Дослідження інтеграціі теплових потоків багатокорпусної випарної установки для концентрування сиропу сорго

The study on the integration of heat streams of the evaporation station for sorghum syrup concentrating is presented. The relevance of the research is is why the research, aimed at reducing the consumption of external energy and enhancing operating efficiency, is relevant and has practical value.The main purpose of the work is to create a scientifically substantiated design with enhanced economic indicators of operation, ensuring saving in consumption of hot utility (steam) and cooling water.The problem was solved using the pinch-analysis. Heat streams, requiring heating and cooling, were identified, and the alternative project based on the selection of the value of minimum temperature difference DTmin., was created. This value was calculated and substantiated based on the data on thermal streams. The stream of condensate of return steam, the heat excess of which had not been used so far, was added to the system. For the alternative project, the layout of heat exchange equipment was proposed, calculation of plate heat exchangers was performed. The designed network of heat exchangers made it possible to decrease the annual steam consumption by 18 %.Cost-effectiveness analysis was conducted by comparing the indicators for two of the projects of the syrup preheating department for the evaporation station. The proposed alternative project saves power consumption of cooling water by 35.9 kW, of heating vapor steam – by 60.5 kW. At the interest rate of profit tax of 18 %, implementation of the alternative project will pay off in 4 months. As a result, net annual gain of an enterprise is planned to increase by 16 %, at virtually the same payback period of the projects. Application of the methods of heat streams integration made it possible to develop an effective project of sorghum syrup preheating before evaporation and ensure saving of external utilities.Представлено исследование интеграции тепловых потоков многокорпусной выпарной установки для концентрирования сиропа сорго. Актуальность работы определяется технологией процесса, который требует высоких затрат энергии. Поэтому все исследования, направленные на снижение потребления внешней энергии и повышения эффективности работы, актуальны и имеют практическую ценность.Главной целью работы является создание научно обоснованного проекта с улучшенными экономическими показателями работы, обеспечение экономии потребления горячего теплоносителя (пара) и охлаждающей воды.Решение проблемы было проведено с использованием метода пинч-анализа. Были идентифицированы тепловые потоки, требующие нагрева и охлаждения, и создан альтернативный проект, основанный на выборе значения минимальной разницы температур DTmin. Это значение было рассчитано и обосновано на основе данных по тепловым потокам. В систему был добавлен поток конденсата ретурного пара, избыток тепла которого использовался до сих пор. Для альтернативного проекта была предложена схема размещения теплообменного оборудования, проведен расчет пластинчатых теплообменников. Запроектированная сеть теплообменных аппаратов позволила снизить годовой расход пара на 18 %.Анализ экономической эффективности проводился сравнением показателей для двух проектов отделения предварительного нагрева сиропа для выпарной станции. Предложенный альтернативный проект, обеспечивает экономию потребляемой мощности охлаждающей воды 35,9 кВт, греющего пара – 60,5 кВт. При процентной ставке налога 18 % реализация альтернативного проекта окупится через 4 месяца. В результате чистый годовой доход предприятия планируется больше на 16 %, при практически одинаковом сроке окупаемости проектов. Применение методов интеграции тепловых потоков позволило разработать эффективный проект предварительного подогрева сиропа сорго перед выпариванием и обеспечить экономию внешних утилитПредставлено дослідження інтеграції теплових потоків багатокорпусної випарної установки для концентрування сиропу сорго. Актуальність роботи визначається технологією процесу, який вимагає високих витрат енергії. Тому всі дослідження, спрямовані на зниження споживання зовнішньої енергії і підвищення ефективності роботи, актуальні і мають практичну цінність.Головною метою роботи є створення науково обґрунтованого проекту з поліпшеними економічними показниками роботи, забезпечення економії споживання гарячого теплоносія (пари) і охолоджуючої води.Рішення проблеми було проведено з використанням методу пинч-аналізу. Були ідентифіковані теплові потоки, що вимагають нагрівання та охолодження, і створений альтернативний проект, заснований на виборі значення мінімальної різниці температур DTmin. Це значення було розраховане і обґрунтовано на основі даних по тепловим потокам. У систему був доданий потік конденсату ретурної пари, надлишок тепла якого не використовувався досі. Для альтернативного проекту була запропонована схема розміщення теплообмінного обладнання, проведено розрахунок пластинчастих теплообмінників. Запроектована мережу теплообмінних апаратів дозволила знизити річні витрати пари на 18 %.Аналіз економічної ефективності проводився порівнянням показників для двох проектів відділення попереднього нагріву сиропу для випарної станції. Запропонований альтернативний проект, забезпечує економію споживаної потужності охолоджуючої води 35,9 кВт, пари, що гріє – 60,5 кВт. При процентній ставці податку 18 % реалізація альтернативного проекту окупиться через 4 місяці. В результаті чистий річний дохід підприємства планується більше на 16 %, при практично однаковому терміні окупності проектів. Застосування методів інтеграції теплових потоків дозволило розробити ефективний проект попереднього підігріву сиропу сорго перед випаровуванням та забезпечити економію зовнішніх утилі

ОПТИМІЗАЦІЯ СПОЖИВАННЯ ЕНЕРГОНОСІЇВ У ПРОЦЕСІ ВИПАРЮВАННЯ ВОДНОГО РОЗЧИНУ ГІДРОКСИДУ НАТРІЯ

The paper proposes the retrofit design of a three-unit evaporator for evaporating of aqueous sodium hydroxide solution in order to increase its concentration. The retrofit assumes the creation of a heat exchange equipment network that has to implement heat recovery of the process streams of the evaporator. The design was carried out with the pinch-analysis methods. The treshhold problem (demand for hot utilities only) was identified by shifting the composite curves and the treshhold temperature difference 11,7 °С was found. Problem definition, like a pinch problem, was made with the choice of minimum temperature difference DTmin = 12 °С in heat exchange equipment. The design of the heat exchangers network that realizes the minimum consumption of external utilities and maximum energy recovery was created, and the network optimization with energy relaxation was carried out. Modern plate heat exchangers as heat exchange equipment were chosen and calculated. The economic evaluation of the design was conducted. The payback period will be about two months.В статье предлагается проект модернизации трехкорпусной установки выпаривания водного раствора гидроксида натрия с целью повышения его концентрации. Модернизация состоит в создании сети теплообменного оборудования, реализующей рекуперацию тепла технологических потоков выпарной установки. Проектирование было проведено с помощью методов пинч-анализа, а именно, был обоснован выбор минимальной разности температур в теплообменном оборудовании DTmin, создан проект сети теплообменников, реализующей минимальное потребление внешних утилит, и проведена оптимизация сети. В качестве теплообменного оборудования были предложены и рассчитаны современные пластинчатые теплообменные аппараты. Проведена экономическая оценка проекта, показывающая, что срок его окупаемости составит около двух месяцев.В статті пропонується проект модернізації трикорпусної установки випарювання водного розчину гідроксиду натрію з метою підвищення його концентрації. Модернізація полягає в створенні мережі теплообмінного обладнання, що реалізує рекуперацію тепла технологічних потоків випарної установки. Проектування було проведено за допомогою методів пінч-аналізу, тобто було обґрунтовано вибір мінімальної різниці температур в теплообмінному обладнанні DTmin, утворено проект мережі теплообмінників, що реалізує мінімальне споживання зовнішніх утиліт і проведено оптимізацію мережі. В якості теплообмінного обладнання було запропоновано і розраховано сучасні пластинчаті теплообмінні апарати. Було проведено економічну оцінку проекту, що показала термін його окупності складе приблизно два місяці

УЗАГАЛЬНЮЮЧА МОДЕЛЬ ФОРМУВАННЯ ВІДКЛАДЕНЬ НА ПОВЕРХНІ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ У БЕЗРОЗМІРНОЇ ФОРМІ ТА ЇЇ ВПРОВАДЖЕННЯ ДЛЯ РОЗРАХУНКУ ПЛАСТИНЧАСТОГО ТЕПЛООБМІННИКА

A generalized mathematical model of the formation of fouling on the heat transfer surface of a plate heat exchanger has been developed. The model is presented by a system of ordinary differential equations and takes into account the distribution of process parameters along the channel of a plate heat exchanger, which allows predicting the development of contamination in time in different places along the channel length. The model is presented in a dimensionless form, which allows extending the range of its application to a wider class of phenomena of contamination of heat transfer surfaces under conditions where the intensity of the process is controlled by mass transfer in the main flow and the reaction rate at the interface between the liquid and solid phases. The application of the proposed fouling formation model made it possible to develop a mathematical model for the formation of fouling in the channels of a plate heat exchanger, taking into account changes in the main process parameters along the heat transfer surface. To check the obtained model and determine the dimensionless parameters that enter into it, it is planned to carry out calculations for specific conditions and compare it with experimental studies and industrial tests of plate heat exchangers when working with media prone to the formation of fouling on the heat transfer surface.Разработана обобщенная математическая модель формирования загрязнений на поверхности теплопередачи пластинчатого теплообменника. Модель представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений и учитывает распределение параметров процесса вдоль канала пластинчатого теплообменника, что позволяет прогнозировать развитие загрязнения во времени в разных местах вдоль длины канала. Модель представлена в безразмерной форме, что позволяет расширить диапазон ее применения на более широкий класс явлений загрязнения теплопередающих поверхностей в условиях, когда интенсивность процесса контролируется массопереносом в основном потоке и скоростью реакции на границе раздела жидкой и твердой фаз. Применение предложенной модели формирования загрязнений позволило разработать математическую модель формирования загрязнений в каналах пластинчатого теплообменника с учетом изменения основных параметров процесса вдоль поверхности теплопередачи. Для проверки полученной модели и определения входящих в нее безразмерных параметров планируется проведение расчетов для конкретных условий и сравнение с данными экспериментальных исследований и промышленных испытаний пластинчатых теплообменников при работе со средами, склонными к образованию загрязнений на теплопередающей поверхности.Розроблена узагальнена математична модель формування забруднень на поверхні теплопередачі пластинчатого теплообмінника. Модель представлена системою звичайних диференційних рівнянь і враховує розподіл параметрів процесу вздовж каналу пластинчатого теплообмінника, що дозволяє прогнозувати розвиток забруднення у часі в різних місцях продовж довжини каналу. Модель представлена в безрозмірній формі, що дозволяє розширити діапазон її використання на більш широкий клас явищ забруднень теплопередаючих поверхонь в умовах, коли інтенсивність процесу контролюється масопереносом в основному потоці і швидкістю реакції на межі розділу рідкої та твердої фаз. Використання представленої моделі формування забруднень дозволило розробити математичну модель формування забруднень в каналах пластинчатого теплообмінника с урахуванням змін основних параметрів процесу вздовж поверхні теплопередачі. Для перевірки отриманої моделі і визначення присутніх в ній безрозмірних параметрів планується проведення розрахунків для конкретних умов та порівняння з даними експериментальних досліджень в промислових випробуваннях пластинчатих теплообмінників при роботі з середовищами, схильними до утворення забруднень на теплопередаючій поверхні