Process integration Targeting the minimum energy requirement. Dr Ir François Maréchal. LENI Industrial Energy Systems Laboratory. Support. - PDF

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Process integration argeting the minimum energy requirement Dr Ir François Maréchal LENI Industrial Energy Systems Laboratory he process system Energy Electricity Fuel GN Support Water Air Inert Gas Environment

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Process integration argeting the minimum energy requirement Dr Ir François Maréchal LENI Industrial Energy Systems Laboratory he process system Energy Electricity Fuel GN Support Water Air Inert Gas Environment Energy conversion Production support Energy distribution Raw materials Laboratory for Industrial Energy Systems - LENI ISE-SI-EPFL Marsh 2006 Heat losses Processes Waste collection Waste treatment PUO Solids Water Gaseous Waste Energy Products By-Products SI IME LENI Processes : energy flow diagram 50 C H2O 10 C 18 C Raw mat. 7 C 170 C 170 C Conv 840 C 50 C cond Oxy 225 C 235 C 43 C abs Laboratory for Industrial Energy Systems - LENI ISE-SI-EPFL Marsh 2006 Raw mat. 20 C 67 C 185 C 104 C Cooling requirement : hot stream Heating requirement : cold stream 50 C 45 C 41 C 536 C 243 C 25 C Product Product SI IME LENI 8 Heat recovery : Heat exchanger Cold stream A Hot stream Q(kW) Heat exchanger ṁ + in c outc P outc ṁ + in f inf P inf ṁ + in f outf P outf ṁ + in c inc P inc FM_07/ 2001 da dq = U( c f )da in,c m c cp c c out,c out, f f m f cp f in, f 1 U [ kw m 2o C ] = 1 h c + e λ + 1 h f + R Coefficients de transfer de film 1 U [ kw m 2o C ] = 1 h c + e λ + 1 h f + R FM_07/ 2001 out,c in, f δq ( h c ) = UA dq = U da m ( c cp h c c ) 1 U = 1 + e U c λ + 1 U h Q = U A m D f cp lmf in,c out, f out,c Q = ṁ c cp c d ṁ c cp c ( in,c out,c ) in,c out,f Q = ṁ f cp f d ṁ f cp f ( out,f in,f ) in,f A Q ex = Ṁhot c phot ( hot,in hot,ex ) = Ṁcold c pcold ( cold,ex cold,in ) ( hot,in cold,ex ) ( hot,ex cold,in ) Q ex = U ex A ex ( ) (2) (hot,in cold,ex ) ln ( hot,ex cold,in ) 1 = 1 + e U ex α cold λ + 1 α hot With: U ex [kw/m 2 /K] the global heat transfer coefficient of the heat exchanger; α cold [kw/m 2 /K] the film heat transfer coefficient of the cold stream; α hot [kw/m 2 /K] the film heat transfer coefficient of the hot stream; λ [kw/m/k] the thermal conductivity of the tubes; e [m] the thickness of the tubes. he installed cost of the heat exchanger is estimated by a power law relation : = ( ) Number of transfer units NU Q max = min(ṁhcp h, Ṁ c cp c )( h,in c,in ) N U = UA min(ṁhcp h, Ṁ c cp c ) = UA (Ṁcp) min Counter current ɛ = Q Q max = 1 exp( N U[1 (Ṁcp) min ]) (Ṁcp) max 1 (Ṁcp) min exp( N U[1 (Ṁcp) min ]) (Ṁcp) max (Ṁcp) max FM_07/ 2001 Récupération d énergie OC ex ( min ) = (c + ( Q cold Q ex ( min )) + c ( Q hot Q ex ( min ))) time year A Q(kW) i(1 + i) ny ex IC ex ( min ) = ( (1 + i) ny )a ex ex (A ex ( min )) b ex 1 Estimation des investissements Différents niveaux C C ref = ( S S ref ) 0.6 Offer call Detailled design : I ex = a ex (A ex ) b ex. an annualised value Exemples de corelations Estimation du coût d achat C a = S % a $ ' C b # & C a C b n I x S b n * I % x $ ' ( C a = C b n * S # & S a b I y ( ) n * I x Coût de l'équipement de taille S a acheté l'année x Coût de l'équipement connu de taille S b acheté l'année y exposant pour le type d'équipement concerné index des équipements pour l'année x Statistiques disponibles Corrélations pour les équipements E.g. urton et al. Index : Marshall & Swift Equipment Cost Index CEPCI : Chemical Engineering Plant Cost Index $ # I y % ' & Index des équipements Year CEPCI value CEPCI Chemical Engineering Plant Cost Index Estimation du coût installé Application d un facteur global Ci = F * Ca i n e Ci F n e i =1 Ca i Coût d'achat de l'équipement i Nombre d'équipements Coût de l'installation Facteur de Lang Fluides : 4.74 Solides : 3.1 Mixte : solide- fluide : 3.63 Estimation du coût installé Correlations spécifiques Ci i = Ca i *(B 1,i + B 2,i F M,i F P,i ) * $ # I x I ref avec log 10 Ca i = K 1,i + K 2,i log 10 A i + K 3,i log 10 A i log 10 F P,i = C 1,i + C 2,i log 10 P i + C 3,i log 10 P i F M,i : facteur de matériau Ci Coût installé de l'équipement i I ref index de référence utilisé pour établir les corrélations % ' & ( ) 2 :Coût d'achat de l'équipement i ( ) 2 : facteur de pression Corrélation échangeurs CEPCI : 382, source urton et al. 1997 Facteur de matériau Evaluation économique Valeur future d une quantité d argent actuelle P F = P * (1 + i) n F Valeur de P après n années avec un taux d'intérêt i Valeur future d une rentrée argent annuelle B n $ F = # B * (1 + i) r 1 = B * ( 1+ i)n 1' r =1 %& i () F Valeur après n années d'une rentrée d'argent annuelle constante B avec un taux d'intérêt i Valeur actuelle d une rentrée argent annuelle B F # P = = B * ( 1+ i)n 1& ( 1 + i) n $ % i '( * # 1 & $ %( 1 + i) n '( = B * # 1 + i $ % i( 1 + i) n P Valeur actualisée d'une rentrée d'argent annuelle ( ) n 1 consante B avec un taux d'intérêt i après n années & '( Coût actualisé Evaluation d un projet ans NP V = I + CO (1 + i)n 1 i(1 + i) n facteur d'actualisation (ans) en fonction de la duree et du taux d'intérêt f(5,x) f(6,x) f(7,x) f(8,x) f(9,x) f(10,x) f(11,x) f(12,x) f(13,x) f(14,x) f(15,x) taux d'intérêt Operating cost CO(CHF/an) = Resources Sellings Maintenance Work power axes n operation t=0 (( Fixed costs n resources r n products P r (t)ṁr P s (t)ṁs)d(t) + MO(t) + Maint + F ixed s Bénéfice d un projet #( 1+ i) n 1& Bénéfice = 0 = I 0 + C 0 $ % i( 1+ i) n '( *, (I + )I) + (C # 1+ i 0 0 B) * ( )n 1&., + $ % i( 1 + i) n / -, '( 0, I 0 Investissement avant le projet (I 0 = 0) C 0 B Coût opératoire du procédé avant le projet Gain sur le coût opératoire pour le projet concerné )I Investissement du projet concerné ( ) n 1 ( ) n # Bénéfice actualisé = B 1 + i $ % i 1+ i # i 1 + i Bénéfice annuel actualisé = B )I % $ % 1 + i & )I 1 0 (CHF) '( ( ) n ( ) n 1 & ( 1 0 (CHF / an) '( Rentabilité de projets emps de retour = I B $ Bénéfice actualisé = B& 1 + i %& i 1+ i ( ) n #1 ( ) n $ i 1 + i Bénéfice annuel actualisé = B # I %& 1 + i (an) ' ) # I * 0 (CHF) () ( ) n ( ) n #1 $ aux d'actualisation du projet : i * tel que : B& 1 + i* % & i * 1+ i * ' * 0 (CHF / an) () ( ) n #1 ( ) n ' ) ( ) # I = 0 Valeur de i : taux d actualisation Prend en compte la variation de la valeur de l argent Dépend du contexte économique et de la société Pour chaque projet := moyenne pour la société Valeur limite : placement banque Valeurs typiques : n = 15 ans i = 8-9 % # i * tel que : B% $ % ( 1+ i* ) n 1 ( ) n i * 1 + i * & ( ' ( )I = 0 Le concept du pincement thermodynamique Excédent d'énergie ( C) 1er principe thermo : Bilan de chaleur ( C) Echange impossible H(kW) Supplément d'énergie 2ème principe thermo : D Excédent d'énergie H(kW) Potentiel de transfert nul ( C) Heuristique ingénieur : D Dmin - Compromis : Energie - Capital Excédent d'énergie Supplément d'énergie 150 H(kW) Potentiel de transfert suffisant Dmin influence D1 Qc1 D2 Qc2 Qh1 Q Qh2 Low Dmin Qh1 Qc1 A High Dmin Qh2 Qc2 A Q Compromis energie/capital Couts en fonction du Dmin otal Investissement Energie otal (CHF/an) Energy OC ex ( min ) = (c + ( Q cold Q ex ( min )) + c ( Q hot Q ex ( min ))) time year Capital Optimum Dmin ( C) i(1 + i) ny ex IC ex ( min ) = ( (1 + i) ny )a ex ex (A ex ( min )) b ex 1 What is the Dmin? Minimum approach temperature difference Energy - Investments rade-off $ Energy Capital Dmin Small Dmin - high heat exchange area - high investments - high heat recovery - small operating costs Big Dmin - Small heat exchange area - small investments - Small energy recovery - High operating costs Hot and cold streams A: Malt Mais Eau, 15 C B: Malt Eau, 15 C MAK 48 C [t/h] 48 C MA MA + MAK Vap Vap 102 C 65 C C 1 2 Mitigeur Vap Eau, 15 C Maische 75 C G cp = 3.87 [KJ/kgK] Filtre C D Dreche Vap 102 C Pousse F Bâche 4 80 C H? Frg Eau, 80 C CIP [t/h] gaz 102 C WOK Eau, 15 C E rub 6 I liq 102 C 10 C C raitement du moût Centrifugeuse 35 Identify the energy requirements --- o be cooled down Examples Hot Streams Distillation condenser Exothermics reactor Fumes Steam condenser Hot stream of a refrigeration cycle Cold Streams --- o be heated up Examples Distillation boilers Reactants Preheating Cooling water Steam production Cold stream of a refrigeration cycle H H Do not forget the system limits Streams leaving the system minimum target temperatures minimum pressure required (expansion?) Waste streams energy valorisation possible recycle emission control Raw material preparation waste streams? Composite curves Integrating the the heat available in the hot streams as a function of the temperature wo hot streams Composite curve CP = A CP = A CP = B CP = A + B CP = B Q Q Composite curves Hot streams Cold streams Heat exchanger analogy Heat requirement Heat recovery CP = B CP = A CP = A Dmin CP = A + B CP = B Q Heat excess Intégrale Q Hot and cold composite curves (K) Cold composite curve Hot composite curve Minimum Energy Requirement Q Q Q(kW) Q ex Courbes composées E MER : Supplément d énergie n+1 -Dmin/2 +Dmin/2 Pincement = Intersection k h = h min 2 c = c + min 2 h {hot streams} c {cold streams} Q Composite curves Heat from the hot streams between r+1 et r hot streams r j r =1 n+1 Ṁ jr c pjr ( r+1 r ) Rr+1 Heat to the cold streams between r+1 and r cold streams r i r =1 Ṁ ir c pir ( r+1 r ) k Rr R r =R r+1 + Ṁ hr c phr (r+1 r ) h r {hot streams in interval r} c r {cold streams in interval r} Ṁ cr c pcr ( r+1 r ) r = 1,..., n r the heat cascade feasibility Q Heat cascade min R r Q + = R nr +1 subject to heat balance of the temperature intervals : R r =R r+1 + Ṁ hr c phr (r+1 r ) h r {hot streams in interval r} c r {cold streams in interval r} Ṁ cr c pcr ( r+1 r ) r = 1,..., n r and the heat cascade feasibility R r 0 r = 1,..., n r + 1 With this definition, the value of the heat cascaded from the highest temperature h = h min 2 c = c + min 2 h {hot streams} c {cold streams} Alternative definition Q + = max (0, R s), s {hot and cold stream segments} s with R s = c h Ṁ c c pc (max( s, c,target) max( s, c,in)) Ṁ h c ph (max( s, h,in) max( s, h,target)) h {hot stream segments} c {cold stream segments}
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