Пинч-анализ: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
[непроверенная версия][отпатрулированная версия]
← Предыдущая правка
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
изменение актуальной ссылки
Спасено источников — 3, отмечено мёртвыми — 0. Сообщить об ошибке. См. FAQ.) #IABot (v2.0.9.5
 
(не показаны 23 промежуточные версии 13 участников)
Строка 1: Строка 1:
: ''Это статья о методологии анализа химических процессов. О компьютерном вирусе см. статью [[Пинч]]''
: ''Это статья о методологии анализа химических процессов. О компьютерном вирусе см. статью [[Пинч]]''
'''Пинч-анализ''' ({{lang-en|pinch}} — сжатие, сужение) представляет собой методологию для минимизации потребления энергии химических [[процесс]]ов путём расчёта термодинамически осуществимой ''целевой энергии'' (или минимума потребления энергии) и её достижение путём оптимизации тепла [[Рекуператор|рекуперации]] системы, методов подвода энергии и условий эксплуатации. Пинч-анализ также известен как ''процесс интеграции'', ''тепловая интеграция'', ''энергетическая интеграция'' или ''пинч-технология''.
'''Пинч-анализ''' ({{lang-en|pinch}} — сжатие, сужение) представляет собой методологию для минимизации потребления энергии химических [[процесс]]ов путём расчёта термодинамически осуществимой ''целевой энергии'' (или минимума потребления энергии) и её достижение путём оптимизации тепла [[Рекуператор|рекуперации]] системы, методов подвода энергии и условий эксплуатации. Пинч-анализ также известен как ''процесс интеграции'', ''тепловая интеграция'', ''энергетическая интеграция'' или ''пинч-технология''.<ref>{{Книга|автор=Jirí Jaromír Klemeš, Petar Sabev Varbanov, Sharifah Rafidah Wan Wan Alwi, Zainuddin Abdul Manan|заглавие=Process Integration and Intensification: Saving Energy, Water and Resources|ссылка=https://books.google.co.uk/books?id=Z9LmBQAAQBAJ&pg=PA97&lpg=PA97&dq=A+user+guide+on+process+integration+for+the+efficient+use+of+energy,+Rugby,+UK:+IChemE.&source=bl&ots=fEkrQ0qtOF&sig=xWZAISDC8nzjYD0HErgdgnEKhHw&hl=ru&sa=X&ved=2ahUKEwjFu9mEqZbfAhUNyoUKHa_YBm0Q6AEwBXoECAAQAQ|издательство=Walter de Gruyter GmbH & Co KG|год=2014-05-26|страниц=268|isbn=9783110306859|archive-date=2018-12-14|archive-url=https://web.archive.org/web/20181214064355/https://books.google.co.uk/books?id=Z9LmBQAAQBAJ&pg=PA97&lpg=PA97&dq=A+user+guide+on+process+integration+for+the+efficient+use+of+energy,+Rugby,+UK:+IChemE.&source=bl&ots=fEkrQ0qtOF&sig=xWZAISDC8nzjYD0HErgdgnEKhHw&hl=ru&sa=X&ved=2ahUKEwjFu9mEqZbfAhUNyoUKHa_YBm0Q6AEwBXoECAAQAQ#v=onepage&q=A%20user%20guide%20on%20process%20integration%20for%20the%20efficient%20use%20of%20energy,%20Rugby,%20UK:%20IChemE.&f=false}}</ref>


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 композитных кривых — это ''пинч-температура'' (''пинч-точка'' или просто ''пинч''), и является точкой с наибольшими ограничениями. Таким образом, найдя эту точку и начав проектирование с неё, можно достичь целевой энергии с помощью [[теплообменник]]ов путём передачи теплоты между горячими и холодными потоками. На практике в ходе пинч-анализа довольно часто находятся потоки с температурой выше пинч-точки и ниже её, которые обмениваются энергией друг с другом. Удаление этих обменов взаимным выравниванием позволяет достичь целевой энергии.
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 [[Теплообменник|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.<ref>{{Книга|автор=Jiri J. Klemes|заглавие=Handbook of Process Integration (PI): Minimisation of Energy and Water Use, Waste and Emissions|ссылка=https://books.google.co.uk/books?id=EuFwAgAAQBAJ&pg=PA25&lpg=PA25&dq=A+user+guide+on+process+integration+for+the+efficient+use+of+energy,+Rugby,+UK:+IChemE.&source=bl&ots=VODEPexuHu&sig=3fZk6-mjsL8LsOUbxL3LTdqxPVw&hl=ru&sa=X&ved=2ahUKEwjFu9mEqZbfAhUNyoUKHa_YBm0Q6AEwBHoECAUQAQ|издательство=Elsevier|год=2013-07-31|страниц=1201|isbn=9780857097255|archive-date=2018-12-14|archive-url=https://web.archive.org/web/20181214072547/https://books.google.co.uk/books?id=EuFwAgAAQBAJ&pg=PA25&lpg=PA25&dq=A+user+guide+on+process+integration+for+the+efficient+use+of+energy,+Rugby,+UK:+IChemE.&source=bl&ots=VODEPexuHu&sig=3fZk6-mjsL8LsOUbxL3LTdqxPVw&hl=ru&sa=X&ved=2ahUKEwjFu9mEqZbfAhUNyoUKHa_YBm0Q6AEwBHoECAUQAQ#v=onepage&q=A%20user%20guide%20on%20process%20integration%20for%20the%20efficient%20use%20of%20energy,%20Rugby,%20UK:%20IChemE.&f=false}}</ref>


== История ==
== История ==
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 [[Линнхофф, Бодо|Бодо Линнхофф]] под руководством доктора Джона Флауэра в [[Университет Лидса|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.
Метод впервые был разработан в конце 1978 года в [[Великобритания|английской]] компании [[Imperial Chemical Industries]] (ICI) [[аспирант]]ом [[Линнхофф, Бодо|Бодо Линнхоффом]] под руководством профессора Джона Флауэра из [[Университет Лидса|Университета Лидса]].<ref>M. Ebrahim «Pinch technology: an efficient tool for chemical-plant energy and capital-cost saving». Applied Energy 65, 2000, 45-40{{ref-en}}</ref> Позже Линнхоффа пригласили на работу в [[Манчестерский университет]], а затем он создал свою консультационную фирму под названием [[Linnhoff March International]], которая позже была куплена фирмой [[KBC Energy Services]].


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.
⚫
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 [[Табличный процессор|табличные процессоры]]) расчёта целевой энергии. Чаще всего для анализа используется бесплатная, свободно распространяемая программа [[PinchLeni]].<ref>[http://www.stenum.at/en/?id=software/pinchlenisoftware/pinchlenifreeware Freeware developed by Laboratoire d’Energétique Industrielle de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland]{{ref-en}}</ref>

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 [[Табличный процессор|табличные процессоры]]) расчёта целевой энергии. Чаще всего для анализа используется бесплатная, свободно распространяемая программа [[PinchLeni]].<ref>[http://www.stenum.at/en/?id=software/pinchlenisoftware/pinchlenifreeware Freeware developed by Laboratoire d’Energétique Industrielle de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland] {{Wayback|url=http://www.stenum.at/en/?id=software%2Fpinchlenisoftware%2Fpinchlenifreeware |date=20160325073501 }}{{ref-en}}</ref>


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


* Сети массового обмена.<ref>M. M. El-Halwagi, V. Manousiouthakis, «Synthesis of Mass Exchange Networks», AIChE J., 35(8), 1989, 1233—1244.{{ref-en}}</ref>
* Массобменные процессы.<ref>M. M. El-Halwagi, V. Manousiouthakis, «Synthesis of Mass Exchange Networks», AIChE J., 35(8), 1989, 1233—1244.{{ref-en}}</ref>
* Пинч-анализ потребления воды.<ref>Y. P. Wang, R. Smith Wastewater Minimisation. Chemical Engineering Science. 49, 1994, 981—1006{{ref-en}}</ref><ref>Hallale, N. A New Graphical Targeting Method for Water Minimisation. Advances in Environmental Research. 6(3), 2002, 377—390{{ref-en}}</ref><ref>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.{{ref-en}}</ref>
* Пинч-анализ потребления воды.<ref>Y. P. Wang, R. Smith Wastewater Minimisation. Chemical Engineering Science. 49, 1994, 981—1006{{ref-en}}</ref><ref>Hallale, N. A New Graphical Targeting Method for Water Minimisation. Advances in Environmental Research. 6(3), 2002, 377—390{{ref-en}}</ref><ref>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.{{ref-en}}</ref>
* Водородный пинч-анализ.<ref>N.Hallale, I.Moore, D. Vauk, «Hydrogen optimization at minimal investment», Petroleum Technology Quarterly (PTQ), Spring, 2003{{ref-en}}</ref><ref>V. Agrawal, U. V. Shenoy, «Unified Conceptual Approach to Targeting and Design of Water and Hydrogen Networks», AIChE J., 52(3), 2006, 1071—1082.{{ref-en}}</ref>
* Водородный Пинч-анализ.<ref>N.Hallale, I.Moore, D. Vauk, «Hydrogen optimization at minimal investment», Petroleum Technology Quarterly (PTQ), Spring, 2003{{ref-en}}</ref><ref>V. Agrawal, U. V. Shenoy, «Unified Conceptual Approach to Targeting and Design of Water and Hydrogen Networks», AIChE J., 52(3), 2006, 1071—1082.{{ref-en}}</ref>
*Пинч-анализ электроэнергии.<ref>{{Статья|заглавие=Optimal sizing of hybrid power systems using power pinch analysis|ссылка=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652613008822|язык=en|издание=Journal of Cleaner Production|год=2014-05-15|том=71|страницы=158–167|issn=0959-6526|doi=10.1016/j.jclepro.2013.12.028}}</ref>
Так-же перспективно направление развития пинч-анализа в сторону прикладной применимости - SELOOP-анализ. SELOOP-анализ учитывает при формировании результатов исследования практическую применимость рекомендации, таких, как возможность изготовления теплообменников указанных параметров, их размещение на установке и т.д., то есть те параметры, которые "академический" пинч-анализ не учитывает.
*Пинч-анализ СО2<ref>{{Статья|заглавие=Targeting and design methodology for reduction of fuel, power and CO2 on total sites|ссылка=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431196000877|язык=en|издание=Applied Thermal Engineering|год=1997-08-01|том=17|выпуск=8-10|страницы=993–1003|issn=1359-4311|doi=10.1016/S1359-4311(96)00087-7}}</ref>.

== Недостатки и решения ==
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)<ref>{{Cite web|url=https://www.elsevier.com/books/pinch-analysis-and-process-integration/kemp/978-0-7506-8260-2|title=Pinch Analysis and Process Integration - 2nd Edition|publisher=www.elsevier.com|accessdate=2018-12-10|archive-date=2018-12-14|archive-url=https://web.archive.org/web/20181214064545/https://www.elsevier.com/books/pinch-analysis-and-process-integration/kemp/978-0-7506-8260-2|deadlink=no}}</ref>.

Обозначенные недостатки классического Пинч-анализа были решены под руководством академика РАН [[Мешалкин, Валерий Павлович|В.П. Мешалкина]], группой ученых (Л.М. Ульев, Р.Е. Чибисов, М.В. Канищев, М.А. Васильев)<ref>{{Cite web |url=http://www.energija.ru/wp-content/uploads/M2019/2019_2Ru.pdf |title={{Wayback|url= |date=20191018120514 }} |access-date=2019-10-18 |archive-date=2019-10-18 |archive-url=https://web.archive.org/web/20191018120514/http://www.energija.ru/wp-content/uploads/M2019/2019_2Ru.pdf |deadlink=no }}</ref>. 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''<sup>©</sup>.<ref>{{Cite web |url=https://rusenergoproekt.com/seloop |title=SELOOP<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2021-03-06 |archive-date=2019-10-30 |archive-url=https://web.archive.org/web/20191030160323/https://rusenergoproekt.com/seloop |deadlink=no }}</ref> 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 ==
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<ref>{{Статья|заглавие=Challenges in sustainable integrated process synthesis and the capabilities of an MINLP process synthesizer MipSyn|ссылка=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0098135410001596|язык=en|издание=Computers & Chemical Engineering|год=2010-11-08|том=34|выпуск=11|страницы=1831–1848|issn=0098-1354|doi=10.1016/j.compchemeng.2010.04.017}}</ref>) 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 ==

* SPRINT<ref>{{Cite web|url=https://www.ceas.manchester.ac.uk/cpi/research/resources/software/|title=Software packages - Centre for Process Integration - The University of Manchester|publisher=www.ceas.manchester.ac.uk|accessdate=2018-12-10|archive-date=2018-12-14|archive-url=https://web.archive.org/web/20181214070132/https://www.ceas.manchester.ac.uk/cpi/research/resources/software/|deadlink=no}}</ref> - 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<ref>{{Cite web|url=https://pinch-analyse.ch/en/pinch|title=PinCH Software|publisher=pinch-analyse.ch|accessdate=2018-12-10|archive-date=2018-12-14|archive-url=https://web.archive.org/web/20181214071638/https://pinch-analyse.ch/en/pinch|deadlink=no}}</ref> – программное обеспечение для непрерывных и периодических процессов, включая побочные циклы рекуперации тепла и энергохранилища. Бесплатны руководства, учебные пособия, тематические исследования;

* HeatIT<ref>{{Cite web|url=http://www.pinchco.com/en/pinch-analyse/pinch-analysis-software.aspx|title=PINCHCO - Pinch Analysis Software|publisher=www.pinchco.com|accessdate=2018-12-10|archive-date=2018-12-07|archive-url=https://web.archive.org/web/20181207081858/http://www.pinchco.com/en/pinch-analyse/pinch-analysis-software.aspx|deadlink=no}}</ref> – бесплатная (легкая) версия программного обеспечения пинч-анализа, работает в Excel – разработана  Pinchco, консалтинговой компанией, предоставляющей консультации экспертов по вопросам, связанные с энергетикой;
* Simulis Pinch<ref>{{Cite web|url=http://www.prosim.net/en/software-simulis-pinch-process-energy-integration-in-microsoft-excel-%2599-13.php|title=Pinch Analysis and Process Integration in Microsoft Excel - Energy diagnosis and Energy Integration in industrial processes.|publisher=www.prosim.net|accessdate=2018-12-10|archive-date=2018-12-07|archive-url=https://web.archive.org/web/20181207232612/http://www.prosim.net/en/software-simulis-pinch-process-energy-integration-in-microsoft-excel-%99-13.php|deadlink=no}}</ref>- инструмент от ProSim SA, может использоваться непосредственно в Excel и предназначен для диагностики и энергетической интеграции процессов;
* Pinexo<ref>{{Cite web|url=http://pinexo.se/|title=Pinexo™ - Heat. Optimized.|publisher=pinexo.se|accessdate=2018-12-10|archive-date=2018-12-22|archive-url=https://web.archive.org/web/20181222052317/http://www.pinexo.se/|deadlink=no}}</ref> – обширное программное обеспечение, предлагающее альтернативные решения с их сроками окупаемости. Разработано на основе исследований в Техническом университете Чалмерса, Гётеборг, Швеция.
* Integration<ref>{{Cite web|url=https://www.nrcan.gc.ca/energy/efficiency/industry/processes/systems-optimization/process-integration/products-services/5529|title=INTEGRATION Software|author=Natural Resources Canada|date=2011-09-30|publisher=www.nrcan.gc.ca|accessdate=2018-12-10|archive-date=2018-12-14|archive-url=https://web.archive.org/web/20181214070437/https://www.nrcan.gc.ca/energy/efficiency/industry/processes/systems-optimization/process-integration/products-services/5529|deadlink=no}}</ref> – 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 [https://www1.fips.ru/wps/PA_FipsPub/res/Doc/PrEVM/RUNWPR/000/002/019/614/357/2019614357-00001/DOCUMENT.PDF предприятиях] {{Wayback|url=https://www1.fips.ru/wps/PA_FipsPub/res/Doc/PrEVM/RUNWPR/000/002/019/614/357/2019614357-00001/DOCUMENT.PDF |date=20191018135406 }}


== Примечания ==
== Примечания ==
Строка 22: Строка 50:
== Ссылки ==
== Ссылки ==


* 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.
⚫
* [http://www.sv-audit.ru/services/energy/3/ Передовые технологии энергоаудита. Метод Пинч-анализа.]
*Linnhoff, B., Hindmarsh, E., 1983. The pinch design method for heat exchanger networks''.'' Chemical Engineering Science, 38 (5), 745-763.
⚫
* [http://www.sodr-t.kharkiv.com/rus/pinch_rus.htm Стоимостная оптимизация тепловых систем]
* 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).{{ref-en}}
*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).{{ref-en}}
*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.{{ref-en}}
* 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.{{ref-en}}
*[http://rusenergoproekt.com Методологии снижения потребления энергоресурсов на НПЗ.] {{Wayback|url=http://rusenergoproekt.com/ |date=20161203061656 }}
* [http://rusenergyproject.ru/seloop SELOOP-анализ]
⚫
* [https://web.archive.org/web/20100201025926/http://www.sv-audit.ru/services/energy/3/ Передовые технологии энергоаудита. Метод Пинч-анализа.]
⚫
* [http://www.sodr-t.kharkiv.com/rus/pinch_rus.htm Стоимостная оптимизация тепловых систем] {{Wayback|url=http://www.sodr-t.kharkiv.com/rus/pinch_rus.htm |date=20080619101015 }}
*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.[http://www.energija.ru/wp-content/uploads/M2019/2019_2Ru.pdf] {{Wayback|url=http://www.energija.ru/wp-content/uploads/M2019/2019_2Ru.pdf |date=20191018120514 }}
*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.[https://elibrary.ru/item.asp?id=38201963] {{Wayback|url=https://elibrary.ru/item.asp?id=38201963 |date=20191018120459 }}


[[Категория:Анализ]]
[[Категория:Анализ]]

Текущая версия от 01:18, 21 октября 2023

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/ruwiki/w/index.php?title=Пинч-анализ&oldid=133714116