Equipement intégré. Process integration Targeting the minimum energy requirement. The system under study. Products. Raw materials.

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1 Equipement intégré Process integration argeting the minimum energy requirement Notes préparées par Dr Ir François Maréchal LENI (Laboratoire d Energétique industrielle, EPFL) Raw materials he system under study Energy Energy transformation Processes Waste treatment Emissions and wastes Water - solvents Production support Products by-products Le Système étudié et... ses contraintes Unités Matières premières Intermédiaires de production Solvants Energie Catalyseurs Utilités Déchets Echangeurs Séparation Reaction Energie dégradée Produits Sous-produits Rendement Coût opératoire Matières Main d oeuvre Energie Environnement Investissements Disponilibités Contexte Système industriel Opérabilité Sécurité opologie Socio-économie

2 Flow sheet Block flow diagram Process flow diagram P&ID Energy Flow diagram Air BFD acide nitrique bi-pression Conversion 4NH 3 + 5O -> 4NO + 6 H O NH 3 O P=4 bar Oxydation NO + O -> NO Absorption 3NO + H O(l) -> HNO 3 (aq) + NO (g) Conv. NO H O Oxy. Abs. Vers traitement NO H O O P=9 bar HNO 3 Flowsheets PFD acide nitrique bi-pression Description fonctionnelle du procédé Block Flow diagram : BFD description des opérations principales du procédé

3 Exemple de P&ID Energy Flow Diagram NH 3 7 C 50 C NO H O 8 C 70 C 35 C NO x Conv cond 5 C Oxy abs 43 C 840 C 70 C 50 C NO 50 C H O 67 C 85 C 04 C 4 C 536 C 0 C Air 45 C HNO 3 43 C Vers traitement Energy flow diagram Energy Flow Diagram Objectif : représenter l énergétique du procédé Localiser et quantifier les besoins énergétiques du procédé Identifier comment ils sont satisfaits Penser besoins et fonctions Attention aux limites Entrée usine - Sortie usine raitement sur site Équilibre avec l environnement Besoin thermique : chauffage ou refroidissement NH 3 7 C 50 C NO H O 8 C 70 C 35 C Conv cond 5 C Oxy abs 43 C 840 C 70 C 50 C NO 50 C H O 67 C 4 C 04 C 85 C NO x 536 C Besoin de compression ou de détente détente Besoin électrique 0 C 45 C Air HNO 3 Vers traitement 43 C 3

4 Producteurs et consommateurs Besoins thermique Producteurs => Flux chauds à refroidir Consommateurs => Flux froids à réchauffer ualité - uantité empérature ualité Flux chaud Flux froid uantité + out = m * cp(,p,x)d = m *cp * ( out in ) Energie in Problème simple Vapeur HP :0.0 /kwh 60 C eau :0.00 /kwh 5 C 6 kw/ C réaction 3 kw/ C 00 C 50 C 70 C 75 C 4 60 C cond 35 C 3 4

5 Impossible!

6 Le concept du pincement thermodynamique Maximum 4 er principe thermo : Bilan de chaleur Excédent d'énergie ( C) ( C) Echange impossible H(kW) Supplément d'énergie 3 Différence de Nulle ème principe thermo : D > 0 ( C) Heuristique ingénieur : D > Dmin -> Compromis : Energie - Capital Excédent d'énergie Excédent d'énergie H(kW) Supplément d'énergie 50 H(kW) Potentiel de transfert nul Potentiel de transfert suffisant A simple example : hot and cold stream C O O' I I' I E H REA O ( C) Dmin O 70 Récupération d énergie Hot utility 75 O 50 I 0 O' I' I 00 Cold utility H(kW) What is the Dmin? Small Dmin Minimum approach temperature difference Energy - Investments rade-off - high heat exchange area -> high investments - high heat recovery -> small operating costs $ Energy Capital Dmin Big Dmin - Small heat exchange area -> small investments - Small energy recovery -> High operating costs 6

7 An example: identify the energy requirements 40 C 80 C 4 kw/ C Producteurs et consommateurs Besoins thermique Producteurs => Flux chauds à refroidir Consommateurs => Flux froids à réchauffer 70 C 60 C ualité - uantité 0 C 35 C 3 kw/ C empérature kw/ C 50 C 30 C.5 kw/ C Mcp in out 3 kw/ C 70 C 60 C 4 kw/ C 80 C 40 C kw/ C 0 C 35 C.5 kw/ C 50 C 30 C ualité Flux chaud Flux froid uantité + out = m * cp(,p,x)d = m *cp * ( out in ) Energie in Heat exchange =Cp(out-in) out Identify the energy requirements Hot Streams Cold Streams ---> o be cooled down ---> o be heated up in + out = m * cp(,p,x)d = m *cp * ( out in ) in Examples Distillation condenser Exothermics reactor Fumes Steam condenser Hot stream of a refrigeration cycle Examples Distillation boilers Reactants Preheating Cooling water Steam production Cold stream of a refrigeration cycle Inital state in Pin Composition Flow rate H Heat exchange H arget state out Pout Composition Flow rate H H 7

8 Courbes composées Intégrale de l énergie disponible dans les flux chauds en fonction de la température Deux flux chauds CP = B CP = A Courbe composée CP = A + B CP = A CP = B Courbes composées Energie cédée par les flux chauds au-dessus de k Flux chaud max(out j,k ) m j cp j ()d j= min(in n+j, k ) Flux chaud si cp constant m j cp j (min(in j, k ) max(out j, k )) j= k -Dmin/ E MER : Supplément d énergie Deficit k = +Dmin/ Energie reçue par les flux froids au-dessus de k Flux froids m rcp r (min(out r, k ) max(in r, k )) r= Pincement = Intersection Bilan au-dessus de k : pour tout k Flux froids m r cp r (min(out r + min, k ) max(in r + min, k )) r= Fluxchauds j= m j cp j (min(in j min, k ) max(out j min, k )) Courbes composées Deux flux chauds Deux flux froids CP = B CP = A Courbes composées : Analogie échangeur Supplément Echange chaud-froid CP = A Dmin CP = A + B CP = B Excès Intégrale Deficit k = MER : Minimum d Energie Requise Bilan au-dessus de k : pour tout k Flux froids m r cp r (min(out r + min, k ) max(in r + min, k )) r= Fluxchauds m j cp j (min(in j min, k ) max(out j min, k )) j= Donc E MER = Max (Deficit ) k=,..,n+ k Cascade d énergie R k = E MER Deficit k Pincement : R k* = 0 k =,...,n Energie à apporter pour satisfaire les besoins au-dessus de k Energie devant etre apportée au système pour satisfaire les besoins du système pour toute température Energie non consommée au dessus de k et disponible pour des flux froids de température inférieure 8

9 Courbes composées Energie cédée par les flux chauds entre k+ et k n+ Flux chauds k m j k cp jk ( k+ k ) j k = k R k+ R k Energie reçue par les flux froids entre k+ et k Flux froids k m ik cp ik ( k+ k ) i k = Flux chauds k Flux froids k R k = R k+ + m j m ik cp ik ( k+ k ) k cp jk ( k+ k ) j k = i k = he algorithm Ordered list of corrected temperature - Initial and target temperatures of all the streams Heat balance of temperature intervals (DHi) - DHi = hot streams - cold streams : (surplus or deficit) 3 ake Rni+ = 0 4 Solve the heat cascade 5 Identify the smaller Ri 6 If Ri 0, take Rni+ = - Ri 7 solve once again the heat cascade 8 Rni+ = MER (Minimum Energy Requirement) Rni+ : Hot utility R : Cold utility Ri = 0 : Pinch point Calculating the heat cascade Rn k + = Additional Energy DHnk Rk+ 0 Flux chauds k Flux froids k R k = R k+ + m j k cp jk ( k+ k ) m ik cp ik ( k+ k ) j k = i k = Rk 0 DHk- DH R = Excess Energy An example: identify the energy requirements 0 C 35 C kw/ C 40 C 80 C 50 C 30 C.5 kw/ C 4 kw/ C 70 C 60 C 3 kw/ C Mcp in out 3 kw/ C 70 C 60 C 4 kw/ C 80 C 40 C kw/ C 0 C 35 C.5 kw/ C 50 C 30 C 9

10 Algorithm An example : hot and cold composite curves D Cp DH Composite curves Surplus Surplus Deficit Surplus ( C) Hot composite curve Cold composite curve D k = ( k+ k ) Deficit Pinch point 85 C 0 * Chaud : j,s = j,s min sε in,out { } * Froid : i,s = i,s + min sε in,out { } chaud cp k = m j cp j j= froid m i cp i i= (kw) DH k = cp k * D k Algorithm Identify the Pinch point Minimum Energy Requirement DH= Hot - Cold (KW) Cascade (KW) ( C) R nk+ =MER R k Courbe composée globale (Grand Composite Curve) ( K) Hot streams Benefit : E=h - hmin Pinch Dmin Cold streams R n+ = (kw) R k = R k+ + DH k k = n +,..., Excess of Energy (kw) Heat recovery by counter-current heat exchange 0

11 Pinch point ( K) wo independent sub-systems HEA SOURCE cmin Dmin Dmin hmin HEA SINK (kw) he more in - the more out ( K) HEA SOURCE cmin +d H-C = Constant! Dmin Dmin hmin Benefit : E=h - hmin E=c - cmin HEA SINK (kw) +d he more in - he more out Overall heat balance ns hot ns cold E in + ( m i cp i (in i out i )) ( m jcp j (in j out j )) + E out = 0 i= j= herefore : ns hot ns cold As : ( m i cp i (in i out i )) ( m j cp j (in j out j )) = Constant i= j= E in E out = Constant ( ) E today ( out ) = Constant today and E in ( E in ) + E MER in E out [ ] ( ) MER + E out = Constant and ( E in ) MER ( E out ) = Constant MER E in = E out Important rules No hot utility below the pinch point ( K) +c +c + + +f +f No cold utility above the pinch point (kw) No heat exchange accross the pinch point

12 Approche globale : Energie thermique ualité Courbes composées ( C) Dmin Pinch point (kw) uantité Résumé énergétique du procédé Courbe composée globale ( C) Courbes composées des flux chauds et froids Echange contre-courant global Objectif énergétique du procédé Dmin => Point de pincement sous-systèmes indépendants (puits et source) Diagnostique du réseau d échangeurs Règles pour URE Puits de chaleur Source de chaleur (kw) Estimating the total heat exchange area Cumulated total area nb int er nb int er nb int er nbstreams i A i = i = i= i= U i * ( ln ) i i= j= Vertical exchange i i h j,i * ( ln ) i A h,c = h,c = + i U h,c * ( ln ) i h i,h h i,c ( ln ) i n streamsi H A i = h * i j= i, j ( ln ) i argeting Composite curves Minimum Energy Requirement : MER What about the energy capital trade-off? Cost of Energy Cost of investment? min? ( MER _ HU( min) HU )* C HU +( MER _ CU ( min ) CU )*C CU + ( MER _ RU ( min ) RU )*C RU + n exchangers τ * I(A i ( min )) k /an i= Hot utility Cold utility Investment Minimum number of units Hot utility 0 kw 0 kw Stream 3 30 kw Stream 330 kw 0 kw 3 0 kw Stream 4 40 kw Stream 80 kw 4 0 kw 5 60 kw Cold utility 60 kw Number Number Number of = of + of - Exchangers streams Utilities Sources Sinks

13 Minimum number of units : effect of pinch point Above the pinch point : independent sub-system Hot utility 0 kw 0 kw Stream 3 0 kw 90 kw Stream 90 kw Number Number Number of = of + of - Exchangers streams Utilities Stream 40 kw 3 40 kw Stream 4 40 kw Number of independent problems Sources Sinks Minimum number of units Pinch point = two independent sub-systems Number of Independent subsystems above the pinch point U min,mer = (N above S above ) + (N below S below ) Number of streams above the pinch point otal number of streams, including the utilities Number of Independent subsystems below the pinch point Number of streams below the pinch point U min,mer = (N total + N utility ) + (N pinch ) (S above + S below ) Number of Independent subsystems below and above the pinch point Number of streams crossing the pinch point Minimum number of units : effect of pinch point Below the pinch point : independent sub-system Stream 90 kw 90 kw Stream 3 0 kw 30 kw Stream 90 kw 3 90 kw Cold utility 60 kw Number Number Number of = of + of - Exchangers streams Utilities Sources Sinks Number of independent problems Estimating the investments Cost of heat exchanger C = a + b ( A ) c 0,6-0,8 Heat exchange area Cost of heat exchanger network? Estimated total area -> mean heat exchanger area (overestimation ) nb int er nbstreams i A i i h A = i = i= j= j,i * ( ln ) i U (N min,mer total + N utility ) + (N pinch ) (S above + S below ) Estimated investment : nbexchangers c A I(A i ( min )) U min,mer * a + b i= U min,mer 3

14 Influence of Dmin Dmin value analysis ( K) Dmin Successive calculations for different values of Dmin -> Estimating costs Operation : Energy (MER) Investments : - minimum number of units - estimated area - equal repartition otal cost = Operating +/τ* investments Dmin -> Pinch point changes Streams concerned New connections Dmin < Dmin - < -> Operating costs (kw) - pinch points-> number of units & streams at the pinch point - A > A -> Investments -> Optimal value has to be between the two pinch points that frame the optimal value Cost Dmin sensitivity Change of the number of exchangers otal Energy Summary of the work method ARGEING process simulation and analysis utility and thermodynamic cycle selection and integration Dmin optimization SYNHESIS heat exchanger network structure Investment heat exchanger network optimization Dmin heat exchanger network analysis and selection 4

15 Application Flux M.Cp in out kw/ C C C H H C C minimum = 0 C 5