sinteza i integracija procesa

1

● Kod projektiranja održivih tehnoloških procesa, uvijek se razmatra više različitih alternativa i odabire optimalna u odnosu na efikasno iskorištavanje prirodnih resursa sirovine/energije i zadovoljavanja kriterija zaštite okoliša. To je vrlo kompleksan i poticajan zadatak, koji zahtjeva multidisciplinaran pristup. U tomu vrlo značajnu ulogu imaju sustavske metode koje se uspješno koriste za sintezu i projektiranje integralnih procesnih sustava.

● Sustavska analiza se općenito definira kao skup metoda i postupaka koji se primjenjuju

za dizajniranje procesa. Pritom se može koristiti hijerarhijski i holistički pristup.

● Suština hijerarhijskog pristupa je fragmentiranje složene strukture procesa u jednostavnije i poboljšavanja procesne strukture na svakoj pojedinačnoj razini. Kod ovog

pristupa poznat je Model lukovice.

● Kod holističkog pristupa sustav se promatra kroz procese funkcioniranja cjeline, a ne

njegovih izdvojenih dijelova, tj. primjenjuje se integracija procesa. To znači da se

razmatra interakcija između pojedinih jediničnih procesa i operacija od samog početka,

prije optimizacije svake jedinice odvojeno. Ovaj pristup je vrlo koristan za određivanje

optimalnog iskorištenja energije/topline i mase u samom procesu i to primjenom Pinch

analize.

● Treći pristup predstavlja kombinaciju hijerarhijskog i holističkog pristupa s metodom

matematičkog programiranja.

8. SINTEZA I INTEGRACIJA PROCESA

2 2

● procesni projekt se razvija slojevito, počevši od centralne procesne jedinice, CPU

(engl. Central Process Unit)

● ovisno o tehnološkom procesu koji se želi razviti, CPU može biti reaktor,

bioreaktor, ekstraktor,...) i predstavlja unutrašnji ili prvi sloj "lukovice"

● sustavi odjeljivanja ili separacije predstavljeni su drugim slojem

● treći sloj modela lukovice sadrži mrežu izmjenjivača topline čije su toplinske

dužnosti određene potrebama centralne procesne jedinice i potrebama separacijskih

jedinica

● topline koje se ne mogu rekuperirati u mreži izmjenjivača, trebaju se dovesti izvana

u obliku vodene pare, rashladne vode i dr. i sadržane su u četvrtom sloju lukovice.

8.1. Hijerarhijski pristup - model lukovice (engl. Onion Model)

3 3

separacija i

recirkulacija

mreža izmjenjivača

topline

energija dovedena

izvana

osnovna procesna

jedinica

Hijerarhijski pristup

dizajn osnovne procesne jedinice, CPU (reaktor, bioreaktor, ekstraktor,...)

dizajn sustava za separaciju

dizajn mreže izmjenjivača

topline

dizajn sustava za dovod energije

izvana

Shematski prikaz modela lukovice

CPU

4 4

8.2. Holistički pristup u integraciji procesa - Pinch analiza

5 5

Integracija procesa predstavlja holistički pristup optimalnom dizajnu održivih i ekonomski

isplativih tehnologija. Ovim pristupom razmatra se interakcija između različitih jediničnih

procesa i operacija od samog početka, prije optimizacije svake jedinice odvojeno, tj. u

proizvodnom sustavu se ne promatraju pojedinačni dijelovi tog sustava, već se promatra kroz

procese funkcioniranja cjeline. Integracija procesa se može podijeliti na integraciju topline i

integraciju mase.

integracija procesa

integracija topline integracija mase

Integracijom topline pronalazi se optimalno iskorištenje topline u samom procesu i

smanjuje potreba vanjskog izvora energije.

Integracijom mase pronalazi se optimalno iskorištenje mase u separacijskim procesima u

kojima dolazi do izmjene tvari.

Integracije topline i mase primjenjuju tzv. pinch tehnologiju ili analizu na temelju koje su

razvijene mnoge metode za sintezu mreže izmjenjivača topline i mreže izmjene mase.

Takav pristup integracije topline pri projektiranju mreže izmjenjivača naziva se HEN

Design (engl. Heat Exchange Network), a za mrežu izmjene mase MEN Design (engl.

Mass Exchange Network).

6

Pinch analiza ili pinch tehnologija - tehnika integracije čijom primjenom se računaju

dostižljivi ciljevi za dani proces i utvrđuje se kako ih postići. Time se već u preliminarnoj

fazi projektiranja novih procesa dobiva uvid u energijske, materijalne i investicijske

troškove. Pinch analiza upućuje na optimalno korištenje i očuvanje prirodnih sirovina i

pridonosi održivom razvoju. Upravo to pinch analizu čini atraktivnijom u odnosu na

tradicionalne metode projektiranja.

Pinch tehnologija se zbog energijske krize sedamdesetih godina prošlog stoljeća, najprije

počela primjenjivati za toplinsku analizu procesa i integraciju energije. Krajem osamdesetih i

početkom devedesetih godina prošlog stoljeća, koncept pinch analize za povrat

(rekuperaciju) topline se počeo primjenjivati i za sintezu optimalne mreže uređaja za

separaciju tvari, u kojima se iz koncentriranih procesnih i/ili otpadnih struja odvajaju

(separiraju) otopljene tvari u druge struje unutar procesa ili u struje dovedene izvana. Isto

tako postaje sve značajnija tehnika za sustavsku analizu i optimizaciju potrošnje vode u

tehnološkim procesima.

Danas se pinch postupak sve više primjenjuje i za analizu i poboljšanje postojećih

postrojenja.

7 7

Pinch analiza u integraciji topline i sintezi mreže izmjenjivača se temelji na proračunu

termodinamički dostižljivih energijskih ciljeva, koji se postižu optimizacijom sustava za

rekuperaciju topline, izborom načina opskrbe energijom i radnih uvjeta procesa.

Princip integracije topline se može ilustrirati jednostavnim primjerom. Na slici je

shematski prikazan proces s jednom hladnom i jednom toplom procesnom strujom i njihov

temperaturno - entalpijski dijagram (T-H dijagram). Struja reaktanta se prije ulaska u reaktor

zagrijava vodenom parom, a struja produkta se hladi vodom u izmjenjivačima topline. Iz

temperaturno - entalpijskog dijagrama za obje struje se vidi kolike su potrebe za dovod i

odvod topline.

8.3. Sinteza mreže izmjenjivača topline pinch analizom

Pinch analiza omogućava da se na samom početku dizajna procijeni:

● maksimalno iskorištenje energije

rekuperacijom, MER (engl. Maximum Energy Recovery)

● minimalna energija koju treba dovesti izvana.

Da se zadovolje ovi ciljevi, dizajnira se mreža izmjenjivača topline, HEN (engl. Heat

Exchanger Network), koja se optimizira minimiziranjem ukupnih godišnjih investicijskih i

energijskih troškova.

8 8

Shematski prikaz procesa s jednom hladnom i jednom toplom procesnom strujom i njihov T-H dijagram.

200

100

90

80

QRV

QVP

H, kW

T, oC

Reaktor

200 oC80 oC 90 oC

ProizvodReaktant

Vodena para

Rashladna voda

QRV = toplina rashladne vode, kW

QVP = toplina vodene pare, kW

QREC200

100

90

80

QRV

QVP

H, kW

T, oC

9 9

Poboljšana shema procesa s T-H dijagramom procesnih struja.

200

100

90

80

QRV

QVP

H, kW

T, oC

Reaktor

200 oC80 oC 90 oC

ProizvodReaktant

Vodena para Rashladna voda

10 10

Broj struja u industrijskim procesima je velik, pa se pinch tehnologijom nastoji procijeniti

optimalna ekonomska isplativost u preliminarnoj fazi dizajniranja mreže izmjenjivača. Pri

tome se u prvom koraku utvrđuju tople i hladne struje u procesu s danim početnim i ciljanim

stanjima (temperatura, protok, tlak, fazno stanje).

P

T1T P

T2T P

T3T P

nTT

P

H1T C

H1T

P

H2T C

H2T

P

H3T C

H3T

P

nHT C

nHT

C

T1T C

T2T C

T3T C

nTT

nepoznata mreža

izmjenjivača topline

Tople procesne struje

Hla

dn

e p

roce

sne

stru

je

gdje su:

nT - broj toplih struja

TPT - početne temperature toplih struja, ºC

TCT - ciljane temperature toplih struja, ºC

nH - broj hladnih struja

TPH - početne temperature hladnih struja, ºC

TCH - ciljane temperature hladnih struja, ºC

Shematski prikaz integracije topline: tople i hladne

procesne struje s početnim i ciljanim temperaturama.

11 11

Shematski prikaz unutrašnje i pomoćne mreže izmjenjivača topline.

Tople procesne strujeTople procesne struje

Hladne Hladne

procesne procesne

strujestruje

PomoPomoćć na mrena mrežž aa

(hl(hlaađđ enje enje

rashladnom vodom)rashladnom vodom)

PomoPomoćć na mrena mrežž aa

(grijanje vodenom parom)(grijanje vodenom parom)

?

Kada se izmjenom topline između toplih i hladnih struja ne mogu postići ciljane temperature,

potrebni su dodatni izmjenjivači topline za grijanje i/ili hlađenje dovodom energije

izvana pomoću pomoćnih medija, kao što su npr. vodena para i rashladna voda.

Izmjenjivači topline u kojima se izmjenjuje toplina između toplih i hladnih procesnih struja

čine unutarnju, a oni između toplih ili hladnih struja i pomoćnih medija dovedenih izvana,

pomoćnu mrežu izmjenjivača topline, kao što je prikazano na slici.

12 12

8.3.1. Koraci pinch analize

a) definiranje broja i karakteristika procesnih struja

- tople

- hladne - pomoćne struje

PcmC

● TP - početna temperatura, oC

● TC - ciljana temperatura, oC

● C - kapacitivna brzina za svaku struju, kW oC-1.

gdje je:

- maseni protok, kg s-1

cp - specifični toplinski kapacitet, kJ kg-1 oC-1

● promjena entalpije ∆H struje koja prolazi kroz izmjenjivač:

P CΔH Q C (T T ) .

m

(1)

(2)

13 13

b) izbor početne ∆Tmin vrijednosti

∆Tmin vrijednosti predstavlja usko grlo u rekuperaciji topline.

U literaturi se mogu naći iskustvene ∆Tmin vrijednosti za izmjenu topline u različitim

industrijskim procesima, a neke od njih su prikazane u tablici za izmjenjivače tipa snop

cijevi u plaštu.

Tablica 1. Iskustvene ∆Tmin vrijednosti

---------------------------------------------------------------

Industrijska grana ∆Tmin,

0C

----------------------------------------------------------------

Rafinerije 20 – 40

Petrokemijska industrija 10 – 20

Kemijska industrija 10 – 20

Nisko temperaturni procesi 3 – 5

-----------------------------------------------------------------

Iskustvene ∆Tmin vrijednosti.

14 14

c) definiranje ciljeva minimalnih energijskih troškova

● grafička metoda

● analitička metoda temperaturnih intervala

d) definiranje ciljeva investicijskih troškova mreže izmjenjivača

e) određivanje optimalne ∆Tmin vrijednosti

f) dizajniranje mreže izmjenjivača topline.

metode koje se temelje na

termodinamičkim principima

metode koje primjenjuju linearno i

nelinerano programiranje

15 15

8.3.2. Grafička metoda

Princip metode: grafički prikazati promjene entalpijskih protoka s temperaturom za svaku

od struja.

konstrukcija tople

kompozitne krivulje

T, oC

H, kW

T1T1

T2T2

T, oC

H, kW

T1T1

T2T2

T1 + T2T1 + T2

C

1

ΔH

)T(Tpravcanagib

PC

T-H dijagram za tople struje.

T-H dijagram za toplu kompozitnu krivulju

(krivulja hlađenja).

Tople struje

Metodu su uveli Umeda et al. 1978.

16 16

T, oC

H, kW

H1H1

H2H2

T, oC

H, kW

H1H1

H2H2

H1 + H2H1 + H2

T-H dijagram za hladne struje. T-H dijagram hladne kompozitne krivulje

(krivulja grijanja).

Hladne struje

konstrukcija hladne

kompozitne krivulje

17 17

Pinch → temperatura pri kojoj se dvije

kompozitne krivulje najviše približavaju

QHmin → minimum izvana dovedene energije

za hlađenje

QTmin → minimum izvana dovedene energije

za grijanje

QREC → maksimalna toplina koja

se može rekuperirati

T, oC

H, kW

QREC QTminQHmin

T, oC

H, kW

QREC QTminQHmin

T, oC

H, kW

QREC QTminQHmin

Pinch

∆Tmin → raste

DTmin → 0

Crtanje zajedničkog T-H dijagrama za hladnu i toplu kompozitnu krivulju

18

Na temelju podataka o procesnim strujama danih u Tablici odrediti pinch grafičkom

metodom uz ΔTmin = 10 oC na primjeru mreže izmjenjivača topline.

Podaci o procesnim strujama.

br. vrsta struje TP, oC TC, oC

kapacitivna

brzina

C, kW oC-1

toplinski tok

ΔH, kW

1 topla, T1 260 160 3,0 300

2 topla, T2 250 130 1,5 180

3 hladna, H1 120 235 2,0 -230

4 hladna, H2 180 240 4,0 -240

TP-TC,

oC

100

120

-115

-60

DC

P

T

T

CP )T(TCdTCHQ

Primjer 1: Određivanje pincha grafičkom metodom

19

a-1) Grafički prikaz promjene entalpijskih

protoka s temperaturom za tople struje

a-2) Crtanje tople

kompozitne krivulje

100

150

200

250

300

0 200 400 600DH, kW

T,

oC

T1T2

ΔH,

kW

T, oC

0 130

45 160

450 250

480 260

100

150

200

250

300

0 200 400 600DH, kW

T,

oC

T2

T1T1+T2

40545 30

Krivulja hlađenja

20

0

100

200

300

0 200 400 600DH, kW

T,

oC

H1H2

a-4) Crtanje hladne

kompozitne krivulje

ΔH,

kW

T,

oC

0 120

120 180

450 235

470 240

0

100

200

300

0 200 400 600DH, kW

T,

oC

H2H1+H2

H1

120 20330

Krivulja grijanja


protoka s temperaturom za hladne struje

21

100

150

200

250

0 200 400 600

DH, kW

T, o

C T1+T2

T1

H1

H1+H2

H2

50 kW

T2

100

150

200

250

0 200 400 600

DH, kW

T,

oC

T1+T2

T1

H1

H1+H2

H2

T2

PINCH - temperatura pri kojoj se dvije kompozitne

krivulje najviše približavaju

QHmin - min

izvana dovedena

energija

za hlađenje

QREC - max toplina koja se

može rekuperirati

ΔTmin =10 oC

QTmin - min izvana

dovedena energija za

grijanje

QTmin = 50 kW

QHmin = 60 kW

PINCH = 180 oC

a-5) Crtanje tople i hladne kompozitne krivulje uz DTmin = 10oC

22


br. vrsta struje TP, oC

TC,

oC

toplinski tok

ΔH, kW

kapacitivna

brzina

C, kW oC-1

1 topla, T1 250 40 31,5 0,15

2 topla T2 200 80 30,0 0,25

3 hladna, H1 20 180 32,0 0,20

4 hladna H2 140 230 27,0 0,30

TP-TC

oC

210

120

-160

-90

Na temelju podataka o procesnim strujama datih u Tablici odrediti pinch grafičkom metodom

uz ΔTmin = 10 oC na primjeru mreže izmjenjivača topline.

Primjer 2: Određivanje pincha grafičkom metodom

23

0

100

200

300

0 20 40 60 80DH, kW

T,

oC

T1

T2


protoka s temperaturom za tople struje

a-2) Crtanje tople

kompozitne krivulje

ΔH,

kW

T, oC

0 40

6 80

54 200

61,5 250

0

100

200

300

0 20 40 60 80

DH, kW

T,

oC

T2

T2

T1+T2

6 48 7,5

7.5 kW

24

0

100

200

300

0 20 40 60 80DH, kW

T,

oC

H1

H2

a-4) Crtanje hladne

kompozitne krivulje

ΔH,

kW

T,

oC

0 20

24 140

44 180

59 230


protoka s temperaturom za hladne struje

0

100

200

300

0 20 40 60 80DH, kW

T,

oC

H2

H1+H2

H1

24 20 15

25

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100

DH, kW

T,

oC

T1+T2

T1

H1

H1+H2

H2

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100

DH, kW

T,

oC

T1+T2

T1

H1

H1+H2

H2

PINCH - temperatura pri kojoj se dvije kompozitne

krivulje najviše približavaju

QHmin - min

izvana

dovedene

energije za

hlađenje

QREC - max toplina koja se može

rekuperirati

ΔTmin =10 oC

QTmin - min izvana

dovedene energije za

grijanje

QTmin = 7,5 kW

QHmin = 10 kW

PINCH = 145 oC

a-5) Crtanje tople i hladne kompozitne krivulju uz DTmin = 10oC

26

8.3.3. Analitička metoda temperaturnih intervala

Numerička metoda za određivanje "pinch" temperatura i MER ciljeva ● Postojeće početne i ciljane temperature se prevode u intervalne

Tint = Tstv – (DTmin /2) za toplu struju

Tint = Tstv + (D Tmin /2) za hladnu struju

Tint = Tstv - DTmin

Tint = Tstv ili

● Intervalne temp. se poredaju po veličini od najveće prema najmanjoj, te se za svaki temperaturni interval

"i" izračuna entalpijski protok ΔHi (tablični dijagram temperaturnih intervala i entalpijskih protoka).

.kW90145)(1753)T(T)C(CΔH 101HTi

(Razvili su je Linnhoff i Flower 1978. na temelju pionirskog rada Hofmanna 1971.)

175

145

140

85

55

25

1 2 3 4

C=3C=1 C=2 C=4.5

redoslijed

temperatura

ΔTi

oC

struje u intervalu

(CT - CH)

W oC-1

ΔHi

kW

suvišak (s),

manjak (m)

175 - - - - -

145 30 (1) 3 90 s

140 5 (1+2) - (4) (3+1) - (4,5) = 0,5 -2,5 m

85 55 (1+2) - (3+4) (3+1) - (2 + 4,5) = -2,5 -137,5 m

55 30 (1+2) - (3) (3+1) - (2) = 2 60 s

25 30 (2) - (3) (1) - (2) = -1 -30 m

C=4,5

(3)

(4)

27 27

Kaskade pokazuju prijenos topline s višeg na niži temperaturni interval. To znači da se suvišak od

prvog intervala od 30 kW prenosi na drugi interval, i tako redom.

Najveći manjak jest - 50 kW, te se upravo 50 kW topline treba dovesti na vrh kaskade.

Pinch temp.

QHmin minimum izvana


hlađenje

QTmin minimum izvana


grijanje

● Formiranje kaskada temperaturnih intervala unutar kojih se provodi toplinska bilanca.

Toplinski tok u kaskadi = 0 = PINCH, tj. nema prijenosa topline preko pincha, ako se želi ostvariti max.

iskorištenje energije i min. dovod energije izvana.

Kaskadni dijagram temperaturnih intervala

90

-137,5

60

-30

-2,5

90

-2,5

-137,5

60

-30

90

87,5

-50

10

-20

90

-2,5

-137,5

60

-30

140

137,5

0,0

60

30

50

145 oC

175 oC

140 oC

85 oC

55 oC

25 oC

28

b-1) Postojeće početne i ciljane temperature se prevode u intervalne

Tint = Tstv - DTmin

Tint = Tstv

Zadani ΔTmin = 10 oC.

br. vrsta struje stvarne temperature

T,stv, oC

intervalne temperature

Tint, oC

1 topla, T1 260 160 250 150

2 topla, T2 250 130 240 120

3 hladna, H1 120 235 120 235

4 hladna H2 180 240 180 240

Za toplu struju:

Za hladnu struju:

Primjer 3: Određivanje pincha analitičkom metodom temperaturnih intervala

Na temelju podataka zadanih u Tablici odrediti pinch analitičkom metodom temperaturnih

intervala uz izračunavanje Tint za toplu struju Tint = Tstv – DTmin, a za hladnu Tint = Tstv.


29

b-2) Intervalne temp. se poredaju po veličini od najveće prema najmanjoj, te se za svaki

temperaturni interval "i" izračunava entalpijski protok ΔHi (Tablica)

250

240

235

180

150

120

1 2 3 4

C=3

C=1.5

C=2C=4

250

240

235

180

150

120

redoslijed

temperatura

ΔTi, oC

struje u intervalu (CT - CH),

kW oC-1

ΔHi , kW

suvišak ili

manjak

250 - - - - -

240 10 (1) 3 30 s

235 5 (1+2) - (4) (3+1,5) - (4) = 0,5 2,5 s

180 55 (1+2) - (3+4) (3+1,5) - (2 + 4) = -1,5 -82,5 m

150 30 (1+2) - (3) (3+1,5) - (2) = 2,5 75 s

120 30 (2) - (3) (1,5)-(2) = -0,5 -15 m

gdje je:

ΔTi - razlika temperature u intervalu i, oC

CH - kapacitivna brzina hladnih struja, kW oC-1

CT - kapacitivna brzina toplih struja, kW oC-1

ΔHi - prenesena toplina u intervalu i, kW.

DHi = (CT-CH) ΔTi C=1,5

(5)

30

-82,5

75

-15

2,5

30

2,5

-82,5

75

-15

30

32,5

-50

25

10

30

2,5

-82,5

75

-15

80

82,5

0,0

75

60

Pinch točka

minimum topline

hladnog pomoćnog

medija

minimum topline

toplog pomoćnog

medija

250 oC

240 oC

235 oC

180 oC

150 oC

120 oC

50

Kaskade pokazuju prijenos topline s višeg na niži temp. interval. To znači da se suvišak od

prvog intervala od 30 kW prenosi na drugi interval, i tako redom.

b-3) Formiranje kaskada temperaturnih intervala unutar kojih se provodi toplinska bilanca

30

Najveći manjak jest - 50 kW, te se upravo 50 kW energije treba dovesti na vrh kaskade.

Toplinski tok u kaskadi = 0 = PINCH, tj. nema prijenosa topline preko pincha, ako se želi ostvariti max. iskorištenje

energije rekuperacijom i min. dovoda energije izvana.

31

Zadani ΔTmin = 10 oC.

br. vrsta struje stvarne temperature

Tstv , oC

intervalne temperature

Tint, oC

1 topla, T1 250 40 245 35

2 topla, T2 200 80 195 75

3 hladna, H1 20 180 25 185

4 hladna, H2 140 230 145 235

b-1) Postojeće početne i ciljane temperature se prevode u intervalne

Tint = Tstv – (DTmin /2)

Tint = Tstv + (D Tmin /2)

za toplu struju:

za hladnu struju:

Primjer 4: Određivanja pincha analitičkom metodom temperaturnih intervala

Na temelju podataka zadanih u Tablici odrediti pinch analitičkom metodom

temperaturnih intervala uz izračunavanje Tint za toplu struju Tint = Tstv – (DTmin/2), a za

hladnu Tint = Tstv + (DTmin/2.)


32

b-2) Intervalne temp. se poredaju po veličini od najveće prema najmanjoj, te se za svaki

temperaturni interval "i" izračunava entalpijski protok Hi (Tablica)

gdje je:

ΔTi - razlika temperatura u intervalu i, oC

CH - kapacitivna brzina hladnih struja, kW oC-1

CT - kapacitivna brzina toplih struja, kW oC-1

ΔHi - prenesena toplina u intervalu i, kW

DHi = (CT-CH) ΔTi 245

235

195

185

145

75

35

25

1 2 3 4

C=0.15

C=0.25

C=0.2C=0.3

redoslijed

temperatura

DTi oC

struje u intervalu

(CT - CH)

kW oC-1

DHi

kW

suvišak

ili

manjak

245 - - - - -

235 10 (1) 0,15 1,5 s

195 40 (1) - (4) (0,15) - (0,3) = -0,15 -6 m

185 10 (1+2) - (4) (0,15+0,25) - (0,3) = 0,1 1 s

145 40 (1+2) - (3+4) (0,15+0,25) - (0,2+0,3) = -0,1 -4 m

75 70 (1+2) - (3) (0,15+0,25) - (0,2) = 0,2 14 s

35 40 (1) - (3) (0,15) - (0,2) = -0,05 -2 m

25 10 -(3) -0,2 -2 m

C=0,15 C=0,2

C=0,25 C=0,3

33

Kaskade pokazuju prijenos topline s višeg na niži temp. interval. To znači da se suvišak od prvog

intervala od 1,5 kW prenosi na drugi interval, i tako redom.

Najveći manjak jest - 7,5 kW, te se upravo 7,5 kW energije treba dovesti na vrh kaskade.

Pinch

QHmin

minimum izvana

dovedene energije

za hlađenje

QTmin

minimum izvana


grijanje

b-3) Formiranje kaskada temperaturnih intervala unutar kojih se provodi toplinska bilanca

1,5

1

-4

14

-2

-2

-6

1,5

-6

1

-4

14

-2

-2

1,5

-4,5

-3,5

-7,5

6,5

4,5

2,5

1,5

-6

1

-4

14

-2

-2

9,0

3,0

4,0

0,0

14

12

10

7,5 245 oC

235 oC

195 oC

185 oC

145 oC

75 oC

35 oC

25 oC

34

Prikladan način povezivanja izmjenjivača je REŠETKA.

KRITERIJI za sintezu mreže izmjenjivača:

- nema prijenosa topline kroz pinch

- nema izvana dovođenja hlađenja iznad pincha

- nema izvana dovođenja grijanja ispod pincha

- jedna na toploj strani pincha (ili iznad pincha)

- druga na hladnoj strani pincha (ili ispod pincha).

Pinch T1 TP

T2 TP

TP H1

TP H2

TC

TC

TC

TC

iznad pincha ispod pincha - okomite linije- područje pincha

- vodoravne linije - procesne struje s

početnim i ciljanim temp.:

- tople su na vrhu, smjer

- hladne su ispod, smjer

- izmjenjivač

- nedopušteni prijenos topline ili

grijanje/hlađenje pomoćnim medijem

Da se podrži min. dovođenja topline izvana, dizajniraju se dvije odvojene mreže:

8.3.4. Izvedba mreže izmjenjivača ispod i iznad pincha

34

35 35

Sinteza mreže izmjenjivača

● prvo se dizajnira mreža iznad pincha, a zatim ispod pincha

● definiraju se struje koje će se spajati ili križati

HT

TH12

CC

)C(CQΔTΔT

H1T21 TTΔT

H2T12 TTΔT

a) iznad pincha - spajanje započinje s temperaturnom razlikom ∆T1= ∆Tmin

HT

THmin2

CC

)C(CQΔTΔT

min2 TΔT D

min1 TΔT DCT CH

razlika temperature na hladnom kraju izmjenjivača topline

razlika temperature na toplom kraju izmjenjivača topline

TT2 ∆T1

TT1

TH2 TH1 ∆T2

Q

T, oC

H, kW

PinchPinch

DTmin

H1H1

T1T1

CCTT CCHH

NeizvedivoNeizvedivo

DT1 < DTmin

T, oC

H, kW

PinchPinch

DTmin H2H2

T1T1

CCTT CCHH

IzvedivoIzvedivo

DT1 > DTmin

36 36

HT

THmin1

CC

)C(CQΔTΔT

min1 TΔT D

min2 TΔT DCT CH

b) ispod pincha - spajanje započinje s temperaturnom razlikom ∆T2= ∆Tmin

T, oC

H, kW

PinchPinch

DTminH1H1

T2T2

NeizvedivoNeizvedivo

DT2< DTmin

CCTT CCHHT, oC

H, kW

PinchPinch

DTmin

H1H1

T1T1

CCTT CCHH

IzvedivoIzvedivo

DT2 > DTmin

Na temelju rezultata prethodnog zadatka u kojem je određeno da je minimum prijenosa

topline 50 kW na toploj strani, odnosno 60 kW na hladnoj strani, a pinch se javlja pri 180 oC, dizjanira se mreža izmjenjivača topline ispod i iznad pincha prema podacima

prikazanim na slici.

Primjer 5: Izvedba mreže izmjenjivača topline ispod i iznad pincha

250

240

235

180

150

120

T1 T2 H1 H2

C=3

C=1.5

C=2C=4

250

240

235

180

150

120


C=3 C=2

C=1,5 C=4

37

38

Pinch T1

T2

235 oC

240 oC

180 oC

180 oC

190 oC

190 oC

Tp = 250 oC

Tp = 240 oC

250

240

235

180

150

120

T1 T2 H1 H2

C=3

C=1.5

C=2C=4

250

240

235

180

150

120

(CT CH)

Struja T1 → Struja H2 (ali ne i Struji H1)

Struja T2 → Struji H1 i Struji H2

Struja T1

DH = 3 (250 -180) = 210 kW

Struja T2

DH = 1,5 (240 -180) = 90 kW

Struja H1

DH = 2 (180 - 235) = - 110 kW

Struja H2

DH = 4 (180 - 240) = - 240 kW

Pinch

Minimum prijenosa topline je 50 kW na toploj strani, odnosno 60 kW na hladnoj strani.

Pinch se javlja pri 180 oC.

c-1) Sinteza mreže izmjenjivača iznad pincha

210 kW

90 kW

20 kW

30 kW

1

1

2

2

232,5 oC

225 oC

C=3 C=2

C=1,5 C=4

39

Pinch

H1

160 oC

130 oC

190 oC

180 oC

190 oC

H2

Tp = 120 oC

Tp = 180 oC

250

240

235

180

150

120

T1 T2 H1 H2

C=3

C=1.5

C=2C=4

250

240

235

180

150

120

(CT CH)

Struja H2 - na temp. pincha

Struja T1 → Struja H1

Struja T2 → Struja H1 (?)

Pinch

Struja T1

DH = 3 (180-150) = 90 kW

Struja T2

DH = 1,5 (180-120) = 90 kW

Struja H1

DH = 2 (120-180) = -120 kW

Struja H2 je na temperaturi pinch-a.

c-2) Sinteza mreže izmjenjivača ispod pincha

90 kW

30 kW 60 kW

3

3

4

4

165 oC

170 oC

C=3 C=2

C=1,5 C=4

C=3 C=2

C=1,5 C=4

Pinch T1

T2

235 oC

240 oC

180 oC

180 oC

190 oC

190 oC

Tp = 250 oC

Tp = 240 oC

210 kW

90 kW

20 kW

30 kW

1

1

2

2

232,5 oC

225 oC

H1

160 oC

130 oC

190 oC

180 oC

190 oC

H2

Tp = 120 oC

Tp = 180 oC

90 kW

30 kW 60 kW

3

3

4

4

165 oC

170 oC

Predložena shema

mreže

izmjenjivača uz

ΔTmin = 10 oC

235 oC

120 oC

1 180 oC 232,5 oC

260 oC

240 oC

190 oC

250 oC

225 oC

190 oC 160 oC

165 oC

170 oC

130 oC

210 kW 30 kW

20 kW 90 kW 90 kW 30 kW

60 kW

2 3 4

H2

T1

H1

T2

40

Na temelju rezultata prethodnog zadatka u kojem je određeno da je minimum prijenosa topline

7,5 kW na toploj strani, odnosno 10 kW na hladnoj strani, a pinch se javlja pri 145 oC, dizajnira

se mreža izmjenjivača topline ispod i iznad pincha prema podacima prikazanim na slici.

Primjer 6: Izvedba mreže izmjenjivača topline ispod i iznad pincha


245

235

195

185

145

75

35

25

1 2 3 4

C=0.15

C=0.25

C=0.2C=0.3

C=0,15 C=0,2

C=0,25 C=0,3

41

42

1

2

Pinch

185 oC

235 oC

(CT CH)

Struja T1 → Struja H1 i Struji H2


Pinch

Minimum prijenosa topline je 7,5 kW na toploj strani, odnosno 10 kW na hladnoj

strani. Pinch se javlja pri 145 oC.

c-1) Sinteza mreže izmjenjivača iznad pincha

245

235

195

185

145

75

35

25

1 2 3 4

C=0.15

C=0.25

C=0.2C=0.3

Struja T1

DH = 0,15 (245-145) = 15 kW

Struja T2

DH = 0,25 (195-145) = 12,5 kW

Struja H1

DH = 0,2 (145-185) = - 8 kW

Struja H2

DH = 0,3 (145-235) = - 27 kW

8 kW 7 kW

12,5 kW

7,5 kW

1

2

15 kW

12 kW 0,5 kW

7,5 kW

Pinch

185 oC

235 oC

2

2

3

3

1

1

? 1

1

2

2

3

3

C=0,15 C=0,2

C=0,25 C=0,3

42

43

43

3

4

Pinch

35 oC

75 oC

Pinch

c-2) Sinteza mreže izmjenjivača ispod pincha

245

235

195

185

145

75

35

25

1 2 3 4

C=0.15

C=0.25

C=0.2C=0.3

Struja H2 - na temp. pincha


Struja T1 → Struja H1 (?)

Struja T1

DH = 0,15 (145-35) =16,5 kW

Struja T2

DH = 0,25 (145-75) =17,5 kW

Struja H1

DH = 0,2 (25-145) = - 24 kW

Struja H2 je na temperaturi pincha-a.

6,5 kW

17,5 kW

10 kW

3

4

16,5 kW

7,5 kW 10 kW

Pinch

35 oC

75 oC

5

5

4

4

57,5 oC

?

Minimum prijenosa topline je 7,5 kW na toploj strani,

odnosno 10 kW na hladnoj strani. Pinch se javlja pri 145 oC.

4

4

5

5

(CT CH)

C=0,15 C=0,2

C=0,25 C=0,3

44

Pinch

3

4

35 oC

75 oC

6,5 kW

17,5 kW

10 kW 5

5

4

4

8 kW 2

7 kW 3

6,5 kW 5 T1

H1

17,5 kW 4

H2

12,5 kW

1

7,5 kW

T2

10 kW

Predložena shema mreže

izmjenjivača uz ΔTmin = 10 oC.

1

2

185 oC

235 oC

8 kW 7 kW

12,5 kW

7,5 kW

2

2

3

3

1

1

45 45

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100

H, kW

T,

oC

Projektiranje pomoćnih postrojenja - velika kompozitna krivulja

"džepovi"

"pockets"

QHmin

QTmin

Pinch

Velika kompozitna krivulja omogućuje

ekonomičan odabir pomoćnih sredstava za

odvođenje i dovođenje topline (rashladna voda

RV, visokotlačna para VP, srednjetlačna para

SP, niskotlačna para NP)

RV

SP

QREC

VP "džepovi" - rekuperirana toplina, QREC

8.3.5. Velika kompozitna krivulja

DH, kW

cijena VP > cijena SP > cijena NP > cijena RV

46

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100

H, kWT

, oC

Y os X os

Primjer 7: Izvedba velike kompozitne krivulje

Na temelju rezultata metode temperaturnih intervala prikazanih u prethodnom zadatku u kojem

je određeno da je minimum prijenosa topline je 50 kW na toploj strani, odnosno 60 kW na

hladnoj strani, a pinch se javlja pri 180 oC, dizajnira se velika kompozitna krivulja.

DH, kW

47

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100

H, kW

T,

oC

100

150

200

250

0 200 400 600

H, kW

T,

oC

T1+T2

T1

H1

H1+H2

H2

50 kW

T2

Pinch

60 kW

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100

T,

oC

"džepovi" -

"pockets"

QHmin

QTmin

Pinch

QHmin

QTmin

- "džepovi" - rekuperirana toplina, QREC

QREC

Usporedba tople i hladne kompozitne krivulje s velikom kompozitnom krivuljom

DH, kW DH, kW

48

Y os X os

Primjer 8: Izvedba velike kompozitne krivulje

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15

H, kWT

, oC

Na temelju rezultata metode temperaturnih intervala prikazanih u prethodnom zadatku u kojem

je određeno da je minimum prijenosa topline je 7,5 kW na toploj strani, odnosno 10 kW na

hladnoj strani, a pinch se javlja pri 145 oC, dizajnira se velika kompozitna krivulja.

DH, kW

49

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15

H, kWT

, oC

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100

DH, kW

T,

oC

T1+T2

T1

H1

H1+H2

H2

"džepovi" -

"pockets"

QHmin

QTmin

Pinch

QHmin

QTmin

QREC

"džepovi" - rekuperirana toplina, QREC

Usporedba tople i hladne kompozitne krivulje s velikom kompozitnom krivuljom

DH, kW

DH, kW

50 50

8.3.6. Određivanje optimalnog ΔTmin

ΔTK

QA

ΔTmin →0 površina A raste

investicija raste

ΔTmin →raste površina A smanjuje

potreba za energijom dovedenom izvana raste

T, oC

H, kW

QREC QTminQHmin

Optimalna vrijednost ∆Tmin je ona vrijednost koja odgovara minimumu krivulje ukupnih troškova.

ukupni troškovi

energijski troškovi

investicijski troškovi

DTmin

Godišnji troškovi

Optimum DTmin

(6)

51 51

Godišnja investicija za izmjenjivač topline će biti:

itpgit, IiI

gdje je:

Iit,g - godišnja investicija za izmjenjivač topline, n. j.

Iit - ukupna investicija za izmjenjivač, n. j.

ip - prihvatljiva stopa godišnjeg povrata investicije.

Ako se umjesto investicije uzme nabavna cijena svih izmjenjivača sadržanih u

mreži izmjenjivača, tada će godišnji trošak biti:

i j

Pjit,Uiit,git, CCiC

gdje je.

Cit,g - godišnji trošak vezan za nabavnu cijenu izmjenjivača topline, n. j. g-1

Cit,Ui - nabavna cijena i-tog izmjenjivača u unutarnjoj mreži, n. j.

Cit,Pj - nabavna cijena j-tog izmjenjivača u pomoćnoj mreži, n. j.

(7)

(8)

52 52

Ako se za grijanje koristi vodena para, a za hlađenje rashladna voda, godišnji se trošak

može izračunati iz sljedećeg izraza:

rvrvvpvpgE, cmcm C

gdje je:

CE,g - godišnji trošak za utrošenu energiju za grijanje i hlađenje, n. j. g-1

- godišnji maseni protok vodene pare, kg g-1

cvp - jedinična cijena vodene pare, n. j. kg-1

- godišnji maseni protok rashladne vode, kg g-1

crv - jedinična cijena rashladne vode, n. j. kg-1.

Ukupni godišnji troškovi se dobiju zbrajanjem godišnjih investicijskih i pogonskih troškova:

rvrvvpvp

i j

Piit,Uiit,gu, cmcmCCiC

Razvijeni su mnogi postupci da se optimizira gornja jednadžba. Jedan od najšire

korištenih pristupa koristi proceduru u dva stupnja:

● dizajnira se mreža izmjenjivača topline za koju treba minimum izvana

dovedene energije (MER mreža)

● smanjuje se broj izmjenjivača topline prema minimumu.

vpm

rvm

(9)

(10)

53 53

Nabavna cijena izmjenjivača topline veće površine će biti:

z

1

2it,1it,2

A

ACC

gdje je:

Cit,2 - nabavna cijena izmjenjivača topline površine A2, n. j.

Cit,1 - nabavna cijena izmjenjivača topline površine A1, n. j.

z - empirijski eksponent za izračunavanje cijene uređaja različitih kapaciteta (z < 1), -

Ovisnost ukupnih godišnjih troškova o ∆Tthres.

DTmin DTthres

ukupni

godišnji

troškovi

investicijski

troškovi troškovi energije

dovedene izvana

Ako se pri izmjeni topline između toplih i hladnih struja ne pojavljuje pinch točka, to su

tzv. problemi treshold, tada treba izvana dovesti samo grijanje ili samo hlađenje.

Kada je ∆Tmin ≤ ∆Tthres, ne treba

tražiti minimum sume investicijskih

troškova i troškova dovedene energije

izvana.

(11)

sinteza i integracija procesa

Documents