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Pinch Technology and optimization of the use

of utilities – part one

Maurizio Fermeglia

maurizio.fermeglia@di3.units.it

www.mose.units.it

Introduction to HEN Synthesis

Introduction: Capital vs. Energy

Unit 1.

What is an optimal HEN design

A Simple Example (Class Exercise 1)

Setting Energy Targets

The Pinch and MER Design

Unit 2.

The Heat Recovery Pinch

HEN Representation

Class Exercise 2

The Problem Table

Unit 3.

Class Exercises 3 and 4

Loops and Splits

Unit 4.

Minimum Number of Units by Loop Breaking

Class Exercise 5

Stream Split Designs

Class Exercise 6

Threshold Problems

Unit 5.

Class Exercise 7

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 2

Heat and Power Integration

Data Extraction

Unit 6.

Class Exercise 8

Heat Integration in Design

Unit 7.

Grand Composite Curve

Heat-integrated Distillation

Heat Engines

Heat Pumps

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 3

Objectives

The first part of this three-part Unit on HEN synthesis serves as

an introduction to the subject, and covers:

The “pinch”

The design of HEN to meet Maximum Energy Recovery (MER) targets

The use of the Problem Table to systematically compute MER targets

Instructional Objectives:

Given data on hot and cold streams, you should be able to:

Compute the pinch temperatures

Compute MER targets

Design a simple HEN to meet the MER targets

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 4

A Short Bibliography...

Early pioneers:

Rudd@Wisconsin (1968)

Hohmann@USC (1971)

Central figure:

Linnhoff@ICI/UMIST (1978)

Currently: President, Linnhoff-March

Recommended texts:

Seider, Seader and Lewin (1999): Process Design Principles, Wiley and

Sons, NY

Linnhoff et al. (1982): A User Guide on Process Integration for the

Efficient Use of Energy, I. Chem. E., London

Most up-to-date review:

Gundersen, T. and Naess, L. (1988): “The Synthesis of Cost Optimal Heat

Exchanger Networks: An Industrial Review of the State of the Art”, Comp.

Chem. Eng., 12(6), 503-530

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 5

Introduction - Capital vs. Energy

UNIT 1:

The design of Heat Exchanger Networks deals with the following

problem:

Given:

N hot streams, with given heat capacity flowrate, each having to be

H HS HT

cooled from supply temperature T to targets T .

N cold streams, with given heat capacity flowrate, each having to be

C CS CT

heated from supply temperature T to targets T .

Design:

An optimum network of heat exchangers, connecting between the hot

and cold streams and between the streams and cold/hot utilities (furnace,

hot-oil, steam, cooling water or refrigerant, depending on the required

duty temperature).

What is optimal?

Implies a trade-off between CAPITAL COSTS (Cost of equipment) and

ENERGY COSTS (Cost of utilities).

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 6

Impact of process integration

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 7

Example Steam

out out out

T T T Cooling

H H H Water Network for minimal

in

T out

T

C equipment cost ?

in

T out

C T

in

T out

T

C Steam

out out out

in in T

in T T

T T

T Cooling

Water

in

T out

T

Network for minimal in

T out

energy cost ? T

in

T out

T

in in

in

T T

T

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 8

Numerical Example o F)

Steam (400

o o o

150 150 150 Cooling o

100 100

100 Water (90-110 F)

o

300 A:

Design

CP = 1.0 o

200

100 Σ(AREA) = 20.4

o

300 o

CP = 1.0 200

100 [ A = Q/U⋅∆T ]

lm

o

300 o

CP = 1.0 200

100

0

0

0 50

50

50 o o o

150 150 150

CP = 1.0 CP = 1.0

CP = 1.0 o

300

CP = 1.0 o

200

100

B:

Design o

300

Σ(AREA) o

CP = 1.0 200

= 13.3 100

o

300 o

CP = 1.0 200

100

0

0

0 50

50

50 CP = 1.0 CP = 1.0

CP = 1.0

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 9

Which option requires more capital?

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 10

Energy efficient process can also be more capital

efficient process (saves energy AND capital)

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 11

Energy efficient design reduces investment in the

utility infrastructure

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 12

Some Definitions

T

T

T S o

T = Stream supply temperature ( C)

∆T T o

T = Stream target temperature ( C)

H = Stream enthalpy (MW)

&

m Cp o

CP = (MW/ C) o

= Heat capacity flowrate (MW/ C)

S ×

T = Stream flowrate specific heat capacity

H

∆H

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 13

∆ T - Example

min ∆T = Lowest permissible temperature difference

min

Which of the two counter-current heat exchangers illustrated below

∆T ≥ ∆T

o o

violates 20 F (i.e. = 20 F) ?

min o

o o

o

20 30 70

80 o

o o 60

o 60 100

100 o

o 40

50 o

o

10 20

A B

∆T

Clearly, exchanger A violates the constraint.

min

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 14

Definitions (Cont’d) o

OK T = 70

Exchanger Duty. 1

o o

Data: Hot stream CP = 0.3 MW/ C o 60

100

o

Cold stream CP = 0.4 MW/ C o o

Check: T = 40 + (100 - 60)(0.3/0.4) = 70 C OK

40

1

Q = 0.4(70 - 40) = 0.3(100 - 60) = 12 MW

Heat Transfer Area (A): A = Q/(U⋅∆T )

lm 2 o

Data: Overall heat transfer coefficient, U=1.7 kW/m C

(Alternative formulation in terms of film coefficients)

∆T = (30 - 20)/log (30/20) = 24.66

lm e 2

So, A = Q/(U⋅∆T ) = 12000/(1.7×24.66) = 286.2 m

lm

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 15

Pinch technology basics

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Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 17

How do I develop a network which

achieves the target?

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 18

How can we identify appropriate

process design changes?

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 19

Sustainable Development

Objectives and Process Integration

Social progress which

recognises the needs of

everyone

Effective protection of the

environment

Prudent use of natural

resources

Maintenance of high and

stable levels of economic

growth and employment

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 20

Process Integration

Introduce OR.. Reduce Energy Consumption

Combined Heat and Power (CHP)

Fuel Heat

Crude exchanger

POWER network

110 80

Steam for

Process HEATing Fuel

Reduce impact on climate change through efficient use

of resources (utilities)

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 21

Sustainable Development by Process Integration

Reduce Improve

Environmental Utility System

Impact Performance

Energy, Water, Hydrogen Utilities

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 22

Sustainable Development by Process Integration

Reduce Optimise

Environmental Production

Impact Plan

Minimise

Improve Operating

Utility System Cost

Performance Capital Cost

All Aspects of Avoidance

Debottlenecking

Energy, Water, Hydrogen

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 23

Introduction to Pinch technology

Whenever the design is considered limits exits that

constraints the design

Mechanical constraints

Length and diameter of towers

Diameters of heat exchangers

Thermodynamic constrains

First principles and second principles

Close approach in heat exchanger large surface area

Reflux ratio close to the minimum number of stages grows

When driving force becomes small area becomes large

We say that the design has a PINCH

Applies to heat and mass

In a network (mass or heat) there is a point in which the

driving force is minimum PINCH POINT

A succesful design involves defining where the pinch is

Using the information at the PINCH POINT is named

PINCH TECHNOLOGY

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 24

Introduction to Pinch technology

Pinch technology applications

Both heat and mass transfer

New processes

Existing processes for retrofitting

Pinch technology = optimization

For new and existing processes an algorithm is used

Design of heat and mass exchanger network

… that consumes the minimum amount of utilities HEN (MEN)

… that requires the minimum number of equipments (exchangers)

MUMNE

The solution may not be optimal in the economic sense

… it is a starting point close enough to the economic minimum.

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo 2012 - slide 25


PAGINE

57

PESO

1.83 MB

AUTORE

Jacko

PUBBLICATO

+1 anno fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Ingegneria di processo e dei materiali
SSD:
Università: Trieste - Units
A.A.: 2012-2013

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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