Optimization of Heat Exchanger Networks using Aspen Energy Analyzer and SeqHENS

Abstract

Syntese av nettverk for varmevekslere har vært et av de mest undersøkte områdene innen prosessindustrien de siste 40 årene. I løpet av 70-tallet ble det rettet stor oppmerksomhet mot dette området på grunn av den første energikrisen i verden. Drivkraften for denne forskningen var dens evne til å øke energieffektiviteten i prosessindustrien og dermed redusere den totale kostnaden for industrialiserte produkter. I et varmevekslernettverk må energiforbruk (E), totalt varmevekslerareal (A) og totalt antall varmevekslere (U) avveies for å finne den optimale løsningen. Hensikten i dette arbeidet var å teste forskjellige programvareverktøy for syntese av varmevekslernettverk. Hovedfokuset har vært på SeqHENS, som er en iterativ og sekvensiell programvare, men Aspen Energy Analyzer (AEA) har også blitt studert. EnergyPinch ble testet for egnethet, men på grunn av mangel på noen viktige funksjoner ble den ikke studert ytterligere. Metodikken til SeqHENS er nøye forklart, mens AEA er kortere oppsummert.

Flere forsøk av ulik størrelse og trekk ble gjennomført for å avsløre styrker og svakheter i SeqHENS og AEA. Forsøk som har vært undersøkt mye i litteraturen tidligere har hovedsakelig blitt valgt. Resultatene fra både SeqHENS og AEA har blitt diskutert i detalj med hensyn på kvantitative aspekter som total årlig kostnad og totalt varmevekslerareal, men også kvalitative aspekter som kontrollerbarhet og driftbarhet har blitt diskutert.

Forsøkene viste at SeqHENS ofte ga nettverket i nærheten av den optimale rapporterte i litteraturen basert på total årlig kostnad, men ofte med en høy grad av kompleksitet. I tillegg til de fire forsøkene som ble gjennomført ble et litt større forsøk undersøkt (mer enn 20 strømmer). Dette ga store problemer for SeqHENS på grunn av den kombinatoriske eksplosjonen i MILP-steget av simuleringen. Dette forsøket ble ikke rapportert grunnet store hull og mangler i resultatene. AEA hadde ikke de samme utfordringene med store nettverk med mange strømmer. Felles for nettverkene som AEA foreslo var imidlertid overdreven bruk av ekstern oppvarming og avkjøling. Dette overforbruket medførte generelt et lavere varmeoverføringsareal, men høy total årlig kostnad.