Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici
Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo
INTEGRAZIONE DI MOTORI TERMICI
Motore termico
Converte calore in lavoro meccanico
Produzione di energia elettrica
Es. turbina
Sottrae calore Qin alla sorgente a
temperatura TH
Restituisce calore Qout alla sorgente a
temperatura TC < TH
W = Qin - Qout
Il motore termico può essere considerato utility calda o fredda
A meno dei rendimenti meccanici del sistema
W = Q in
ηC elevato
TH −TC
= η C Q in
TH
TC bassa => utility calda a bassa temperatura
TH alta
=> utility fredda ad alta temperatura
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Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo
A
Pinch
B
Violano regole del pinch
A => QC = QC min + Qout
B => QH = QH min + Qin
B
Pinch
A. QH = QH min - Qout
A
B. QC = QC min - Qin
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MT
• Motori alternati diesel o a gas
• Turbine a vapore
• Turbine a gas
Stand-alone
Impianti combinati => turbina a gas + turbina a vapore
ST
GT
Lavoro utile
Lavoro utile
Vapore
Calore utile
Calore perso
Calore perso
Calore utile
RE
Lavoro utile
Raffreddamento
Fumi
Calore utile
45
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QU
QP
Combustibile
Aria
QP
QU
500
450
400
350
300
250
T+- ∆ T/2
200
150
100
50
0
-10
10
30
50
Q
46
70
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Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo
QP
Aria
Combustibile
S1
S2
S3
500
450
S1-3
400
350
300
250
T+- ∆ T/2
200
150
100
50
0
0
20
40
60
Q
47
80
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Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo
QU
S
Aria
QP
Combustibile
S
QU
500
450
400
350
300
250
T+- ∆ T/2
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
Q
48
7
8
9
10
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Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo
Cogenerazione (CHP) => elettricità + calore
Fattori influenti
1.
Bilancio termico dell’impianto
o Non tutto il calore dal CHP
Risparmio di calore tutto sulle caldaie (combustibile)
Convenienza a ridurre il consumo
o Tutto il calore dal CHP
Risparmio su calore a bassa qualità (vapore BP)
Minore convenienza
2.
Tariffe elettricità (Giorno-notte; picco; interrompibilità)
o Alto prezzo
Autoproduzione
Flessibilità
3.
Vendita elettricità
4.
Costi del combustibile
5.
Valore residuo (marginale) del riscaldamento
o Tutto il calore dal CHP + vendita energia
Costo residuo basso (anche < 0)
o Calore residuo da caldaie
49
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INTEGRAZIONE DI POMPE DI CALORE
Pompa di calore
Trasferisce calore da una sorgente a
temperatura TC ad una a temperatura
TH > TC a spese di lavoro meccanico
Trasforma lavoro in calore
Qout = Qin + W
Una pompa di calore può essere considerata utility calda o fredda
La stessa unità può svolgere entrambe le funzioni
A meno dei rendimenti meccanici del sistema
W = Q out
TH −TC
= η C Q out
TH
W basso => TH - TC basso => utility calda a bassa temperatura
=> utility fredda ad alta temperatura
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Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo
Possibili schemi di Installazione
Fornisce calore sopra il pinch
Sostituisce una parte del
duty con lavoro meccanico
Fornisce calore
sotto il pinch
Soluzione ottimale
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Qin
W
Qout
500
450
400
350
Qout
300
W
250
T+- ∆ T/2
200
150
100
50
Qin
0
0
20
40
Q
52
60
80
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Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo
INTEGRAZIONE DI REATTORI
1)
Reattore adiabatico:
F
P
Alimentazione
Inerte
Prodotti
Inerte
HP = HF + |∆HR |
Calore di reazione
2)
Alimentazione e
Nel prodotto (R. esotermico)
Nell’alimentazione (R. endotermico)
Con inerte
Hot (Cold) Shot => iniezioni intermedie
prodotto correnti
(calde o fredde)
del sistema
Scambio di calore con l’esterno
Q
F
P
Alimentazione
Prodotti
F
P
Alimentazione
Prodotti
Q
Solitamente tramite utility
fredda (reazione esotermica)
calda (reazione endotermica)
Il motore termico può essere considerato utility calda o fredda
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Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo
Reazione esotermica
A
A:
QH = QHmin - Q
B:
QC = QCmin + Q
B
A
B
Reazione Endotermica
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A:
QH = QHmin + Q
B:
QC = QCmin - Q
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Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo
PERCORSO DI OTTIMIZZAZIONE
1. Raccolta dei dati:
• Bilanci di materia e energia
• Identificazione delle curve calde e fredde
• Proprietà (Mcp e T)
2. Scelta del ∆Tmin iniziale
• Ottimizzazione
o
area scambiatori
o
consumi energetici
o
costi totali
• Esperienza => tipo di processo
3. Stima delle richieste energetiche minime
• Curve composte
4. Valutazione delle temperature ottimali delle utilities
5. Identificazione del Pinch
6. Progetto della rete MER
7. Relaxing della soluzione MER
• Eliminazione dei cicli
• Rimodulazione dei carichi ai percorsi
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Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici
Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo
Regole Generali:
a. Non trasferire calore attraverso il Pinch
b. Non fornire calore al di sotto del Pinch
c. Non sottrarre calore al di sopra del Pinch
Come procedere nei singoli passaggi
1
Identificazione delle singole unità dell’impianto
Bilanci per ciascuna unità
2
Simulazione dell’impianto
3
Costruzione grafica delle curve
4
5
Utilizzo di software o fogli di calcolo
6
Software completamente automatici basati su
sovrastrutture pure
7
Inserimento su software di progettazione con
intervento umano sulle singole scelte
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