HEN - Heat Exchange Network
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Class Exercise 5 (Cont’d)
MER Design above the pinch: CP
o
150
o
180 2.0
H1 U = N + N - 1
Min,MER Stream Util
= 2 + 1 –1
o o
o 160 140
180 = 2
C1 3.0
H
60 60
MER Design below the pinch: CP U = 4 + 1 – 1
o o o
150 110 40 Min,MER
2.0
H1 = 4
o
o o MER design below
o
140 o
150 110 80 40 4.0
H2 C pinch has 6
160
o exchangers!
o o o
100
140 126.67 60 C1 3.0 i.e. There are two
80
40 120 loops below pinch.
o o o
130 83.85 30 C2 2.6
120 140
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 9
Class Exercise 5 (Cont’d)
Complete MER Design CP
o o o
180 o
150 110 40 2.0
H1 o
o o o
140 o
150 110 80 40 4.0
H2 C
160
o o o
o o
180 o
160 100
140 126.67 60 C1 3.0
H 40 80
60 120
60 o o o
130 83.85 30 2.6
C2
120 140
−
However, U = N + N 1
Min Stream Util −
= 4 + 2 1
= 5
The MER network has 8 units. This implies 3 independent “heat load
loops”. We shall now identify and eliminate these
loops in order to design for U
Min
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 10
Class Exercise 5 (Cont’d)
Identification and elimination of 1st loop: CP
∆T violation
min
o o o
180 o
110
150 110 40 2.0
H1 o
o o o
140 o
150 110 80 40 4.0
H2 C
160
160
o o
o o
o o
180 o
100
160 100
140 126.67
113.33 60 C1
H 3.0
H 40 80
60 120
40
140
60 o o o
130 83.85 30 C2 2.6
120
120 140
To reduce the number of units, the 80 kW exchanger is
merged with the 60 kW exchanger. This breaks the heat loop,
∆T
but also creates a violation in the network:
min
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 11
Class Exercise 5 (Cont’d)
Identification and elimination of 1st loop (Cont’d):
∆T
To restore , the loads of the exchangers must be adjusted
min x
along a “heat path” by an unknown amount . A “heat path” is a
path through the network that connects heaters with coolers.
CP
∆T ∆T
violation
This violates
min min
o
o o
110 o
180 40 o
110 40 2.0
H1 o
o o
o o 40
140 80 o
150 o
110 80 40 4.0
H2 C
C
160
160 + x
o o
o o
o
180 100 o
160 60
113.33 60 C1
C1 3.0
H − 120
40
60 + x 140 x
140
60 o
o o
83.85 o
130 30 o
83.85 30 C2 2.6
−
120 x
120 140 + x
140
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 12
Class Exercise 5 (Cont’d)
Identification and elimination of 1st loop (Cont’d):
Performing a heat balance on H1 in the exchanger which exhibits
∆T
the violation:
min ∆T
x x
140 - = 2(180 - 113.33 - ) = 26.66
⇒
min CP
∆T ∆T
violation corrected
This violates
min min
o o
o o
110 o 40
180 40
123.33 2.0
H1 o
o o o
40
o o
116.66
o 86.66
o 40
80
140
150 110 4.0
H2 C
160
186.66
+ x
o
151.1
o o o
o o
o
180 o
113.33 100
160 60
113.33 60 C1
H 3.0
H − 120
120
40
60 + x 140 x
113.33
86.66 o o o
o o
94.1
83.85
130 30 C2 2.6
−
93.33
120 x 166.66
140 + x
This is called “energy relaxation”
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 13
Class Exercise 5 (Cont’d)
Identification and elimination of 2nd loop: CP
o
o o
o
o
180 40
40
123.33 2.0
H1 o o
o
o
o 126.66
116.66 40
o 40
86.66
140
150
H2 4.0
C
186.66
o
151.1
o o o
180 o
113.33 100 60 C1 3.0
H
H 160
40 120
113.33
86.66 o o
o 30
o 94.1
94.1
130 30 C2 2.6
2.6
93.33
93.33
93.33 166.66
166.66
166.66
∆T
Since there is no violation, no adjustment of the loads of
min
the exchangers is needed - we reduce the number of units by one
with no energy penalty.
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 14
Class Exercise 5 (Cont’d)
Identification and elimination of 3rd loop: CP
o
o
o 40
o 40
180 123.33 2.0
H1 o
o o 40
126.66
o 86.66
150
H2 4.0
C
186.66
o
151.1
o o o
180 o
113.33 60 C1
H 3.0
160
86.66 113.33 o
o
o 30
o
o 30
94.1
94.1
130 C2 2.6
93.33 166.66
93.33 166.66
Shifting the load of the smallest exchanger (93.33 kW) around
the loop, the network is reduced to…
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 15
Class Exercise 5 (Cont’d)
Identification and elimination of 3rd loop: CP
o
o o 40
180 170 2.0
H1 o
o o 40
150 86.66 4.0
H2 C
∆T violation 186.66+x
min
o o
151.1 144.44
o o
180 60 C1 3.0
H −
253 x
20
86.66+x o
30
o
130 C2 2.6
260
∆T
We use the heat path to restore min:
∆T
x x
253.33 - = 3(150 - - 60) = 13.33
⇒
min
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 16
Class Exercise 5 (Cont’d)
Therefore U Network is:
min CP
o
o o 40
180 170 2.0
H1 o
o o
90
150 40 4.0
H2 C
200
o
146.67 o
o o
140
180 60 C1 3.0
H
100 240
20 o
30
o
130 C2 2.6
260
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 17
Loop Breaking - Summary
Step 1:
Perform MER Design for U units. Try and ensure that design
HEX
meets U separately above and below the pinch.
Min,MER
Step 2:
Compute the minimum number of units:
−
U = N + N 1
Min Stream Util
−
This identifies U U independent “heat loops”, which can be
HEX min
eliminated to reduce U.
Step 3: ∆T
For each loop, eliminate a unit. If this causes a violation,
min
identify the “heat path” and perform “energy relaxation” by increasing
the duties of the cooler and heater on the heat path.
Loops improve energy recovery and heat load flexibility at the cost of
added units (>U )
min
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 18
Stream Split Designs CP
Example. o
o 300
500 3
H1
o
480 o
180 C1 1
o o
460 160 1
C2
Q = 0 = 0
Q
U = 2
Hmin Cmin
Min
Option 1. CP
o
o o o 300
500 400 327 C 3
H1 80
o
480 o
180 C1 1
300
o o o
460 380 160 1
H C2
80 220
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 19
Stream Split Designs (Cont’d)
Option 2. Loops CP
o
o o o
o 300
480 440 360
500 3
H1
o
480 o
o 180
420 C1 1
60 240
o o
460 o 160
340 1
C2
180
120
Option 3. Stream Splitting CP = 1.5
o
500 CP
o
o 300
500 3
H1 o
500
o
480 o
180 C1 1
300
o o
460 160 1
C2
300
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 20
Loops vs. Stream Splits
Loops:
Improved energy recovery (normally)
☺ Heat load flexibility (normally)
☺ U > U (by definition)
Min
Stream Splitting:
Maximum Energy recovery (always)
☺ Branch flowrate flexibility (normally)
☺ U = U (always)
☺ Min
Stream splitting is a powerful technique for better energy
recovery
BUT - Don’t split unless necessary
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Stream Splitting Rules
1. Above the pinch (at the pinch):
Cold utilities cannot be used (for MER). So, if N > N , MUST
H C
≤ N
split COLD streams, since for feasibility N
H C
≤
Feasible matches must ensure CP CP . If this is not possible
H C
for every match, split HOT streams as needed. If Hot steams are
split, recheck
2. Below the pinch (at the pinch):
Hot utilities cannot be used (for MER). So, if N > N , MUST split
C H
≤ N
HOT streams, since for feasibility N
C H
≤
Feasible matches must ensure CP CP . If this is not possible for
C H
every match, split COLD streams as needed. If Cold steams are
split, recheck
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 22
Class Exercise 6
Design a hot-side HEN, given the stream data below: CP
o
o 100
200 5
H1 o
150 o
100
H2 4
H2
o o
190 T x 90
1 10
C1
500
T 2 −
10 x
200
Solution:
Since N > N , we must split C1. The split ratio is dictated by the rule:
H C
≤ CP (necessary condition) and by a desire to minimize the
CP
H C
number of units (“tick off “streams)
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 23
Class Exercise 6 (Cont’d) CP
o
o 100
200 5
H1 o
150 o
100
H2 4
o o
190 T x 90
1 10
C1
500
T 2 −
10 x
200
x is determined by the following energy balances:
−
x
(T 90) = 500
1
− −
x
(10 )(T 90) = 200
2
−T ≥ ∆T
subject to: 200 = 10
1 min
−T ≥ ∆T
150 = 10
2 min
= T . Here, this is not possible. Why?
Best to make T 1 2
We shall make T = 140 (why?)
2
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 24
Class Exercise 6 (Cont’d)
A possible solution is therefore:
− −
x x =
(10 ) (140 90) = 200 6
⇒
x
T = 90 + 500/ = 173.33 (satisfies constraint)
1
Complete solution is: CP
o
o 100
200 5
H1 o
150 o
100
H2 4
o o o
6
5
190 173.3 90
H 10
C1
500
300 o 4
5
130
140
H 200
300
This is an MER design which also satisfies U (U = 3).
Min Min
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 25
Practice Exercise 1
Design a hot-side network for MER and U given the
Min
stream data below. CP
o
250
o
350 2
H1 o
o 380
430 5
H2 o
o 250
430 1
H3
o
420 o
240 C1 4
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 26
Practice Exercise 2
Data: ∆H
S T
T T CP
Stream 4 o
o o 4 (10 kBtu/h F)
( F) ( F) 10 kBtu /h
H1 400 120 280 1.0
H2 340 120 440 2.0
C1 160 400 360 1.5
C2 100 300 260 1.3
∆T o
= 20 F
min
Determine Q , Q and the pinch location.
Hmin Cmin
Design an MER network which satisfies energy targets
Design a network for U by eliminating the heat loops in the
Min
network and performing energy relaxation.
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 27
UNIT 5: Threshold Problems
Networks with excess heat supply or heat demand may have MER
targets with only one utility (i.e., either Q = 0 or Q = 0). Such
Hmin Cmin
designs are not separated at the pinch, and are called “Threshold
Problems”
Example - Consider the problem CP
o
o 200
300 1.5
H1 o
300 o
250
H2 2.0
o o
200 30 1.2
C1
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 28
Threshold Problems (Cont’d) Eliminate infeasible
(negative) heat transfer
Assume
Assume
Assuming a value of Q = 6
Q = 0
Q = 0
Q H
H
∆T H
H
H
o o
= 105
10 C,
C:
the Problem o
o
290
min T = 200 C
1
1
Table gives the following ∆H = 175
-6
result. 0
175
Q -6
1
1
o
o
240
T = 195 C
2
2 ∆H 60
= 115 115
235
109
Q 2
2
o
o
200
T = 145 C
3
3 ∆H 3
= 15
Q 130
238
124
3
3
o
o
190 C
T = 95 C
4
4 ∆H -192
= -78 52
Q 46
46
C
C
o
o
T = 30 C
5
5 Q = 6 kW Cold pinch temperature
Q = 0 kW
HMin
HMin o
Q = 52 kW 195 C
Q = 46 kW
CMin
CMin
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 29
Threshold Problems (Cont’d)
Threshold problems do not have a pinch, and have non-zero utility
duties only at one end.
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 30
Threshold Problems (Cont’d)
Steam
T Utility
Heat Loads
∆T ∆T o o
= 10
= 20
∆T o Cooling Water
o
= 14 Steam ∆T
CW
CW
CW min
H o
14
However, increasing driving forces beyond the Threshold Value leads to
additional utility requirements.
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 31
Threshold Design Guidelines
∆T
1. Establish the threshold min ∆T
2. Note the common practice values for :
min
A p p li c a t io n R e f r ig e r a t io n Process B o ile r
∆ o o o
T 1-2 C 10 C 2 0 -3 0 C
m in , E x p e r ie n c e ∆T ∆T
3. Compare the threshold to
min min,Experience
Classify as one of the following: Utilities
Utilities ∆T
∆T min
min ∆T
∆T min,Experience
min,Experience
Pinched - treat as normal pinched Threshold - must satisfy target
problem temperatures at the “no utility end”
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Class Exercise 7 ∆T
The graph shows the effect of on the required levels of Q
min Hmin
and Q for a process consisting of 3 hot and 4 cold streams.
Cmin 4
Q (10 Btu/h)
Hot Utility
Q Hmin
217.5 Cold Utility
Q Cmin
∆T o
, F
o min
50
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 33
Class Exercise 7 (Cont’d)
Design a network for U and MER for the process. Hint:
min
Identify two essential matches by satisfying target temperatures at
the “no utility end” CP
o
o 400
590 2.376
H1 o
o 200
471 1.577
H2 o
o 150
533 1.32
H3
o
400 o
200 C1 1.6
o o
430 100 C2 1.6
o
400 o
300 C3 4.128
o
o 150
280 C4 2.624
Q = 0
Q = 217.5 Cmin
Hmin
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 34
Class Exercise 7 - Solution CP
o
o
o 400
573.7
590 2.376
H1 o
o 200
o o
471 416.3
416.3 1.577
H2 o
o 150
533 1.32
H3
o
400 o
200
H C1 1.6
o
38.7
195.1 86.3
o 416 o
430 100 C2
H 1.6
22.4
o
400 505.6 o
300 C3 4.128
412.8 o
o 150
280 C4 2.624
341.1 Q = 0
Q = 217.5 Cmin
Hmin −
Note: U = N + N 1 = 7
Min Streams Utilities
Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 35
I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Jacko di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Progettazione di Materiali e Processi e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Trieste - Units o del prof Fermeglia Maurizio.
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