Пинч-анализ

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Это статья о методологии анализа химических процессов. О компьютерном вирусе см. статью Пинч

Пинч-анализ (англ. pinch — сжатие, сужение) представляет собой методологию для минимизации потребления энергии химических процессов путём расчёта термодинамически осуществимой целевой энергии (или минимума потребления энергии) и её достижение путём оптимизации тепла рекуперации системы, методов подвода энергии и условий эксплуатации. Пинч-анализ также известен как процесс интеграции, тепловая интеграция, энергетическая интеграция или пинч-технология.[1]

Исходные данные для процесса представляются в виде набора энергетических потоков или зависимостей тепловой нагрузки (кВт) от температуры (°С). Эти данные объединяются для всех потоков на предприятии, чтобы дать композитные кривые, одну для всех горячих потоков (отдающих тепло) и одну для всех холодных потоков (требующих тепло). Точка наибольшего сближения горячей и холодной составной кривой называется точкой Пинча (или просто Пинч). Для горячей и для холодной составной кривой температура Пинча будет индивидуальна. В области Пинча на процесс проектирования оптимальной системы теплообмена накладываются наибольшие ограничения. Таким образом, найдя эту точку и начав проектирование с неё, можно достичь целевых энергетических значений с помощью системы теплообменников путём передачи теплоты между горячими и холодными потоками в двух независимых подсистемах, выше и ниже пинча. На практике во время проведения Пинч-анализа существующего процесса довольно часто существует перекрестный теплообмен между горячим потоком с температурой выше пинча и холодным потоком ниже пинча. Устранение подобных связей и создание альтернативных, позволяет улучшить процесс и достичь энергетических целей.[2]

История[править | править код]

В 1971 году Эд Хоманн в своей кандидатской диссертации (на соискание степени PhD) заявил, что «существует возможность вычислить минимально число горячих и холодных утилит, необходимых для процесса, без сведений о сети теплообменных аппаратов, способной её воплотить, а также возможно оценить требуемую площадь теплообмена».

В конце 1977 года аспирант Бодо Линнхофф под руководством доктора Джона Флауэра в Университете Лидса продемонстрировал существование узкого места для тепловой интеграции во множестве процессов – «Пинча». Именно это и заложило основы методологии, известной сегодня как Пинч-анализ. В последующем он присоединился к Imperial Chemical Industries (ICI), где руководил практическим приложением и дальнейшим развитием направления.

Бодо Линнхофф является создателем «Табличной задачи» – алгоритма расчета энергетических целей, а также основ расчета требуемой площади поверхности. Эти алгоритмы открыли путь для практических приложений данной методологии.

В 1982 году для продолжения работ он перешёл в Манчестерский университет технологического института (UMIST, в нынешнее время – Манчестерский университет), а уже через год основал консультационную фирму, длительное время известную как Linnhoff March International, которая впоследствии была приобретена компанией KBC Energy Services.

С тех пор было разработано множество уточнений методики для использования во многих отраслях промышленности, а также моделирование ситуаций и прогон данных без обработки. Разработаны программы как для подробного, точного расчёта, так и для упрощенного (через табличные процессоры) расчёта целевой энергии. Чаще всего для анализа используется бесплатная, свободно распространяемая программа PinchLeni.[3]

В последние годы методика пинч-анализа вышла за рамки энергетических приложений. Сейчас она применяется также для анализа следующих систем:

  • Массобменные процессы.[4]
  • Пинч-анализ потребления воды.[5][6][7]
  • Водородный Пинч-анализ.[8][9]
  • Пинч-анализ электроэнергии.[10]
  • Пинч-анализ СО2[11].

Недостатки и решения[править | править код]

Классический Пинч-анализ в первую очередь сконцентрирован на вычислении энергозатрат на нагрев и охлаждение. В точке Пинча, где потенциал горячих и холодных потоков наиболее ограничен, требуются значительная теплообменная поверхность, чтобы передача тепла между горячим и холодным потоками была эффективной. Очевидно, что большие теплообменники влекут за собой высокие инвестиционные затраты. На практике для уменьшения капитальных затрат целесообразно задаваться невысоким значением минимальной разности температур (ΔT) в точке Пинча. Таким образом, появляется возможность оценить площадь теплообменника и капитальные затраты, а, следовательно, и оптимальное минимальное значение ΔT. Однако, кривая затрат имеет пологий профиль, и на оптимум могут повлиять так называемые «топологические ловушки». Кроме того, Пинч-метод не всегда подходит для простых сетей теплообмена или случаев, когда существуют серьёзные технологические ограничения. Эти аспекты подробно рассмотрел Кемп (2006)[12].

Обозначенные недостатки классического Пинч-анализа были решены под руководством академика РАН В.П. Мешалкина, группой ученых (Л.М. Ульев, Р.Е. Чибисов, М.В. Канищев, М.А. Васильев)[13]. Для проведения реконструкций технологических установок, с целью повышения энергетической эффективности, с учетом ограничений действующего производства авторами был разработан и апробирован метод THErmodynamic BAckground of SYnthesis Criteria SELection Of Optimal Processes или THE BASYC SELOOP©.[14] Как в свое время Пинч-анализ превратил процесс проектирования энергоэффективных систем теплообмена ХТС из эвристики в научный метод, так и SELOOP-анализ с помощью введения дополнительных правил для учета конкретных ограничений в изменении исследуемого процесса, позволяет синтезировать сеточную диаграмму рекуперативной системы теплообмена для технически реализуемого проекта ее реконструкции. Поэтому решения, разработанные с использованием метода SELOOP-анализа, не только гарантированно могут быть реализованы на действующих предприятиях, но и несмотря на меньший эффект экономии топливно-энергетических ресурсов по сравнению с пинч проектами чаще всего имеют более высокие показатели экономической эффективности (NPV, IRR, DPP, PI) за счет меньших капитальных затрат, вследствие максимального использования существующего оборудования.

Последние достижения[править | править код]

Проблема интеграции тепла между горячими и холодными потоками, а также создания оптимальной теплообменной сети (в частности, с точки зрения капитальных затрат), сегодня может быть решена с помощью различных числовых алгоритмов.

Сеть может быть представлена как задача смешанного целочисленного нелинейного программирования (MINLP[15]) и решена при помощи соответствующего алгоритма. Тем не менее, более масштабные MINLP-задачи всё еще трудно разрешимы даже для современных численных алгоритмов. В качестве альтернативы был предпринят ряд попыток сформулировать MINLP-задачи для смешанных целочисленных линейных задач, с последующими проверкой и оптимизацией возможных сетей. Для простых сетей, состоящих из нескольких потоков и теплообменников, вполне достаточно методов проектирования вручную, с использованием простейшего программного обеспечения. Они вполне адекватны с точки зрения получаемого результата и эффективно помогают инженеру разобраться в процессе.

Программное обеспечение[править | править код]

  • SPRINT[16] - программное обеспечение, которое разработано Университетом Манчестера (CPI UMIST). Этот продукт является одним из самых функциональных программных пакетов, который постоянно обновляется на основании последних научных разработок.
  • PinCH[17] – программное обеспечение для непрерывных и периодических процессов, включая побочные циклы рекуперации тепла и энергохранилища. Бесплатны руководства, учебные пособия, тематические исследования;
  • HeatIT[18] – бесплатная (легкая) версия программного обеспечения пинч-анализа, работает в Excel – разработана  Pinchco, консалтинговой компанией, предоставляющей консультации экспертов по вопросам, связанные с энергетикой;
  • Simulis Pinch[19]- инструмент от ProSim SA, может использоваться непосредственно в Excel и предназначен для диагностики и энергетической интеграции процессов;
  • Pinexo[20] – обширное программное обеспечение, предлагающее альтернативные решения с их сроками окупаемости. Разработано на основе исследований в Техническом университете Чалмерса, Гётеборг, Швеция.
  • Integration[21] – практический и недорогой инструмент для расчета интеграции процессов, разработанный CanmetENERGY, ведущей исследовательской и технологической организацией Канады в области чистой энергии.
  • Программа Pinch – SELOOP для выполнения Пинч и SELOOP – анализа на промышленных и коммунальных предприятиях Архивная копия от 18 октября 2019 на Wayback Machine

Примечания[править | править код]

  1. ↑ Jirí Jaromír Klemeš, Petar Sabev Varbanov, Sharifah Rafidah Wan Wan Alwi, Zainuddin Abdul Manan. Process Integration and Intensification: Saving Energy, Water and Resources. — Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2014-05-26. — 268 с. — ISBN 9783110306859. Архивировано 14 декабря 2018 года.
  2. ↑ Jiri J. Klemes. Handbook of Process Integration (PI): Minimisation of Energy and Water Use, Waste and Emissions. — Elsevier, 2013-07-31. — 1201 с. — ISBN 9780857097255. Архивировано 14 декабря 2018 года.
  3. ↑ Freeware developed by Laboratoire d’Energétique Industrielle de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland Архивная копия от 25 марта 2016 на Wayback Machine (англ.)
  4. ↑ M. M. El-Halwagi, V. Manousiouthakis, «Synthesis of Mass Exchange Networks», AIChE J., 35(8), 1989, 1233—1244. (англ.)
  5. ↑ Y. P. Wang, R. Smith Wastewater Minimisation. Chemical Engineering Science. 49, 1994, 981—1006 (англ.)
  6. ↑ Hallale, N. A New Graphical Targeting Method for Water Minimisation. Advances in Environmental Research. 6(3), 2002, 377—390 (англ.)
  7. ↑ R. Prakash, U.V. Shenoy, Targeting and Design of Water Networks for Fixed Flowrate and Fixed Contaminant Load Operations. Chemical Engineering Science. 60(1), 2005, 255—268. (англ.)
  8. ↑ N.Hallale, I.Moore, D. Vauk, «Hydrogen optimization at minimal investment», Petroleum Technology Quarterly (PTQ), Spring, 2003 (англ.)
  9. ↑ V. Agrawal, U. V. Shenoy, «Unified Conceptual Approach to Targeting and Design of Water and Hydrogen Networks», AIChE J., 52(3), 2006, 1071—1082. (англ.)
  10. ↑ Optimal sizing of hybrid power systems using power pinch analysis (англ.) // Journal of Cleaner Production. — 2014-05-15. — Vol. 71. — P. 158–167. — ISSN 0959-6526. — doi:10.1016/j.jclepro.2013.12.028.
  11. ↑ Targeting and design methodology for reduction of fuel, power and CO2 on total sites (англ.) // Applied Thermal Engineering. — 1997-08-01. — Vol. 17, iss. 8-10. — P. 993–1003. — ISSN 1359-4311. — doi:10.1016/S1359-4311(96)00087-7.
  12. ↑ Pinch Analysis and Process Integration - 2nd Edition. www.elsevier.com. Дата обращения: 10 декабря 2018. Архивировано 14 декабря 2018 года.
  13. ↑ [https://web.archive.org/web/20191018120514/ Архивная копия] от 18 октября 2019 на [[Wayback Machine]]. Дата обращения: 18 октября 2019. Архивировано 18 октября 2019 года.
  14. ↑ SELOOP. Дата обращения: 6 марта 2021. Архивировано 30 октября 2019 года.
  15. ↑ Challenges in sustainable integrated process synthesis and the capabilities of an MINLP process synthesizer MipSyn (англ.) // Computers & Chemical Engineering. — 2010-11-08. — Vol. 34, iss. 11. — P. 1831–1848. — ISSN 0098-1354. — doi:10.1016/j.compchemeng.2010.04.017.
  16. ↑ Software packages - Centre for Process Integration - The University of Manchester. www.ceas.manchester.ac.uk. Дата обращения: 10 декабря 2018. Архивировано 14 декабря 2018 года.
  17. ↑ PinCH Software. pinch-analyse.ch. Дата обращения: 10 декабря 2018. Архивировано 14 декабря 2018 года.
  18. ↑ PINCHCO - Pinch Analysis Software. www.pinchco.com. Дата обращения: 10 декабря 2018. Архивировано 7 декабря 2018 года.
  19. ↑ Pinch Analysis and Process Integration in Microsoft Excel - Energy diagnosis and Energy Integration in industrial processes. www.prosim.net. Дата обращения: 10 декабря 2018. Архивировано 7 декабря 2018 года.
  20. ↑ Pinexo™ - Heat. Optimized. pinexo.se. Дата обращения: 10 декабря 2018. Архивировано 22 декабря 2018 года.
  21. ↑ Natural Resources Canada. INTEGRATION Software. www.nrcan.gc.ca (30 сентября 2011). Дата обращения: 10 декабря 2018. Архивировано 14 декабря 2018 года.

Ссылки[править | править код]

  • Linnhoff, B., Townsend, D.W., Boland, D., Hewitt, G.F., Thomas, B.E.A., Guy, A.R., Marsland, R.H., 1982, last edition 1994. A user guide on process integration for the efficient use of energy, Rugby, UK: IChemE.
  • Linnhoff, B., Hindmarsh, E., 1983. The pinch design method for heat exchanger networks. Chemical Engineering Science, 38 (5), 745-763.
  • Smith, R., 2005. Chemical Process: Design and Integration. Chichester, West Sussex, UK: John Wiley & Sons, Ltd.
  • Kemp, I.C. (2006). Pinch Analysis and Process Integration: A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy, 2nd edition. Includes spreadsheet software. Butterworth-Heinemann. ISBN 0750682604. (1st edition: Linnhoff et al., 1982). (англ.)
  • El-Halwagi, M.M., 2012. Sustainable Design Through Process Integration: Fundamentals and Applications to Industrial Pollution Prevention, Resource Conservation, and Profitability Enhancement. Waltham, MA, USA: Butterworth-Heinemann.
  • Gundersen, T., 2000, A Process Integration Primer, Implementing agreement on process integration, IEA Tutorial on Process Integration, International Energy Agency, SINTEF Energy Research, Trondheim, Norway.
  • Klemeš, J.J. (ed), 2013. Handbook of Process Integration (PI): Minimisation of energy and water use, waste and emissions. Cambridge, UK: Woodhead Publishing Limited/Elsevier.
  • Shenoy, U.V. (1995). «Heat Exchanger Network Synthesis: Process Optimization by Energy and Resource Analysis». Includes two computer disks. Gulf Publishing Company, Houston, TX, USA. ISBN 0884153916. (англ.)
  • Методологии снижения потребления энергоресурсов на НПЗ. Архивная копия от 3 декабря 2016 на Wayback Machine
  • Передовые технологии энергоаудита. Метод Пинч-анализа.
  • Стоимостная оптимизация тепловых систем Архивная копия от 19 июня 2008 на Wayback Machine
  • Чибисов Р.Е., Канищев М.В., Мешалкин В.П., Ульев Л.М., Васильев М.А. Интеграция тепловых процессов на установке гидроочистки дизельного топлива Л-24/8с // Энергосбережение и Водоподготовка. 2019. № 2 (118). С. 31-36.[1] Архивная копия от 18 октября 2019 на Wayback Machine
  • Чибисов Р.Е., Канищев М.В. Интеграция тепловых процессов на установке гидроочистки прямогонных средних дистиллятов Л-24-6 // Перспективы науки. 2019. № 3 (114). С. 187-193.[2] Архивная копия от 18 октября 2019 на Wayback Machine
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Пинч-анализ&oldid=133714116