Расчет технологического оборудования для процесса рекуперативного теплообмена (стр. 2 из 2)

Ст_А = (6 + 0,075 ∙ F_А) ∙ 10³ , £, (15)

Ст_В = (6 + 0,075 ∙ F_В) ∙ 10³ , £, (16)

Ст_С = (6 + 0,075 ∙ F_С) ∙ 10³ , £, (17)

Ст_А = (6 + 0,075 ∙ 499) ∙ 10³ = 43425 £,

Ст_В = (6 + 0,075 ∙ 406) ∙ 10³ = 36450 £,

Ст_С = (6 + 0,075 ∙ 40) ∙ 10³ = 9000 £.

Следует заметить, что теплообменники А, В и С работают под определенным давлением, зависящим от состава потока и температуры потока. Поэтому рассчитанную стоимость необходимо домножить на так называемый "Фактор удорожания" (F_удор), учитывающий давление в аппарате.

Определим максимально возможное давления в теплообменнике А. Для этого используем уравнение Антуана:

Pi = , МПа. (18)

где:

А_i, В_i, С_i — значения коэффициентов уравнения Антуана [1] для i-го вещества;

T_i — температура i-го вещества, К.

Для теплообменника А: давление рассчитываем для n–гексана. Если в теплообменнике С не произойдет охлаждение этого потока, то на теплообменник А n–гексан придет с температурой 130 ^ОС, что соответствует 130 + 273 = 403 К. По уравнению Антуана рассчитаем величину давления:

P_А = = 0,489 МПа.

Из справочного материала для данного давления найдено значение фактора удорожания F_{удор А} = 2,0.

Для теплообменника В: на этот теплообменник подается n–бутанол с температурой t'₂, имеющей максимальное значение 98,43 ^ОС или 371,43 К. По уравнению Антуана получено давление:

P_В = = 0,048 МПа.

Однако, подогрев потока осуществляется паром со стандартной температурой 151,1 ^ОС, которой соответствует стандартное давление 5 ата. Поэтому значение фактора удорожания определяем для большего давления. F_{удор В} = 2,0.

Для теплообменника С: также необходимо сравнить два значения давления, соответствующие каждому потока.

Для n–гексана, при значении начальной температуры 130 ^ОС значение давления в теплообменнике С равно значению давления в теплообменнике А, рассчитанным ранее, т.е. 0,489 МПа. Аналогично, для n–бутанола, при его максимальной температуре, давление в теплообменнике С равно давлению в теплообменнике В, т.е. 0,048 МПа. Фактор удорожания определен для большего давления, F_{удор С} = 2,0.

Далее определяется стоимость аппаратов с учетом факторов удорожания:

Ст_{А Fудор} = Ст_А ∙ F_{удор А} , £, (19)

Ст_{В Fудор} = Ст_В ∙ F_{удор В} , £, (20)

Ст_{С Fудор} = Ст_С ∙ F_{удор С} , £, (21)

Ст_{А Fудор} = 43425 ∙ 2,0 = 86850 £,

Ст_{В Fудор} = 36450 ∙ 2,0 = 72900 £,

Ст_{С Fудор} = 9000 ∙ 2,0 = 18000 £.

Однако, полученная стоимость теплообменников не является окончательной. Окончательная стоимость определяется с учетом так называемого "Фактора инсталляции", состоящего из ряда подфакторов, учитывающих дополнительные затраты, связанные с установкой (монтажом) аппаратов, прокладки трубопроводов, приборов контроля и автоматики, электропитания, расходами на гражданское и специальное строительство, изоляцией оборудования.

Фактор инсталляции F_инст определяется по формуле:

F_инст = 1 + f_уст + f_труб + f_инстр + f_электр + f_строит + f_зданий + f_изол , (22)

где:

f_уст – подфактор, учитывающий дополнительные затраты при установке оборудования;

f_труб – подфактор, учитывающий дополнительные затраты при прокладке трубопроводов;

f_инстр – подфактор, учитывающий дополнительные затраты на средства контроля и автоматики;

f_электр – подфактор, учитывающий дополнительные затраты на проводку электроэнергии;

f_строит, f_зданий – подфакторы, учитывающий дополнительные затраты на гражданское и специальное строительство;

f_изол – подфактор, учитывающий дополнительные затраты на изоляцию оборудования;

Инсталляционные подфакторы определяются по справочным данным в зависимости от стоимости оборудования, рассчитанной с учетом фактора удорожания.

Определим инсталляционные подфакторы для первого аппарата (теплообменник А).

Принимаем к установке оборудование, требующее ряд технологических работ по месту установки. Этому соответствует инсталляционный подфактор f_уст = 0,10.

Для нашего оборудования нам необходимы средние технические и сервисные трубопроводы, чему соответствует инсталляционный подфактор f_тр = 0,26.

В теплообменниках протекает процесс, в котором необходимо контролировать и регулировать заданные значения конкретных параметров. Для этого необходима автоматизация процесса. Предполагается установка приборов контроля и одного микроконтроллера для управления процессом. Имеет место подфактор f_инст = 0,13.

Подфактор, учитывающий электроэнергию, инсталляционный подфактор f_электр = 0,03., т.к. предполагается только освещение и малое потребление электроэнергии системой управления, что ничтожно мало по сравнению с освещением.

Необходимы средние строительные штатные работы (фундамент, 1-й этаж, этажерки и службы), инсталляционный подфактор f_строит = 0,10. Аппараты предполагается разместить под крышей типа ангара, инсталляционный подфактор f_зданий = 0,29.

Поскольку теплообменник является термооборудованием, поэтому для снижения потерь предполагается защитная изоляция уровня выше среднего, инсталляционный подфактор f_изол = 0,06.

F_{инст А} = 1 + 0,1 + 0,26 + 0,13 + 0,03 + 0,1 + 0,29 + 0,06 = 1,97.

Аналогичным образом в зависимости от стоимости, были определены значения факторов инсталляции для теплообменников В и С:

F_{инст В} = 1,97;

F_{инст С} = 3,03.

Теперь можно определить суммарную стоимость оборудования, окончательную, т.е. с учетом инсталляционного фактора (Ст_сумм):

Ст_сумм = Ст_{А Fудор} ∙ F_{инст А} + Ст_{В Fудор} ∙ F_{инст В} + Ст_{С Fудор} ∙ F_{инст С} , £, (23)

Ст_сумм = 86850 ∙ 1,97 + 72900 ∙ 1,97 + 18000 ∙ 3,03 = 369247,50 £.

При эксплуатации теплообменников А и В имеют место дополнительные текущие затраты — это затраты на теплоносители: пар и воду (З_ТН):

З_ТН = З_пар + З_вода , £. (24)

Затраты на пар (З_пар) и на воду (З_вода) определяются по формулам:

З_пар = Q_B ∙ P_д ∙ P_ч ∙ Cт_пар , £, (25)

З_вода = Q_А ∙ P_д ∙ P_ч ∙ Cт_вода , £. (26)

В формулах (25) и (26):

Q_А и Q_В — тепло на теплообменниках А и В;

Р_д — время работы оборудования в году (350 дня);

Р_ч — время работы оборудования в сутках (24 часа);

Cт_пар и Cт_вода — стоимость 1 кВт∙ч пара и воды.

Принимаем стоимость теплоносителей Cт_пар = 0,004 £ и Cт_вода = 0,0036 £ (на текущее время).

Таким образом:

З_пар = 7407,54 ∙ 350 ∙ 24 ∙ 0,004 = 248893,40 £,

З_вода = 5344,21 ∙ 350 ∙ 24 ∙ 0,0036 = 161608,86 £.

Суммарные текущие затраты:

З_ТН = 248893,40 + 161608,86 = 410502,26 £.

Определяем сумму ежегодных амортизационных отчислений (Ао) , которая зависит от суммарной стоимости оборудования (Ст_сумм) и срока окупаемости (τ):

Ао = , £, (27)

где τ —срок окупаемости.

Ао = = 73849,50 £.

Наконец, определяем суммарные годовые затраты на эксплуатацию нашего оборудования. Они представляют собой сумму суммарных текущих затрат на теплоносители (З_ТН) и амортизационных отчислений (Ао):

З_сумм = З_ТН + Ао , £, (28)

З_сумм = 410502,26 + 73849,50 = 484351,76 £.

На этом расчет заканчивается. Аналогичный расчет проведен для всех значений коэффициента использования тепла k_ит от 0,00 до 0,99 с шагом 0,05. Результаты расчетов представлены в таблице 2.

Критерием оптимальности при проектировании теплообменных аппаратов является минимум суммарных годовых затрат. Проанализировав полученные результаты, видно, что минимум суммарных годовых затрат соответствует значению коэффициента использования тепла 0,90. График зависимости суммарных годовых затрат от коэффициента использования тепла представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 — Зависимость суммарных годовых затрат от коэффициента использования тепла

Вывод

Был произведен расчет технологического оборудования для процесса рекуперативного теплообмена. Мы убедились, что для предложенных теплоносителей это возможно. Задавались коэффициентом использования тепла от 0 до 0,99 с шагом 0,05. В качестве критерия оптимальности использовался минимум суммарных годовых затрат. В результате анализа минимальные суммарные годовые затраты соответствуют коэффициенту использования тепла равному 0,90. Использование дополнительных теплообменников позволило в 1,93 раза снизить годовые затраты. Выбрано экономически оптимальное оборудование. Стоимость оборудования с учетом факторов удорожания и инсталляции составила 574386,00 £, затраты на дополнительные теплоносители — 148779,54 £, амортизационные отчисления — 114877,20 £, а суммарные годовые затраты — 263656,74 £.

Список используемых источников

1) К.Ф.Павлов, Н.Г. Романков, А.А.Носков "Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии"; Ленинград, "Химия", 1987 год.

2) Ю.И. Дытнерский "Процессы и аппараты химической технологии. Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты"; Москва, "Химия", 1956 год.

3) Электронный ресурс

http://www.chmm.spb.ru/lectures.php?type=sysanalisys