Metoda Pinch Aplicată în Industria Chimică

1. Introducere

Conceptul „pinch” a fost elaborat în perioada 1981 – 1984 de către prof. Bodo Linnhoff, la Universitatea din Manchester, Institutul de Ştiinţă şi Tehnologie – UMIST – Anglia.

Tehnica, relativ simplă, este bazată pe un mijloc eficace de care pot dispune inginerii chimişti pentru evaluarea pierderilor şi pentru găsirea căilor de perfecţionare a proceselor tehnologice.

În prezent, metoda este amplificată mai ales pentru analiza proceselor şi de aceea se consideră mai potrivită noţiunea „analiza pinch” decât „tehnologia pinch”.

Noţiunea de „pinch” este cunoscută şi utilizată în legătură cu variaţia temperaturilor fluidelor care schimbă căldură între ele, într-un schimbător de căldură în contracurent. „Pinch” se poate traduce prin strangulare, gâtuire sau ciupitură şi reprezintă în fond diferenţa minimă de temperatură luată dintre fluide.

Ţintele care se urmăresc la aplicarea analizei pinch, la proiectarea sau la reproiectarea reţelelor de schimbătoare de căldură, sunt:

- Consumuri minime de utilităţi, calde şi reci, când se urmăreşte recuperarea maximă de căldură;

- Numărul minim de aparate de schimb de căldură;

- Aria totală de schimb de căldură minină.

Schimbătoarele de căldură asigură recuperarea căldurii din fluxurile fierbinţi şi răcirea produselor obţinute până la temperaturile maxime admise la depozitare.

În cazul în care, conţinutul de căldură al fluidelor calde ce urmează a fi răcite depăşeşte necesarul de căldură pentru încălzirea fluxurilor reci, surplusul de energie ce rezultă trebuie utilizat la un nivel termic cât mai ridicat posibil.

Dacă, din contră, conţinutul de căldură disponibil al fluxurilor calde este mai mic decât necesarul de căldură pentru aducerea fluxurilor reci la nivel termic cerut, este indicat ca energia suplimentară ce trebuie introdusă cu nivel termic cât mai coborât posibil.

Acestea sunt criteriile de bază ce trebuie avute în vedere în cazul alcătuirii unei reţele de schimbătoare de căldură se corelează cu cheltuielile de investiţii şi exploatare.

2. Date de proiectare

Se consideră o instalaţie tehnologică în care trei fluxuri calde trebuie să fie răcite şi două fluxuri reci trebuie încălzite. Pentru toate fluidele se cunosc capacităţile calorice şi temperaturile corespunzătoare intrării, respectiv ieşirii din schimbătoare şi acestea sunt prezentate în tabelul 1.1:

Tabel 2.1. Caracteristicile fluxurilor calde şi reci

FLUXURI Capacitatea calorică

Temperatura de intrare

Temperatura de ieşire

Fluxul cald

25 150 50

Fluxul cald

14 200 75

Fluxul cald

30 250 100

Fluxul rece

20 50 175

Fluxul rece

40 80 180

2.1. Reprezentarea grafică a fluxurilor şi trasarea curbelor compuse

În funcţie de temperaturi, se reprezintă grafic fluxurile existente conform schemei din figura 2.1.

Fig. 2.1. Reprezentarea grafică a fluxurilor existente

Pentru fluxurile calde şi reci se întocmesc tabelele 2.2, 2.3 în care sunt evidenţiate fluxurile termice cedate respectiv primite pe zone înguste.

Tabel 2.2. Stabilirea fluxurilor termice cedate.

Punct pe

curbă

50 0 A

50 – 75 625 – – 625

75 625 B

75 – 100 625 350 – 975

100 1600 C

100 – 150 1250 700 1500 3450

150 5050 D

150 – 200 – 700 1500 2200

200 7250 E

200 – 250 – – 1500 1500

250 8750 F

Tabel 2.3. Stabilirea fluxurilor termice primite.

Punct pe

curbă

50 0 G

50 – 75 600 – 600

75 600 H

75 – 100 1900 3800 5700

100 6300 I

100 – 150 – 200 200

150 6500 J

În figura 2.2. sunt reprezentate cele două curbe (CCFC şi CCFR) prin punctele A, B, C, D, E, F respectiv prin punctele G, H, I, J. În coordonate t-Q, punctului A, respectiv G îi corespunde punctului .

Curba CCFR se va translata până la stabilirea pinch-ului . Noua poziţie a curbei CCFR este prezentată prin punctele G’, H’, I’, P, J’.

Se duc verticale prin punctele G’, H’,C, I’, E, J’ şi se stabilesc pe abcisă, pe scara lui Q, prin diferenţă, fluxurile termice caracteristice.