Discoverability Score

8
Energy Targeting Procedure Module04 Lecture10 Module04 : Targeting Lecture10 : Energy Targeting Procedure Key words: Targeting, HEN, composite curve, T min , An important feature of Process Integration is the ability to identify Performance Targets before the design step is started. Targeting procedure also helps in the evaluation of alternative HEN designs. For heat recovery systems with a specified value for the minimum allowable approach temperature (T min ), targets can be established for: 1. Energy Target( Minimum Energy Consumption through external heating and cooling), 2. Fewest Number of Units (process/process heat exchangers, heaters and coolers) in the HEN 3. Fewest number of shells in the heat exchanger network(HEN) 4. Minimum Total Heat Transfer Area of the HEN 5. Cost Targeting (Total annual cost of the HEN) Results obtained from these targets lead the design in right direction and help to search for a optimum topology. Energy targeting can be done through Hot and cold composite curves, Grand composite curve and Problem Table Algorithm. The present lecture deals with energy targeting using hot and cold composite curves. To explain the energy targeting procedure using hot and cold composite curves a problem as given in Table 3.8 and reproduced below from lecture 07 is considered. The hot and cold composite curves placed together is a plot is taken from Fig.3.25 and reproduced below: Table 3.8: Four stream problem for load integration and utility prediction for T min equal to 10C. Name of the stream Supply Temperature Ts, C Target Temperature Tt, C CP kW/C H kW Hot1 140 50 2 180 Hot2 90 40 6 300 Cold1 30 150 2 240 Cold2 70 125 3 165

description

dd

Transcript of Discoverability Score

Page 1: Discoverability Score

Energy Targeting Procedure  Module‐04  Lecture‐10 

 

Module‐04 :  Targeting 

Lecture‐10 :  Energy Targeting Procedure 

Key words: Targeting, HEN, composite curve, Tmin,   An important feature of Process Integration is the ability to identify Performance Targets before 

the design step is started. Targeting procedure also helps in the evaluation of alternative HEN 

designs.  For heat recovery systems with a specified value for the minimum allowable approach 

temperature (Tmin),  targets can be established for: 

1.  Energy Target( Minimum Energy Consumption  through external heating and cooling),  

2. Fewest Number of Units (process/process heat exchangers, heaters and coolers) in the 

HEN 

3. Fewest number of shells in the heat exchanger network(HEN) 

4. Minimum Total Heat Transfer Area of the HEN  

5. Cost Targeting (Total annual cost of the HEN) 

 

Results obtained from these targets lead the design in right direction and help to search for a 

optimum topology.   

 Energy targeting  can be done through Hot and cold composite curves, Grand composite curve and Problem Table Algorithm. The present  lecture deals with energy  targeting using hot and cold composite curves.  To explain  the energy  targeting procedure using hot and cold composite curves a problem as given  in  Table  3.8  and  reproduced  below  from  lecture  ‐07  is  considered.  The  hot  and  cold composite curves placed together is a plot is taken from Fig.3.25 and reproduced below: 

  

Table 3.8: Four stream problem for load integration and utility prediction for Tmin equal to 

10C. Name of the stream  Supply Temperature

Ts, C Target Temperature

Tt, C CP

kW/C H kW 

Hot‐1  140  50 2 ‐180 

Hot‐2  90  40 6 ‐300 

Cold‐1  30  150 2 240 

Cold‐2  70  125 3 165 

   

Page 2: Discoverability Score

Energy Targeting Procedure  Module‐04  Lecture‐10 

                         

Once Hot  and  cold  composite  curves  are  known,  one  can  estimate with  ease  the minimum amount  of  external  heating  (  Hot  utility)  and  external  cooling(Cold  utility)  required  for  the process through energy targeting procedure.  It should be noted that through this process one targets minimum amount of hot and  cold utility  that  the process demands. However, higher amount  of  hot  and  cold  utilities  (  in  comparison  to minimum  value)  can  be  supplied  to  the process. A discussion  in the  later part of this  lecture will show that one has to pay penalty  in terms of energy  and  capital  cost  if he decides  to use higher  amount of utilities  than  that of minimum amount.  

The overlap between  the hot and  cold  composite  curves  represent  the maximum amount of 

heat  that  can  be  recovered    within  the  process.  The  “overshoot”  of  the  hot  composite 

represents  the  minimum  amount  of  external  cooling  required  in  the  process  and  the 

“overshoot”  of  the  cold  composite  represents  the  minimum  amount  of  external  heating 

required  in  the process.    This  concept  is based on  vertical heat  transfer  in  the  internal heat 

exchange  area  as well  as  at  utility  areas  as  shown  in  Fig.4.1.  Energy  targeting  is  a  powerful 

process integration concept. 

 

 

Fig.3.25 Shows  both composite curves put together for problem given in Table 3.8

70C 

125C 

150C 140C 

90C 

50C 40C 30C 

T,C 

H, kW 

Tmin= 10C 

Q HOT, MIN

Q COLD, MIN

Hot Pinch 

Cold Pinch 

Internal Heat Exchange 

Source  Section 

80C 

Sink  Section 

External Hot utility 

External Cold utility 

Hot Composite curve 

Cold Composite curve 

Below the Pinch Above the Pinch

Pinch Points

250 kW 

175 kW 230 kW 

Page 3: Discoverability Score

Energy Targeting Procedure  Module‐04  Lecture‐10 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Because of the kinked nature of the hot and cold composite curves, they approach most closely 

at one point which is called  the “Pinch”. Pinch is not a point unless both the curves touch each 

other at a point.  In  fact,  for heat  to  flow one has  to maintain a value of T at pinch which  is called Tmin. Thus at pinch there exists two points out of which one is called Hot pinch point and 

the other  cold pinch point as  shown  in Fig.3.25. From Fig.3.25  it  can be  seen  that hot utility 

demand  is 175 kW  , cold utility demand  is 250 kW and  internal heat exchange  is 230 kW. The 

hot pinch point  is at 90C and cold pinch point  is at 80C. This  is  for TminC equal to 10C.  If  one changes the Tmin value from 10C to a new value then the requirements of cold and hot 

utility will change and so the internal heat exchange. To demonstrate the above fact Tmin value 

is changed from 5C to 30 C in the steps of 5C and the results are reported in Table 4.1. 

 

Table 4.1 Values of cold ,hot utility demand and internal heat exchange when Tmin is altered. 

Tmin, C  Cold Utility, kW  Hot Utility, kW  Internal Exchange, kW 

Total  Heat Exchange, kW 

5  225  150 255 630 

10  250  175 230 655 

15  275  200 205 680 

20  300  225 180 705 

25  310  235 170 715 

Fig.  4.1 Vertical heat transfer

70C 

125C 

150C 140C 

50C 40C 30C 

T,C 

H, kW 

Hot Composite curve 

Cold Composite curve 

Tmin 

Hot Utility

10C Cold  Utility

Page 4: Discoverability Score

Energy Targeting Procedure  Module‐04  Lecture‐10 

30  320  245 160 725 

 

From Table 4.1  it is clear that as the value of Tmin  increases,  internal heat exchange decreases 

and the value of cold and hot utility as well as value of total heat exchange increases. Due to the 

increase in the value of external cold and hot utilities the operating cost of the HEN increases. 

Further, the decrease in internal heat exchange decreases the scope of energy conservation in 

the  process.  An  increase  in  value  of  Tmin    increases  the    value  of  T    available  to  all  the exchangers in the HEN. 

It  is known  fact  that    increases    in  the value of Tmin   decreases  the heat  transfer area as  it 

provides  higher value of driving force as per the equation given below: 

Q = U A T        …(4.1) 

Where  

Q ‐load of exchanger  A ‐ Heat transfer area U‐ overall heat transfer coefficient  

T – temperature difference available for heat transfer  

However,  this  conclusion  is  true only when Q and U  remain  constant when Tmin    increases.  

From Table 4.1 it is evident that with the increase in Tmin  the total heat exchange value(Q) of 

the HEN increases. Thus, the benefit of reduction of heat transfer area due to increase in Tmin will be nullify to some extent due to  increase  in the value of total heat exchange at the same 

time.   Thus Tmin    is an  important parameter for design as  it affects operating as well as fixed costs of HEN.  

The most appropriate value of Tmin  or in other words the relative positions of the hot and cold composite curves  is determined by an economic  trade‐off between energy and capital. Once 

the correct economic value of Tmin  is known then the energy targets in terms of the  values of 

hot  and  cold  utilities  are  automatically  fixed.  The Tmin    in  general  appears  at  one  location between hot and cold composite curves called “heat recovery pinch”. As pinch point is related 

to Tmin  , it has special significance in the design.   

The principle of Pinch 

Fig.4.2  (a) shows  the heat exchange system separated at pinch  . The section above  the pinch 

works as a heat sink as it accepts heat from external heating sources ( heat utility). The amount 

of heat required is exactly equal to Q HOT MIN. The required heat which is necessary to strike heat 

balance of this section after hot composite curve transfers the heat to cold composite curve is  

Q HOT MIN. As  this section  takes heat  from outside  it  is  termed as heat sink. With  the external 

heating equal to Q HOT MIN the section is in heat balance, i.e. heat required by the cold stream is 

Page 5: Discoverability Score

Energy Targeting Procedure  Module‐04  Lecture‐10 

satisfied by heat transferred from the hot composite stream  and the Q HOT MIN from external hot 

utility. 

Similarly  Fig.4.2(a)  also  shows  that  the  section  below  the  pinch works  as  Heat  source  as  it 

rejects heat to the external cold utility. The amount of heat rejected to cold utility is Q COLD MIN .  

In  this  section, hot  composite  curve has  excess heat  (Q  COLD MIN)  available with  it  even  after 

transferring heat to cold composite curve. Once Q COLD MIN  is transferred to external cold utility 

this section is also in heat balance. 

Thus both sections i.e. above the pinch and below the pinch sections are in heat balance and no 

heat  flows through the pinch section. This  is true, only  if we consider vertical heat transfer  in 

the whole section of the heat exchange process as given in Fig.4.1. 

However, as shown in Fig.4.2(b), if an additional amount of heat, , over and above Q HOT MIN  is 

transferred to the above pinch section the total external heat given to this section becomes Q 

HOT MIN +   and  then  the additional amount of heat  ,,  flows  through pinch  ( as both sections above & below pinch are under heat balance) and  increases the cold utility to Q COLD MIN +    . Thus  adding more  heat  than  required  in  the  above  pinch  section  is  not  fruitful  instead  it  is 

harmful. This fact is explained below. 

When additional amount of heat,   , than required amount of heat Q HOT MIN  ,  is  introduces  in 

above pinch section then one has to supply appropriate heat transfer area to push  it. Further, 

the external hot utility cost proportional to     is also  increased.   Thus, total cost  in the above pinch section increases due to increase in the cost of heat exchange area( proportional to ) and also the  increased  in external hot utility cost which   is also proportional to . The same is true 

for below pinch section where the cold utility cost  increases proportional to      as well as the cost of heat transfer area also  increases proportional to .   Thus for every unit of excess heat  one has  to provide  the  required heat  transfer area  twice once  in hot utility side and other  in 

cold utility side. Thus the penalty  is twice for passing additional heat through the system than 

required. Thus, B. Linn off  et. al have coined the phrase “ More in, More out”.  This vital insight, 

many a times, helps us to decrease both utility and fixed cost of a heat transferring system by 

eliminating the above discussed error. 

An  inefficient process always  requires more hot utility  than  the minimum hot utility  required 

and as a consequence will consume more cold utility  than  required.   Thus  inefficient systems 

are screened rapidly once energy targets (Q HOT MIN and Q HOT MIN)  are determined. 

 

Further,  let us examine what happens when hot utility  is used below pinch  section and  cold 

utility is used in the above pinch section. Fig. 4.3 (a) is drawn show the effect. If the extra cold 

utility of amount  is used in the above pinch area which is under heat balance, it will cool the hot  stream or hot utility by    amount  and will disturb  the heat balance.  To bring  it  to heat 

Page 6: Discoverability Score

Energy Targeting Procedure  Module‐04  Lecture‐10 

balance extra hot utility of  amount  has  to be  added  to Q  HOT MIN and  thus  total hot utility 

required to bring the section in to heat balance will be now Q HOT MIN + .  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          

Fig.4.2 Source and Sink sections of a heat exchange system 

Heat Source 

(a)

T,C 

H, kW 

Tmin= 10C 

Q HOT, MIN

Q COLD, MIN 

Hot Pinch 

ColdPinch 

External Hot utility 

External Cold utility 

Below the Pinch

Above the Pinch 

Heat  Sink

Heat Source 

(b) 

T,C 

H, kW 

Tmin= 10C 

Q HOT, MIN + 

Hot Pinch 

Cold  Pinch 

External Hot utility 

External Cold utility 

Below the Pinch 

Above the Pinch 

Heat  Sink 

Q COLD, MIN  + 

Q COLD, MIN  + 

Page 7: Discoverability Score

Energy Targeting Procedure  Module‐04  Lecture‐10 

                                               

Heat Source 

(b)

T,C 

H, kW 

Q HOT, MIN 

Hot Pinch 

Cold  Pinch 

External Hot utility 

External Cold utility 

Below the Pinch 

Above the Pinch 

Heat  Sink 

Q COLD, MIN+   

Fig.4.3 Effect of inappropriate use of utilities

Heat Source 

(a) 

T,C 

H, kW 

Q HOT, MIN + 

Hot Pinch 

Cold  Pinch 

External Hot utility 

External Cold utility 

Below the Pinch 

Above the Pinch 

Heat  Sink 

Q COLD, MIN   

Page 8: Discoverability Score

Energy Targeting Procedure  Module‐04  Lecture‐10 

  This will increases the total hot utility cost as well as fixed cost of heat exchanger which will now 

transfer   Q  HOT MIN +  heat    in place of Q  HOT MIN  . As below  the pinch  section  is under heat 

balance the cold utility requirement will be Q COLD MIN . 

Further, if hot utility is used in the below pinch section by an amount  it will disturb the heat balance of this section.   Now additional heat   amounting to   is available  in this section to be cooled. This will increase the cold utility requirement  to Q COLD MIN +  to  bring to heat balance again. However, the above pinch section which  is under heat balance already will only require 

external heating of Q HOT MIN . 

From the above analysis following conclusions are made. 

1. Do not transfer heat across the pinch as the penalty is twice. 

2. Do not use cold utility in the above pinch section 

3. Do not use hot utility in below pinch section 

The above faults are generally committed  in old designs which were carried out without using 

pinch analysis and hence provide opportunity to correct these designs and save fixed as well as 

utility cost. 

 

References 

1. Linnhoff  March,  “Introduction  to  Pinch  Technology”  Targeting  House,  Gadbrook 

Park, Northwich, Cheshire, CW9 7UZ, England 

2. Chemical Process Design and Integration, Robin Smith, John Wiley & Sons Ltd. 

3. Ian  C  Kemp,  Pinch  Analysis  and  process  integration,  a  user  guide  on  process 

integration for effective use of energy, IChemE, Elsevier Limited, 2007.