Синтез оптимальных теплообменных систем с использованием методики пинч-анализа

Дисс. канд. хим. наук. Дзержинск.: ДПИ (филиал НГТУ им. Р.Е. Алексеева). 2011. 168 с.

4. Гартман Т. Н., Клушин Д. В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов. М: «Академкнига», 2008. 415 с.

5. Голованов М. Л. Разработка энергосберегающей технологии ректификации продуктов каталитического крекинга. Дисс. канд. техн. наук. М.: МГАТХТ (МИТХТ), 2007. 203 с.

6. Гартман Т. Н., Советин Ф. С., Лосев В. А., Дробышевский Н. А., Хво-ростяный В. С. Разработка компьютерной модели многостадийного производства синтетического жидкого топлива из природного газа.// Химическая промышленность сегодня. № 1. 2009 г. С. 40-50.

7. Гартман Т. Н., Советин Ф. С., Новикова Д. К. Опыт применения программы СНЕМСАО для моделирования реакторных процессов // Теоретические основы химической технологии. 2009 г. Том 43, № 6. С. 702-712.

8. Гартман Т. Н., Советин Ф. С., Новикова Д. К. Разработка компьютерной модели технологического процесса для проектирования энерго- и ресурсосберегающего производства метанола из природного газа // Химическая техника. № 12. 2009 г. С. 29-31.

9. Гартман Т. Н., Советин Ф. С., Новикова Д. К., Сеннер С. А. Синтез интегрированной химико-технологической системы получения синтетического жидкого топлива и метанола из природного газа с применением проблемноориентированного комплекса программ СНЕМСАБ// Химическая техника. №9.2011 г. С. 41-44.

10. Советин Ф. С. Гартман Т. Н. Применение комплекса программ СНЕМСАБ для разработки компьютерной модели технологического узла нитрования крупнотоннажного производства нитробензола // Химическая техника. № 4.2012г.С. 44-45.

УДК:66.011:620.9.003.13

М.Г. Ермакова, А.М. Зубарев, С.М. Ходченко

Международный институт логистики ресурсосбережения и технологической инноватики Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева Москва, Россия

СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДИКИ ПИНЧ-АНАЛИЗА

В данной работе описана методика пинч-анализа для анализа и синтеза оптимальных теплообменных систем в химической промышленности. На основе указанного метода разработан лабораторный практикум для студентов, обучающихся по специальности «Менеджмент высоких технологий», и бакалавриатов, обучающихся по новому профилю «Энергоресурсосберегающие химические производства» (направление 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»).

In this paper pinch-method for analysis and synthesis of optimal heat exchanger networks in chemical industry is describing. The laboratory course on the base of pinch-method is developed students, studying specialty «Management of high-technology» and bachelors, studying a

new profile "Resource and Energy saving chemical production"

Сегодня мировое сообщество все большее внимание уделяет вопросам ресурсо- и энергосбережения на производствах, поиску альтернативных источников энергии, рациональному использованию сырья, а также уменьшению отходов производства. Пинч-анализ является уникальной методикой, которая без значительных капиталовложений позволяет минимизировать использование внешних ресурсов и максимизировать использование ресурсов, образующихся внутри химико-технологических систем (ХТС), а, следовательно, рационализировать производство и добиться максимального ре-сурсо- и энергосбережения.

Метод пинч-анализа впервые был разработан в конце 1978 года в английской компании Imperial Chemical Industries (ICI), и применялся для рационализации использования тепловых ресурсов в нефтегазохимическом секторе. За более чем 30 лет были разработаны различные уточнения данной методики, что позволило применять пинч-анализ в различных отраслях промышленности не только для синтеза оптимальных теплообменных, но также и массообменных систем.

Синтез оптимальных энергоресурсосберегающих теплообменных систем основывается на том, что каждый технологический процесс рассматривается как совокупность горячих и холодных потоков. Горячими называются потоки, которые нуждаются в охлаждении, холодными - соответственно, которым требуется нагрев. Для каждого потока процесса может быть построена зависимость в координатах «этальпия-температура». Далее все прямые складываются в составную кривую. Таким образом, получается две составные кривые - кривая холодных и кривая горячих потоков. При размещении двух составных кривых в одной координатной плоскости холодная составная кривая всегда будет расположена ниже горячей (рис.1).

Qn,nnln

<-------^

Qc.min

Энтальпия

Рис. 1. Составные тепловые кривые По данным кривым можно рассчитать минимальное необходимое количество внешних горячих теплоносителей (Рнт!п) и халадагентов (Огтт) -

это те части энтальпий горячих и холодных потоков, которые невозможно довести до заданных конечных значений за счет энергоносителей внутри системы. Весь остальной теплообмен может быть реализован за счет комбинации горячих и холодных потоков внутри системы. Точка, в которой разница температур между горячими и холодными потоками минимальна, называется пинч-точкой (ATmin). Для максимально эффективного процесса рекуперации тепла необходимо, чтобы разница между комбинируемыми горячими и холодными потоками была не менее ATmin. Очевидно, что нельзя комбинировать потоки через пинч - при охлаждении горячего потока над пинчем холодным потоком под пинчем разница между температурами потоков однозначно будет выше ATmin, тогда как, при выборе для операции теплообмена холодных потоков над пинчем и горячих потоков под пинчем, разница температур будет значительно ниже ATmin (вплоть до отрицательных значений). То есть так не будет достигнут максимум использования внутренних ресурсов ХТС. Таким образом, для создания максимально энергоэффективной теплообменной системы необходимо комбинировать горячие и холодные потоки, руководствуясь правилом - комбинировать можно только потоки, расположенные с одной стороны пинча (выше или ниже пинча). Другими словами, не должно осуществляться теплопередачи через пинч-область.

Техника пинч-анализа предусматривает большое количество несложных алгебраических, но длительных по времени расчетов. При этом существующее программное обеспечение (ПО), упрощающее данные расчеты, как правило, дорогостоящее и требует значительного времени для обучения принципам работы в данном программном обеспечении. Специалистами факультета Инженерной химии и Экологически эффективных технологий Университета Валладолида (Испания) был создан специальный тренажер для обучения студентов методике пинч-анализа - HINT. Данное ПО находится в свободном доступе и выигрывает по сравнению с имеющимися ранее программными продуктами в том, что для работы с ним не требуются глубокие знания работы самого

Программного тренажера. Ввод данных производится быстро, в интуитивно понятном интерфейсе, поскольку разработке дизайну интерфейса программы было уделено особое внимание, с тем, чтобы позволить студентам сосредоточить свои усилия в изучении понятия пинч-метода, а не на том, как использовать программу. Второй критерий, который рассматривался при разработке программы - избежать ненужных автоматических инструментов проектирования, которые могли бы дать студентам ложное впечатление о том, что программа делает что-то, чего они не в состоянии будут сделать сами.

На базе указанного программного тренажера нами был разработан лабораторный практикум по пинч-анализу, включающий три лабораторные работы. Лабораторные работы предусматривают обучение студентов основам работы в программе HINT - интерфейсе программы, вводу данных о потоках и теплообменниках, а также построению составных кривых, каскадов, оптимизации минимальной разницы температур и наладке теплообменной

сети. Кроме того, студентам предлагается выполнить некоторые расчеты самостоятельно, без использования программы и только после этого проверить полученные данные в HINT. В частности, студентам самостоятельно придется рассчитать пинч-температуры для горячих и холодных потоков, исходя из данной минимальной разницы температур, построить каскад тепловых потоков между температурными интервалами, спроектировать теплообменную сеть и рассчитать тепловую нагрузку выбранных теплообменников. Это сделано для того, чтобы студенты отчетливо понимали, что то, что делается в программе при помощи специального алгоритма, они могут сделать самостоятельно, используя другие средства (калькулятор, Excel). Данная программа просто помогает ускорить процесс расчетов и позволяет студентам сосредоточиться на анализе составных кривых и проектировании теплообменных систем.

Данное программное обеспечение позволяет рассчитывать стоимость проектируемой теплообменной сети с максимальной рекуперацией энергии. Этот инструмент позволяет наглядно показать эффективность методики пинч-анализа - поскольку разница между стоимостью действующей теплообменной сети и спроектированной при помощи пинч-анализа, как правило, очень существенна (в некоторых случаях до 40%). Цель зачетной лабораторной работы - спроектировать оптимальную теплообменную систему для конкретного действующего производства с использованием методики пинч-анализа и описанного выше программного тренажера

Разработанный нами лабораторный практикум предназначен для студентов, обучающихся по специальности 220701 «Менеджмент высоких технологий» и бакалавров, обучающихся по новому профилю «Ресурсоэнергосберегающие химические производства» (направление подготовки 241000 «Энерго- и ресурсосберегащие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии») на кафедре Логистики и экономической информатики и кафедре Управления технологическими инновациями.

Библиографические ссылки

1. Смит Р., Клемеш Й., Товажнянский А. А., Капустенко П. А., Ульев Л. М. «Основы интеграции тепловых процессов», Москва 2004г., 458 стр.

2. В. П. Мешалкин, Л. Л. Товажнянский, П. А. Капустенко «Основы энергоресурсоэффективных экологически безопасных технологий нефтепереработки», Харьков, 2011г., 379стр.

3. Статья - “Hint: An educational software for heat exchanger network design with the pinch method” Angel Martin, Fidel A. Mato