Synthesis of Energy Intensive Industrial Processes: Methodological Aspects and a Case Study of a Sugarcane Conversion Plant

The topic of the present work is the synthesis of energy intensive industrial processes. The aims are to discuss methodologies already reported in the literature and to propose a new organized procedure for the generation and modification of system alternatives. The synthesis problem consists in the definition of the type and number of system components, their material connections and their operating parameters. The synthesis procedure proposed here starts with the definition of a Basic Plant Configuration which is the schematic representation of an original idea of the plant comprising all the components responsible for the chemical and mechanical transformations of the raw materials. Accordingly, the Heat Exchanger Network responsible for the heat transfer between system cold and hot streams is not comprised in the Basic Plant Configuration and the heat transfer feasibility is verified by using Pinch Analysis rules. This is also the approach of many studies published in the literature in the field of process integration, some of which are presented in Chapter 2. In the same chapter the synthesis of CHP systems is also addressed. This subproblem of the total site synthesis problem may be solved following different systematic procedures proposed in the literature. CHP systems are in fact a cost-effective way to locally satisfy the demand of productive processes for external heat and electricity provided that they are optimally sized. This can be done by applying computer-aided optimization procedures. A particular attention is given in this work to the formulation of the synthesis of steam networks, as a mixed-integer linear programming optimization of steam network superstructures. This and other methods proposed in the literature for the synthesis of energy systems are compared highlighting potentials, weaknesses and possible common criteria. The synthesis of a sugarcane conversion plant is studied in Chapters 3 and 4. In particular, in Chapter 3, the organized procedure for the generation and modification of process alternatives is applied and the process configurations for production of sugar and ethanol, also in combined mode, are discussed. Each plant configuration is optimized in order to minimize the process thermal demand. Main structural and operating parameters subject to optimization are those of the multi-effect evaporator and of the ethanol distillation subsystems. In Chapter 4 the synthesis of a bagasse fueled CHP system is studied and the potential for net electricity production to be sold to the market evaluated considering two options for the conversion of bagasse: combustion and gasification. The process for the combined production of sugar and ethanol and the CHP system are optimized simultaneously. In particular a two level optimization procedure is applied in this case. According to this procedure the structure and mass flow rates of the steam network are optimized in an inner step where the heat transfer feasibility is set as a constraint according to the Pinch Analysis rules. In an outer optimization step instead all the intensive parameters are optimized by means of a genetic algorithm based optimizer.

L'argomento del presente lavoro è la sintesi degli impianti industriali ad alta intensità energetica. Gli obiettivi sono quello di discutere le metodologie già documentate in letteratura e di proporre una nuova procedura organizzata per la generazione e la modifica delle alternative di sistema. Il problema di sintesi consiste nella definizione del tipo e del numero di componenti di un sistema, le loro connessioni materiali e i loro parametri di funzionamento. La procedura di sintesi qui proposta inizia con la definizione di una Basic Plant Configuration la quale consiste nella rappresentazione schematica di un'idea originale del sistema, comprendente tutte i componenti responsabili delle trasformazioni chimiche e meccaniche delle materie prime. La rete degli scambiatori di calore responsabile per il trasferimento di calore tra i flussi freddi e caldi del sistema non risulta pertanto compresa nella Basic Plant Configuration e la fattibilità fisica dello scambio termico è verificata applicando le regole della Pinch Analysis. Questo è anche l'approccio di molti studi pubblicati in letteratura in materia di process integration, alcuni dei quali sono presentati nel Capitolo 2. Nello stesso capitolo si affronta il problema della sintesi dei sistemi di cogenerazione. Questo sottoproblema del problema di sintesi del sito industriale totale può essere risolto seguendo diverse procedure sistematiche proposte in letteratura. I sistemi di cogenerazione sono in realtà un modo economicamente efficace per soddisfare localmente la domanda dei processi produttivi di calore e di elettricità a condizione che siano ottimamente dimensionati. Ciò può essere fatto applicando delle procedure di ottimizzazione che fanno uso di calcolatore. Una particolare attenzione viene data in questo lavoro alla formulazione della sintesi delle reti di vapore come un problema di programmazione mista intera lineare di su una sovrastruttura di rete di vapore. Questo e altri metodi proposti in letteratura per la sintesi di sistemi energetici vengono confrontati evidenziando potenzialità, debolezze e possibili criteri comuni. La sintesi di un impianto di trasformazione della canna da zucchero è studiato nei Capitoli 3 e 4. In particolare, nel Capitolo 3, si applica la procedura organizzata per la generazione e la modifica di alternative processo e si discutono le configurazioni di processo per la produzione di zucchero ed etanolo anche in modalità combinata. Ogni configurazione dell'impianto è ottimizzata al fine di ridurre al minimo la richiesta termica del processo. I principali parametri strutturali e di design soggetti all'ottimizzazione sono quelli del evaporatore multi effetto e del sottoprocesso di distillazione dell'etanolo. Nel capitolo 4 si studia la sintesi di un sistema di cogenerazione alimentato con il sottoprodotto bagassa e si valuta il potenziale di produzione di energia elettrica netta da vendere ad un eventuale mercato elettrico considerando due opzioni per la conversione della bagassa: combustione e gassificazione. Il processo per la produzione combinata di zucchero e di etanolo e il sistema di cogenerazione sono ottimizzati simultaneamente. In particolare una procedura di ottimizzazione a due livelli viene applicata in questo caso. Secondo questa procedura la struttura e la portate di massa della rete di vapore sono ottimizzate in un'iterazione interna, dove la fattibilità fisica dello scambio termico è fissata come vincolo secondo le regole della Pinch Analysis. In un'iterazione esterna di ottimizzazione invece tutti i parametri intensivi sono ottimizzati per mezzo di un ottimizzatore basato su un algoritmo genetico.