Nypanalys

Temperatur vs. värmebelastningsdiagram för varm ström (H ₂ O som kommer in vid 20 bar, 473,15 K och 4 kg/s) och kall ström (R-11 som kommer in vid 18 bar, 303,15 K och 5 kg/s) i en motströms värmeväxlare. "Nypning" är den punkt som ligger närmast mellan de varma och kalla strömmarna i T vs. H-diagrammet. Notera: detta diagram är felaktigt; den varma strömmen ska ligga ovanför och till vänster om den kalla strömmen.

Temperaturprofiler (temperatur vs. avståndsdiagram) för varm ström (strömmande från vänster till höger) och kall ström (strömmande från höger till vänster) i motströmsvärmeväxlare i ovanstående hölje.

Nypanalys är en metod för att minimera energiförbrukningen för kemiska processer genom att beräkna termodynamiskt genomförbara energimål (eller minimienergiförbrukning) och uppnå dem genom att optimera värmeåtervinningssystem, energiförsörjningsmetoder och processdriftsförhållanden. Det är också känt som processintegration , värmeintegration , energiintegration eller pinch technology .

Processdatan representeras som en uppsättning energiflöden, eller strömmar, som en funktion av värmebelastning (produkt av specifik entalpi och massflödeshastighet; SI-enhet W ) mot temperatur (SI-enhet K ). Dessa data kombineras för alla strömmar i anläggningen för att ge sammansatta kurvor , en för alla varma strömmar (avger värme) och en för alla kalla strömmar (kräver värme). Den punkt som ligger närmast mellan de varma och kalla sammansatta kurvorna är nyppunkten ( . eller bara nyp ) med en varmströms nyptemperatur och en kallströms nyptemperatur Det är här designen är mest begränsad. Genom att hitta denna punkt och börja designen där, energimålen uppnås med hjälp av värmeväxlare för att återvinna värme mellan varma och kalla strömmar i två separata system, ett för temperaturer över nyptemperaturer och ett för temperaturer under nyptemperaturer. I praktiken, under nypanalysen av en befintlig design, påträffas ofta korsnypningsutbyten av värme mellan en varm ström med dess temperatur över nypningen och en kall ström under nypningen. Avlägsnande av dessa växlare genom alternativ matchning gör att processen når sitt energimål .

Historia

1971 uttalade Ed Hohmann i sin doktorsexamen att "man kan beräkna den minsta mängden varma och kalla verktyg som krävs för en process utan att känna till värmeväxlarnätverket som skulle kunna åstadkomma det. Man kan också uppskatta den värmeväxlingsarea som krävs”.

I slutet av 1977, Ph.D. Student Bodo Linnhoff under ledning av Dr John Flower vid University of Leeds visade att det i många processer fanns en flaskhals för värmeintegrering, "the pinch", som lade grunden till tekniken, idag känd som pinch-analysis. Då hade han gått till Imperial Chemical Industries (ICI) där han ledde praktiska tillämpningar och vidare metodutveckling.

Bodo Linnhoff utvecklade 'Problem Table', en algoritm för att beräkna energimålen och utarbetade grunden för en beräkning av den yta som krävs, känd som 'the spaghetti network'. Dessa algoritmer möjliggjorde praktisk tillämpning av tekniken.

1982 gick han med på University of Manchester Institute of Technology ( UMIST , nuvarande University of Manchester ) för att fortsätta arbetet. 1983 startade han en konsultfirma känd som Linnhoff March International som senare förvärvades av KBC Energy Services.

Många förbättringar har utvecklats sedan och använts i ett brett spektrum av industrier, inklusive utvidgning till värme- och kraftsystem och icke-processsituationer. Den mest detaljerade förklaringen av teknikerna är av Linnhoff et al. (1982), Shenoy (1995), Kemp (2006) och Kemp och Lim (2020), medan Smith (2005) innehåller flera kapitel om dem. Både detaljerade och förenklade (kalkylblad) program finns nu tillgängliga för att beräkna energimålen. Se Pinch Analysis Software nedan.

Under de senaste åren har Pinch-analys utvidgats utöver energitillämpningar. Den innehåller nu:

Mass Exchange Networks (El-Halwagi och Manousiouttakis, 1989)
Vattennypa (Yaping Wang och Robin Smith, 1994; Nick Hallale, 2002; Prakash och Shenoy, 2005)
Vätgasnypa (Nick Hallale et al., 2003; Agrawal och Shenoy, 2006)
Kolnypa (referat i Kemp och Lim, 2020)

Svagheter

Klassisk nypanalys beräknar i första hand energikostnaderna för värme- och kylverket. Vid klämpunkten, där de varma och kalla strömmarna är mest begränsade, krävs stora värmeväxlare för att överföra värme mellan de varma och kalla strömmarna. Stora värmeväxlare medför höga investeringskostnader. För att minska kapitalkostnaden krävs i praktiken en minsta temperaturskillnad (Δ T) vid klämpunkten, t.ex. 10 °F. Det är möjligt att uppskatta värmeväxlarens yta och kapitalkostnad, och därmed det optimala Δ T minimivärdet. Kostnadskurvan är dock ganska platt och optimum kan påverkas av "topologifällor". Nypmetoden är inte alltid lämplig för enkla nätverk eller där det finns allvarliga driftsbegränsningar. Kemp (2006) och Kemp och Lim (2019) diskuterar dessa aspekter i detalj.

Senaste utvecklingen

Problemet med att integrera värme mellan varma och kalla strömmar, och att hitta det optimala nätet, särskilt kostnadsmässigt, kan idag lösas med numeriska algoritmer . Nätverket kan formuleras som ett så kallat MINLP-problem ( mixed integer non-linear programming) och lösas med en lämplig numerisk lösare . Ändå kan storskaliga MINLP-problem fortfarande vara svåra att lösa för dagens numeriska algoritmer. Alternativt gjordes några försök att formulera MINLP-problemen till linjära problem med blandade heltal, där sedan möjliga nätverk screenas och optimeras. För enkla nätverk av ett fåtal strömmar och värmeväxlare är handdesignmetoder med enkel målprogramvara ofta tillräckliga och hjälper ingenjören att förstå processen.

Se även

^ Ebrahim, M.; Kawari, Al- (2000). "Pinch-teknologi: ett effektivt verktyg för energi från kemiska anläggningar och kapitalkostnadsbesparingar". Tillämpad energi . 65 (1–4): 45–49. doi : 10.1016/S0306-2619(99)00057-4 .
^ Furman, Kevin C.; Sahinidis, Nikolaos V. (2002-03-09). "En kritisk granskning och kommenterad bibliografi för syntes av värmeväxlarnätverk under 1900-talet". Industriell och teknisk kemiforskning . 41 (10): 2335–2370. doi : 10.1021/ie010389e .

El-Halwagi, MM och V. Manousiouthakis, 1989, "Synthesis of Mass Exchange Networks", AIChE J., 35(8), 1233–1244.
Kemp, IC (2006). Pinch Analysis and Process Integration: A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy, 2:a upplagan . Inkluderar kalkylprogram. Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-8260-4 . (1:a upplagan: Linnhoff et al., 1982).
Kemp, IC och Lim, JS (2020). Pinch Analysis for Energy and Carbon Footprint Reduction: A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy, 3:e upplagan . Inkluderar kalkylprogram. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-102536-9 .
Linnhoff, B., DW Townsend, D. Boland, GF Hewitt, BEA Thomas, AR Guy och RH Marsland, (1982) A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy. ICheme, Storbritannien.
Shenoy, UV (1995). Värmeväxlarnätverkssyntes: Processoptimering genom energi- och resursanalys . Inkluderar två datorskivor. Gulf Publishing Company, Houston, TX, USA. ISBN 0-88415-391-6 .
Smith, R. (2005). Kemisk processdesign och integration . John Wiley och söner. ISBN 0-471-48680-9
Hallale, Nick. (2002). En ny grafisk inriktningsmetod för vattenminimering. Framsteg inom miljöforskning. 6(3): 377-390
Nick Hallale, Ian Moore, Dennis Vauk, "Hydrogen optimization at minimal investment", Petroleum Technology Quarterly (PTQ), Spring (2003)
Agrawal, V. och UV Shenoy, 2006, "Unified Conceptual Approach to Targeting and Design of Water and Hydrogen Networks", AIChE J., 52(3), 1071–1082.
Wang, YP och Smith, R. (1994). Avloppsvattenminimering. Kemiteknikvetenskap. 49: 981-1006
Prakash, R. och Shenoy, UV (2005) Inriktning och design av vattennätverk för drift med fast flödeshastighet och fasta föroreningar. Kemiteknikvetenskap. 60(1), 255-268
de Klerk, LW, de Klerk, MP och van der Westhuizen, D "Förbättringar av kapital och driftskostnader för hydrometallurgiska urankretsar genom vattenförvaltning och integrering av energi- och processenergimål" AusImm Conference, U 2015

externa länkar

PinCH - Programvara för kontinuerliga och batchprocesser inklusive indirekta värmeåtervinningsslingor och energilagringar. Gratis manualer, handledningar, fallstudier och framgångsberättelser tillgängliga
HeatIT - Gratis (lätt) version av programvaran Pinch Analysis som körs i Excel - utvecklad av Pinchco , ett konsultföretag som erbjuder expertråd om energirelaterade frågor
Simulis Pinch - Verktyg från ProSim SA som kan användas direkt i Excel och som är dedikerat till diagnos och energiintegrering av processerna.
Pinexo - en omfattande mjukvara som erbjuder alternativa lösningar med sina återbetalningstider. Utvecklad ur forskning vid Chalmers Tekniska Högskola, Göteborg
Integration - Ett praktiskt och billigt beräkningsverktyg för processintegration utvecklat av CanmetENERGY , Kanadas ledande forsknings- och teknikorganisation inom området ren energi.

[ebrahim-1] Ebrahim, M.; Kawari, Al- (2000). "Pinch-teknologi: ett effektivt verktyg för energi från kemiska anläggningar och kapitalkostnadsbesparingar". Tillämpad energi . 65 (1–4): 45–49. doi : 10.1016/S0306-2619(99)00057-4 .

[2] Furman, Kevin C.; Sahinidis, Nikolaos V. (2002-03-09). "En kritisk granskning och kommenterad bibliografi för syntes av värmeväxlarnätverk under 1900-talet". Industriell och teknisk kemiforskning . 41 (10): 2335–2370. doi : 10.1021/ie010389e .