Пинч-анализ

Пинч-анализ — это методология минимизации энергопотребления химических процессов путем расчета термодинамически достижимых энергетических целей (или минимального энергопотребления) и их достижения за счет оптимизации систем рекуперации тепла, методов энергоснабжения и условий ведения процесса. Она также известна как интеграция процессов , интеграция тепла , интеграция энергии или пинч-технология .

Данные процесса представляются как набор потоков энергии или потоков в зависимости от тепловой нагрузки (произведение удельной энтальпии и массового расхода; единица СИ W ) от температуры (единица СИ K ). Эти данные объединяются для всех потоков на заводе, чтобы получить составные кривые : одну для всех горячих потоков (выделяющих тепло) и одну для всех холодных потоков (требующих тепла). Точкой наибольшего сближения составных кривых горячего и холодного потока является точка пинча (или просто пинч ) с температурой пинча горячего потока и температурой пинча холодного потока. Здесь дизайн наиболее ограничен. Следовательно, найдя эту точку и начав проектирование там, энергетические цели могут быть достигнуты с использованием теплообменников для рекуперации тепла между горячими и холодными потоками в двух отдельных системах: одна для температур выше температуры сжатия, а другая для температур ниже температуры сжатия. На практике при пинч-анализе существующей конструкции часто обнаруживают перекрестный теплообмен между горячим потоком, температура которого выше пинча, и холодным потоком ниже пинча. Удаление этих обменников путем альтернативного сопоставления приводит к тому, что процесс достигает своей цели. энергетическая цель .

История

В 1971 году Эд Хоманн в своей докторской диссертации заявил, что «можновычислить наименьшее количество «горячих» и «холодных» утилит, необходимых для процессане зная сети теплообменников, которая могла бы это сделать. Одинтакже может оценить необходимую площадь теплообмена».

В конце 1977 года к.т.н. студент Бодо Линхофф под руководством доктора Джона Флауэра в Университете Лидса ^[1] показал существование во многих процессах узкого места тепловой интеграции, «пинча», который заложил основу для метода, известного сегодня как пинч-анализ. В то время он присоединился к компании Imperial Chemical Industries (ICI), где руководил практическим применением и дальнейшей разработкой методов.

Бодо Линхофф разработал «Таблицу проблем», алгоритм расчета энергетических целей, и разработал основу для расчета необходимой площади поверхности, известную как «спагетти-сеть». Эти алгоритмы позволили практическое применение метода.

В 1982 году он поступил в Технологический институт Манчестерского университета ( UMIST , ныне Манчестерский университет ), чтобы продолжить работу. В 1983 году он основал консультационную фирму, известную как Linnhoff March International, позже приобретенную KBC Energy Services .

С тех пор было разработано множество усовершенствований, которые используются в широком спектре отраслей промышленности, включая распространение на теплоэнергетические системы инепроцессуальные ситуации. Наиболее подробное объяснение методов дано Linnhoff et al. (1982), Шеной (1995), Кемп (2006) и Кемп и Лим (2020), а Смит (2005) включает в себя несколько глав, посвященных им. Теперь доступны как подробные, так и упрощенные (электронные таблицы) программы для расчета энергетических целей. См. Программное обеспечение для анализа щипков ниже.

В последние годы пинч-анализ вышел за рамки энергетических приложений. Теперь он включает в себя:

Сети массового обмена (Эль-Халваги и Манусиутакис, 1989)
Щепотка воды (Япин Ван и Робин Смит, 1994; Ник Халле, 2002; Пракаш и Шеной, 2005)
Водородный пинч (Ник Халле и др., 2003; Агравал и Шеной, 2006)
Углеродный пинч (упоминается в работе Кемпа и Лима, 2020 г.)

Слабые стороны

Классический пинч-анализ в первую очередь рассчитывает затраты на электроэнергию для систем отопления и охлаждения. В точке пережима, где горячие и холодные потоки наиболее ограничены, необходимы большие теплообменники для передачи тепла между горячими и холодными потоками. Большие теплообменники влекут за собой высокие инвестиционные затраты. Чтобы снизить капитальные затраты, на практике требуется минимальная разница температур (ΔT) в точке защемления, например 10 °F. Можно оценить площадь теплообменника и капитальные затраты, а, следовательно, и оптимальное минимальное значение Δ T. Однако кривая стоимости довольно плоская, и на оптимум могут влиять «ловушки топологии». Пинч-метод не всегда подходит для простых сетей или там, где существуют серьезные эксплуатационные ограничения. Кемп (2006), Кемп и Лим (2019) подробно обсуждают эти аспекты.

Последние события

Проблема интеграции тепла между горячими и холодными потоками и поиск оптимальной сети, в частности с точки зрения затрат, сегодня может быть решена с помощью численных алгоритмов . Сеть может быть сформулирована как так называемая задача смешанного целочисленного нелинейного программирования (MINLP) и решена с помощью соответствующего численного решателя . Тем не менее, крупномасштабные задачи MINLP по-прежнему трудно решить с помощью современных численных алгоритмов. В качестве альтернативы были предприняты некоторые попытки сформулировать задачи MINLP в виде смешанных целочисленных линейных задач, где затем отбираются и оптимизируются возможные сети. Для простых сетей, состоящих из нескольких потоков и теплообменников, методы ручного проектирования с использованием простого программного обеспечения часто являются адекватными и помогают инженеру понять процесс. ^[2]

См. также

Директива ТЭЦ – Директива ЕС по когенерации тепла и электроэнергии
Энергетическая политика Европейского Союза – Законодательство в области энергетики в Европейском Союзе
Относительная стоимость электроэнергии, вырабатываемой различными источниками . Сравнение затрат различных источников выработки электроэнергии.
Когенерация – одновременное производство электроэнергии и полезного тепла.
Технологическая схема процесса – использование компьютерных средств для выполнения расчетов химического процесса.

Ссылки

^ Ибрагим, М.; Кавари, Аль- (2000). «Пинч-технология: эффективный инструмент для экономии энергии и капитальных затрат на химических предприятиях». Прикладная энергетика . 65 (1–4): 45–49. дои : 10.1016/S0306-2619(99)00057-4 .
^ Фурман, Кевин С.; Сахинидис, Николаос В. (9 марта 2002 г.). «Критический обзор и аннотированная библиография по синтезу сетей теплообменников в 20 веке». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 41 (10): 2335–2370. дои : 10.1021/ie010389e .

Эль-Халваги М.М. и В. Манусиутакис, 1989, «Синтез сетей массообмена», AIChE J., 35 (8), 1233–1244.
Кемп, IC (2006). Пинч-анализ и интеграция процессов: Руководство пользователя по интеграции процессов для эффективного использования энергии, 2-е издание . Включает программное обеспечение для работы с электронными таблицами. Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-8260-4 . (1-е издание: Линнхофф и др., 1982).
Кемп, И.К. и Лим, Дж.С. (2020). Пинч-анализ для сокращения выбросов энергии и выбросов углекислого газа: Руководство пользователя по интеграции процессов для эффективного использования энергии, 3-е издание . Включает программное обеспечение для работы с электронными таблицами. Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-08-102536-9 .
Линнхофф Б., Д. В. Таунсенд, Д. Боланд, Г. Ф. Хьюитт, Б. Э. Томас, А. Р. Гай и Р. Х. Марсланд, (1982) Руководство пользователя по интеграции процессов для эффективного использования энергии. IChemE, Великобритания.
Шеной, Ю.В. (1995). Синтез сети теплообменников: оптимизация процесса посредством анализа энергии и ресурсов . В комплекте два компьютерных диска. Компания Gulf Publishing, Хьюстон, Техас, США. ISBN 0-88415-391-6 .
Смит, Р. (2005). Проектирование и интеграция химических процессов . Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-48680-9
Халле, Ник. (2002). Новый метод графического таргетинга для минимизации использования воды. Достижения в области экологических исследований. 6(3): 377-390
Ник Халле, Ян Мур, Деннис Воук, «Оптимизация использования водорода при минимальных инвестициях», Petroleum Technology Quarterly (PTQ), весна (2003 г.)
Агравал, В. и У.В. Шеной, 2006, «Единый концептуальный подход к определению и проектированию водных и водородных сетей», AIChE J., 52 (3), 1071–1082.
Ван Ю.П. и Смит Р. (1994). Минимизация сточных вод. Химико-технологическая наука. 49:981-1006
Пракаш, Р. и Шеной, У.В. (2005) Выбор и проектирование водопроводных сетей для операций с фиксированным расходом и фиксированной нагрузкой по загрязняющим веществам. Химико-технологическая наука. 60(1), 255-268
де Клерк, Л.В., де Клерк, член парламента и ван дер Вестхейзен, Д. «Усовершенствование капитальных и эксплуатационных затрат гидрометаллургического уранового цикла за счет управления водными ресурсами и интеграции целей коммунальной и технологической энергетики» Конференция AusImm, U, 2015 г.

Внешние ссылки

PinCH - Программное обеспечение для непрерывных и периодических процессов, включая контуры косвенной рекуперации тепла и накопители энергии. Доступны бесплатные руководства, учебные пособия, тематические исследования и истории успеха.
HeatIT — бесплатная (облегченная) версия программного обеспечения Pinch Analysis, работающая в Excel, разработанная Pinchco , консалтинговой компанией, предлагающей экспертные консультации по вопросам, связанным с энергетикой.
Simulis Pinch — инструмент от ProSim SA, который можно использовать непосредственно в Excel и предназначен для диагностики и энергетической интеграции процессов.
Интеграция — практичный и недорогой инструмент вычислений для интеграции процессов, разработанный CanmetENERGY , ведущей канадской исследовательской и технологической организацией в области чистой энергии.

[ebrahim-1] Ибрагим, М.; Кавари, Аль- (2000). «Пинч-технология: эффективный инструмент для экономии энергии и капитальных затрат на химических предприятиях». Прикладная энергетика . 65 (1–4): 45–49. дои : 10.1016/S0306-2619(99)00057-4 .

[2] Фурман, Кевин С.; Сахинидис, Николаос В. (9 марта 2002 г.). «Критический обзор и аннотированная библиография по синтезу сетей теплообменников в 20 веке». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 41 (10): 2335–2370. дои : 10.1021/ie010389e .

[1]

[2]