Pinch Technology and optimization of the use of utilities – part one Maurizio Fermeglia

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 2 Introduction to HEN Synthesis Unit 1. Introduction: Capital vs. Energy What is an optimal HEN design A Simple Example (Class Exercise 1) Setting Energy Targets Unit 2. The Pinch and MER Design The Heat Recovery Pinch HEN Representation Class Exercise 2 Unit 3. The Problem Table Class Exercises 3 and 4 Unit 4. Loops and Splits Minimum Number of Units by Loop Breaking Class Exercise 5 Stream Split Designs Class Exercise 6 Unit 5. Threshold Problems Class Exercise 7

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 3 Heat and Power Integration Unit 6. Data Extraction Class Exercise 8 Unit 7. Heat Integration in Design Grand Composite Curve Heat-integrated Distillation Heat Engines Heat Pumps

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 4 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 slide 5 A Short Bibliography... Early pioneers: (1968) (1971) Central figure: (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 Turton et al, Analysis, synthesis and design of chemical processes, Prentice Hall, 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),

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 6 UNIT 1: Introduction - Capital vs. Energy The design of Heat Exchanger Networks deals with the following problem: Given: N H hot streams, with given heat capacity flowrate, each having to be cooled from supply temperature T H S to targets T H T. N C cold streams, with given heat capacity flowrate, each having to be heated from supply temperature T C S to targets T C 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 slide 7 Impact of process integration

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 8 Network for minimal energy cost ? Network for minimal equipment cost ? Example

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 9 Numerical Example D esign B:  (AREA) = 13.3 D esign A:  (AREA) = 20.4 [ A = Q/U  T lm ]

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 10 Which option requires more capital?

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 11 Energy efficient process can also be more capital efficient process (saves energy AND capital)

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 12 Energy efficient design reduces investment in the utility infrastructure

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 13 Some Definitions T S = Stream supply temperature ( o C) T T = Stream target temperature ( o C) H = Stream enthalpy (MW) CP = (MW/ o C) = Heat capacity flowrate (MW/ o C) = Stream flowrate specific heat capacity

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 14 Which of the two counter-current heat exchangers illustrated below violates  T  20 o F (i.e.  T min = 20 o F) ? Clearly, exchanger A violates the  T min constraint. 20 o 10 o 20 o 30 o  T min - Example  T min = Lowest permissible temperature difference

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 15 Definitions (Cont’d) Exchanger Duty. Data:Hot stream CP = 0.3 MW/ o C Cold stream CP = 0.4 MW/ o C Check: T 1 = 40 + ( )(0.3/0.4) = 70 o C  Q = 0.4( ) = 0.3( ) = 12 MW Heat Transfer Area (A): A = Q/(U  T lm ) Data: Overall heat transfer coefficient, U=1.7 kW/m 2 o C (Alternative formulation in terms of film coefficients)  T lm = ( )/log e (30/20) = So, A = Q/(U  T lm ) = 12000/(1.7  24.66) = m 2

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 16 Pinch technology basics

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

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 18 How do I develop a network which achieves the target?

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 19 How can we identify appropriate process design changes?

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 20 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 slide 21 Process Integration Fuel POWER Steam for Process HEATing Introduce Combined Heat and Power (CHP) Crude Heat exchanger network Reduce Energy ConsumptionOR.. Reduce impact on climate change through efficient use of resources (utilities) Fuel

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 22 Sustainable Development by Process Integration Reduce Environmental Impact Reduce Environmental Impact Improve Utility System Performance Improve Utility System Performance Energy, Water, Hydrogen Utilities

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 23 Sustainable Development by Process Integration Reduce Environmental Impact Reduce Environmental Impact Improve Utility System Performance Improve Utility System Performance All Aspects of Debottlenecking All Aspects of Debottlenecking Optimise Production Plan Optimise Production Plan Minimise Operating Cost Minimise Operating Cost Capital Cost Avoidance Capital Cost Avoidance Energy, Water, Hydrogen

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 24 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 slide 25 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 slide 26 Pinch technology and heat integration Growing importance of heat integration is driving force Formalization of heat integration theory  pinch technology Linhoff and Flower Hohman Umeda et al. Douglas Turton et al (text book) Different operative configurations of the same process may result in Same conditions (composition, temperature, pressure, flow rate) Different Fixed capital investment Different cost of utilities Different Net present value

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 27 DME reaction: different configurations No Heat integrationWith heat integration Fixed capital investment$ 346,000$ 244,600 Cost of utilities-$ 210,000 /yr-$ 36,820 /yr Net present value-$ 1,636,000-$ 471,000 Total saving (in the life of the plant) = -471, ,636,000 =$ 1,165,000

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 28 Utilities. o C, o C Design a network of steam heaters, water coolers and exchangers for the process streams. Where possible, use exchangers in preference to utilities..  T min = 10 o C Class Exercise 1

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 29 Setting Energy Targets Summary of proposed design: Are 60 kW of Steam Necessary?

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 30 The Temperature-Enthalpy Diagram One hot stream Two hot streams

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 31 The Temperature-Enthalpy Diagram Correlation between  T min, Q Hmin and Q Cmin More in, More out! Q Hmin + x  Q Cmin + x

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 32 The Composite Curve Hot Composite Curve

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 33 The Composite Curve (Cont’d) Cold Composite Curve

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 34 The Composite Curve (Cont’d) Method: manipulate hot and cold composite curves until required  T min is satisfied. This defines hot and cold pinch temperatures. Result: Q Cmin and Q Hmin for desired  T min MER Target Here, hot pinch is at 70 o C, cold pinch is at 60 o C Q Hmin = 48 kW and Q Cmin = 6 kW

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 35 UNIT 2: The Pinch The “pinch” separates the HEN problem into two parts: Heat sink - above the pinch, where at least Q Hmin utility must be used Heat source - below the pinch, where at least Q Cmin utility must be used. +x+x x +x+x

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 36 Significance of the Pinch  Do not transfer heat across pinch  Do not use cold utilities above the pinch  Do not use hot utilities below the pinch Summary of modified design:

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 37 HEN Representation Where is the pinch ?

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 38 HEN Representation with the Pinch The pinch divides the HEN into two parts:  the left hand side (above the pinch)  the right hand side (below the pinch) At the pinch, ALL hot streams are hotter than ALL cold streams by  T min.

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 39 Class Exercise 2 For this network, draw the grid representation Given pinch temperatures at 480 o C /460 o C, and MER targets: Q Hmin = 40, Q Cmin = 106, redraw the network separating the sections above and below the pinch. Why is Q H > Q Hmin ?

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 40 Class Exercise 2 - Solution H 40 H C 116

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 41 Class Exercise 2 - Solution (Cont’d) This can be fixed by reducing the cooling duty by 10 units, and eliminate the excess 10 units of heating below the pinch.

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 42 Design for Maximum Energy Recovery(MER) Step 1: MER Targeting. Pinch at 90 o (Hot) and 80 o (Cold) Energy Targets: Total Hot Utilities: 20 kW Total Cold Utilities:60 kW Example

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 43 Design for MER (Cont’d) Step 2: Divide the problem at the pinch

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 44 Design for MER (Cont’d) Step 3: Design hot-end, starting at the pinch: Pair up exchangers according to CP-constraints. Immediately above the pinch, pair up streams such that: CP HOT  CP COLD (This ensures that T H  T C   T min )  T min

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 45 Design for MER (Cont’d) Step 3 (Cont’d): Complete hot-end design, by ticking-off streams H Add heating utilities as needed (  MER target) Q Hmin = 20 kW 20

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 46 Design for MER (Cont’d) Step 4: Design cold-end, starting at the pinch: Pair up exchangers according to CP-constraints. Immediately above the pinch, pair up streams such that: CP HOT  CP COLD (This ensures that T H  T C   T min )  T min

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 47 Design for MER (Cont’d) Step 4 (Cont’d): Complete cold-end design, by ticking-off streams. C Add cooling utilities as needed (  MER target) Q Cmin = 60 kW o

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 48 Design for MER (Cont’d) Completed Design: Note that this design meets the MER targets: Q Hmin = 20 kW and Q Cmin = 60 kW

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 49 Design for MER (Cont’d) Design for MER - Summary:  MER Targeting. Define pinch temperatures, Q hmin and Q Cmin  Divide problem at the pinch  Design hot-end, starting at the pinch: Pair up exchangers according to CP-constraints. Immediately above the pinch, pair up streams such that: CP HOT  CP COLD. “Tick off” streams in order to minimize costs. Add heating utilities as needed (up to Q Hmin ). Do not use cold utilities above the pinch.  Design cold-end, starting at the pinch: Pair up exchangers according to CP-constraints. Immediately below the pinch, pair up streams such that: CP HOT  CP COLD. “Tick off” streams in order to minimize costs. Add heating utilities as needed (up to Q Cmin ). Do not use hot utilities below the pinch.  Done!

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 50 Class Exercise 3 Design a network of steam heaters, water coolers and exchangers for the process streams. Where possible, use exchangers in preference to utilities.  T min = 10 o C. - Pinch Temperature 70° - 60° Utilities: o C, o C Q Hmin =48 Q Cmin =6 80 o C H C o C 6 H

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 51 UNIT 3: The Problem Table  T min = 10 o F. Example: Step 1: Temperature Intervals (subtract  T min from hot temperatures) Temperature intervals: 250  F  240  F  235  F  180  F  150  F  120  F

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 52 UNIT 3: The Problem Table (Cont’d) Step 2: Interval heat balances For each interval, compute:  H i = (T i  T i+1 )  (  CP Hot  CP Cold )

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 53 UNIT 3: The Problem Table (Cont’d) Step 3: Form enthalpy cascade. This defines: Cold pinch temp. = 180 o F Q Hmin = 500 kBtu/h Q Cmin = 600 kBtu/h

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 54 Class Exercise 4 - Now try again! Calculate the Problem Table. Predict Q Hmin and Q Cmin. Draw the Enthalpy Cascade.  T min = 10 o C. Step 1: Temperature Intervals (subtract  T min from hot temperatures) Temperature intervals:

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 55 Class Exercise 4 (Cont’d) Step 2: Interval heat balances For each interval, compute:  H i = (T i  T i+1 )  (  CP Hot  CP Cold )

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 56 Class Exercise 4 (Cont’d) Step 3: Form enthalpy cascade. This defines: Cold pinch temp. = o C Q Hmin = kW Q Cmin = kW

Progettazione di processo e di prodotto Trieste lunedì 5 marzo slide 57 Introduction to HEN Synthesis - Summary Unit 1. Introduction: Capital vs. Energy What is an optimal HEN design Setting Energy Targets Unit 2. The Pinch and MER Design The Heat Recovery Pinch HEN Representation MER Design: (a) MER Target; (b) Hot- and cold-side designs Unit 3. The Problem Table for MER Targeting