EKSAMEN I EMNE TEP 4215 PROSESSINTEGRASJON Onsdag 1. juni C kw 50 C Q C. R 2 = = 0 kw

Transkript

1 Side 1 av 9 NORGES TEKNSK-NATURVTENSKAPELGE UNVERSTET (NTNU) - TRONDEM NSTTUTT FOR ENERG OG PROSESSTEKNKK LØSNNGSFORSLAG EKSAMEN EMNE TEP 4215 PROSESSNTEGRASJON Onsdag 1. juni 05 OPPGAVE 1 (%) a) Ettersom vi kun trenger informasjon om prosessens Pinch punkt minimum eksternt utilitybehov, og ikke f.eks. punkter på Grand omposite urve, benyttes redusert varmekaskade kun basert på start-temperaturene for de fire prosess-strømmene: ST 1 10 kw kw 10 kw R kw kw -0 kw 10 kw 2 R kw kw kw 50 W Merk at slutt-temperaturene må benyttes for å beregne varmemengdene til og fra intervallene. Med underskudd i de to øverste intervallene og overskudd i det nederste intervallet er løsningen åpenbar:,min = = 1150 kw,min = 10 kw Residualene har følgende verdier: R 1 = = 0 kw Prosessens Pinch er som følger: R 2 = 0 0 = 0 kw T Pinch = 1º/100º Det er strøm 1 (med start-temperatur 100º) som forårsaker Pinch.

2 Side 2 av 9 b) Minimum antall varmevekslere ved maksimal varmegjenvinning finnes enklest ved å benytte strømgrid som er tegnet i forbindelse med løsningen av punkt (c) i oppgaven: U min,mer = (N 1) over + (N 1) under = ( ) + ( ) = = 7 Minimum antall varmevekslere når vi tilstreber en viss varmegjenvinning (men ikke nødvendigvis maksimal) innebærer at vi ikke dekomponerer problemet ved Pinch: U min = (N 1) totalt = ( ) = 5 er er N summen av varme (n ) og kalde (n ) prosess-strømmer samt antall forskjellige utility typer (n util ). c) Tegner strøm-grid med data for strømmenes entalpi-endringer over og under Pinch: Pinch mp Design av nettverk over Pinch: Strøm 2 har for lav mp til å ta noen av de varme strømmene ned til Pinch, samtidig som strøm 1 ikke har stor nok mp til å ta begge de varme strømmene ned til Pinch ved f.eks. å splitte 1 i to grener. Vi må derfor splitte en varm strøm, men dette fører til at vi totalt skal kjøle 3 varme strømmer/grener ned til Pinch, mens vi kun har 2 kalde strømmer tilgjengelig. Dette løses ved at vi også splitter en kald strøm. Valget av kald strøm som skal splittes er enkelt, da det hjelper lite å splitte strøm 2 med mp på kun kw/º. Når det gjelder valg av varm strøm som skal splittes er ikke valget like opplagt. Man kan argumentere med at vi bør splitte den strømmen som har størst mp (2 med mp på kw/º) alternativt at vi bør splitte den strømmen som har høyest start-temperatur (1 med 2º). Da strøm 1 dessuten skal avgi en noe større varmemengde (00 kw), velges her å splitte 1. Splitter altså strøm 1 i to grener med mp på henholdsvis og β, samtidig som strøm 1 splittes i to grener med mp på henholdsvis γ og δ. De tre Pinch-vekslerne blir dermed (merk at vi ikke kan veksle 2 og 2):

3 Side 3 av 9 1() veksles med 1(γ) 1(β) veksles mot 2 2 veksles mot 1(δ) Optimale mp-forhold er som følger: mp mp + = = Vi ønsker altså følgende mp-forhold for de 3 Pinch-vekslerne: γ β = = = δ tillegg har vi selvsagt følgende: + β = og γ+ δ= Dette er et løsbart likningssystem som gir følgende optimale valg av mp-verdier for de splittede strømmene (dette er fornuftige valg ut fra ønsket om en god fordeling av drivende krefter; kostnadsberegninger må til for å se hvorvidt dette er nær-optimalt): = 12.5, β = 17.5, γ = , δ = Siden 1 splittes mot Pinch må -grenen og β-grenen begge ha temperatur 1º ut av de aktuelle Pinch-vekslerne. Dette gir følgende effekter (duties) når vi benytter tick-off regelen på de 3 Pinch-vekslerne: = β (2 1) = 1750 kw (tick-off strøm 2) = (2 1) = 1250 kw (tick-off strøm 1) = (180 1) = kw (tick-off strøm 2) Ekstern oppvarming blir nå det som trengs for å dekke opp strøm 1: = = 1150 kw Sjekker mot målsettingsverdier (targets) fra (a) og (b): U = 4 = U, = 1150 = (OK) min, over,min Design av nettverk under Pinch: Både strøm 1 og 2 har stor nok mp til å ta strøm 2 opp til Pinch-temperatur. Velger å ikke splitte strøm 2 (kunne vært gjort ut fra arealhensyn), og benytter derfor strøm 2 som har størst mp til å ta 2 opp til Pinch:

4 Side 4 av 9 { } = min (1 100), (100 ) = 800 kw V Benytter resten av strøm 2 til å kjøle strøm 1: V = (100 ) = = 0 kw V Til slutt må strøm 1 kjøles til º ved hjelp av kjølevann: = (1 ) = = 10 kw V Sjekker mot målsettingsverdier (targets) fra (a) og (b): U = 3 = U, = 10 = (OK) min, under,min Beregnede temperaturer er angitt i figuren nedenfor. Legg også merke til at γ-grenen og δ-grenen av strøm 1 har ulik temperatur (mulig ved splitt av strøm fra Pinch). 2 1 β Pinch V 100º 10 mp 2 V 187.5º 1.8º º γ δ 1 º d) Antall uavhengige løkker i nettverket finnes fra Euler s regel: U = N + L S antar S = 1 L = U ( N 1) = U U = 7 5 = 2 min Disse løkkene kan f.eks. være som følger: A: 1 () 2 (V) 1 B: 1 () 1 () 2 (V) 2 (V) 1

5 Side 5 av 9 Løkke A kan brytes ved å fjerne veksler eller V, mens løkke B kan brytes ved å fjerne veksler V eller V (minste veksler i odde-sekvens og minste veksler i like-sekvens ). Strategien er å forsøke å fjerne de minste vekslerne, da dette gjør minst skade i nettverket. Minste veksler er V med en effekt (duty) på 0 kw, og denne kan fjernes ved å bryte løkke A eller løkke B. Velger å benytte løkke A som gir følgende resultater: V = + 0 = = 2350 kw = 0 = 0 0 = 0 kw V Det justerte nettverket er tegnet nedenfor med oppdaterte effekter og temperaturer. 2 1 β Pinch º 10 mp 2 V 187.5º 1.8º º γ δ Problemer oppstår for varmeveksler som har for lite drivende krefter i kald ende av veksleren ( = 15.7º < º = T min ). Dette kan løses ved å heve varm strøms temperatur (1 s β-gren) ved hjelp av en sti og justering av splitt-forholdet. Følgende sti fra damp til kjølevann kan benyttes: : ST () 1 () 1 () W Nødvendige gren-temperaturer for strøm 1 er som følger: T = 1, T = 90 β Varmeveksler blir uendret med en effekt på 2350 kw. Dette kan benyttes til å beregne mp for β-grenen: 2350 β = = (2 90)

6 Side 6 av 9 Oppdatert verdi for -grenen blir dermed: = = β Ny verdi for effekt (duty) på varmeveksler blir da: = = (2 1) kw Økt forbruk av damp og kjølevann blir dermed: y = = = 57.7 kw Merk at straffen i form av økt ekstern oppvarming og avkjøling (57.7 kw) er langt mindre enn effekten av den veksleren som ble fjernet (0 kw). At veksler V var med i både løkke A og løkke B betyr selvsagt ikke at nettverket nå er fritt for løkker. Ved situasjoner (som her) med 2 uavhengige løkker kan man alltid konstruere en tredje løkke som en kombinasjon av de to løkkene som velges som uavhengige løkker. Det vil nå være denne tredje løkken som trer fram, og dette framgår også klart av nettverket over. Den gjenværende løkken er som følger: D: 1 () 2 (V) 2 () 1 () 1 denne løkken kan veksler (2350 kw) og veksler V (800 kw) fjernes uten at de øvrige vekslerne ( med kw og med kw) får negative effekter. Studerer vi nettverket over finner vi imidlertid at veksler er påkrevet for at strøm 2 skal nå sin slutt-temperatur på 187.5º (fjernes veksler må vi straks inn med en ny heater, og da reduserer vi ikke antall enheter). Tilsvarende argument kan benyttes om veksler V som er påkrevet for at strøm 2 skal nå sin slutt-temperatur på 100º. Videre optimalisering ved å bryte en løkke er altså ikke mulig, men vi kan fremdeles fjerne enheter ved hjelp av stier. dette tilfellet kan sti () benyttes til å fjerne veksler, men energiforbruket øker da betraktelig. Resultatet er vist nedenfor º V 2450 mp 1º

7 Side 7 av 9 Selv om energiforbruket her øker betraktelig har vi fått en positiv side-effekt ved at de to strøm-splittene er blitt borte. Sammenliknet med MER-nettverket er behovet for damp og kjølevann nær doblet, men vi har fjernet 2 varmevekslere og 2 strøm-splitt. En alternativ design med samme energiforbruk men med 2 kjølevannskjølere (og derfor bedre regulerbarhet) er vist nedenfor º a mp b 800 1º Dersom vi ved design av MER-nettverket hadde splittet strøm 2 i stedet for strøm 1 ville nettverk, løkker og optimalisering blitt annerledes, men dette er ikke prøvd ut her. En student utviklet følgende nettverk under eksamen som er betydelig bedre enn de nettverk som er utviklet i dette løsningsforslaget. Ved å bevare splitten på strøm 1 oppnås et betydelig lavere energiforbruk. Løsningen er vist nedenfor. 2 1 mp º 1º [] []

8 Side 8 av 9 OPPGAVE 2 (%) a) Med dekomponerende effekt menes at Pinch deler prosessen i et underskuddsområde over Pinch og et overskuddsområde under Pinch. Ved design av varmevekslernettverk dras det nytte av dette ved at problemet dekomponeres ved Pinch og at to separate nettverk etableres for å unngå å veksle varme på tvers av Pinch. Denne dekomponeringseffekten er også sentral ved integrasjon av destillasjonskolonner og inndampere med den såkalte bakgrunnsprosessen, samt ved betraktninger knyttet til varmepumper og turbiner. Begrepet korrekt integrasjon er introdusert og betyr i enkelhet at man skal søke å koble produsenter av varme med forbrukere av varme. b) Korrekt energibruk (sparer energi): Lar mottrykksturbin drive fødepumpe, og mens kondensasjonsturbin ville gitt tap til kjølevann, benyttes her mottrykksdampen (LP) til inndamping. Multi-effekt inndamping betyr gjenbruk av energi i 2., 3. og 4. trinn, ved at frisk damp kun tilføres 1. trinn og at avdamp benyttes i de etterfølgende trinn. Det er korrekt at destillasjonskolonnenes kokere (som er over Pinch) ikke integreres. Utsagnet er litt farlig, da kolonner ofte skaper Pinch (jfr. spørsmål d), men vi ser av figur 3 at kokerne aldri kan bli under Pinch i dette tilfellet. Uheldig energibruk (ingen gevinst): Bruk av LP damp under Pinch til å drive 1. inndampertrinn er varmeoverføring på tvers av Pinch og øker energiforbruket. Bruk av P damp (250º) til å drive kokeren i den ene av destillasjons-kolonnene (1º) er uheldig, da denne kunne vært drevet med LP damp (150º). c) Prosjekter for å forbedre energibruken: Det mest åpenbare prosjektet er å utnytte varme fra destillasjonskolonnenes kondensatorer (som nå dumpes til kjølevann) til å erstatte LP i første inndampertrinn. Dette vil imidlertid føre til økt heteflate på grunn av lavere drivende krefter. Erstatte P damp med LP damp i den ene destillasjonskolonnen. Dette vil kreve tilleggsareal i kokeren, og en eventuell gevinst forutsetter at kraft kan produseres mellom P og LP nivå. Et mulig (men ikke særlig sannsynlig) prosjekt er å øke trykket i den ene destillasjonskolonnen (170º/1º) og senke trykket i den andre kolonnen (1º/1º) slik at kondensator i første kolonne kan drive koker i andre kolonne. Dette prosjektet er dessuten i konflikt med en integrasjon mellom destillasjonsavsnitt og inndamperavsnitt.

9 Side 9 av 9 d) Som påpekt i forelesningene (og antydet under spørsmål b) skaper ofte destillasjonskolonner og inndampere Pinch med sine store effekter (duties) ved tilnærmet samme temperatur. Dette fører til flate partier etterfulgt av markante knær i Samlekurvene (omposite urves), og er derfor ofte kandidater til å bli Pinch. Det blir da håpløst å diskutere hvorvidt f.eks. en destillasjonskolonne operer over, på tvers, eller under Pinch. Ettersom vi mangler kvantitativ informasjon og er ute av stand til å etablere omposite eller Grand omposite urve for bakgrunnsprosessen blir det ren spekulasjon hvorvidt kolonnens kondensatorer er over eller under Pinch. Ytternamdalen, Truls Gundersen