprechenden Werte ermitteln. Nur so kannst du eine grundlegende Vorstellung von allen möglichen Situationen bekommen. Wie solltest du sonst wissen, dass die Wärmeaustauschoberfläche nicht ausreicht – oder dass die Temperaturdifferenz bis zu 91 °C beträgt? Die Erfahrung, die die erfahrenen Leute Ihnen vermitteln können, ist folgende: Bei überhitztem Dampf gibt es im E101 einen Bereich mit sensibler Wärme; dadurch verringert sich der Bereich mit latenter Wärme. Infolgedessen könnte die Fläche des E101 nicht ausreichen. Zudem führt überhitzter Dampf zu einer größeren Temperaturdifferenz – das birgt erhebliche Risiken für die Anlage. Was diese „vielleicht“ und „möglicherweise“ angeht: Damit wollen die Erfahrenen Ihnen indirekt mitteilen, dass sie ohne vorherige Berechnungen ebenfalls keine Gewissheit haben. Die Berechnungen müssen Sie selbst durchführen – die Erfahrenen werden das für Sie nicht tun. . Warum reicht die Fläche nicht aus? ？ Wo liegt dann das große Risiko? ？ Du zählst nicht. Was der alte Hase sagt, wirst du in drei Tagen schon wieder vergessen. Selbst wenn du es in drei Tagen nicht vergisst, wirst du es nach dreihundert Tagen sicherlich auch vergessen haben. Außerdem wirst du verwirrt sein, wenn die Leiter oder die Mitarbeiter aus der Abteilung für technische Verbesserungen dich etwas fragen. (Glaube nicht, dass die Leiter und Mitarbeiter aus dieser Abteilung dumme Leute sind. Wenn du keine Antwort weißt, wirst du natürlich in Panik geraten – und dein Geheimnis wird verraten werden!) Wenn du keine Daten liefern kannst, kannst du nur sagen: „Das hat mein Meister gesagt. Warum fragt ihr ihn nicht selbst?“ ？ Der Vorgesetzte wird dich sicherlich in drei Sekunden rauswerfen… Was den Grund dafür angeht, warum der Autor ein Anfänger ist, so ist das ganz einfach: Er hat außer dem Sättigungsdampfdruck – wobei nicht klar ist, ob es sich um einen relativen oder absoluten Druck handelt – nichts weiter angegeben. Wie hoch ist außerdem die Überhitzung? Sagen wir nicht, was die Parameter des Wärmetauschers sind? Wie groß ist die Fläche? Wie hoch ist die Betriebswärmelast? Nicht geschrieben: In welcher Form ist der Wärmetauscher? Gott weiß, erlauben die Materialien große Temperaturunterschiede? Ich weiß es nicht. . . . . Da es sich um eine Frage handelt, musst du erst lernen, die Frage klar zu formulieren. Sei außerdem etwas gründlicher: Wie betrachtet ein Anfänger dieses Problem? Welche Hindernisse hast du bei der Bewältigung dieses Problems? Hat er die Grundlagen der Chemietechnik nicht gelernt, kann er nicht rechnen – oder hat keine Lust zu rechnen? Immerhin bittet er die Lehrer um Ratschläge. . . . . Wenn die Probleme unklar sind und die Gedanken nicht geordnet sind, wie kann dann die Arbeit klar sein? Das Essen, sehr schlecht. . . . Oder man könnte sagen: faul, sehr faul. . . . Sei nicht faul, rechne nach – dann wirst du ein Experte sein. Du wirst es 300 Tage lang nicht vergessen können. Der Rechenvorgang ist schwierig; die Kenntnis der Parameter der im Betrieb befindlichen Wärmeübertrager kann sogar noch schwieriger sein. . . . . . . Natürlich erfordert diese Art des Rechnens Erfahrung. Der Prozess, bei dem man diese Erfahrung gewinnt – also der Rechenprozess selbst – ist im Grunde der Prozess, bei dem man von Anfänger zu Profi wird. Niemand kann von Geburt an ein Profi sein. . Zufällig habe ich hier ein Buch mit Anmerkungen zum Lesen, das vor einigen Jahren von einem Deutschlehrer für ein Mädchen in der siebten Klasse erstellt wurde. Ich schenke es dem Beitragstäter: Der ursprüngliche Text in klassischer Sprache – aus „Kong Congzi • Ju Wei“: Es heißt dort: „Yu, Tang, Wen, Wu sowie der Herzog von Zhou – sie waren fleißig und arbeiteten hart. Manche hatten gebrochene Arme, andere waren kahlköpfig oder hatten gebeugte Rücken – doch sie blieben dennoch Heilige.“ ” Die Anmerkungen des Lehrers: „Mühsames Nachdenken“ bedeutet natürlich auch körperliche Anstrengung – es ist eine schwierige Aufgabe. Wie sonst könnte man zum „Heiligen“ werden?
Nun zu den drei wichtigsten Aspekten: Energieverbrauch, Prozessparameter sowie Sicherheit der Anlagen. 1. Energieverbrauch: Dieser lässt sich einfach berechnen. Unter der Annahme, dass der überhitzte Dampf vollständig im Wärmetauscher kondensiert werden kann, wird die Anforderung an die Prozesswärmebedarf erfüllt. Die Menge an Dampf, die benötigt wird, beträgt W=Q/r=1000·3600/2297=1567 kg/h. Im Vergleich zu den ursprünglich benötigten 1735 kg/h bedeutet das eine Reduzierung um 1735–1567=168 kg/h – das entspricht einem Anteil von 9,7%, also fast 10%. Die vorhandenen Dampfleitungen und Ventile können weiterhin verwendet werden. . Der Leiter hörte das und sagte: „Oh, der Verbrauch wird geringer, und die Rohrleitungsventile können weiterverwendet werden – das ist ja großartig.“ (Entschuldigung, Chef, aber die schlechten Nachrichten kommen normalerweise erst am Ende.) . 2. Prozessparameter: Zunächst müssen Sie überprüfen, ob die Wärmeaustauschfläche von E101 ausreicht – also ob die Wärmeaustauschfläche von E101, die mit überhitztem Dampf in Berührung kommt, den Anforderungen des Prozesses entspricht. Andernfalls sind die in Schritt 1 ermittelten Verbrauchswerte völlig unbrauchbar. Aufgrund der Verwendung von überhitztem Dampf muss in E101 zwangsläufig zwischen einer Phase mit spezifischer Wärme und einer Phase mit latenter Wärme unterschieden werden. Der Dampf kann erst dann kondensieren, nachdem die Überhitzung von 100 °C aufgebraucht wurde. Dies geschieht in zwei Schritten: Zunächst wird der Dampf auf 262 °C abgekühlt, anschließend auf 162 °C. Der erste Schritt gehört zur Phase mit spezifischer Wärme, der zweite Schritt zur Phase mit latenter Wärme. Wenn die Wärmebelastung konstant bleibt – also weiterhin 1000 kW – kann man die Wärmebelastung für jede dieser Phasen separat berechnen. Für die Phase mit spezifischer Wärme gilt: Cp = (2,5129 + 2,1047) / 2 = 2,3088 kJ/kg·°C. Die Wärmebelastung Q1 beträgt daher: Q1 = WCpΔT = 1567 × 2,3088 × 100 = 361.842 kJ/Stunde = 101 kW. Das entspricht etwa 10 % der Gesamtbelastung ； Schwachwärmestufe: Einfach – 1000 – 101 = 899 kW. Wenn man die Starkwärmestufe abzieht, bleibt 899 kW übrig. Das entspricht 90 % der gesamten Wärmebelastung. Berechnung der Fläche: Die Schwachwärmestufe macht 90 % aus. Da diese Stufe den ursprünglichen Betriebsbedingungen entspricht, kann man mit einem Rabatt von 10 % rechnen. Somit beträgt F = 40 × 90 % = 36 m². Das bedeutet, dass von den 40 m² Austauschfläche 36 m² für die Schwachwärmestufe benötigt werden, während die restlichen 4 m² für die Starkwärmestufe verwendet werden. Kann das so den Prozess von 262 bar Dampf zu 162 bar Dampf ermöglichen? Auch die Berechnung des spezifischen Wärmetransfers ist nicht schwierig. Für den Wert des Gesamtwärmeübergangskoeffizienten ist etwas Erfahrung erforderlich. Im Allgemeinen ist der Wärmeübergangskoeffizient auf der Seite der Gasphase sehr niedrig. Der Grund dafür, dass der E101 einen Gesamtwärmeübergangskoeffizienten von bis zu 500 aufweist, liegt darin, dass auf einer Seite Dampf kondensiert und auf der anderen Seite eine gesättigte Lösung verdampft – beides sind Phasenwechselprozesse. Dadurch sind die Wärmeübergangskoeffizienten sehr hoch. Wenn überhitzter Dampf verwendet wird, liegt der Wärmeübergangskoeffizient auf dieser Seite in der Größenordnung von einigen Dutzend – es ist kaum möglich, diesen Wert über 100 zu bringen. Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wird in der Regel vom niedrigeren Wert bestimmt. Es ist also sinnlos, wenn der Wert auf der Seite der Verdampfung zu hoch ist. Man kann hier mit einem Wert von K=100 rechnen. Es handelt sich schließlich nur um eine Schätzung – es macht nichts, wenn die Simulation nicht perfekt ist. Fehler sind erlaubt. Die Wärmelast ist bekannt. Den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten haben Sie mit 100 geschätzt. Der verbleibende Temperaturunterschied kann dann berechnet werden. Dabei wird der durchschnittliche logarithmische Temperaturunterschied verwendet: Temperaturunterschied am kühlen Ende: 162–112 = 50 °C; Temperaturunterschied am heißen Ende: 262–112 = 150 °C. Der logarithmische Temperaturunterschied T beträgt (150–50)/ln(150/50) = 91 °C. Beachten Sie, dass der Temperaturunterschied sehr wichtig ist – darauf wird später noch eingegangen. F = Q / (T × K) = 101 × 1000 / (91 × 100) = 11 m². Das bedeutet, dass man eine Wärmeübertragungsfläche von 11 m² benötigt, um die Anforderungen im Bereich der Sensible-Wärme zu erfüllen. Insgesamt sind also 11 + 36 = 47 m² an Wärmeübertragungsfläche erforderlich, um die Anforderungen bezüglich des Einsatzes von Überdampf zu erfüllen. Doch das Modell E101 verfügt nur über eine Fläche von 40 m² – ein Problem, das sowohl die Technikabteilung als auch die Leitung vor Herausforderungen stellt. Wie groß kann die Wärmebelastung dieses aktuellen E101 sein? 11 m² wurden verwendet, um den überhitzten Dampf abzukühlen. Die verbleibenden 29 m² können eine Wärmebelastung von Q2 = FxKxT = 29 × 500 × 50 = 725.000 W = 725 kW bewältigen. Das bedeutet, dass das vorhandene E101 nach Verwendung des überhitzten Dampfs maximal eine Wärmebelastung von Qmax = 101 + 725 = 826 kW bewältigen kann (100 ist dabei der maximale Wert für K). Im Vergleich zu den Anforderungen von 1000 kW ergibt sich ein Mangel von 1 – 826/1000 = 17,4 %. Mit anderen Worten: Die Verdampfungsmenge auf der Mediumseite ist um 18 Prozent geringer – und das bei einem Wert von K von 100. In der Regel liegt der Wert von K selten über 100. . Der Vorgesetzte fragt dich unbewusst: Könntest du die Dampfdosierung erhöhen? Wer hat denn festgelegt, dass du nur eine Durchflussrate von 1567 kg/h verwenden darfst? Ist es in Ordnung, wenn du 2000 kg/h verwendest? Zwei Tonnen Dampf pro Stunde – unsere Niederlassung kann sich das leisten. Geld ist kein Problem. . Führungskräfte sind wirklich äußerst anspruchsvoll – sie schimpfen zwar, aber was abgerechnet werden muss, wird trotzdem abgerechnet. In solchen Fällen kann man Grenzwerte festlegen, also die maximal zulässigen Betriebsbedingungen für die Anlage. Bei E101 ist beispielsweise der Zustand „262 Dampf → 162 Dampf → 162 Wasser“ ein normaler Zustand. Ein anderer, abnormaler Zustand (der von den Führungskräften gewünscht wird) ist jedoch, dass der überhitzte Dampf überhaupt nicht kondensiert und nur durch sensible Wärme erhitzt wird. Wie viel Dampf ist dann erforderlich? W=Q/(Cp·t), wobei Q 1000 kW beträgt. Für die Wärmekapazität wird ein Wert von 2,3088 kJ/kg·℃ verwendet. Wie groß ist der Temperaturunterschied? Ich weiß es nicht. Wenn wir es nicht wissen, können wir einen Wert annehmen oder schätzen. Die Überhitzungstemperatur des Dampfs beträgt 100 °C – das ist also der maximale Temperaturunterschied. Da der Dampf nicht kondensiert, müssen wir nun berechnen, wie viel überhitzter Dampf benötigt wird W = 1000 × 3600 / (2,3088 × 100) = 15.592 kg/h. Das entspricht einem Dampfverbrauch von 15,6 Tonnen pro Stunde. . . Ist dieser Wert richtig? ？ Q=WCpt ist Ihre Gleichung zur Berechnung der Energiezufuhr. Gleichzeitig gilt jedoch auch Q=FKT – das ist die Obergrenze für Q, die durch den Wärmetauscher festgelegt wird. Für die sensible Wärme gibt es eine maximale Wertgrenze (die maximale Temperaturdifferenz, die E101 erreichen kann, beträgt 262–112 = 150 °C). Qmax = 40 × 150 × 100 = 600 kW. Das sind nur 60 % der ursprünglichen Leistung von E101, nämlich 1000 kW. Das ist nicht gut – das bedeutet, dass die 15,6 Tonnen/Stunde an Dampf, die bereitgestellt werden, nicht vollständig genutzt werden können. Der Wärmetauscher kann diese Menge an Dampf einfach nicht aufnehmen. Die Fläche von 40 m² entspricht in diesem Fall einer Autobahn – die maximale Durchfahrtskapazität wird dabei an der schmalsten Stelle der Straße festgelegt. Im hinteren Bereich gibt es vier Fahrspuren (die Dampfmenge, die bereitgestellt werden kann, ist groß genug), doch vorne gibt es nur zwei Fahrspuren (Fläche von 40 m²). Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 120 km/h – die Durchfahrtskapazität ist also begrenzt. Selbst wenn es acht Fahrspuren gäbe, könnte man trotzdem nicht schneller fahren – die Dampfmenge kann maximal zu 60 % der Kapazität genutzt werden. . . Die eigentliche Berechnung sollte eigentlich nach Angabe von WCpt = FKT mittels des Trial-and-Error-Verfahrens durchgeführt werden. Denn es gibt hier zwei Variablen: den Dampfverbrauch W und die Temperaturdifferenz t (t ist der Temperaturabfall des überhitzten Dampfes; T ist die logarithmische Mitteltemperaturdifferenz im Wärmetauscher; sobald t bekannt ist, ist auch T bestimmt). Es muss also ein Trial-and-Error-Verfahren angewandt werden. (Wie löst man eine Gleichung mit zwei Unbekannten?) Wie gut sind die Kenntnisse in Mathematik? ), aber die aufwändige Methode der Versuchsreihen ist nicht mehr notwendig. Unabhängig davon, unter welchen Bedingungen dein Dampfsystem arbeitet – egal ob der Dampf kondensiert oder nicht – kann das Gerät E101 die ursprünglich geforderten Leistungen von 1000 kW nicht erbringen. Die maximale Leistung, die erreicht werden kann, liegt bei 82 % der ursprünglichen Leistung, sofern der überhitzte Dampf kondensieren kann. Wenn der überhitzte Dampf nicht kondensiert, beträgt die maximale Leistung 60 %. Das sind die Grenzwerte in den Prozessberechnungen – und das ist auch die Antwort, die die Vorgesetzten von dir erwarten. Du musst deinem Geld nicht scheuenden Vorgesetzten sagen, dass es auch nichts nützt, 100 Tonnen Dampf pro Stunde zur Verfügung zu stellen – die Fläche von E101 ist schließlich begrenzt. Auf unserer Autobahn wurden nur zwei Fahrspuren gebaut; das reicht nicht aus! Selbst wenn Ihr Vorgesetzter Ihnen einen BMW X5 gibt, können Sie auf den Landstraßen, die überall mit Kameras überwacht werden und wo eine Geschwindigkeitsbegrenzung von 40 km/h gilt sowie an bestimmten Stellen auch noch Geschwindigkeitskontrollen stattfinden, doch nur 40 km/h fahren, oder? (Der Chef wurde nervös – ich habe dem Geliebten in der Villa am Stadtrand gerade einen X5 besorgt. Hat dieser Kerl das gesehen?) Komm zurück und kümmere dich um ihn! ! Die Handlung wird spannender! Jetzt weiß man also, warum in den gegebenen Bedingungen eine maximale Wärmelast von Qmax=1000kW vorgesehen ist, oder? ？ Oftmals erreichen die tatsächlichen Daten der im Betrieb befindlichen Wärmeübertrager nicht den Wert von Qmax, da ein Konstruktionspuffer vorhanden ist. Mit anderen Worten: Ihre Aufgabe besteht darin, diesen Puffer auszunutzen – verstanden? Oh, mein Gott – wir erhitzen hier doch empfindliche Materialien, die auf Temperatur reagieren. Der Temperaturunterschied darf also nicht zu groß sein. . . . . . Die Handlung kann aufgepeppt werden. . . . . . 3. Sicherheit der Anlage: Die letzte Frage betrifft die tatsächliche Temperaturdifferenz beim E101 – sie liegt bei nur 50 °C. Bei herkömmlichen Rohrgehäuse-Wärmeaustauschern ist eine Erweiterungsstufe notwendig, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Seiten mehr als 60 °C beträgt. Das E101 verfügt jedoch nicht über eine solche Erweiterungsstufe. Wenn überhitzter Dampf verwendet wird, kann das E101 zwar Temperaturen von bis zu 262 °C aushalten – vorausgesetzt, das Material des E101 ist in Ordnung. Doch ohne Erweiterungsstufe kann das E101 keine Temperaturdifferenz von bis zu 100 °C zwischen den heißen und kalten Seiten ertragen (heiße Seite: 150 °C, kalte Seite: 50 °C). Die dadurch entstehenden Spannungen sind enorm! Die Ausrüstung birgt ein enormes Risiko! ! Falls Sie mit Temperaturdifferenzspannungen nicht vertraut sind, können Sie sich an Freunde mit Fachkenntnissen im Bereich Anlagentechnik wenden. Falls Sie sich in einer Fabrik befinden, sollten Sie die Anlagentechniker fragen, welche ernsten Folgen eine Temperaturdifferenz von 100 °C für E101 haben könnte. . Oh, unser Wärmetauscher ist ein hochmodernes neues Modell – man braucht keine Dehnungsringe oder ähnliche Komponenten. . . . . . Die Gerätesicherheit ist kein Problem. Punkt 3 kann weggelassen werden; auch die Handlung kann gekürzt werden. . . . . . Es wurde bereits berechnet und geschrieben – im Detail wurde viel erklärt. Jetzt müssen Sie doch eine Schlussfolgerung sowie Empfehlungen geben, oder? ？ Der Rechenvorgang reicht bereits aus, um zu dem Schluss zu kommen – dass der Einsatz überhitzter Dampf die ursprüngliche Prozessbelastung nicht bewältigen kann. Mit anderen Worten: Die Leistung wird reduziert, und das Gerät selbst ist stark gefährdet. Die durch die zu großen Temperaturunterschiede im Vergleich zur ursprünglichen Konstruktion entstehenden Belastungen können sicherlich Schäden am E101 verursachen. . . Der Chef mit finsterer Miene? ？ ？ ？ Keine Eile, man sollte trotzdem einen Vorschlag machen. . . . . Falls überhitzter Dampf verwendet werden soll, muss der vorhandene E101 aufgrund der unzureichenden Wärmeübertragungsfläche ausgetauscht werden. Eine Neugestaltung und Neufertigung wäre erforderlich – mit enormen Kosten. Die Leitung wird sicherlich sagen, dass dies ein zeitaufwändiger und arbeitsintensiver Prozess ist. Gibt es eine einfachere Lösung? Ja, vor dem Eintritt in E101 sollte ein Dampferhitzer installiert werden, um den überhitzten Dampf zu sättigen. Es gibt zahlreiche etablierte Hersteller solcher Dampferhitzer – man kann einfach einen kaufen. Was das für den Dampferhitzer benötigte Wasser angeht, so reicht es aus, etwas Kondenswasser aus E101 abzuzweigen. . . . . Die Augen des Vorgesetzten begannen zu leuchten – dieser Junge hatte Recht. Man sollte genau das tun, was er vorschlägt. Am Ende des Jahres wird die Fabrik als vorbildlich eingestuft, die Leistung wird verdoppelt. In zwei Jahren kann er zum Leiter befördert werden. Sein technisches Niveau ist gut – seine Argumente sind logisch und fundiert. Er gehört nicht zu jenen unzuverlässigen jungen Leuten, die einfach nur wild drauflosreden, keine Daten haben, keine Vorschläge einbringen können und keine Lösungen anbieten können. Wenn er in Zukunft klug handelt, kann er mein Assistent werden~~~ Das ist also die simulierte Handlung. . . . . . Das Wichtigste in einer Szenenspiel-Situation ist – als Protagonist musst du selbst die Berechnungen durchführen und die entsprechenden Werte ermitteln. Nur so kannst du eine grundlegende Vorstellung von allen möglichen Situationen bekommen. Wie solltest du sonst wissen, dass die Wärmeaustauschoberfläche nicht ausreicht – oder dass die Temperaturdifferenz bis zu 91 °C beträgt? Die Erfahrung, die die erfahrenen Leute Ihnen vermitteln können, ist folgende: Bei überhitztem Dampf gibt es im E101 einen Bereich mit sensibler Wärme; dadurch verringert sich der Bereich mit latenter Wärme. Infolgedessen könnte die Fläche des E101 nicht ausreichen. Zudem führt überhitzter Dampf zu einer größeren Temperaturdifferenz – das birgt erhebliche Risiken für die Anlage. Was diese „vielleicht“ und „möglicherweise“ angeht: Damit wollen die Erfahrenen Ihnen indirekt mitteilen, dass sie ohne vorherige Berechnungen ebenfalls keine Gewissheit haben. Die Berechnungen müssen Sie selbst durchführen – die Erfahrenen werden das für Sie nicht tun. . Warum reicht die Fläche nicht aus? ？ Wo liegt dann das große Risiko? ？ Du zählst nicht. Was der alte Hase sagt, wirst du in drei Tagen schon wieder vergessen. Selbst wenn du es in drei Tagen nicht vergisst, wirst du es nach dreihundert Tagen sicherlich auch vergessen haben. Außerdem wirst du verwirrt sein, wenn die Leiter oder die Mitarbeiter aus der Abteilung für technische Verbesserungen dich etwas fragen. (Glaube nicht, dass die Leiter und Mitarbeiter aus dieser Abteilung dumme Leute sind. Wenn du keine Antwort weißt, wirst du natürlich in Panik geraten – und dein Geheimnis wird verraten werden!) Wenn du keine Daten liefern kannst, kannst du nur sagen: „Das hat mein Meister gesagt. Warum fragt ihr ihn nicht selbst?“ ？ Der Vorgesetzte wird dich sicherlich in drei Sekunden rauswerfen… Was den Grund dafür angeht, warum der Autor ein Anfänger ist, so ist das ganz einfach: Er hat außer dem Sättigungsdampfdruck – wobei nicht klar ist, ob es sich um einen relativen oder absoluten Druck handelt – nichts weiter angegeben. Wie hoch ist außerdem die Überhitzung? Sagen wir nicht, was die Parameter des Wärmetauschers sind? Wie groß ist die Fläche? Wie hoch ist die Betriebswärmelast? Nicht geschrieben: In welcher Form ist der Wärmetauscher? Gott weiß, erlauben die Materialien große Temperaturunterschiede? Ich weiß es nicht. . . . . Da es sich um eine Frage handelt, musst du erst lernen, die Frage klar zu formulieren. Sei außerdem etwas gründlicher: Wie betrachtet ein Anfänger dieses Problem? Welche Hindernisse hast du bei der Bewältigung dieses Problems? Hat er die Grundlagen der Chemietechnik nicht gelernt, kann er nicht rechnen – oder hat keine Lust zu rechnen? Immerhin bittet er die Lehrer um Ratschläge. . . . . Wenn die Probleme unklar sind und die Gedanken nicht geordnet sind, wie kann dann die Arbeit klar sein? Das Essen, sehr schlecht. . . . Oder man könnte sagen: faul, sehr faul. . . . Sei nicht faul, rechne nach – dann wirst du ein Experte sein. Du wirst es 300 Tage lang nicht vergessen können. Der Rechenvorgang ist schwierig; die Kenntnis der Parameter der im Betrieb befindlichen Wärmeübertrager kann sogar noch schwieriger sein. . . . . . . Natürlich erfordert diese Art des Rechnens Erfahrung. Der Prozess, bei dem man diese Erfahrung gewinnt – also der Rechenprozess selbst – ist im Grunde der Prozess, bei dem man von Anfänger zu Profi wird. Niemand kann von Geburt an ein Profi sein. . Zufällig habe ich hier ein Buch mit Anmerkungen zum Lesen, das vor einigen Jahren von einem Deutschlehrer für ein Mädchen in der siebten Klasse erstellt wurde. Ich schenke es dem Beitragstäter: Der ursprüngliche Text in klassischer Sprache – aus „Kong Congzi • Ju Wei“: Es heißt dort: „Yu, Tang, Wen, Wu sowie der Herzog von Zhou – sie waren fleißig und arbeiteten hart. Manche hatten gebrochene Arme, andere waren kahlköpfig oder hatten gebeugte Rücken – doch sie blieben dennoch Heilige.“ ” Die Anmerkungen des Lehrers: „Mühsames Nachdenken“ bedeutet natürlich auch körperliche Anstrengung – es ist eine schwierige Aufgabe. Wie sonst könnte man zum „Heiligen“ werden?