TEP Process Integration

Transkript

1 Department of Energy and Process Engineering - Process Integration The Objective is to convey Systems Thinking and Systematic Methods for Analysis and Design (and partly Operation) of Processes and Utility Systems with focus on Efficient Use of Energy while considering Economy, Operation and (to some extent) Environment Requirements to be able to join the Course None (meaning previous courses), but it is an advantage to have some basic knowledge about the following: heat exchangers, distillation columns, evaporators turbines, heat pumps and simple thermodynamics Fall 98: 100 students from 8 departments in 4 faculties!! Truls Gundersen Department of Energy and Process Engineering - Process Integration The Course Content is primarily System based Strategy for Design of integrated Process Plants with corresponding Utility Systems Systematic Methods for Analysis and Design of Reactor Systems (very limited and not in depth) Thermally driven Separation Systems, such as (primarily) Distillation and (to a much less extent) Evaporation Heat Exchanger Networks and Correct Heat Integration Utility Systems (heating, cooling and power) The Thermodynamically based Pinch Technology Optimization Methods with continuous and discrete Variables (Mathematical Programming) New Design and Retrofit of Existing Plants Truls Gundersen

2 Department of Energy and Process Engineering - Process Integration The Curriculum for the Course is: R. Smith: "Chemical Process Design and Integration", 2nd ed., John Wiley & Sons, January : Basic Concepts for Heat Recovery in Retrofit Design of Continuous Processes, Ch. 6 in A Process Integration Primer, IEA, 2000 (18 pages). : "The Use of Mathematical Programming in Process Synthesis", 2nd ed., Chem. Eng. Dep., NTH, Sept (20 pages). Lectures and Assignments. The Assignments are extremely Examination oriented (most of them are actually previous Examination Questions). The Examination will test Understanding through Calculation Examples. This requires Insight and Training/Experience that can only be established through working with the Assignments. Home Page: Truls Gundersen Department of Energy and Process Engineering - Plan for Assignments with Guidance Ass. Topic Supervised Deadline 1 Sequence of Distillation Columns Minimum Energy Requirements and Pinch Design of Heat Exchanger Networks (1) Optimization of Heat Exchanger Networks Retrofit Design of Heat Exchanger Networks Indirect Integration of Plants using Steam Integration of Distillation Columns Optimal Use of Heat Pump Area in Heat Exchanger Networks Heat Integration and Forbidden Matches Design of Heat Exchanger Networks (2) none Guidance: One Ph.D. Student, one Student Assistant and the Lecturer Truls Gundersen

3 Reaktorsystem (R) Ingen spørsmål så langt Noen Spørsmål nå? Relevans på Eksamen? Faglærer med velvalgte ord Sp.m 1 Reaktor / Separator Interface (R/S) Ingen spørsmål så langt Noen Spørsmål nå? Relevans på Eksamen? Faglærer med velvalgte ord Sp.m 2

4 Separasjonssystem (S) Hva er grunnen til at man ønsker nær-ekvimolar separasjon i en Destillasjonskolonne? Ingen forklaring i Robin Smith s bok Svak forklaring i Forelesningene? Følgende kan nevnes: o Diameterbehovet blir mer homogent o Alle komponentene bringes nærmere en reell separasjonsfase (færre lik i lasten ) o Gjenværende delproblemer betydelig redusert Sp.m 3 Varmegjenvinningssystem (H) Eksamen 2007, oppg. 2 (Integrasjon av Prosess, Destillasjonskolonne og Varmepumpe): Her opereres det med 2 ulike ΔT min en for kaskade og kolonne (20ºC) og en for varmepumpe (10ºC), hva er tanken bak dette? (svar: antakelsen som benyttes i mange oppgaver om en global verdi for ΔT min er selvsagt en veldig grov forenkling) Hva med Løsningsforslaget og beregningene? (svar: her henger ikke alt på greip diskusjon på tavla) Sp.m 4

5 Varmegjenvinningssystem (H) Strøm(mer) som forårsaker Pinch Størst mcp, størst ΔQ eller Ts = Tpinch? (Svar: Ts, men det er f.eks. en stor mcp som egentlig forårsaker at vi får et Prosess-pinch) PDM og tick-off regel Skal vi se på mcp eller ΔQ? (Svar: Her er det en meget viktig arbeidsdeling mellom mcp-ulikhetene og tick-off regelen mange bommer på dette...!!!) Sp.m 5 Varmegjenvinningssystem (H) Fortsettelse temaet om mcp eller ΔQ fra forrige slide (bl.a. Tick-off ) Eksamen vår 2006, Løsningsforslag side 3: best fordeling av drivende krefter? (Svar: se neste slide) Varme/kalde utilities og modifisert temperatur Når fungerer f.eks. LP som en kald utility? (Svar: I noen eks. hvor Pinch temperatur er høy nok er det mulig å produsere LP damp fra varme-overskuddet under Pinch. LP er da kald utility, se 2 slides videre) Sp.m 6

6 Eksamen vår 2006 Oppgave C mcp 200 C VI V I 160 C 100 C 40 C H1 C a C III IV II C C 40 C H2 C 40 b C 60 C C C 30 C C LP 150 To mulige løsninger under Pinch fokus på drivende krefter Sp.m 7 Eksamen vår 2006 Oppgave T (ºC) Oppgaveteksten: T LP = 120ºC LP fungerer som kald utility: LP T ' = ΔT min = 130ºC CW Q(kW) Dette er en terskelprosess (kun kald utility) 2. Vi får et Utility Pinch der LP produseres Sp.m 8

7 Varmegjenvinningssystem (H) UA-analyse og Optimalisering Ikke etterspurt i oppgavetekstene i 2002 og 2004, men benyttet i Løsningsforslaget for 2002? (Svar: UA-analyser hører primært Retrofit til, og bør i prinsippet alltid benyttes. UA-beregninger bør gjøres både for eksisterende og nye vekslere. UA-analyse kan også benyttes i Retrofit optimalisering, for ny design vil det være mer naturlig å se på A eller TAC) Sp.m 9 Varmegjenvinningssystem (H) Splitting av strømmer inn mot Pinch Når gjelder det at grenene må ha samme temperatur, kun for MER? (Svar: Ja, dette er et krav ved MER design for å sørge for at alle Pinch-vekslere oppfyller kravet til drivende krefter, se neste 2 slides) Fjerning av enheter i Optimaliseringen Vil det i enkelte tilfeller kunne medføre et større utility-behov dersom man fjerner varmevekslere direkte ved hjelp av sti? (Svar: Ja!! 0 y x) ) Sp.m 10

8 Eksamen 2005, Oppgave 1.c - MER Design 220 C H1 180 C H2 180 C II α I β III H C 160.8ºC 187.5ºC ºC 2400 Pinch γ δ 100 C C1 IV 100 C 60ºC V 100ºC C 60 C C 30 C C2 mcp Strøm H1 splittes mot Pinch, derfor må begge grenene ha 120ºC, ettersom begge grenene skal veksle med strømmer som har 100º Sp.m 11 Eksamen 2005, Oppgave 1.c - Optimalisering 220 C H1 180 C H2 180 C II α I β III 160.8ºC H +y 187.5ºC y ºC C Pinch 100ºC 85.7 C γ δ 70 C IV 60 C C +y C 100 C C1 30 C C2 800 mcp Etter justering med sti og splittforhold for H1 vil de to grenene ha temperaturer på 120ºC og 90ºC Sp.m 12

9 Interface mellom Separasjonssystem og Varmegjenvinningssystem (S/H) Ingen spørsmål? Noen nå? Eksamen? Sp.m 13 Interface mellom Utilitysystem og Varmegjenvinningssystem (H/U) Ingen spørsmål? Noen nå? Eksamen? Sp.m 14

10 Utilitysystem (U) Ingen spørsmål? Noen nå? Eksamen? Sp.m 15 Andre Temaer Ingen Spørsmål? Noen nå? Eksamen? Sp.m 16