Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Département de génie mécanique, Laboratoire d'énergétique industrielle LENI (Laboratoire d'énergétique industrielle LENI)

Contribution to the heat integration of batch processes (with or without heat storage)

Krummenacher, Pierre ; Favrat, Daniel (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2001 ; no 2480.

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    Summary
    This work addresses the indirect heat integration (i.e. resorting to intermediate heat storage) and the direct heat integration (i.e. heat exchanges between coexisting process streams) of batch processes. Tools and methods for the targeting of these two limiting cases of heat integration are proposed, and completed by the development and the application of an automatic design & optimization methodology using the Struggle genetic algorithm (GA). A brewery process is used to demonstrate the feasibility and the practical relevance of the proposed indirect heat integration models. The fluctuations of the process schedule and their effects on the optimal solutions are not modelled (the indirect heat integration is known to feature an inherently low sensitivity). The rescheduling opportunities are not searched for. For the indirect heat integration, fixed temperature/variable mass inventory heat storage units (HSUs) are applied. Two models of indirect heat recovery schemes (IHRSs) are proposed : one based on a closed heat storage system, another built around an open storage system suitable e.g. for food and beverages industries. The inequality constraints of the IHRS models are automatically met owing to an appropriate definition of the decision variables managed by the GA. A rough preadjustment of the mass balance equality constraints on HSUs is achieved by a preliminary stage of heat recovery (HR) maximization before actually minimizing the total batch costs (TBCs). Optimization runs and theoretical considerations on the generation & replacement strategy of Struggle demonstrate that the structural and the parametric variables cannot be efficiently optimized within a single level, resulting in a two-levels optimization scheme. The automatically designed closed storage IHRS solutions for the brewing process are as good as the solutions obtained by another author using a combinatorial method followed by a post-optimization stage. The open storage IHRS is 13 % cheaper while the HR increases by 12 %. Optimizing the IHRS on a one-week period (including the non-periodic start-up & shut-down phases) results in an even more realistic solution, featuring a significantly different trade-off between energy, HSU capacities and HEX areas. A GA based, two-levels optimization scheme is proposed for the design of direct batch heat exchanger networks (HENs). The HEN structures, managed by the upper-level GA, do not include stream splitting. The re-use of HEX units across time slices is a key issue and a methodology to specify the actually possible structural changes by repipe or resequence is proposed, accounting for the thermo-physical compatibility, chemical compatibility, and process schedule constraints. The optimum operation of an existing HEN during each time slice has been analysed and a sound solution procedure is proposed.
    Résumé
    Ce travail porte sur l'intégration énergétique indirecte (par stockage intermédiaire de chaleur) et directe (par échanges de chaleur entre flux coexistant dans le temps) de procédés discontinus. Des outils et des méthodes sont proposés pour le targeting de ces deux cas limites d'intégration énergétique, et sont complétés par le développement et l'application d'une méthodologie de conception automatique et d'optimisation utilisant l'algorithme génétique (AG) Struggle. Un procédé de brasserie est utilisé pour démontrer la faisabilité et la pertinence pratique des modèles d'intégration indirecte proposés. Les fluctuations du schedule des flux et leurs effets sur les solutions optimales ne sont pas explicitement modélisés (l'intégration indirecte y est naturellement peu sensible). Le rescheduling du procédé n'est pas considéré. Pour l'intégration indirecte, des stockages de chaleur travaillant à température fixe et masse variable sont utilisés. Deux modèles de réseaux d'intégration énergétique indirecte (RIEI) sont proposés : l'un basé sur un système de stockage fermé, l'autre construit autour d'un système de stockage ouvert adéquat par ex. pour les industries agro-alimentaires et des boissons. Les contraintes inégalités des modèles RIEI sont automatiquement satisfaites grâce à une définition judicieuse des variables de décision gérées par l'AG. Un ajustement grossier des contraintes égalité des bilans massiques des stockages est obtenu par une étape préliminaire de maximisation de la récupération de chaleur (RC), avant la minimisation des coûts totaux par batch (CTBs). Les optimisations et des réflexions théoriques sur la stratégie de génération et de remplacement de Struggle démontrent que les variables de structure et les variables continues ne peuvent pas être efficacement optimisées sur un seul niveau, nécessitant une optimisation sur deux niveaux. Les RIEI à stockage fermé du procédé de brassage conçus et optimisés par AG sont quasi-identiques à ceux développés par un autre auteur à l'aide d'une méthode combinatoire suivie d'une optimisation paramétrique. Le RIEI à stockage ouvert est 13 % meilleur marché pour une RC accrue de 12 %. L'optimisation sur une semaine (incluant les phases apériodiques initiale et finale) conduit à un RIEI encore plus réaliste, résultant d'un compromis assez différent entre énergie, volume de stockage et surface d'échange. Un schéma détaillé d'optimisation sur deux niveaux par AG est proposé pour l'intégration directe. Les structures de réseaux sont gérées au niveau supérieur (sans dédoublement de flux). Le partage d'échangeurs est un problème-clé et une méthodologie pour spécifier les modifications structurelles possibles par resequence ou repipe est proposée. Le fonctionnement optimal, durant chaque tranche de temps, d'un réseau existant a été analysé et une méthode adéquate est proposée.