UNIVERSITATEA PETROL ŞI GAZE DIN PLOIEŞTI

FACULTATEA TEHNOLOGIA PRELUCRĂRII PETROLULUI ŞI PETROCHIMIE

MASTER INGINERIE CHIMICĂ ASISTATĂ DE CALCULATOR PENTRU RAFINĂRII ŞI

PETROCHIMIE

PROIECT

METODA PINCH APLICATĂ ÎN INDUSTRIA

CHIMICĂ

Varianta 2

Coordonator ştiinţific:

Şef Lucr. dr.ing. Loredana Negoiţă

Masterand:

2012

Cuprins

1. Introducere

2. Date de proiectare

3. Proiectarea reţelei de schimbătoare de căldură

4. Calculul ariei necesare transferului termic

5. Diagrama capacităţi calorice – temperatură

6. Curba compusă globală

7. Calculul economic pentru o reţea sintetizată de schimbătoare de căldură

8. Simularea în ASPEN HX-NET

9. Concluzii

1. Introducere

Conceptul „pinch” a fost elaborat în perioada 1981 – 1984 de către prof. Bodo Linnhoff, la

Universitatea din Manchester, Institutul de Ştiinţă şi Tehnologie – UMIST – Anglia.

Tehnica, relativ simplă, este bazată pe un mijloc eficace de care pot dispune inginerii chimişti

pentru evaluarea pierderilor şi pentru găsirea căilor de perfecţionare a proceselor tehnologice.

În prezent, metoda este amplificată mai ales pentru analiza proceselor şi de aceea se consideră

mai potrivită noţiunea „analiza pinch” decât „tehnologia pinch”.

Noţiunea de „pinch” este cunoscută şi utilizată în legătură cu variaţia temperaturilor fluidelor

care schimbă căldură între ele, într-un schimbător de căldură în contracurent. „Pinch” se poate traduce

prin strangulare, gâtuire sau ciupitură şi reprezintă în fond diferenţa minimă de temperatură luată dintre

fluide.

Ţintele care se urmăresc la aplicarea analizei pinch, la proiectarea sau la reproiectarea reţelelor

de schimbătoare de căldură, sunt:

Consumuri minime de utilităţi, calde şi reci, când se urmăreşte recuperarea maximă de

căldură;

Numărul minim de aparate de schimb de căldură;

Aria totală de schimb de căldură minină.

Schimbătoarele de căldură asigură recuperarea căldurii din fluxurile fierbinţi şi răcirea

produselor obţinute până la temperaturile maxime admise la depozitare.

În cazul în care, conţinutul de căldură al fluidelor calde ce urmează a fi răcite depăşeşte

necesarul de căldură pentru încălzirea fluxurilor reci, surplusul de energie ce rezultă trebuie utilizat la

un nivel termic cât mai ridicat posibil.

Dacă, din contră, conţinutul de căldură disponibil al fluxurilor calde este mai mic decât

necesarul de căldură pentru aducerea fluxurilor reci la nivel termic cerut, este indicat ca energia

suplimentară ce trebuie introdusă cu nivel termic cât mai coborât posibil.

Acestea sunt criteriile de bază ce trebuie avute în vedere în cazul alcătuirii unei reţele de

schimbătoare de căldură se corelează cu cheltuielile de investiţii şi exploatare.

2. Date de proiectare

Se consideră o instalaţie tehnologică în care trei fluxuri calde trebuie să fie răcite şi două fluxuri

reci trebuie încălzite. Pentru toate fluidele se cunosc capacităţile calorice şi temperaturile

corespunzătoare intrării, respectiv ieşirii din schimbătoare şi acestea sunt prezentate în tabelul 1.1:

Tabel 2.1. Caracteristicile fluxurilor calde şi reci

FLUXURICapacitatea calorică Temperatura de intrare Temperatura de ieşire

Fluxul cald 25 150 50

Fluxul cald 14 200 75

Fluxul cald 30 250 100

Fluxul rece 20 50 175

Fluxul rece 40 80 180

2.1. Reprezentarea grafică a fluxurilor şi trasarea curbelor compuse

În funcţie de temperaturi, se reprezintă grafic fluxurile existente conform schemei din figura

2.1.

Fig. 2.1. Reprezentarea grafică a fluxurilor existente

Pentru fluxurile calde şi reci se întocmesc tabelele 2.2, 2.3 în care sunt evidenţiate fluxurile

termice cedate respectiv primite pe zone înguste.

Tabel 2.2. Stabilirea fluxurilor termice cedate.

Punct pe

curbă50 0 A

50 – 75 625 – – 62575 625 B

75 – 100 625 350 – 975100 1600 C

100 – 150 1250 700 1500 3450150 5050 D

150 – 200 – 700 1500 2200200 7250 E

200 – 250 – – 1500 1500250 8750 F

Tabel 2.3. Stabilirea fluxurilor termice primite.

Punct pecurbă

50 0 G50 – 75 600 – 600

75 600 H75 – 100 1900 3800 5700

100 6300 I100 – 150 – 200 200

150 6500 J

În figura 2.2. sunt reprezentate cele două curbe (CCFC şi CCFR) prin punctele A, B, C, D, E, F

respectiv prin punctele G, H, I, J. În coordonate t-Q, punctului A, respectiv G îi corespunde punctului

.

Curba CCFR se va translata până la stabilirea pinch-ului . Noua poziţie a curbei CCFR este

prezentată prin punctele G’, H’, I’, P, J’.

Se duc verticale prin punctele G’, H’,C, I’, E, J’ şi se stabilesc pe abcisă, pe scara lui Q, prin

diferenţă, fluxurile termice caracteristice: fluxul termic cedat prin răcirea fluidelor calde către agentul

de răcire exterior (apă), , fluxul termic regenerat .

Fig. 2.2. Curbele compuse ale fluidelor

S-au notat cu x, y, z, w, t şi s temperaturile necunoscute de pe verticalele trasate, acestea fiind

calculate prin următoarele bilanţuri termice:

Fig. 2.3. Curbele compuse şi delimitarea zonelor de transfer termic

În figura 2.3, sunt reprezentate curbele compuse ale fluidelor din instalaţie, şi au fost delimitate

următoarele domenii: o zonă de regenerare şi două zone de răcire.

3. Proiectarea reţelei de schimbătoare de căldură

Procedeul de divizare a fluxurilor pentru proiectarea reţelei de schimbătoare de căldură este

prezentată în figura 2.1. în care s-au notat:

- numărul de fluide calde;

- numărul de fluide reci;

- capacitatea calorică flux cald, ;

- capacitatea calorică flux rece, .

Fig. 3.1. Procedeul de divizare a fluxurilor pentru proiectarea reţelei de schimbătoare de căldură

Fig. 3.2. Schema de principiu a reţelei de schimbătoare de căldură

Fig. 3.3. Schema sintezei de schimbătoare de căldură cu fluxuri paralele

4. Calculul ariei necesare transferului termic

Pentru reţeaua de schimbătoare de căldură prezentată anterior, s-au calculat parametrii

caracteristici pentru aparatele de schimb de căldură. Aceştia au fost prezentaţi în tabelul 4.1. şi toate

valorile calculate şi tabelate s-au determinat considerând circulaţia celor două fluxuri dintr-un aparat

(cald şi rece) în contracurent. Pentru calcule s-au folosit următoarele relaţii :

unde:

– fluxul termic, (se calculează sau pentru fluxul rece, sau pentru fluxul cald);

– coeficientul global de transfer de căldură, pentru care se impune valoarea

;

– aria exterioară de transfer de căldură, ;

– diferenţa de temperatură medie logaritmică, .

În figură sunt reprezentate fluxurile care fac schimbul de caldură, pentru a aplica relaţia de

calcul a diferenţei medii de temperatură.

– diferenţa de temperatură la capătul rece, ;

– diferenţa de temperatură la capătul cald, .

Diferenţa de temperatură, este logaritmică se calculează:

Tabelul 4.1. Parametrii caracteristici ai regeneratoarelor şi răcitoarelor de căldură

30,8 16,2 22,7 215385 300 31,7

30,8 16,2 22,7 384615 300 56,5

17,5 16,2 16,8 48077 300 9,5

17,5 16,2 16,8 48077 300 9,5

17,5 16,2 16,8 53846 300 10,7

17,5 10,0 13,4 1250000 300 310,9

17,5 10,0 13,4 700000 300 174,117,5 10,0 13,4 750000 300 186,517,5 10,0 13,4 750000 300 186,522,7 10,0 15,5 668182 300 143,722,7 10,0 15,5 700000 300 150,522,7 10,0 15,5 700000 300 150,522,7 22,5 22,6 31818 300 4,722,7 22,5 22,6 68182 300 10,123,3 22,5 22,9 100000 300 14,550,0 30,0 39,2 625000 300 53,255,8 55,0 55,4 144231 300 8,755,8 55,0 55,4 80769 300 4,9225,0 183,3 203,5 1400000 300 22,9

TOTAL 6468182 1539,7

Dacă se respectă contracurentul global şi pe aparate, sistemul de regenerare sintetizat are arie

minimă de transfer de căldură ( m2), pentru un pinch impus ( ) şi un coeficient

global de transfer de căldură . Se pot sintetiza şi alte sisteme de regenerare, chiar şi

fără divizări de fluxuri, dar cu arii de transfer de căldură mari.

5. Diagrama capacităţi calorice – temperatură

Majoritatea proceselor chimice şi fizice realizate în instalaţiile tehnologice petrochimice

necesită temperaturi ridicate. Ca urmare, materiile prime care alimentează instalaţia trebuie sau să fie

încălzite, sau să fie răcite. Pentru majorarea economicităţii instalaţiilor, este necesar să se realizeze

iniţial schimburi de căldură între produsele obţinute şi materiile prime (regenerare de căldură) şi apoi să

se completeze încălzirile şi răcirile suplimentare cu agenţi termici exteriori.

În funcţie de schema sintetizată a reţelei de schimbătoare de căldură, prezentată anterior, se

poate reprezenta grafic diagrama capacităţi calorice – temperatură, diagramă reprezentă în figura 4.1 şi

caracterizată prin :

În abscisă este trecută scara temperaturilor, în intervalul temperaturilor utilizate în sistem;

În ordonată nu este trecută o scară, dar se iau proporţional valorile capacităţilor calorice, atât

pentru fluidele calde cât şi pentru cele reci;

Se reprezintă dreptunghiuri caracteristice, în partea superioară pentru fluidele calde şi în partea

inferioară pentru fluidele reci. Aceste dreptunghiuri au baza corespunzătoare temperaturilor

fluxurilor şi înălţimi corespunzătoare capacităţilor calorice. Ariile acestor dreptunghiuri

reprezintă fluxurile termice schimbate;

Sunt reprezentate punctat în interiorul dreptunghiurilor, temperaturile intermediare din schema

reţelei de schimbătoare.

Fig. 5.1. Diagrama capacităţi calorice temperatură

6. Curba compusă globală

Se consideră fluxurile (prezentate tabelul 1.1). Pentru a putea trasa curba compusă globală

(GRAND COMPOSITE CURVE), valoarea impusă pentru (pinch-ul) se reduce la jumătate. În

această situaţie, . Temperatura fluidelor calde se reduce cu , iar temperatura

fluidelor reci se majorează cu . Astfel, toate temperaturile s-au modificat conform datelor din

tabelul 6.1. Pe baza acestor date se întocmeşte tabelul 6.2 în care apar valorile calculate:

şi . Cu ajutorul lor se trasează curba compusă globală.

Tabel 6.1. Caracteristici ale fluxurilor după modificarea temperaturilor

FLUXURICapacitatea calorică Temperatura de intrare Temperatura de ieşire

Fluxul cald 25 145 45

Fluxul cald 14 195 70

Fluxul cald 30 245 95

Fluxul rece 20 55 180

Fluxul rece 40 85 185

Fig. 6.1. Reprezentarea grafică a fluxurilor cu temperaturi modificate

Tabel 6.2. Date necesare pentru construirea curbei compuse globale

Temp.Capacitatea calorică Punct

pe curbă

45             2250 K

45-55 25         -250  

55             2000 L

55-70 25     20   -75  

70             1925 M

70-85 25 14   20   -285  

85             1640 N

85-95 25 14   20 40 210  

95             1850 O

95-145 25 14 30 20 40 -450  

145             1400 Q

145-180   14 30 20 40 560  

180             1960 R

180-185   14 30   40 -20  

185             1940 U

185-195   14 30     -440  

195             1500 V

195-245     30     -1500  

245             0 W

Figura 5.2. Reprezentarea curbei globale compuse

7. Calculul ecconomic pentru o reţea sintetizată de schimbătoare de caldură

Se propune o variantă simplă pentru acest calcul şi anume :

Unde:

– costul total al schemei, ;

– cheltuieli cu amortizarea, ;

– cost abur folosit pentru încălzirea fluidelor reci, ;

– cost apă folosită pentru răcirea suplimentară a fluidelor calde, ;

– cost investiţie recuperată, .

Unde :

– durata normată de serviciu, 10…15 ani;

– numărul total de aparate din schemă;

– aria totala de schimb de căldură a aparatelor din schemă.

8. SIMULAREA ÎN ASPEN HX-NET

9. Concluzii

Pe parcursul acestui proiect s-au parcurs următoarele etape:

S-au calculat curbele compuse pentru fluidele calde şi reci în funcţie de capacităţile

calorice ale fiecărui fluid şi intervalul de temperatură în care fluidele fac schimb de căldură.

S-au reprezentat ambele curbe într-un grafic iar prin translatarea curbei compuse a

fluidelor reci s-a localizat pinch-ul (10°C).

S-a realizat un bilanţ termic pe baza graficului şi s-au calculat temperaturile din punctele

în care curbele işi schimbă panta. Apoi s-a realizat calculul fluxurilor termice pe cele 3 zone: zona de

răcire 1, zona de regenerare şi zona de răcire 2.

În continuare s-a reprezentat sinteza reţelei de schimbătoare de căldură din care au

rezultat 15 de schimbătoare de căldură.

Aceste schimbătoare au fost dimensionate în continuare calculându-se ariile lor.

S-a reprezentat grafic curba compusă globală, pentru aceasta temperaturile fluidelor

calde reducându-se cu 5°C şi temperaturile fluidelor reci crescând cu 5°.

În continuare s-a realizat calculul cheltuielilor totale pentru reţeaua de schimbătoare de

căldură obţinându-se un cost total anual optim.

În final s-a realizat simularea procesului în programul de simulare Aspen HX-Net din

care a rezultat diferite secvenţe pentru reţeaua de schimbătoare de căldură precum şi datele aferente

dimensionării schimbătoarelor.