Thread Content
Мысли о чтении «Проектирование химических процессов». Часть четвертая — сети теплообмена. В проектировании химических процессов, после того как определяются системы реакций, разделения и циркуляции, одновременно определяются и балансы вещества и энергии в системе. Однако тщательное планирование внешней сети теплообмена и систем обеспечения необходимо для достижения максимальной экономической эффективности. В то же время проектирование внешней сети теплообмена и оборудования для обеспечения необходимых процессов также не является изолированной системой. Это позволяет улучшать проектирование снаружи внутрь, постепенно оптимизируя дизайн внутренних компонентов. Благодаря этому проектировщики могут усовершенствовать конструкцию реакторов, сепараторов и систем циркуляции, что способствует достижению лучших результатов с точки зрения энергопотребления и затрат на инвестиции в первые два уровня системы. Оптимизированное использование энергии является одним из ключевых аспектов в промышленных установках. Согласно статистике, большинство компаний потребляют на 50% больше энергии, чем это необходимо. Как сократить энергопотребление и расходы — это вечная проблема, с которой сталкиваются все предприятия в процессе своего существования и развития. При одинаковом уровне функционирования систем реакции, разделения и рециклирования качество проектирования сетей теплообмена напрямую определяет конкурентоспособность предприятия и его способность к выживанию и развитию. Приносимая им польза просто поразительна: по моим сведениям, у некоторых компаний с высокой эффективностью значительная часть годовой прибыли обусловлена внедрением технологий для снижения энергопотребления и расходов. Небольшое число особенно качественных компаний даже создают специализированные команды для систематической оптимизации энергопотребления на всем предприятии, что приводит к революционному улучшению. I. Энергетические цели 1. Анализ сети теплообмена с использованием комбинированных кривых начинается с определения источников тепла (называемых потоками тепла) и «ям» для поглощения тепла (называемых потоками холода) на основе баланса материи и энергии. Струю горячего потока можно охлаждать с помощью циркулирующей воды или другого охлаждающего средства, а струю холодного потока — нагревать с помощью пара или другого нагревательного средства. Для максимизации экономической эффективности и достижения целей устойчивого промышленного развития необходимо максимально использовать теплооборот для снижения потребления энергии. Объем восстановления тепла можно определить путем отрисовки потоков на диаграмме температуры-энтальпии. Теплообмен между двумя потоками возможен только тогда, когда температура горячего потока во всех точках превышает температуру соответствующего холодного потока. Температура и энтальпия потока не могут изменяться, поэтому угол наклона кривой, соответствующей ему на диаграмме температуры–энтальпии, также не меняется. Но поскольку у параметра энтальпии для двух типов веществ может быть разный значение, они могут смещаться в горизонтальном направлении на графике, а их относительное положение может меняться. Иными словами, разницу температур между двумя потоками можно регулировать: чем меньше эта разница, тем больше тепла удается восстановить, а потребление ресурсов для обеспечения тепла и холода снижается. В случае, когда существует несколько потоков тепла и несколько потоков холода, на диаграмме температуры–энтальпии отображаются все эти потоки. Их объединяют в один интервал температур; границы этого интервала определяются по точкам, в которых изменяется общий расход энтальпии в зависимости от температуры. В каждом температурном диапазоне все потоки тепла объединяются в один совокупный поток тепла. CP для комбинированного потока тепла в любом температурном диапазоне равен сумме CP всех отдельных потоков тепла в этом диапазоне; изменение энтальпии также равно сумме изменений энтальпии каждого из потоков. Эта комбинированная кривая теплового потока и является кривой комбинации тепловых потоков. Аналогичным образом, с помощью этого метода также можно построить кривую комбинации холодных потоков. Графики тепловых и холодных комбинаций строятся на одном и том же графике температуры и энтальпии. Если установить минимальную разницу температур при передаче тепла между этими графиками в виде конкретного значения ΔTmin, то будет определено их относительное положение. Область пересечения двух графиков соответствует максимальному объему рекуперации тепла. Часть, превышающая область перекрытия, является объемом энергии для тепловых и холодных коммунальных услуг; эта энергия не может быть восстановлена. Как только определяются объемы тепловых и холодных коммунальных услуг или значение ΔTmin, относительное положение двух кривых фиксируется. Когда две кривые соприкасаются, в определенный момент процесса отсутствует движущая сила для теплопередачи, что требует бесконечно большой площади теплообмена; в таком случае затраты на оборудование становятся бесконечными. По мере увеличения энергетической цели (увеличение ΔTmin между двумя кривыми) снижаются затраты на инвестиции, в то время как затраты на энергию растут. Следовательно, существует проблема компромисса между затратами на инвестиции в оборудование и затратами на энергию, то есть существует экономическая целесообразность её рекуперации. В то же время при установке значения ΔTmin необходимо учитывать связанные с этим ограничения. В теплообменниках с трубчатым корпусом значение ΔTmin, как правило, не должно быть ниже 10°C, поскольку на стороне корпуса происходит периодическое чередование направлений потока, что делает невозможным использование режима полного обратного потока. В плитчатых теплообменниках минимальная разница температур может достигать 5°C. В теплообменниках с пластинами и лопастями минимальная разница температур может достигать 1–2°C. Конечно, эти ограничения применимы только к проектам в тех точках, где две кривые находятся ближе всего друг к другу. Если здесь происходит испарение или конденсация, это также создает дополнительные ограничения. 2. Разумная настройка кривой комбинации точек рекуперации тепла определяется путем сопоставления затрат на энергию и инвестиций; это сопоставление соответствует минимальной экономически целесообразной разнице температур при передаче тепла ΔTmin. Как только определяется ΔTmin, определяется и относительное положение комбинированной кривой, тем самым определяется и цель по энергии. Минимальная температурная разница для передачи тепла ΔTmin существует только в одной точке между кривыми холодного и горячего потоков; эта точка называется точкой рекуперации тепла. Для достижения энергетической цели, установленной с помощью комбинированных кривых, проектировщик не должен позволять теплу проникать через точку пересечения; следует избегать: (1) теплообмена между процессами, происходящими выше и ниже точки пересечения ； (2) Нерациональное использование коммунальных услуг. В то же время разница температур при передаче тепла в каждом теплообменнике должна быть не меньше ΔTmin. 3. Проблема порога заключается в том, что не у всех проблем существует точка, позволяющая разделить процесс на две части. Кривые холодного и горячего режимов совпадают в горячей части; при этом кривые становятся более близкими друг к другу. Это приводит к снижению объема необходимых ресурсов для охлаждения в холодной части. Однако в горячей части требуются новые ресурсы для охлаждения, их объем равен количеству ресурсов, которое сократилось в холодной части. То есть: хотя две кривые-комбинации сближаются ещё больше, общее количество необходимых коммунальных ресурсов остается неизменным. Здесь находится позиция «порога», а проблемы, обладающие характеристиками «порога», называются просто «проблемами порога». В вопросе пороговых значений у некоторых нет потребности в тепловых коммунальных услугах, а у других — в холодных коммунальных услугах. Оптимум общих затрат не может находиться ниже порогового значения; он может быть только равен этому пороговому значению или больше его. 4. Ограничения процесса. Все вышеизложенные анализы основаны на том, что при наличии допустимой разницы температур любой поток тепла в принципе может сочетаться с любым потоком холода. Однако на самом деле это не так, и часто из-за определённых ограничений это становится невозможным. Например, если два потока жидкостей обмениваются теплом в одном теплообменнике, утечка приведет к прямому контакту этих жидкостей, что вызовет неприемлемые последствия. В этот момент было добавлено ограничение: запрещается происхождение взаимного теплообмена между этими двумя потоками. Кроме того, существует множество других ограничений: например, если расстояние между двумя потоками слишком велико, это приводит к необходимости длительной транспортировки через трубопроводы ； Теплообмен между различными функциональными зонами приводит к снижению гибкости системы. Потенциальный контроль, возможности запуска и остановки, гибкость управления, безопасность и т. д. будут представлять собой ограничения, из-за которых придется отказаться от части процесса восстановления тепла. И по этой причине большинство инженерно-технических специалистов полностью отказались от метода проектирования сетей теплообмена. Автор считает, что при полном учете этих ограничивающих факторов и одновременном сочетании их с методами проектирования сетей теплообмена будет достигнут идеальный результат. В некоторых ограничениях процесса, если стоимость соблюдения этих ограничений слишком велика, можно рассмотреть возможность отказа от принципа независимости; тогда процесс будет функционировать как единая система ； Или сохранить независимость и найти другой способ преодолеть это ограничение. Как обычно, это можно достичь с помощью косвенного теплообмена между двумя процессами. Например, при дистилляции этиленгликоля пар, образующийся в газовой фазе на верхней части колонны, направляется в общую трубу для пара, а другие потребители берут этот пар из этой трубы для теплообмена. В таком случае система вспомогательных процессов выполняет функцию буфера. II. Расходы на инвестиции и целевые общие затраты. Факторы, влияющие на расходы на инвестиции в сети теплообмена, включают: количество элементов теплообмена, площадь поверхности теплообмена, материал оборудования, количество контуров, класс давления, тип оборудования и т. д. Как правило, при проектировании сети теплообмена целесообразно свести к минимуму количество элементов теплообмена, чтобы снизить затраты на оборудование. То есть: минимальное количество элементов теплообмена = общее количество потоков – 1 ； Если в сети имеется узел, то к числу минимальных единиц теплообмена с обеих сторон от этого узла применяются вышеуказанные формулы, а именно: минимальное количество единиц теплообмена = (количество потоков над узлом – 1) + (количество потоков под узлом – 1). Площадь теплообмена: коэффициент теплопередачи определяется на основе эмпирических данных, после чего с помощью эмпирических формул рассчитывается общая площадь теплообмена в сети. Однако получение соответствующих данных с помощью этого метода является довольно сложным. Автор обычно моделирует с помощью программного обеспечения для симуляции процессов Aspen, а также использует Aspen Energy Analyzer для расчета соответствующих данных. Общая стоимость состоит из затрат на инвестиции и операционных расходов. При увеличении энергозатрат в процессе рост разницы температур, необходимой для теплового восстановления, приводит к сокращению площади теплообменника, требуемой для этой цели. Следовательно, существует оптимальная точка расхода энергии, в которой общие затраты минималны. Здесь необходимо учитывать, что разные проекты имеют региональные особенности, и нельзя делать общие выводы. Например, по сравнению с центральными регионами, стоимость коммунальных услуг в Синьцзяне и Внутренней Монголии значительно отличается, а оптимальные варианты также меняются соответственно. III. Проектирование сети теплообмена. На этапе проектирования проекта, поскольку большинство продуктов уже считаются совершенными, а процессы их производства хорошо отработаны, проектирование сети теплообмена также выполняется очень тщательно. У некоторых продуктов количество потоков тепла и холода само по себе довольно мало, поэтому можно напрямую определить необходимость использования системы восстановления тепла в процессе обработки. Кроме того, восстановление тепла во многих случаях ограничивается условиями процесса. По вышеуказанным причинам подавляющее большинство специалистов по проектированию технологических процессов, включая многих сотрудников, занимающихся разработкой технологий, полностью отказались от проектирования сетей теплообмена, считая его не имеющим практического значения. Автор не согласен с этой точкой зрения. На самом деле, научные методы проектирования сетей теплообмена имеют огромное значение: они играют незаменимую роль как в дальнейшем совершенствовании технологий уже существующих продуктов, так и в оптимизации технологий новых продуктов. Во-первых, это его собственная конструкция, а во-вторых — тесная связь с системами реакции, разделения и рециркуляции и т. д. Это выбор, сделанный после комплексного учета множества факторов. Для проектирования сети теплообмена хорошим первоначальным подходом является предположение, что разница температур при теплообмене во всех теплообменниках превышает ΔTmin. Для достижения энергетических целей теплопередача между потоками процесса не должна происходить через точку насыщения; над и под этой точкой не допускается ненадлежащее использование оборудования для обеспечения производства. 1. Метод проектирования с использованием точек зажима уже рассматривался выше в контексте сопоставления затрат на создание теплообменной сети и затрат на энергию. Минимальная общая стоимость соответствует оптимальному значению ΔTmin. Значение ΔTmin обычно устанавливается на основе опыта; оно обычно находится в диапазоне от 10 до 20°C. Для некоторых отраслей промышленности можно выбрать более низкое значение ΔTmin. Некоторые рекомендуемые значения ΔTmin: нефтепереработка — 20~40℃ ； Нефтехимия — 10~20℃ ； Химическая промышленность — 10~20℃ ； Процесс при низких температурах — 3–5°C. (1) Начинайте проектирование с точки сжатия, которая является наиболее ограниченной областью во всей задаче. Исходное совпадение определяется на основе наиболее ограниченной части всей проблемы, что обычно не создает трудностей для последующих совпадений ； (2) Одиночное соотношение CP: для обеспечения возможности совпадения в точке пересечения справа от нее должно выполняться условие CPH ≤ CPC, а слева — CPH ≥ CPC. Соотношение CP применяется только при совпадении в точке пересечения; по мере удаления от этой точки разница температур увеличивается, поэтому уже не требуется соблюдать это соотношение. Над точкой зажима нельзя использовать холодные коммуникации, а под точкой зажима — горячие коммуникации ； (3) Разделение потока: для обеспечения подбора оптимальных параметров процесса над точкой сжатия должно выполняться условие SH ≤ SC ； Под точкой зажима: SH≥SC ； Когда невозможно выполнить вышеуказанные требования или условия неравенства CP, можно рассмотреть возможность использования метода разделения потоков для решения проблемы ； (4) «Исключение» правила на основе опыта с целью минимизации количества единиц. Для устранения одного потока теплоносителя отдельный теплообменный элемент должен быть максимально большим, чтобы наименьший по нагрузке из двух совместимых потоков теплоносителя мог быть полностью покрыт. После выхода из точек фиксации у дизайнера появляется больше свободы для выбора соответствующих взаимосвязей. В этом случае можно использовать собственный опыт, знания в области проектирования процессов для нахождения решения. 2. Проблема множественных точек фиксации. Ситуация, когда в одной проблеме возникают две технологические точки фиксации, встречается редко. Обычно проблема множественных точек фиксации возникает из-за появления точек фиксации, связанных с использованием общедоступных технологий. Для задач с несколькими точками фиксации при проектировании между двумя такими точками следует начинать с той, которая находится в наиболее ограниченном положении. После определения начальной структуры сети теплообмена можно регулировать её затраты путем изменения маршрутов циркуляции, путей подачи оборудования и распределения потоков. В этом процессе не существует ограничений, связанных с разницей температур, превышающей ΔTmin, или отсутствием передачи тепла через точку перехода. Единственная цель — создать дизайн с минимальными общими затратами. 3. Использование Aspen Energy Analyzer для анализа точек критического состояния в теплообменных сетях. В процессе анализа и оптимизации точек критического состояния требуется большое количество данных о потоках холода и тепла, а также о соответствующих им термодинамических свойствах. После выполнения симуляции в Aspen Plus данные могут быть напрямую переданы в Aspen Energy Analyzer, где осуществляется проектирование сетей теплообмена. Главное преимущество программного обеспечения заключается в том, что оно позволяет **повысить эффективность и обеспечивает достаточно полные данные о физических свойствах материалов, что делает возможным быстрое сравнение различных вариантов. Конкретные методы анализа и принципы проектирования сетей теплообмена такие же, как и те, что были описаны выше. Описанный выше метод проектирования сетей теплообмена основан на анализе точек зажима и представляет собой форму термической интеграции. Он широко применяется в различных отраслях промышленности и энергетики. Суть этого метода заключается в учете различных источников тепла и «ям тепла» внутри технологического процесса, а также в поиске способов обмена теплом внутри этого процесса с целью оптимизации использования энергии.