تکنولوژی پینچ [بایگانی] - سایت علمی نخبگان جوان

توجه ! این یک نسخه آرشیو شده میباشد و در این حالت شما عکسی را مشاهده نمیکنید برای مشاهده کامل متن و عکسها بر روی لینک مقابل کلیک کنید : تکنولوژی پینچ

Asghar2000

17th February 2015, 06:15 PM

تكنولوژی پینچ چیست؟
مفهوم عبارت«تكنولوژی پینچ»
عبارت «تكنولوژی پینچ» بوسیله Linnhoff و Vredeveld به منظور ارائه مجموعه ای جدید از روش ها و اصول ترمودینامیكی كه كمترین سطوح انرژی را در طراحی شبكه‌های مبادله کن حرارتی حاصل نماید طراحی گردید و اکنون بیش از دو دهه است که این تکنیک به عنوان یك روش غیر متعارف در طراحی فرآیند ها و بهینه سازی مصرف انرژی به کار می رود. عبارت «آنالیز پینچ» نیز اغلب در معنای كاربرد ابزار و الگوریتم‌های تكنولوژی پینچ برای مطالعه فرآیندهای صنعتی به کار می رود. پیشرفت های سریع برنامه‌های نرم‌افزاری شبیهPinchExpress ، Super Targetو Aspen Pinch کارآمدی، سرعت و دقت آنالیز پینچ را در فرآیندهای صنعتی به اثبات رسانده است.
مبنای آنالیز پینچ
تكنولوژی پینچ یك روش ساده برای آنالیز اصولی فرآیندهای شیمیایی و سیستم‌های یوتیلیتی به كمك قوانین اول و دوم ترمودینامیك ارائه می‌دهد. به کمک قانون اول ترمودینامیك،می توان معادله انرژی را برای محاسبه تغییرات آنتالپی(∆H) در جریان های ورودی و خروجی به یك مبادله کن حرارتی را تشکیل داد. قانون دوم مسیر جریان گرما را معین می‌كند.انرژی گرمایی ممكن است فقط از نقطه گرم به سمت نقطه سرد جریان پیدا ‌كند.که این موضوع از تقابل دمای پروفیل های جریان سرد و گرم هنگام گذر از مبادله کن جلوگیری می‌كند.در یك مبادله کن حرارتی دمای جریان گرم ممکن است تا زیر دمای جریان سرد پایین بیاید.همچنین دمای جریان سرد نیز می‌تواند تا دمایی بیش از دمای جریان گرم افزایش یابد. اما در عمل جریان گرم تنها می‌تواند تا دمای مشخصی که به واسطه «روش پیش بینی دما»(Temperature Approach) در مبادله کن بدست می آید، سرد شود. این روش ها به واسطه حداقل اختلاف دمای مجاز(∆Tmin ) بین پروفیل های جریان سعی در پیش بینی شار گرمایی مبادله کن حرارتی دارند. تراز دمایی در هر ∆Tmin كه در فرآیند وجود دارد به عنوان نقطه پینچ یا شرایط پینچ فرض می‌شود. پینچ حداقل نیروی محرکه (Driving Force)مبادله کن حرارتی را معین می‌كند. مفاهیم پایه‌ای آنالیز پینچ در بخش 2 بحث شده است.
اهداف آنالیز پینچ
آنالیز پینچ برای تعیین هزینه انرژی، هزینه اولیه شبكه مبادله کن حرارتی و تشخیص نقطه پینچ به کار می رود.پینچ در ابتدا شرایط طراحی، حداقل ملزومات نیروهای خارجی، سطح شبكه، و تعداد واحدها برای یك فرآیند داده شده در نقطه پینچ را پیش‌بینی می‌كند.سپس طراحی شبكه مبادله کن حرارتی بر اساس تحقق این اهداف صورت می گیرد. سرانجام شبكه به وسیله مقایسه هزینه انرژی و هزینه اولیه شبكه به منظورکمینه کردن كل هزینه سالیانه، بهینه می‌شود. بنابراین،‌ هدف اولیه آنالیز پینچ بدست آوردن صرفه جویی هزینه بوسیله فرآیند انتگراسیون(یکپارچه سازی) گرماست (بیشینه کردن بازیافت گرمای از یک فرآیند به فرآیند دیگر و كاهش بارهای یوتیلیتی بیرونی). مفهوم فرآیند اختلاط گرما در مثال زیر توضیح داده شده است.
یك مثال ساده از فرآیند اختلاط بوسیله آنالیز پینچ
با توجه به فرآیند جریان خوراك ورودی به راكتور قبل از ورود به آن گرم شده و جریان محصول خنك می‌شود.فرآیند گرمایش و سرمایش به ترتیب به وسیله بخار و آب خنك انجام می‌شود. نمودار منحنی دما(T) بر حسب آنتالپی(H) جریان های خوراك و محصول بارهای یوتیلیتی گرم (بخار) و سرد (آب) را زمانی كه هیچ برهم پوشانی عمودی در پروفیل های جریان سرد و گرم وجود نداشته باشد نمایش می دهد. در شكل 1(b)با اضافه شدن یك مبادله کن حرارتی جدید (شماره3) گرمای محصول (X) را برای پیش‌گرم كردن خوراك بازیابی می‌كند. همچنین از نیاز های گرمایی بخار و آب خنك مورد نیاز نیز به همان مقدار (X)كاسته می‌شود. مقدارگرمای بازیابی شده (X) بستگی به «روش حداقل دمای« به کار رفته در مبادله کن جدید دارد. كمترین دمای حاصل بین دو منحنی روی محور عمودی ∆Tmin است و نقطه ای که این اتفاق روی می دهد به عنوان پینچ مشخص می‌شود. از منحنی T-H مقدار X با ∆Tmin که برابر‍‍ ºC‍‍20 است تطبیق می کند. افزایش∆Tmin موجب افزایش ملزومات حرارتی یوتیلیتی وکاهش مساحت مورد نیاز می گردد. تخمین مقدار اقتصادی و بهینه ∆Tmin در بخش 3 بحث شده است.
توسعه روش تكنولوژی پینچ
زمانی كه فرآیند تنها شامل جریان های گرم یا سرد باشد (مانند مثال فوق) طراحی و بهینه كردن بازیابی گرمای شبكه مبادله کن حرارتی را می توان به وسیله روش های ابتكاری و دم دستی محقق نمود. اما در هر واحد صنعتی تعداد جریان ها به قدری زیاد است كه طراحی یك شبكه مناسب به واسطه روش سنتی دیگر ممکن نخواهد بود. با توسعه تكنولوژی پینچ در 1980 نه تنها طراحی شبكه های بهینه‌ امکان پذیر شد، بلكه تمهیدات بهبود فرآیند ها نیز به طور قابل توجهی افزایش یافت.
روش طراحی سنتی:
در این روش، ابتدا هسته فرآیند با دبی‌ها و دماهای ثابت طراحی شده و متعاقب آن موازنه جرم و انرژی سیستم صورت می گیرد. پس از آن طراحی سیستم بازیابی گرما كامل شده و در آخر نیاز های دیگر سیستم به وسیله استفاده از سیستم یوتیلیتی جبران می‌شوند. هر كدام از این اعمال مستقل از دیگران انجام می گیرد.

روش تكنولوژی پینچ:
فرآیند یكپارچه سازی تكنولوژی پینچ، روشی جدید با هدف کمینه كردن مصرف انرژی قبل از طراحی شبكه بازیابی گرما می باشد . در این طراحی الزامات و شرایط سیستم یوتیلیی و بازیابی گرما در طراحی هسته فرآیند مفروض می گردد. همچنین تعامل بین سیستم‌های یوتیلیتی و بازیابی گرما نیز در نظر گرفته می شود. طراحی پینچ روند اصلاح فرآیند جهت تصحیح یكپارچه‌سازی انرژی گرمایی سیستم را فراهم می‌كند. تکنیک پینچ یك روش منحصر به فرد است، زیرا فرآیندهای چند جریانی را به یك سیستم یكپارچه تبدیل می‌كند. این روش به بهینه كردن طراحی تجهیزات انتقال گرما نیز مؤثر است. مراحل آنالیز پینچ با جزئیات در بخش 3 بحث شده است.

محدوده‌ كاربردهای تكنولوژی پینچ:
پینچ در بخش پتروشیمی آغاز شد و اكنون برای حل محدوده وسیعی از مشكلات مهم مهندسی شیمی بكار برده می‌شود. ردپای این تكنولوژی را امروزه در بیشتر صنایع از جمله پروژه‌های مربوط به صرفه جویی انرژی در صنایع گوناگون مانند آهن، استیل، غذا و نوشیدنی، نساجی،‌ كاغذ سازی،‌ سیمان،‌ پایه‌های شیمیایی، نفت،‌ و پتروشیمی یافت می‌شود. تأكید اولیه بر صرفه جویی انرژی به سمت این تصور غلط را به وجود می آورد كه حوزه كاربرد این تكنولوژی همان مقوله صرفه جویی است. اما با کمی خلاقیت می توان این روش را در طراحی راكتور ها،‌ جداساز‌ ها و بهینه سازی كلی فرآیند مورد استفاده قرار داد. بنابراین کاربرد پینچ در مقوله فرآیند ماورای موضوع صرفه جویی خواهد بود.امروزه این روش را می توان برای حل مسائل گوناگونی از جمله بهبود كیفیت خروجی،‌ كاهش تشعشعات، افزایش بازده محصول، افزایش میزان محصول، و بهبود انعطاف پذیری و ایمنی فرآیندها بكار گرفته شده است.از زمان تجاری شدن تكنولوژی پینچ، یك ركورد بی نظیر در طراحی و به روزآوری واحدهای شیمیایی حاصل گردیده است. گزارشات مستند از کاهش پانزده تا چهل درصدی هزینه های انرژی، رفع پنج تا پانزده درصدی گرههای فرایندی و كاهش پنج تا ده درصدی هزینه اولیه حکایت دارد. فواید وكاربردهای كلی تكنولوژی پینچ در بخش های بعدی به طور مختصر بحث شده است.

مفاهیم پایه‌ای آنالیز پینچ
بیشتر فرآیندهای صنعتی فرآیند انتقال گرما از یك جریان فرآیندی به جریان فرآیندی دیگر (تبادل) یا از جریان یوتیلیتی به جریان فرآیندی می‌باشد. با توجه به مسأله بحران انرژی موجود در همه دنیا هدف در طراحی هر فرآیند صنعتی بیشینه كردن بازیابی انرژی گرمایی فرآیند و کمینه كردن نیازمندی ها و ملزومات یوتیلیتی (انرژی) می‌باشد. برای دستیابی به هدف بیشینه بازیابی انرژی و کمینه انرژی مورد نیاز (MER or Minimum Energy Requirement) به شبكه ای از مبادله کن های حرارتی مناسب (HEN) احتیاج داریم. طراحی یك چنین شبكه‌ای با توجه به این كه در واحدهای بزرگ جریان های یوتیلیتی و فرآیند بسیاری داریم،كار آسانی نیست. همان طور كه در بخش قبلی دیدیم، روش طراحی سنتی هزینه‌ اولیه و یوتیلیتی را افزایش خواهد داد. با ظهور آنالیز پینچ طراحی شبكه را می توان به صورت منظم و روشمند انجام داد.

خلاصه‌ای از مفاهیم كلیدی و اصطلاحات به کار رفته در آنالیز پینچ در زیر آورده شده است:
منحنی‌های مرکب یكپارچه (گرم و سرد) که در موارد زیر به کار می رود:
حداقل انرژی مورد نیاز (هر دو جریان گرم و سرد)
حداقل مساحت شبكه مورد نیاز و
حداقل تعداد واحدهای مبادله کن مورد نیاز
∆Tmin و نقطه پینچ: مقدار ∆Tmin مشخص می‌كندكه منحنی‌های مرکب گرم و سرد بدون نقض قانون دوم ترمودینامیك تا چه مقدار می‌توانند فشرده یا به اصطلاح پینچ شوند.
منحنی مرکب اصلی: برای انتخاب تراز مناسب یوتیلیتی برای و تأمین انرژی مصرفی بهینه استفاده می‌شود.
تعیین هزینه اولیه و انرژی: برای محاسبه كل هزینه اولیه، هزینه سالیانه یوتیلیتی‌ها و شبكه مبادله کن حرارتی به کار می رود.
تعیین هزینه كلی: برای تعیین كردن تراز بهینه بازیابی گرما یا مقدار ∆Tmin بهینه با استفاده از موازنه انرژی و هزینه‌های اولیه کاربرد دارد. از این روش می توان برای به دست آوردن یك تخمین دقیق(با تلرانس 10 تا 25 درصد) از كل هزینه‌های سیستم بازیابی گرما بدون نیاز به طراحی سیستم بهره برد. یکی از مزایای روش پینچ، سرعت در ارزیابی اقتصادی‌ است.
اصول جمع و تفریق و جانمایی مناسب تجهیزات: اصول جمع و تفریق، در مورد اینكه چگونه یك سیستم را می‌توان در راستای كاهش هزینه‌ها و نیازهای مربوط به یوتیلیتی اصلاح نمود راهکار های مناسبی ارایه می دهد. جانمایی مناسب تجهیزات نیز روش مناسبی برای یكپارچه سازی تجهیزات كلیدی مانند برجهای تقطیر،‌ تبخیر كننده‌ها، كوره‌ها، موتورها و پمپهای گرمایی و غیره جهت كاهش نیازهای یوتیلیتی می باشد.
آنالیز كلی سایت: این مفهوم قادر به آنالیز انرژی مورد استفاده در کل واحد و شامل فرآیندهایی كه به وسیله یك سیستم یوتیلیتی مركزی سرویس‌دهی می‌شوند، خواهد بود.
با تحقیقات بیشتر عناوین جدیدی شبیه آنالیز موضعی انرژی، شبكه پینچ، آنالیز سطح بالا، بهینه كردن گرما و قدرت، پینچ آب، پینچ هیدروژن و غیره توسعه داده شده است.

مراحل آنالیز پینچ:
در هر آنالیز پینچ چه یك پروژه جدید داشته باشیم و یا بخواهیم یك واحد صنعتی را بهبود داده و به روز نماییم، مراحلی که در شکل 3 آورده شده باید به دقت دنبال نمود. لازم به ذکر است كه اجرای این مراحل به صورت مستقل از یكدیگر صورت نمی گیرد.
شناسایی جریان های سرد، گرم و یوتیلیتی در فرآیند
جریانهای گرم آنهایی هستند كه باید سرد شوند,مانند خنك‌ كردن محصولات قبل از ذخیره.
جریانهای سرد آنهایی هستند كه باید گرم شوند مانند پیش گرم كردن خوراك قبل از راكتور.
جریانهای یوتیلیتی برای گرم یا سرد كردن جریان های فرآیند وقتی كه مبادله گرما بین جریان های فرآیند عملی یا اقتصادی نباشد به کار می روند. این جریان ها به دو دسته یوتیلیتی‌‌های گرم (بخار داغ، نفت کوره و غیره) و یوتیلیتی‌های سرد (آب سرد، هوا، خنك كننده و غیره) تقسیم می شوند.
شناسایی جریان ها برای آنالیز تا آنجا که ممکن است باید به دقت صورت گیرد. به عنوان مثال، زمانی كه یك جریان گاز فشرده می‌شود دمای جریان به علت تبدیل انرژی مكانیكی به گرمایی و نه به واسطه تبادل حرارتی سیال به سیال بالا می‌رود. بنابراین چنین جریانی نمی تواند در فرآیند تبادل حرارتی شرکت کند.

استخراج داده گرمایی برای فرآیند و جریان های یوتیلیتی:
داده های گرمایی زیر برای شناسایی جریان گرم، سرد و یوتیلیتی از موازنه جرم و انرژی فرآیند در برگه جریان استخراج شده است.
دمای موجود :(TS°C) دمای فعلی جریان.
دمای هدف (TS°C): دمایی كه جریان باید به آن برسد.
ظرفیت گرمایی جریان (CP kW/°C): دبی جریان محصول (m) بر حسب kg/sec و گرمای ویژه (Cp kJ/kg °C) .
CP=m*Cp
تغیرات آنتالپی(∆H): عبور جریان از مبادله کن كه با قانون اول ترمودینامیك بیان می‌شود:
قانون اول ترمودینامیك:
H=Q+W
در یك مبادله کن حرارتی هیچ كار مكانیكی انجام نمی‌شود:
W=0(zero)
بنابراین طبق معادله بالا ∆H=Q كه Q گرمای موجود را نشان می‌دهد:
Q=CP*(TS-TT)
: ∆H=CP*(TS-TT) تغییرات آنتالپی
در اینجا فرض شده است كه در محدوده عملیاتی مقادیر گرمای مخصوص به دما وابسته نیستند.
تأثیر داده های جریان و پتانسیل آنها بر نتایج آنالیز پینچ باید در طول مراحل آنالیز مورد توجه قرار گیرند.زیرا هر داده نادرست و اشتباه می تواند موجب اعتبار نتایج بدست آمده را مخدوش کند. به منظور جلوگیری از این اشتباهات، استخراج داده ها باید به صورت کاملا تخصصی صورت گیرد.