Рассмотрим в качестве примера процесс, схема которого представлена на рис. 9.28.
Предполагается, что расходы, температуры и тепловые нагрузки каждого потока известны. Эта схема имеет два горячих потока (источника теплоты) и два холодных потока (стока теплоты), информация о которых представлена в табл. 9.2.
Рисунок 9.28 – Технологическая схема реакторного отделения
Таблица 9.2 – Характеристика потоков к схеме на рис. 9.28.
| Поток | Тип | Начальная температура, ºС | Целевая температура, ºС | Δ H ×10–3, кВт | Расходная теплоемкость, СР, кВт/ºС |
| Реактор 1 питание | Хол | 32,0 | |||
| Реактор 1 продукт | Гор | –31,5 | |||
| Реактор 2 питание | Хол | 27,0 | |||
| Реактор 2 продукт | Гор | –30,0 |
Предположим, что экономически оптимальное значение D Т min=10 ºС.
В этом случае диаграмма составных кривых имеет вид, представленный на рис. 9.29.
Область перекрытия кривых вдоль оси абсцисс определяет количество теплоты, которое может быть рекуперировано в рассматриваемом процессе. В рассматриваемой задаче, для D Т min=10 ºС, максимальная рекуперация теплоты составит 
МВт.
Рисунок 9.29 – Диаграмма составных кривых
В области на энтальпийной оси, где холодная составная располагается за началом горячей составной кривой, рекуперация теплоты невозможна, и энергия к холодному потоку должна поступать от горячих внешних теплоносителей, например, пара. Эта область на энтальпийной оси определяет целевые значения горячих теплоносителей 
, и для данной задачи = 7500 кВт.
В энтальпийной области, где горячая составная кривая располагается перед началом холодной составной кривой, рекуперация теплоты также невозможна, и горячие потоки должны отдать свою энергию внешним холодным теплоносителям. Эта область определяет целевые значения для холодных теплоносителей 
кВт.
В области пинча имеет место минимальная разность температур между теплоносителями, и это самая стесненная область для возможных размещений рекуперативных теплообменников. Если размещение теплообменников начинать с холодного или горячего края сеточной диаграммы, то может оказаться, что в районе пинча невозможно обеспечить выполнение критерия D Т min без нарушения пинч правил. Поэтому размещение теплообменных аппаратов необходимо начинать от пинча, чтобы уменьшить вероятность встретить трудности при дальнейшем проектировании.
Сеточная диаграмма этого процесса с указанием технологических данных и целевых энергетических значений представлена на рис. 9.30.
Рисунок 9.30 – Сеточная диаграмма для данных табл. 9.2
Рассмотрим подсистему, располагающуюся под пинчем (рис. 9.31) и попробуем расположить теплообменник на горячем потоке № 4 и холодном потоке № 1. Потоковая теплоемкость горячего потока в данном случае больше, чем потоковая теплоемкость холодного потока.
Рисунок 9.31 – К определению расположения теплообменников:
а – сетевая диаграмма; б – температурные профили
На рис 9.31, б представлены температурные профили потоков на температурно-энтальпийной диаграмме (здесь необходимо помнить, что направления потоков на сеточной диаграмме и температурно-энтальпийной диаграмме противоположны). Поскольку потоковая теплоемкость холодного потока (СРХ3 = 200 кВт) меньше, чем горячего (СРГ4 = 205 кВт), то при изменении температуры горячего и холодного потоков на одинаковую по модулю величину к холодному потоку потребуется подвести меньше энергии, чем отвести от горячего потока. Из-за этого наклон температурного профиля холодного потока будет круче, чем горячего. Поэтому при движении от пинча по энтальпийной оси (рис. 9.31, б) разность температур между теплоносителями в теплообменнике будет уменьшаться и станет меньше, чем D Т min, что неприемлемо.
Проанализируем размещение теплообменника на том же горячем потоке №4 и холодном потоке №3. В этом случае холодный поток имеет потоковую теплоемкость СРХ3 = 300 кВт, т.е. большую, чем у горячего потока СРГ4 = 205 кВт. В этом случае температурный профиль холодного потока будет более пологий, чем у горячего, и при размещении теплообменника в районе пинча, с разностью температур на холодном конце обязательно равной D Т min, разность температур между теплоносителями, в направлении от холодного конца теплообменника к горячему, будет только увеличиваться. Следовательно, такое расположение теплообменника на выбранных потоках возможно.
Для того, чтобы разность температур между теплоносителями в теплообменниках, размещенных вблизи пинча и выше его, не уменьшалась, необходимо выполнение условия:
(выше пинча). (9.4)
Из этого правила вытекают достаточно простые правила выбора потоков для начала размещения теплообменных аппаратов. Из рис. 9.31 видно, что для горячего потока № 2 возможно объединение с любым из холодных потоков, так как он имеет минимальную потоковую теплоемкость (СР = 150 кВт), и соотношение (9.4) будет выполнено всегда. Для следующего горячего потока выбор холодного партнера для теплообмена уже меньше, и в данном случае для потока №4 теплообмен возможен только с потоком № 3. Поэтому при выборе размещения теплообменников на пинче в подсистеме выше пинча, мы должны начать с горячего потока, имеющего максимальную потоковую теплоемкость СР, найти ему партнера для теплообмена среди холодных потоков так, чтобы выполнялось условие (9.4). Затем переходим к рассмотрению горячего потока, имеющего следующую (меньшую) потоковую теплоемкость и т.д.
Если проанализировать размещение теплообменных аппаратов ниже пинча, то получим условие:
(ниже пинча). (9.5)
Полученные соотношения можно кратко сформулировать следующим образом: размещение теплообменника на пинче возможно только для тех потоков, у которых потоковая теплоемкость входящего в пинч потока, не превышает потоковой теплоемкости выходящего из пинча потока:
. (9.6)
Начать размещения теплообменников мы должны с рассмотрения возможности теплообмена для потока, имеющего наибольшую величину 
, и подобрать ему партнера из выходящих потоков. Затем перейти к рассмотрению потока со следующим по величине значением и т.д.
Последовательное применение изложенного метода позволяет получить проект теплообменной сети процесса (рис. 9.32).
Рисунок 9.32 – Проект модернизации установки представленной на рис. 9.28
В приведенном выше проекте достигаются следующие поставленные энергетические цели:
1. Уменьшено потребление внешних энергоносителей на 51500 кВт за счет рекуперации тепла.
2. Потребность в энергии греющего пара уменьшена с 59000 кВт до 7500 кВт;
3. Потребность в энергии охлаждающей воды уменьшена с 61500 кВт до 10000 кВт.
Следует также отметить, что для реализации поставленных целей необходимо дополнительно установить три теплообменника.
Представленная процедура проектирования известна под названием пинч метода проектирования теплообменных систем.
Широкое распространение и применение пинч-анализа в последние два десятилетия позволило значительно улучшить энергетическую и эксплуатационную эффективность промышленных установок во всем мире. С помощью этого метода могут анализироваться обособленные технологические процессы и большие производственные комплексы, проектироваться новые и модернизироваться действующие производства. Литературные данные, опубликованные в различных источниках, говорят, что применение пинч-анализа приводит к снижению стоимости потребляемой энергии в среднем на 30–40 % и значительному снижению капитальных затрат.
В заключение следует отметить, что в данной главе изложены только основы пинч метода, которые дают представление о его возможностях и области применения. Более детально методы интеграции тепловых процессов изложены в специальной литературе.
Список литературы к главе 9
1. Смит Р., Клемеш Й., Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А., Ульев Л.М. Основы интеграции тепловых процессов. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2000. – 457 с.
2. Smith R/ Chemical Process Design. N.Y.: McGraw – Hill, 1995. P. 460.
3. Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А., Ульев Л.М. Определение энергосберегающего потенциала промышленных предприятий
с помощью построения составных кривых технологических потоков //Інтегровані технології та енергозбереження. – 1999. – №1. – С. 14 – 27.
4. Linnhoff B.,Towsend D.W., Boland D., et. Al., User Guide on PROCESS INTEGRETION for the EFFICIENT USE OF ENERGY. – Rugby.: IChemE. 1982, last edition 1994. P. 247.
5. Бесков В.С., Сафронов В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии: Учебник для вузов. – М.: Химия, 1999. 472 с.
Глава 10
ВЫПАРИВАНИЕ
Общие сведения
Выпариванием называется процесс концентрирования растворов нелетучих или малолетучих веществ путем испарения растворителя из раствора при его кипении.
Процесс выпаривания является одним из наиболее распространенных способов производства целевых продуктов в химической и смежных с ней отраслях промышленности. Выпариванию подвергают растворы твердых веществ, а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением насыщенного пара. Выпаривание иногда применяют для выделения растворителя в чистом виде, например, при опреснении морской воды или при дистиллировании воды.
При выпаривании обычно осуществляют частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Этим выпаривание принципиально отличается от испарения, которое происходит с поверхности раствора при любых температурах. Во многих случаях выпаривание сопровождается кристаллизацией растворенных солей из растворов при достижении раствором пересыщенного состояния.
Наиболее распространенным теплоносителем при выпаривании является насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным. Пар, образующийся при кипении раствора, называют вторичным или соковым.
При выпаривании растворов с высокой температурой кипения (
°С и более) в качестве теплоносителя применяют топочные газы с температурой 700 ¸ 1000 °С или высокотемпературные органические теплоносители, которые не растворимы в воде.
Теплопередача в процессах выпаривания может происходить как через стенку, отделяющую теплоноситель от выпариваемого раствора, так и при непосредственном соприкосновении раствора с газообразными или жидкими теплоносителями, несмешивающимися с водными растворами.
Процесс выпаривания проводят при атмосферном давлении, под вакуумом и при повышенном давлении. Выбор давления, при котором осуществляют процесс выпаривания, определяется свойствами раствора, располагаемым теплоносителем и возможностью использования теплоты вторичного пара.
Выпаривание под вакуумом позволяет проводить процесс при более низких температурах и применяется для концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при высоких температурах. Особенно широко выпаривание под вакуумом применяют в химико-фармацевтической и пищевой промышленностях. Применение вакуума имеет и другие преимущества – возможность использования низко потенциальных теплоносителей, больший температурный напор. Вместе с тем, при выпаривании под вакуумом увеличиваются капитальные затраты и эксплуатационные расходы на установку, так как необходимы дополнительные затраты на оборудование вакуумного хозяйства (конденсаторы, вакуум-насосы и др.), а также увеличивается расход греющего пара вследствие увеличения теплоты испарения воды при снижении давления.
Самым простым, но одновременно и наименее экономичным является выпаривание под атмосферным давлением, так как в этом случае, как правило, не используется теплота вторичного пара.
Наиболее распространенным является выпаривание под давлением выше атмосферного, когда вторичный пар используют как для обогрева других выпарных аппаратов, так и для различных технологических нужд.
Выпаривание обычно осуществляют в непрерывно действующих многокорпусных выпарных установках, состоящих из нескольких выпарных аппаратов (корпусов), в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса является греющим паром для последующего корпуса. В многокорпусных выпарных установках первичным паром обогревают только первый корпус, вследствие чего обеспечивается значительная экономия первичного пара.
При непрерывном выпаривании раствор в аппарате находится при концентрации равной конечной концентрации раствора, при постоянных физико-химических свойствах раствора и условиях теплопередачи.
В ряде случаев выпаривание целесообразно производить периодически. Отличительная особенность аппаратов периодического действия состоит в непрерывном изменении концентрации выпариваемого раствора. Поэтому в этом случае процесс выпаривания протекает при переменных значениях температуры кипения, рабочей разности температур, физико-химических свойств раствора, а следовательно, и при переменных значениях коэффициента теплопередачи.
Современные выпарные установки оснащаются выпарными аппаратами с поверхностью нагрева до нескольких тысяч квадратных метров, вследствие чего они являются крупными потребителями тепла, и потому требуется особая тщательность при их расчете и проектировании.
