Пинч-технология и технологическое проектирование ЛЕКЦИЯ Докладчик: Демин А.М. Слайд 1 АКТУАЛЬНОСТЬ: Рост стоимости энергоресурсов; Уменьшение темпов роста производства; Экологический фактор (Киотский протокол 1997г.); Высокая конкуренция на мировых рынках; Необходимость использования современных ресурсо- и энергосберегающих методов проектирования . 2 Для чего необходим пинч-анализ? • Оптимизация на кухне: Варка макарон Приготовление овощей на пару Сушка тарелок Паровые овощи Варка макарон Сушка тарелок в духовке Оптимизация Необходима только 1 горелка: снижение капитальных затрат! Не работает духовка Кроме того, как результат – снижение энергопотребления 3 Для чего необходим пинч-анализ? • Плохо работающая кухня будет выглядеть так: Для макарон не хватает тепла Нет пара для приготовления овощей Тепло должно быть слишком высоким, чтобы сварить макароны Лучшая практика Тарелки на горелке слишком горячие Увеличивается потребление энергии, потому что температура плохо согласована 4 Технологическое проектирование: A нагревание E охлаждение B нагревание F охлаждение C нагревание G охлаждение D нагревание H охлаждение Куда какой поток направлять ? 5 Технологическое проектирование: A нагревание E охлаждение B нагревание F охлаждение C нагревание G охлаждение D нагревание H охлаждение Какой вариант лучше? 6 Технологическое проектирование: A нагревание E охлаждение B нагревание F охлаждение C нагревание G охлаждение D нагревание H охлаждение Или, может быть, этот вариант? 7 Пинч-метод проектирования • Пинч-анализ – Системный метод энергетического анализа, разработанный Линнхоффом в 70-х гг** – Основан на 1-м и 2-м законах термодинамики – Рассматривает тепловую энергию – Может быть проведён вне зависимости от масштаба – Для существующих процессов или новых проектов – Полезен при расшивке узких мест – Используется, чтобы достичь потенциальных целей минимум 10-20% (в зависимости от рентабельности) и получить набор предложений – Позволяет выполнить оптимизацию процессов и энергоресурсов 8 Подход для анализа на предприятии Задача= максимизировать горизонтальные потоки и минимизировать вертикальные Тепловая интеграция= поощрение обмена для уменьшения потребностей в энергоресурсах Как? = пинч-анализ Вода - растворитель Энергия Воздух Поддержка производства Конверсия энергии Распределение Распределение Сырьё High Value Высокоценные Resources Ресурсы Энергия Продукты Побочные продукты Процессы Сбор Очистка отходов • • Тепловые потери Выбросы Вода Твёрдые вещества Малоценные Low Value Отходы Waste Применимо в независимости от масштаба Требуется тщательный сбор данных и использование специфического инструментария 9 Пинч-метод проектирования Тепловой и мат. баланс Подготовка данных Целевые значения утилизации тепла Капитал / энергия Выбор и размещение энергоносителей Изменения процесса и улучшение данных Оценка альтернатив Проектирование сети и разработка проекта Разработка детального проекта Реализация 10 Технологическое проектирование: реактор Реактор F (сырье) Реактор f (сырье) + P (продукт) Технологическое проектирование начинается с реактора 11 Технологическое проектирование: система разделенияОхлажд. f F Нагрев Реактор f+P Сепаратор Реактор Сепаратор Охлажд. P Когда становится известен проект реактора, следует определить систему разделения 12 Технологическое проектирование: теплообмен f Сепаратор F Реактор Сепаратор Реактор P Сеть теплообменников По завершении проекта реактора и разделения мы знаем VLE (парожидкостное равновесие), m, T Сеть теплообменников 13 Технологическое проектирование: энергоресурсы f Охлаждение Сепаратор F Реактор СЕПАРАТОР Реактор Нагрев Паровая турбина P Энергоресурсы Сеть теплообменников После технологического проектирования и проектирования сети теплообменников Энергоресурсы 14 Технологическое проектирование: технологические изменения F Реактор • Конверсия • Выход Сепаратор f • Давление • Условия по сырью • Боковой рибойлер/конденсатор P На данном этапе мы можем вернуться к рассмотрению основного процесса Лекция по технологическим изменениям 15 Пинч-анализ Пинч-анализ охватывает: Сепаратор Энергоресурсы Сеть теплообменников Реактор Технологические изменения Проектирование сети Взаимодействие теплообменников технологических потоков с энергоносителями Интеграция в масштабах предприятия 16 Пинч-анализ Границы пинч-анализа РЕАКЦИИ РАЗДЕЛЕНИЕ СЕТИ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ Тепловая интеграция также имеет значение при технологическом проектировании Пинч-анализ может быть проведён, как только будет доступен первый материальный и энергетический баланс, для того чтобы выбрать первый сценарий и/или оптимизировать рабочие условия В большинстве случаев данный подход является повторяющимся. 17 Пример 1 Улучшение интеграции тепла 1652 Рецикл 70 Сырье Реактор Пар Охл. вода Пар • Пар: 1722 • Охл. вода: 654 • Теплообменники: 6 654 Продукт 18 Пример 1 Определение целевых значений Сырье Реактор Нагрев Целевые значения: Горячие энергоносители = 1068 Площадь теплообменников = 533 Кол-во теплообменников = 4 Продукт Охлаждение Нагрев При этом не делается предположений относительно проекта! 19 Пример 1 Результаты Проект с использованием пинч-анализа Базовый вариант 1068 1652 70 Реактор Пар Пар Реактор Пар Охл. вода 654 Продукт Продукт Экономия: Нагрев: - 38% Охлаждение: - 100% Теплообменники: - 33% Площадь: - 15% 20 Пример 2 Технологические изменения (модернизация) В конденсатор верхнего продукта ЦО ЛГ Рибойлер колонны Воздушное охлаждение ЦО ТГ Сырье Реактор Рибойлер колонны ЦО шлама Рибойлер колонны Выработка пара ВД ЦО шлама Подогрев сырья Котловая вода Газойль (дизельная Воздушное фракция) охлаждение 21 Пример 2 Технологические изменения (модернизация) В конденсатор верхнего продукта • Перенос нагрузки с ЦО ЛГ на ЦО ТГ • Отсутствие печи ЦО ЛГ • Отказ от воздушного охлаждения Рибойлер колонны Газойль (дизельная фракция) Воздушное охлаждение Рибойлер колонны Реактор Подогрев ЦО шлама Рибойлер колонны Выработка пара ВД ЦО ТГ ЦО шлама Подогрев Сырье Продукт соответствует спецификациям ЦО ТГ Подогрев Воздушное охлаждение Газойль (дизельная фракция) 22 Пример 3 Требуется 10%-е снижение ограничений ЛГ ГО Нижний ЦО бензина продукт ЛГ ГО ЦО Нижний бензина продукт ТГ ЦО керосина Установка обессоливания ЛГ Ограничение по сыревым насосам Нижний продкт Нижний продкт ЛГ Нижний продкт ТГ ГО Печь работает с максимальной нагрузкой ЦО ГО Нижний продкт 23 Пример 3: Решение Достигнуто 10%-е снижение ограничений ЛГ ГО Нижний ЦО бензина продукт ЦО Нижний ТГ бензина продукт Ограничение по насосам устранено Нижний продукт Нижний продукт ЛГ ЛГ ЛГ ГО ГО ЛГ ТГ ЦО ГО Нижний продукт ГО ЦО ГО Нижний продукт ЦО керосина ЦО керосина Установка обессоливания Тепловая нагрузка печи не изменилась Окупаемость 2,5 г исключительно за счет экономии энергоресурсов Реализовано в 1989 г 24 Пример 4 Требуется определить целевые значения энергопотребления при ΔTmin=35C 62 кВт 1055 кВт 76 кВт 2043 кВт 257 кВт 243 кВт 25 Пример 4 Построение составных кривых существующего процесса 26 Пример 4 Существующая схема имеет ΔTmin=112C 27 Пример 4 Перемещение составных кривых вдоль энтальпийной оси до сближения на расстояние ΔTmin=35C 28 Пример 4 Схема сети теплообменников при DTmin=35C 29 Выводы по пинч-анализу Таким образом, пинч-анализ означает: • • • • • Качественное улучшение процесса проектирования Снижение затрат на энергоносители Уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу Лучшее использование капитальных затрат Повышение производительности после реконструкции 30 Выводы по пинч-анализу Экономия может обеспечиваться без ухудшения: • • • • • Технологической эксплуатации установки Материального исполнения Гибкости и управляемости Безопасности и пр. Улучшение достигается за счет улучшенной интеграции 31 Рассмотрим следующее… Можно ли экономить энергозатраты И капитальные затраты? 32 Рассмотрим следующее… Проект «A» Минимальные затраты на энергоносители? Проект «B» Минимальные капитальные затраты? Пар H H Пар Охл. вода H H H Охл. вода H C C C C C C 33 Рассмотрим следующее… Пар 110 ° 110 ° 165 ° 500 10 ° 500 500 Охл. вода (20-30°C) 165 ° 500 115 ° 165 ° 500 115 ° 165 ° 500 115 ° 115 ° 500 10 ° 500 115 ° 165 ° 500 165 ° 110 ° 110 ° 110 ° (200°C) 110 ° 115 ° 10 ° 10 ° 10 ° T 10 ° T H (площадь) = 78 м2 Q = 1500 H (площадь) = 100 м2 Q = 3000 34 Оптимизация до проектирования Затраты в годовом исчислении Общие затраты Затраты на энергоносители Капитальные затраты Движущая сила Проектная точка За пределами этой точки возрастают даже капзатраты теплопередачи 35 Преимущества пинч-анализа • • • • • • Практичность Экономия энергоресурсов Снижение выбросов Экономия капитальных затрат Содействие в устранении ограничений Применимость для новых проектов и при модернизации • Возможность использования во всех перерабатывающих отраслях промышленности 36 Пинч-анализ – плюсы и минусы Преимущества Недостатки Значительная экономия энергии выбросов парниковых газов) (или Системный подход, не зависит от масштаба Требует составления материального / энергетического баланса (как минимум энергетического) Сложен, если масштаб велик Углубляет знание процесса (температура и Помогает при проектировании, но тепловая мощность; потребности и необходимо детальнее изучать доступные ресурсы) и общий кругозор теплообменную сеть Полезен при разработке вариантов Необходимость разработки прикладной и интеграции, оптимизации рабочих условий и реалистичной методологии потребности в энергоресурсах Описание идеальных потенциальной экономии целей и Недостаток полезного использовании ПО, теплообменной сети и удобного в особенно для Сравнение альтернативных вариантов Требуется метод обучения Выделение неэффективного обмена Повторное проведение анализа при наличии изменений (технологические схемы, рабочие условия, …). Нет связи между имитацией процесса и пинч-графиком. Спасибо за внимание! Ваши вопросы… Слайд 38
