СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ЛЕКЦИЯ 13.
Минимизация выбросов путём интегрирования
процессов

Идея состоит в соединении, интеграции разных
аспектов технологического процесса: технических,
экономических, защиты окружающей среды и
безопасности. Интеграция сосредотачивается на две
категории – на массу и на энергию.

Интеграция энергии и системы теплообмена
Интеграция массы

2
Интеграция энергии и системы теплообмена
В связи с постоянным удорожанием энергоносителей
не вызывает сомнения необходимость рационального
использования энергоресурсов, особенно в столь
энергоемкой отрасли, как химическая
промышленность.
Снижение потребления энергии на единицу
выпускаемой продукции при прочих равных условиях
положительно влияет на окружающую среду и
здоровье человека за счет снижения выброса вредных
газов, образующихся при сжигании энергоносителей.


3
Интеграция энергии и системы теплообмена
Интеграция энергии занимается всеми видами
энергетических процессов: нагревание,
охлаждение, производство и потребление
энергии, компримирование – дросселирование,
сжигание топлива и пр.
Цель интеграции - уменьшение тепловых потерь,
регенерование энергии, снижение
эксплуатационных расходов химических
процессов.


4
В промышленности создаются
системы теплообмена (heat
exchange network, HEN). Эти
системы включают несколько
теплообменников. На рис.
проиллюстрированы задачи
HEN:
Какие нагреватели / охладители
надо применять?
Каково оптимальное количество
тепла, которое надо передать?
Каковы оптимальные пары
потоков горячий – холодный?
Какова оптимальная
конфигурация системы (какие
потоки надо разделять, какие
перемешивать) ?





5
Пинч-анализ
Одним из методов, позволяющих исследовать ту или иную
химико-технологическую систему на энергоемкость является
пинч-анализ (Pinch Analysis).
Пинч-анализ (англ.pinch — узкое место) представляет собой
методологию для минимизации потребления энергии химикотехнологических процессов путём расчёта термодинамически
обоснованных объёмов энергопотребления (или минимума
потребления энергии) и приближения к ним путём оптимизации
теплопередачи между процессами, методов энергоснабжения и
характеристик технологических процессов.
Пинч-анализ также известен как процесс интеграции, тепловая
интеграция, энергетическая интеграция или пинчтехнология.



6
Метод впервые был разработан в конце 1978 года в английской
компании Imperial Chemical Industries (ICI) и аспирантом Бодо
Линнхоффом (Linnhoff) под руководством профессора Джона
Флауэра (Flower).
С тех пор было разработано множество уточнений методики для
использования в различных отраслях промышленности, а также
моделирование ситуаций и прогон данных без обработки.
Разработаны программы как для подробного, точного расчёта,
так и для упрощенного расчёта целевой энергии.
Чаще всего для анализа используется бесплатная, свободно
распространяемая программа PinchLeni.




7
Пинч-метод основан на так называемом
интегрированном (комплексном, системном) подходе
к производству в целом, к системе всех процессов и
аппаратов (Process Integration), рассмотрении
индивидуальных и суммарных горячих и холодных
потоков, выявлении и анализе в них так называемых
пинчей – узких, лимитирующих мест.

8
Сущность метода заключается в поиске оптимальных путей
передачи теплоты от технологических потоков, которые
необходимо охладить (горячие потоки), к потокам, требующим
нагрева (холодные потоки).
Подобная интеграция потоков требует установления
дополнительной теплообменной аппаратуры.
Необходимо найти ту степень интеграции потоков, при которой
затраты на установление теплообменной площади окупаются
соответственным уменьшением потребления энергоносителей
извне, за счет рекуперации теплоты процесса.
Кроме того, для разных видов теплообменников различна
минимально необходимая температурная разность между
потоками (ΔTmin), что также влияет на полноту рекуперации
теплоты. Так, для кожухотрубчатых теплообменников ΔTmin не
должно быть меньше 10°С, тогда как для пластинчатых может
составлять 2-3°С.




9





Исходные данные для процесса представляются в виде набора
энергетических потоков или зависимостей тепловой нагрузки (кВт) от
температуры (°С).
Эти данные объединяются для всех потоков на предприятии, чтобы
дать композитные кривые, одну для всех горячих потоков (отдающих
тепло) и одну для всех холодных потоков (требующих тепло).
Точка наибольшего сближения горячей и холодной композитных
кривых — это пинч-температура (пинч-точка или просто пинч), и
является точкой с наибольшими ограничениями.
Таким образом, найдя эту точку и начав проектирование с неё, можно
достичь целевой энергии с помощью теплообменников путём
передачи теплоты между горячими и холодными потоками.
На практике в ходе пинч-анализа довольно часто находятся потоки с
температурой выше пинч-точки и ниже её, которые обмениваются
энергией друг с другом. Удаление этих обменов взаимным
выравниванием позволяет достичь целевой энергии.
10



Системы впервые внедрили Linnhoff и Flower в 1978 году.
Linnhoff и Hindmarsh дефинировали концепцию „pinch”= «узкое
место», «больной выброс».
Первый шаг в анализе «pinch» это конструирование линии
«горячей» и «холодной» среды. Эти линии получают при
добавлении векторов индивидуальных горячих потоков и
холодных потоков.
Минимальная надобность нагревания и охлаждения, а также
т.н. температура «pinch» определяются по диаграмме
композиционной кривой. Температура «pinch» соответствует
термодинамически оптимальной температуре для всей
системы. Через точку «pinch» не должно пройти ни одного
теплового потока.
11
Методика Pinch-анализа




Рассчитывают изменение энтальпии потоков (для периодического
процесса), или мощность (т.е. изменение энтальпии в единицу
времени), подводимую или отводимую от потока в непрерывном
процессе. Необходимые исходные данные для расчёта: удельные
теплоемкости потоков, их массовые расходы и температурные
интервалы их нагрева (охлаждения).
На основании расчета строится температурно – энтальпийная
диаграмма для горячих и холодных потоков.
Задается наиболее оптимальная для данного типа теплообменников
минимальная разность температур ΔT и по степени перекрытия
проекций кривых горячих и холодных потоков на энтальпийную ось
определяется количество теплоты, которую можно рекуперировать.
Далее производится проектирование теплообменной сети в
соответствии с разработанными в рамках пинч-анализа
эвристическими правилами, которые позволяют достичь максимально
возможной рекуперации теплоты с минимальными затратами на
теплообменную поверхность.
12
Пример





13
В химическом процессе питание
колонны А подогревается от 25 до
125ºС и поступает в реактор.
Дистиллят (пар) охлаждают от 125
до 37ºС (продукт В) в конденсаторе
холодной воды.
Кубовый остаток (продукт D)
охлаждают также водой от 188 до
30ºС. Продукт D проходит через
сепаратор твердый - жидкий, откуда
растворитель (сольвент)
рециркулируется в реактор.
Твердая фаза промывается теплой
водой. Вода нагревается для этого
от 15 до 75ºС.
Все операции проводятся паром с
температурой 140ºС и операции
охлаждения проводятся холодной
водой с температурой 15ºС
(нагревание до ~25ºС).
Свойства горячих и холодных потоков
Поток
Описание
Тнач., К
Ткон., К
Энтальпия,
кВт
кВт/К
1.
Горячий 1
398
310
- 880
10
2.
Горячий 2
461
303
- 1264
8
3.
Холодный 1
298
398
1300
13
4.
Холодный 2
288
348
720
12
Начальная потребность нагревания паром составляет 2020 кВт,
а начальная необходимость охлаждения водой составляет 2144 кВт.
14
Pinch диаграмма и композиционная кривая
Из Pinch диаграммы следует, что минимальная потребность нагревания
0 кВт, а охлаждения 124 кВт. Эти цифры значительно меньше исходных
потребностей нагревания и охлаждения.
15
Выгоды пинч-анализа





Применение пинч-метода позволяет добиться существенной финансовой
экономии за счет минимизации использования внешних энергоносителей, как
подводящих энергию, так и отводящих, путем максимального применения
рекуперации теплоты в рамках рассматриваемой энерготехнологической
системы.
Данный метод позволяет минимизировать теплообменную поверхность и
количество теплообменных единиц, оптимизировать перепад давления в сети
и размещение силовых установок, минимизировать количество сточных вод и
эмиссию углекислого газа.
В случае модернизации существующих производств пинч-технологии
позволяют максимально использовать уже установленное оборудование в
новых рабочих сетях, что снижает инвестиции в реконструкцию.
Методами пинч-анализа возможно определить стоимостный компромисс
между всеми названными факторами и капитальными вложениями при
заданном сроке окупаемости, которому и должен удовлетворять
окончательный проект.
Для действующих предприятий нефтепереработки и нефтехимии,
большинство из которых запущены в эксплуатацию в 60-70-х годах прошлого
столетия, применение пинч-технологии позволяет достичь снижения
потребления энергоресурсов и, соответственно, финансовых платежей за них,
на 30…50%, а в ряде случаев по отдельным установкам до 70%.
16
Интеграция массы


Системы интеграции массы известны под названием
«MEN» (mass exchange network).
Задача этих систем – идентифицировать наиболее
экономный процесс (или экономные процессы)
сепарации и нового использования отходов.
17

На рис. схематически изображён массообменный аппарат (десорбер,
ионообменный аппарат и др.).

Через аппарат проходят два стока – сепарационный поток (MSA = massseparating agent) и поток отхода (waste stream).

Задача «MEN» спроектировать процесс сепарации компонента из потока
отхода экономно. Компонент может быть загрязнителем, а также очень
ценным компонентом.
18




Вопросы, на которые при проектировании MEN
необходимо найти ответ:
Какие сепарирующие агенты надо применять?
Какова оптимальная нагрузка для каждого MSA?
Какие пары надо составлять между потоком отхода и
MSA?
Какова конфигурация массообменного аппарата?
(Какие потоки надо разделить, какие соединить).
19