Glasnik hemičara,tehnologa i ekologa Republike Srpske, (2013) 25-36, -Vanredno izdanje- ODRŢIVO UPRAVLJANJE VODOM, OTPADNOM VODOM I ENERGIJOM U PROCESNOJ INDUSTRIJI Elvis Ahmetović 1,3, Nidret Ibrić 1, Zdravko Kravanja 2 1 Univerzitet u Tuzli, Tehnološki fakultet, Tuzla, Bosna i Hercegovina 2 Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Maribor, Slovenija ISSN 2232-755X UDC 628.3:005.642.2 DOI: 10.7251/GHTE13VI025A Voda i energija su značajni prirodni resursi koji se obično koriste u velikim količinama u procesnoj industriji. U zadnje dvije decenije su predloţeni i implementirani različiti pristupi u cilju minimizacije korištenja svjeţe vode, generisanja otpadne vode i potrošnje energije. Ranije studije su se odnosile na istraţivanje različitih strategija za minimizaciju svjeţe i otpadne vode u izotermskim mreţama vode (ponovno korištenje vode, prečišćavanje otpadne vode i njeno recikliranje), ali u skorašnjim pristupima je razmatrana i minimizacija energije zajedno sa minimizacijom svjeţe i otpadne vode. U ovom radu je predstavljena optimizacija superstrukture kao jedna od metoda za simultanu sintezu ukupnih mreţa vode, otpadne vode, i energije. U cilju ilustriranja primjenjivosti predloţenog pristupa korišten je literaturni primjer. Prvo je prezentiran osnovni slučaj problema sinteze mreţe vode. Nakon toga sintetizirane su mreţe vode korištenjem simultane optimizacije. Dobijeni rezultati su isti ili bolji od rezultata publiciranih u literaturi. Predstavljena je optimalna neizotermska mreţa vode, koja ima optimalnu potrošnju svjeţe vode, nastajanje otpadne vode, potrošnju energije i investicije, za slučaj kada su tokovi izmeďu procesnih jedinica uzeti u obzir za integraciju topline. Ključne riječi: odrţiva industrija, integracija vode, integracija energije, simultana sinteza, optimizacija superstrukture. 1. UVOD Globalna potrošnja svjeţe vode i energije u svijetu je u stalnom porastu i taj trend će se najvjerovatnije nastaviti i u budućnosti. U generalnom se moţe reći da je prosječna globalna potrošnja svjeţe vode u poljoprivredi 70%, industriji 20% dok se za potrebe stanovništva koristi oko 10% vode (1). Navedena raspodjela moţe da bude raznolika u zavisnosti od toga da li se radi o razvijenim zemljama ili zemljama u razvoju. Tako npr. u industrijski razvijenim zemljama (Kanada, Njemačka, Francuska, Amerika) industrijska potrošnja vode je znatno veća (46-80%) dok je u tim zemljama potrošnja vode za potrebe poljoprivrede znatno manja (8-42%). Industrijski sektor učestvuje u ukupnoj potrošnji energije u svijetu sa oko 51% (2). Pored velike potrošnje vode i energije u industrijskom sektoru (hemijska, prehrambena, petrohemijska, farmaceutska industrija, industrija proizvodnje papira, itd.) se generišu i velike količine otpadnih tokova koji se iz procesa ispuštaju u okolinu. U prošlosti procesna industrija je bila usmjerena uglavnom samo na povećanje profita. U zadnje vrijeme zbog uvoďenja okolišnih regulativa i strogih ograničenja na ispuštanje otpadnih tokova iz industrijskih procesa u okolinu, procesna industrija pored profitabilnosti mora zadovoljavati i načela odrţivosti procesa (3-5). U skladu s navedenim, studije odrţivog upravljanja vodom, otpadnom vodom i energijom u industriji predstavljale su aktuelni istraţivački problem u zadnjih par decenija i jedan su od glavnih fokusa istraţivanja u narednom periodu (3-10). Cilj tih istraţivanja je bio minimizirati potrošnju svjeţe vode i energije (topline) u industrijskim procesima kao i količinu otpadnih tokova koji se iz procesa ispuštaju u okolinu. Ta istraţivanja spadaju u oblast procesne sinteze (sinteze procesa) i procesne integracije (integracije procesa) koja predstavlja jednu od ključnih oblasti procesnog sistemskog inţenjerstva (PSE). Cilj procesne sinteze i procesne integracije je istraţiti cijeli proces i razviti strategije za integraciju mase i energije pri čemu se minimiziraju ukupni troškovi kao i nastajanje otpadnih tokova koji ispuštaju u okolinu. Za postizanje navedenog cilja mogu se koristiti sistemske metode kao što su pinch tehnologija i matematičko programiranje. Pinch tehnologija se prvo primjenjivala za integraciju topline (7) a nakon toga za integraciju vode (3-5). U generalnom ona se sastoji od dvije faze. Kod integracije topline, u prvoj fazi se vrši odreďivanje minimalne potrošnje energenata (ogrijevne pare i rashladne vode) prije detaljnog dizajna. Ta procedura je poznata pod terminom "targeting". U drugoj fazi se dizajnira mreţa izmjenjivača topline za utvrďenu minimalnu potrošnju energenata utvrďenu u prvoj fazi. Kod integracije vode pinch tehnologija se prvo primjenjivala za sintezu mreţe vode koja se sastoji od procesa u kojima se koristi voda a glavni cilj je bio odrediti minimalnu potrošnju svjeţe vode i minimalnu količinu nastale otpadne vode prije detaljnog dizajna mreţe vode. Nakon utvrďivanja minimalne potrošnje vode i minimalnog generisanja otpadne vode izvršena je sinteza i dizajn mreţe vode. Metoda matematičkog programiranja se bazira na optimizaciji superstrukture (11). U generalnom superstrukturna metoda se sastoji od tri koraka. U prvom koraku se vrši razvoj svih fizički mogućih alternativa koje se inkorporiraju u 3 Korespodentni autor: Elvis Ahmetović, Univerzitet u Tuzli, Tehnološki fakultet, Univerzitetska 8, 75000 Tuzla, Bosna i Hercegovina. Tel.: +387 35 320756; Faks: +387 35 320741, e-mail: elvis.ahmetovic@untz.ba. 25
E. Ahmetović i sar.: ODRŢIVO UPRAVLJANJE VODOM, OTPADNOM VODOM I ENERGIJOM U PROCESNOJ INDUSTRIJI superstrukturu. Ovdje je bitno naglasiti da ukoliko se neke konfiguracije procesnih alternativa ne inkorporiraju u superstrukturu kao rezultat se moţe imati rješenje koje nije optimalno. U drugom koraku se vrši formulacija optimizacijskog modela na osnovu sintetizirane superstrukture. Model se sastoji od funkcije cilja i ograničenja. Funkcija cilja npr. moţe da predstavlja maksimizaciju profita ili minimizaciju ukupnih troškova. Ograničenja mogu da budu tipa jednakosti i nejednakosti. Pri formulaciji modela koriste se cjelobrojne (obično binarne 0-1 variable) i kontinuirane varijable. Cjelobrojne varijable omogućavaju odabir procesnih alternativa. Tako npr. ukoliko je odabrana vrijednost binarne varijable jedan tada je odabrana procesna alternativa, a ukoliko je njena vrijednost nula tada procesna alternativa nije odabrana u rješenju. Kontinuirane varijable sluţe za odreďivanje vrijednosti procesnih parametara (protoci, koncentracije, temperature, itd.). U slučaju da je problem nelinearan i da sadrţi diskretne i kontinuirane varijable tada se model formuliše kao problem miješanog cjelobrojnog nelinearnog programiranja (MINLP). U trećem koraku se vrši rješavanje optimizacijskog modela u cilju pronalaţenja optimalnog rješenja sa stanovišta procesne konfiguracije i procesnih parametara. Cilj ovog rada je predstaviti osnove korištenja vode u procesnoj industriji, koncept sinteze mreţa vode, otpadne vode i energije u procesu i na primjeru primjeniti metodu matematičkog programiranja u cilju minimizacije potrošnje svjeţe vode, otpadne vode i energije. 2. KORIŠTENJE VODE I ENERGIJE U PROCESU Na slici 1 je predstavljen opšti prikaz korištenja vode u procesu (12, 13). Sirova voda se prije uvoďenja u proces obično prečišćava u sistemu za tretman vode. Nakon toga, svjeţa voda se moţe koristiti u procesu kao procesna voda (za operacije pripreme/pranja sirovina, separacije, apsorpcije, ekstrakcije, itd.), voda za generisanje energenata (ogrijevna para, električna energija) i voda za hlaďenje (rashladna voda) ili pak za druge namjene. Nakon korištenja vode u procesu nastaje otpadna voda, koja se obično prečišćava u sistemu za tretman otpadne vode prije ispuštanja u okolinu. S obzirom da skoro svaki proces ima potrebu za energijom (ogrijevna para, električna energija) ili rashladnom vodom onda je on u direktnoj vezi sa sistemom za generisanje energije i sa sistemom recirkulacije rashladne vode. Ukoliko su upotrebe svjeţe vode, ogrijevne pare i rashladne vode u procesu veće od minimalnih potreba tada se ima i veća ukupna potrošnja vode u procesu i veća ukupna količina otpadne vode koja se ispušta u okolinu. U tom slučaju će biti i veća potrošnja goriva u sistemu za generisanje energije, te takoďer električne energije potrebne za transport vode u ukupnom sistemu. Na taj način potrošnja prirodnih resursa (npr. vode, goriva za generisanje energije, ogrijevne pare i električne energije, iz vode) potrebnih za funkcionisanje procesa je veća. TakoĎer, veća je i količina otpadnih tokova (npr. otpadna voda, isparena voda u rashladnim tornjevima sistema za recirkulciju rashladne vode, otpadni plinovi, itd.) koji se iz procesa ispuštaju u okolinu. Takav slučaj funkcionisanja procesa nije ekonomičan a takoďer ni ekološko odrţiv. 26
Glasnik hemičara,tehnologa i ekologa Republike Srpske, (2013) 25-36, -Vanredno izdanje- Slika 1. Tipično korištenje vode u hemijskoj procesnoj industriji (12, 13). Figure 1. Typical water uses in the chemical process industries (12, 13). U cilju postizanja ekonomsko efikasnih i ekološko odrţivih procesa potrebno je smanjiti potrošnju prirodnih resursa potrebnih za funkcionisanje procesa kao i količinu otpadnih tokova koji se iz procesa ispuštaju u okolinu što predstavlja osnovni koncept procesne integracije (14). Potrebe procesa za procesnom vodom, energijom (npr. ogrijevna para, električna energije) i rashladnom vodom će biti manje ukoliko se ima integracija vode i energije u procesnom sistemu. Cilj integracije vode je smanjiti potrošnju svjeţe vode i generisane otpadne vode a cilj integracije energije je smanjiti potrošnju energije (topline) u procesu. Integracija vode u mreţi komponovanoj od procesnih i regeneracijskih (tretman) jedinica se moţe postići ukoliko se ima ponovno korištenje vode, regeneracija i ponovno korištenje vode, regeneracija i recirkulacija vode (slika 2). TakoĎer, izmjenama opreme u procesu moţe se smanjiti potreba procesa za vodom. Na primjer, rashladni tornjevi koji koriste vodu mogu se zamijenjeni sa hladnjacima koji koriste zrak, ili u slučaju procesa pranja moţe se povećati broj stepeni (10, 15). Svjeţa voda se koristi u procesnim operacijama u kojima se na tok vode prenosi maseno opterećenje kontaminanata i nastala otpadna voda se ispušta iz procesnih operacija (slika 2a). Otpadni tok vode iz jedne procesne operacije se moţe ponovo koristiti u drugim procesnim operacijama (slika 2b) ukoliko je sadrţaj kontaminanata u toku manji od maksimalnog dozvoljenog sadrţaja kontaminanata na ulazu u druge procesne operacije (ponovno korištenje vode). 27
E. Ahmetović i sar.: ODRŢIVO UPRAVLJANJE VODOM, OTPADNOM VODOM I ENERGIJOM U PROCESNOJ INDUSTRIJI Slika 2. Ponovno korištenje vode, regeneracija i ponovno korištenje i regeneracija i recikliranje vode (13). Figure 2. Water reuse, regeneration and water reuse, regeneration and water recycling (13). TakoĎer tok otpadne vode iz jedne procesne operacije moţe se miješati sa tokom otpadne vode iz druge operacije i/ili sa tokom svjeţe vode. Pod ponovnim korištenjem vode se podrazumijeva da se tok vode iz jedne procesne jedinice moţe usmjeriti prema ostalim procesnim operacijama. U slučaju kada se tok vode iz jedne procesne operacije uvodi u istu procesnu operaciju tada se ima lokalna recirkulacija vode oko procesne jednice. Lokalna recirkulacija moţe smanjiti ukupnu potrošnju vode. MeĎutim, u nekim slučajevima uslijed lokalne recirkulacije vode moţe se imati nagomilavanje kontaminanata u procesu pa je u tom slučaju ona nepoţeljna. Otpadni tokovi vode iz procesnih jedinica se obično usmjeravaju u sistem regeneracije (tretman jedinice) u kome se vrši regeneracija otpadne vode odnosno djelimično uklanjanje kontaminanata. Nakon toga se prečišćena voda moţe ponovo koristiti u procesu (slika 2c), ali ne u procesnim operacijama u kojima je bila prethodno korištena (regeneracija i ponovno korištenje vode). Pored navedenog regenerirana voda, iz koje su uklonjeni kontaminanti, moţe se reciklirati i koristiti (slika 2d) u svim procesnim operacijama (regeneracija i recikliranje vode). Navedeni slučajevi predstavljaju osnovne načine minimizacije svjeţe i otpadne vode koji se koriste pri sintezi mreţa vode u procesima. Integracija energije (topline) u procesu se moţe postići ukoliko se topli i hladni tokovi integriraju u mreţi izmjenjivača topline (7) tako da samo ukoliko se ne mogu postići ciljne temperature tih tokova vrši se dodatno grijanje sa ogrijevnom parom i hlaďenje sa rashladnom vodom. U skladu s navedenim, u narednom dijelu su predstavljene osnove koncepta sinteze mreţa vode, otpadne vode i energije. 3. SINTEZA MREŢA VODE, OTPADNE VODE I ENERGIJE Jedan od osnovnih ciljeva procesne sinteze i procesne integracije predstavlja smanjivanje potrošnje svjeţe vode, nastajanja otpadne vode i potrošnje energije u procesu. U skladu s navedenim, neke od značajnih oblasti procesne sinteze su sinteza mreţe izmjenjivača topline (7), sinteza mreţa vode i otpadne vode (3-6, 16) odnosno sinteza kombinovanih mreţa izmjenjivača topline i mreţa vode (2, 17-23). Jedan od ciljeva ovog rada je istaknuti značaj navedenih mreţa u sintezi i dizajniranju ekološko odrţivih industrijskih procesa. Počeci intenzivnijih istraţivanja u oblasti sinteze mreţe izmjenjivača topline i integracije topline su vezani za porast cijene energije a datiraju iz 1970 i 80-tih godina (24-32). Navedena istraţivanja su još uvijek popularna jer se 28
Glasnik hemičara,tehnologa i ekologa Republike Srpske, (2013) 25-36, -Vanredno izdanje- integracijom topline smanjuje potreba za pogonskim sredstvima (ogrijevna para, rashladna voda) u procesu i zadovoljava princip odrţivosti procesa. Mreţa izmjenjivača topline se sastoji od izmjenjivača topline, grijača i hladnjaka te njihovih meďusobnih konekcija. U mreţu izmjenjivača topline se uvode topli i hladni procesni tokovi i pogonska sredstva (energenti). Cilj sinteze je dizajnirati mreţu izmjenjivača topline u kojoj se ima maksimalna rekuperacija topline, koja se ostvaruje integracijom topline izmeďu toplih i hladnih tokova. U slučaju da se na taj način ne mogu dostići ciljne temperature toplih odnosno hladnih tokova vrši se dodatno hlaďenje ili grijanje tokova sa energentima (rashladna voda, ogrijevna para). Detaljan prikaz publiciranih radova u vezi sinteze mreţe izmjenjivača topline je raspoloţiv u preglednom radu (7). Pored istraţivačkih studija u oblasti minimiziranja potrošnje topline i sinteze mreţe izmjenjivača topline u procesima, fokus istraţivača je bio usmjeren i na minimiziranje potrošnje svjeţe vode koja se koristi u procesu, minimiziranju količine otpadne vode koja se iz procesa ispušta u okolinu, te dizajniranju sistema mreţe vode i otpadne vode. Prve studije i novi sistemski pristupi u toj oblasti datiraju iz početka 1980-tih godina (33) dok veći interes u ovoj oblasti se javlja sredinom 1990-tih godina (10, 15). U tim studijama razmatrane su opcije ponovnog korištenja vode, regeneracije i ponovnog korištenja vode, regeneracije i recikliranja vode, te uvoďenja izmjena u procesu koje bi kao rezultat imale smanjenje potrošnje vode i nastajanja otpadne vode. U početku istraţivanja su prvo separatno studirane mreţe vode (mreţe procesnih jednica u kojima se koristi voda) i mreţe otpadne vode (mreţe tretman jedinica u kojima se prečišćava otpadna voda). Nakon toga su mreţe procesnih i tretman jedinica integrirane u jednu integralnu mreţu i problem minimizacije svjeţe vode i otpadne vode je riješen za integralnu mreţu. Takav integralni pristup je omogućio pronalaţenje boljih rješenja u odnosu na sekvencijsko rješavanje problema mreţe vode i mreţe otpadne vode. Navedena istraţivanja su još uvijek aktuelna i veliki broj radova je publiciran u ovoj oblasti. S obzirom da u procesu postoje uzajamne interakcije izmeďu potrošnje energije i vode, daljnja istraţivanja su bila usmjerena na studiranje veza izmeďu vode i energije u procesu jer je na takav način moguće istovremeno smanjiti potrošnju vode i potrošnju energije u procesu. Prva studija u toj oblasti datira iz 1998. godine (34). U tim istraţivanjima mreţa vode (mreţa procesnih jedinica u kojima se koristi voda) je studirana sa mreţom izmjenjivača topline. Ta istraţivanja su postala jako aktuelna u periodu nakon 1998. godine (2, 4, 6, 17-23, 35-55). Za sintezu kombinovanih mreţa vode i izmjenjivača topline korištene su sistemske metode (pinch tehnologija i matematičko programiranje) i sekvencijske i simultane strategije rješavanja problema sinteze ukupne mreţe. Pri sekvencijskoj strategiji rješavanja ukupnog problema prvo je riješena mreţa vode a nakon toga mreţa izmjenjivača topline, dok su u simultanoj strategiji obije mreţe rješavane istovremeno. Prednost sekvencijske strategije je u hijerarhijskoj dekompoziciji ukupnog problema sinteze na manje probleme, koje je jednostavnije riješiti, a nedostatak što najbolji kompromis izmeďu potrošnje vode, potrošnje energije i investicija se ne moţe utvrditi. Prednost simultane strategije je u integralnom rješavanju problema i sistemskom istraţivanju svih interakcija izmeďu navedenih mreţa, a nedostatak je povećana kompleksnost problema i njegovo teţe rješavanje. Daljni fokus u sintezi toplinsko integriranih mreţa vode bio je usmjeren na studiranje kombinovane mreţe komponovane od mreţe vode, mreţe otpadne vode i mreţe izmjenjivača topline. MeĎutim do sada je objavljeno samo nekoliko radova (19, 20, 42, 56) u toj oblasti, i najvjerovatnije to će biti fokus daljnih istraţivanja u ovoj oblasti. Simultana optimizacija takvih integralnih mreţa omogućava istovremenu optimizaciju potrošnje svjeţe vode, nastajanja otpadne vode i potrošnje energije u procesu. U narednom dijelu predloţen je i opisan novi konceptualni prikaz takve mreţe (slika 3). Ukupna mreţa se sastoji od mreţe procesnih jedinica, mreţe izmjenjivača topline, mreţe tretman jedinica i njihovih meďusobnih konekcija. Svjeţa voda se moţe direktno uvoditi u mreţu procesnih jedinica ili grijati i/ili hladiti u mreţi izmjenjivača topline. U mreţi procesnih jedinica sa procesnog toka na tok vode se prenosi maseno opterećenje kontaminanata pri čemu nastaje otpadna voda. S obzirom da se procesne jedinice eksploatišu na odreďenim temperaturama tokovi vode na izlazu iz mreţe procesnih jedinica mogu da budu topli i/ili hladni. Ti tokovi se uvode u mreţu izmjenjivača topline u cilju integracije topline da bi se zadovoljila temperaturna ograničenja u ukupnoj mreţi. U slučaju da se integracijom topline nisu postigle ciljne temperature u mreţi tada se vrši dodatno grijanje i hlaďenje sa raspoloţivim energentima ili pogonskim sredstvima (ogrijevna para, rashladna voda). TakoĎer u mreţi procesnih jedinica je moguće ponovno korištenje vode iz jedne procesne jedinice u drugoj procesnoj jedinici ukoliko su time zadovoljena ograničenja na sadrţaj kontaminanata i temperaturu u drugoj procesnoj jedinici. Pored navedenog, tokovi otpadne vode iz mreţe procesnih jedinica mogu da budu usmjereni u mreţu tretman jedinica u cilju tretmana otpadne vode i njenog ponovnog korištenja i recikliranja. Tokovi vode na izlazu iz tretman jedinica mogu da budu topli i/ili hladni i oni se uvode u mreţu izmjenjivača topline u cilju integracije topline, te ako nisu dostignute ciljne temperature tokova vrši se dodatno grijanje i/ili hlaďenje sa energentima. TakoĎer, tokovi vode na izlazu iz tretman jedinica mogu da budu usmjereni u mreţu za tretman otpadne vode u cilju regeneracije i ponovnog korištenja odnosno regeneracije i recikliranja vode (vidi sliku 2 c, d) ili kao tok efluenta ispušteni u okolinu pri čemu mora biti zadovoljeno ograničenje u odnosu na maksimalan sadrţaj kontaminanata u toku i temperaturu toka koji se ispušta u okolinu. TakoĎer, istraţivanje integriranosti mreţe procesnih jednica, tretman jedinica i mreţe izmjenjivača topline (slika 3) sa procesnom mreţom u kojoj se ima reakcijski i separcijski sistem bi moglo da bude fokus budućih istraţivanja u ovoj oblasti. 29
E. Ahmetović i sar.: ODRŢIVO UPRAVLJANJE VODOM, OTPADNOM VODOM I ENERGIJOM U PROCESNOJ INDUSTRIJI Slika 3. Koncept integralne mreţe procesnih jedinica, mreţe izmjenjivača topline i mreţe za tretman otpadne vode. Figure 3. The concept of an integrated process units network, heat exchangers network, and wastewater treatment network. 4. ILUSTRATIVNI PRIMJER U ovoj sekciji rada je na konkretnom primjeru prikazana primjena metode matematičkog programiranja koja se bazira na optimizaciji superstrukture. U cilju ilustriranja primjenjivosti navedenog pristupa korišten je literaturni primjer (2, 20). Za navedeni primjer prvo je predstavljena konvencionalna izotermska mreţa procesnih jedinica u kojima se koristi samo svjeţa voda i nastaje otpadna voda. Nakon toga je dizajnirana izotermska mreţa procesnih jedinica u kojoj se ima ponovno korištenje vode i utvrďena je minimalna potrošnja vode. MeĎutim, u praksi procesne jedinice se eksploatišu na odreďenim radnim temperaturama, svjeţa voda koja se usmjerava prema procesnim jedinicama je odreďene temperature i postavljena su ograničenja na temperaturu otpadne vode koja se ispušta u okolinu. Iz toga je očigledno da u procesu postoji veza izmeďu potrošnje vode i potrošnje energije tako da je u narednom dijelu rada predstavljen dizajn neizotermske toplinsko integrirane mreţe vode koji je dobijen simultanom optimizacijom mreţe procesnih jedinica i mreţe izmjenjivača topline. 4.1. FORMULACIJA PROBLEMA Mreţa procesnih jedinica u kojima se koristi voda se sastoji od tri procesne jedinice čiji su podaci za maseno opterećenje kontaminanata koje se prenosi na vodu, maksimalnu koncentraciju kontaminanta u ulaznom i izlaznom toku iz procesne jedinice dati u tabeli 1. Na bazi tih podataka izračunat je granični protok za procesne jedinice. Procesne jedinice se eksploatišu na radnim temperaturama kako je predstavljeno u tabeli 1. 30
Glasnik hemičara,tehnologa i ekologa Republike Srpske, (2013) 25-36, -Vanredno izdanje- Tabela 1. Podaci za procesne jedinice. Table 1. Process units data. Procesna jedinica Process unit L PU (g/s) max c in (ppm) max c out (ppm) Granični protok vode Limiting water flowrate (kg/s) Temperatura Temperature ( C) 1 5 50 100 100 100 2 30 50 800 40 75 3 50 800 1100 166.7 100 max L Maseno opterećenje kontaminanta/mass load of contaminant (g/s); c Maksimalna ulazna PU max koncentracija kontaminanta/maximum inlet contaminant concentration (ppm); c Maksimalna izlazna out koncentracija kontaminanta/maximum outlet contaminant concentration (ppm) in Izvor svjeţe vode je bez kontaminanata i temperature 20 C. Voda koja se ispušta u okolinu je temperature 30 C. Toplo pogonsko sredstvo koje je na raspolaganju je vodena para temperature 120 C. Rashladno pogonsko sredstvo predstavlja rashladnu vodu čija je ulazna temperatura 10 C i izlazna temperatura 20 C. Cijena svjeţe vode je 0.375 $/t dok je cijena toplog i hladnog pogonskog sredstva 377 $/(kw y) odnosno 189 $/(kw y). Ukupni koeficijent prenosa topline iznosi 0.5 kw/(m 2 K). Investicijski troškovi za izmjenjivače topline sa cijevnim snopom i plaštom su procijenjeni prema jednačini 8000+1200 A 0.6 pri čemu je A površina izmjenjivača topline (m 2 ). Investicijski troškovi za izmjenjivače topline su svedeni na godišnji nivo. Pretpostavljeno je da se mreţa eksploatiše 8000 h/y, i da je specifični toplinski kapacitet vode konstantan i iznosi 4.2 kj/(kg K). Potrebno je prvo dizajnirati izotermsku mreţu procesnih jedinica u kojoj se ima minimalna potrošnja vode i nastale otpadne vode. Nakon toga predstaviti optimalnu neizotermsku toplinsko integriranu mreţu u kojoj se ima minimalna potrošnja svjeţe vode i energije, te minimalno generisanje otpadne vode. 4.2. KONVENCIONALNI PRIKAZ IZOTERMSKE MREŢE VODE Konvencionalni prikaz mreţe procesnih jedinica (slika 4) predstavlja osnovni slučaj kada sve procesne jedinice koriste samo svjeţu vodu. U procesnim jedinicama se na tok vode prenosi fiksno maseno opterećenje kontaminanata tako da izlazna voda iz procesnih jedinica predstavlja otpadnu vodu. TakoĎer u ovom slučaju je razmotrena izotermska mreţa vode pri čemu temperature svjeţe vode, procesnih jedinica i otpadne vode nisu uzete u obzir. Minimalna potrošnja svjeţe vode u procesnoj jedinici je postignuta kada voda ulazi u procesnu jedinicu sa koncentracijom kontaminata 0 ppm a napušta procesnu jedinicu sa maksimalno dozvoljenom koncentracijom. Koristeći podatke iz tabele 1 i uzimajući pretpostavku da je isti protok vode na ulazu i izlazu iz procesnih jedinica odreďena je minimalna potrošnja vode (132.955 kg/s) koja je jednaka protoku toka otpadne vode koji se ispušta u okolinu. Konvencionalni dizajn mreţe vode je prikazan na slici 4. 31
E. Ahmetović i sar.: ODRŢIVO UPRAVLJANJE VODOM, OTPADNOM VODOM I ENERGIJOM U PROCESNOJ INDUSTRIJI Slika 4. Svjeţa voda je korištena u svim procesnim jedinicama. Figure 4. Freshwater used in all process units. 4.3. OPTIMALNI DIZAJN MREŢE VODE SA PONOVNIM KORIŠTENJEM VODE U PROCESU Voda na izlazu iz jedne procesne jedinice se moţe ponovo koristiti u drugoj procesoj jedinici ako je zadovoljeno ograničenje na maksimalno dozvoljenu koncentraciju kontaminanta u ulaznom toku vode u drugoj procesnoj jedinici. U tom slučaju se moţe smanjiti potrošnja svjeţe vode i nastale otpadne vode u procesu. Optimizacijom modela superstrukture potrebno je dobiti optimalnu alternativu sa stanovišta minimalne potrošnje svjeţe vode. U cilju dobijanja optimalne mreţe sa ponovnim korištenjem vode u procesu korišten je optimizacijski model (16) a dobijeni dizajni mreţe u kome se ima minimalna potrošnja vode (77.273 kg/s) su predstavljeni na slici 5. U tim mreţama tok vode na izlazu iz procesne jedinice 1 (PU 1 ) je ponovno korišten u procesnim jedinicama PU 2 i PU 3, a tok vode na izlazu iz procesne jedinice PU 2 je ponovno korišten u procesnoj jedinici PU 3. Dizajn mreţe na slici 5b je jednostavniji jer ima manje jednu konekciju u odnosu na dizajn prikazan na slici 5a. Kao rezultat ponovnog korištenja vode, potrošnja svjeţe vode i količina generirane otpadne vode je smanjena za oko 41.9 % (sa 132.955 na 77.273 kg/s). a) b) Slika 5. Optimalni dizajni mreţe vode sa ponovnim korištenjem vode. Figure 5. Optimal designs of water network with water reuse. 32
Glasnik hemičara,tehnologa i ekologa Republike Srpske, (2013) 25-36, -Vanredno izdanje- 4.4. OPTIMALNI DIZAJN NEIZOTERMSKE TOPLINSKO INTEGRIRANE MREŢE VODE U većini realnih situacija u mreţi vode se pored zadovoljavanja ograničenja na sadrţaj kontaminanata moraju zadovoljiti i ograničenja u odnosu na temperature. U takvim slučajevima se mreţa vode i mreţa izmjenjivača topline trebaju razmotriti zajedno u cilju minimizacije potrošnje svjeţe vode i pogonskih sredstava (ogrijevna para, rashladna voda). Ukoliko se integracijom topline u mreţi izmeďu toplih i hladnih tokova nisu dostigle ciljne temperature tokova potrebno je vršiti dodatno grijanje i/ili hlaďenje tokova koristeći pogonska sredstva (ogrijevna para, rashladna voda) u cilju zadovoljenja postavljenih temperaturnih ograničenja. U prethodnom slučaju superstruktura mreţe vode je optimirana za izotermske uslove pri čemu je u dizajnu mreţe (slika 5) minimalna potrošnja svjeţe i nastale otpadne vode bila 77.273 kg/s. S obzirom da se u ovom slučaju pored ograničenja na sadrţaj kontaminanata u toku koji se uvodi u procesne jedinice moraju zadovoljiti i ograničenja temperatura potrebno je izvršiti simultanu optimizaciju superstrukture mreţe procesnih jedinica, u kojoj se vrši integracija vode, i mreţe izmjenjivača topline, u kojoj se vrši integracija topline. Optimizacijom modela superstrukture (21, 55, 57) potrebno je odabrati optimalnu alternativu sa stanovišta minimalnih ukupnih troškova mreţe koji se sastoje od troškova svjeţe vode, troškova pogonskih sredstva (ogrijevna para, rashladna voda) i investicijskih troškova izmjenjivača topline. U ovom slučaju simultanom optimizacijom se istraţuje dizajn mreţe u kome se ima najbolji kompromis izmeďu navedenih troškova. Rezultati optimizacije za scenarije superstrukture mreţe (slučajevi 1-4) su predstavljeni u tabeli 2 (55). Optimalna potrošnja vode, količina nastale otpadne vode, i ukupni godišnji troškovi u slučajevima 2-4 su manji od istih rezultata za slučaj 1. Na slici 6 je predstavljen optimalni dizajn toplinsko integrirane mreţe vode (slučaj 4) u kome se imaju dva izmjenjivača topline i dva grijača. Ukupna potrošnja toplog pogonskog sredstva je 3245.5 kw. Najniţi ukupni godišnji troškovi toplinsko integrirane mreţe vode su postignuti sa najsloţenom superstrukturom i iznose 2 422 531.7 $/y. Table 2. Komparacija različitih dizajna toplinsko integrirane mreţe vode Table 2. Comparison of different designs of heat-integrated water networks. Slučaj 1 Slučaj 2 Slučaj 3 Slučaj 4 Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Potrošnja svjeţe vode Freshwater consumption (kg/s) 87.2 77.273 77.273 77.273 Potrošnja toplog energenta Hot utility consumption (kw) 3671.4 3245.5 3245.5 3245.5 Godišnja investicija Annual investment ($/a) 305 913.3 396 966.3 389 679.8 364 449.9 Ukupni troškovi Total annual cost ($/a) 2 631 805.4 2 455 048.1 2 447 761.7 2 422 531.7 Slučaj 1. Rezultati iz (20); Case 1. Results from (20); Slučaj 2. Tokovi između procesnih jedinica nisu uzeti u obzir za toplinsku integraciju (57); Case 2. Process-to-process streams were not taken into account for heat integration (57); Slučaj 3. Neizotermsko miješanje nakon izmjene topline i tokovi između procesnih jedinica nisu uzeti u obzir za toplinsku integraciju; Case 3. Non-isothermal mixing after matches and process-to-process streams were not taken into account for heat integration; Slučaj 4. Procesni tokovi su uzeti u obzir za toplinsku integraciju; Case 4. Processto-process streams are taken into account for HI. 33
E. Ahmetović i sar.: ODRŢIVO UPRAVLJANJE VODOM, OTPADNOM VODOM I ENERGIJOM U PROCESNOJ INDUSTRIJI Slika 6. Optimalni dizajn toplinsko integrirane mreţe vode kada su tokovi izmeďu procesnih jedinica uzeti u obzir za toplinsku integraciju (55). Figure 6. Optimal design of heat-integrated water network when process-to-process streams are taken into account for heat integration (55). 5. ZAKLJUČCI U ovom radu je istaknut značaj primjene sistemskih metoda, pinch tehnologije i matematičkog programiranja, u dizajniranju ekonomsko efikasnih i ekološko odrţivih procesa odnosno njihova primjena u odrţivom upravljanju vodom, otpadnom vodom i energijom u procesnoj industriji. Predstavljen je opšti koncept korištenja vode u industrijskim procesima i istaknut je značaj ponovnog korištenja vode, regeneracije i ponovnog korištenja vode i regeneracije i recikliranja vode u cilju smanjenja potrošnje svjeţe vode kao i nastajanja otpadne vode. Nakon toga je diskutovana suština sinteze mreţa izmjenjivača topline, vode i otpadne vode i predstavljen je novi koncept sinteze kombinovanih mreţa izmjenjivača topline, vode i otpadne vode i date su smjernice za moguća buduća istraţivanja u toj oblasti. Na kraju je na konkretnom primjeru prikazana primjena metode matematičkog programiranja, koja se bazira na optimizaciji superstrukture, i predstavljeni su rezultati za izotermsku i neizotermsku mreţu vode. U prvom slučaju dobijeni rezultati su isti kao rezultati u literaturi, dok su u slučaju neizotermskih toplinsko integriranih mreţa prikazani poboljšani rezultati sa stanovišta integriranosti mreţe i ukupnih godišnjih troškova. ZAHVALE Autori se zahvaljuju podršci od strane EM JoinEU-SEE, EM2-STEM i CEEPUS programa za finansijsku podršku u vezi mobilnosti, sticanja novih znanja i usavršavanja, te za finansijsku podršku od strane Slovenske agencije za istraţivanje (Program broj: P2-0032). LITERATURA 1.Davé, B. Water and Sustainable Development: Opportunities for the Chemical Sciences: A Workshop Report to the Chemical Sciences Roundtable. Washington (DC): National Academies Press (US); 2004. Dostupno na: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk83724/ (29.08.2013.). 2.Bagajewicz, M., Rodera, H., Savelski, M. Energy efficient water utilization systems in process plants. Computers & Chemical Engineering, 26(1) (2002), 59-79. 3.Bagajewicz, M. A review of recent design procedures for water networks in refineries and process plants. Computers & Chemical Engineering, 24(9 10) (2000), 2093-113. 4.Jeżowski, J. Review of Water Network Design Methods with Literature Annotations. Ind Eng Chem Res, 49(10) (2010), 4475-516. 34
Glasnik hemičara,tehnologa i ekologa Republike Srpske, (2013) 25-36, -Vanredno izdanje- 5.Foo, D.C.Y. State-of-the-Art Review of Pinch Analysis Techniques for Water Network Synthesis. Ind Eng Chem Res, 48(11) (2009), 5125-59. 6.Klemeš, J.J. Industrial water recycle/reuse. Current Opinion in Chemical Engineering, 1(3) (2012), 238-45. 7.Furman, K.C., Sahinidis, N.V. A Critical Review and Annotated Bibliography for Heat Exchanger Network Synthesis in the 20th Century. Ind Eng Chem Res, 41(10) (2002), 2335-70. 8.Gundersen, T., Naess, L. The synthesis of cost optimal heat exchanger networks: An industrial review of the state of the art. Heat Recovery Systems and CHP, 10(4) (1990), 301-28. 9.Klemeš, J.J., Editor. Handbook of Process Integration (PI): Minimisation of energy and water use, waste and emissions. Woodhead Publishing Limited, Cambridge (2013). 10.Wang, Y.P., Smith, R. Waste-Water Minimization with Flow-Rate Constraints. Chem Eng Res Des, 73(8) (1995), 889-904. 11.Biegler, L.T., Grossmann, I.E., Westerberg, A.W.: Systematic methods of chemical process design, Prentice-Hall, New Jersey (1997). 12.Mann, J.G., Liu, Y.A.: Industrial water reuse and wastewater minimization, McGraw Hill, New York (1999). 13.Smith, R.: Chemical process design and integration, John Wiley & Sons Ltd., Chichester (2005). 14.El-Halwagi, M.M.: Sustainable Design Through Process Integration, Fundamentals and Applications to Industrial Pollution Prevention, Resource Conservation, and Profitability Enhancement, Butterworth-Heinemann, Oxford (2012). 15.Wang, Y.P., Smith, R. Wastewater minimisation. Chemical Engineering Science, 49(7) (1994), 981-1006. 16.Ahmetović, E., Grossmann, I.E. Global superstructure optimization for the design of integrated process water networks. AIChE Journal, 57(2) (2011), 434-57. 17.Savulescu, L., Kim, J.-K., Smith, R. Studies on simultaneous energy and water minimisation Part I: Systems with no water re-use. Chemical Engineering Science, 60(12) (2005), 3279-90. 18.Savulescu, L., Kim, J.-K., Smith, R. Studies on simultaneous energy and water minimisation Part II: Systems with maximum re-use of water. Chemical Engineering Science, 60(12) (2005), 3291-308. 19.Bogataj, M., Bagajewicz, M.J. Synthesis of non-isothermal heat integrated water networks in chemical processes. Computers & Chemical Engineering, 32(12) (2008), 3130-42. 20.Dong, H.-G., Lin, C.-Y., Chang, C.-T. Simultaneous optimization approach for integrated water-allocation and heatexchange networks. Chemical Engineering Science, 63(14) (2008), 3664-78. 21.Ahmetović, E., Kravanja, Z. Simultaneous synthesis of process water and heat exchanger networks. Energy, 57 (2013), 236-50. 22.Yang, L., Grossmann, I.E. Water Targeting Models for Simultaneous Flowsheet Optimization. Ind Eng Chem Res, 52(9) (2013), 3209-24. 23.Leewongtanawit, B., Kim, J.-K. Synthesis and optimisation of heat-integrated multiple-contaminant water systems. Chemical Engineering & Processing: Process Intensification, 47(4) (2008), 670-94. 24.Grossmann, I.E., Sargent, R.W.H. Optimum design of heat exchanger networks. Computers & Chemical Engineering, 2(1) (1978), 1-7. 25.Linnhoff, B., Flower, J.R. Synthesis of heat exchanger networks: I. Systematic generation of energy optimal networks. AIChE Journal, 24(4) (1978), 633-42. 26.Linnhoff, B., Flower, J.R. Synthesis of heat exchanger networks: II. Evolutionary generation of networks with various criteria of optimality. AIChE Journal, 24(4) (1978), 642-54. 27.Linnhoff, B., Mason, D.R., Wardle, I. Understanding heat exchanger networks. Computers & Chemical Engineering, 3(1 4) (1979), 295-302. 28.Flower, J.R., Linnhoff, B. A thermodynamic-combinatorial approach to the design of optimum heat exchanger networks. AIChE Journal, 26(1) (1980), 1-9. 29.Cerda, J., Westerberg, A.W., Mason, D., Linnhoff, B. Minimum utility usage in heat exchanger network synthesis A transportation problem. Chemical Engineering Science, 38(3) (1983), 373-87. 30.Linnhoff, B., Dunford, H., Smith, R. Heat integration of distillation columns into overall processes. Chemical Engineering Science, 38(8) (1983), 1175-88. 31.Townsend, D.W., Linnhoff, B. Heat and power networks in process design. Part I: Criteria for placement of heat engines and heat pumps in process networks. AIChE Journal, 29(5) (1983), 742-8. 32.Townsend, D.W., Linnhoff, B. Heat and power networks in process design. Part II: Design procedure for equipment selection and process matching. AIChE Journal, 29(5) (1983), 748-71. 33.Takama, N., Kuriyama, T., Shiroko, K., Umeda, T. Optimal water allocation in a petroleum refinery. Computers & Chemical Engineering, 4(4) (1980), 251-8. 34.Savulescu, L.E., Smith, R. Simultaneous energy and water minimisation. 1998; Presented at the 1998 AIChE Annual Meeting, Miami Beach, FL.; 1998. 35.Savulescu, L.E., Sorin, M., Smith, R. Direct and indirect heat transfer in water network systems. Applied Thermal Engineering, 22(8) (2002), 981-8. 36.Bogataj, M., Bagajewicz, M.J. Design of non-isothermal process water networks. In: Valentin, P., Paul Şerban, A., editors. Computer Aided Chemical Engineering: Elsevier; 2007. p. 377-82. 37.Liao, Z., Wu, J., Jiang, B., Wang, J., Yang, Y. Design Energy Efficient Water Utilization Systems Allowing Operation Split. Chinese Journal of Chemical Engineering, 16(1) (2008), 16-20. 38.Kim, J., Kim, J., Kim, J., Yoo, C., Moon, I. A simultaneous optimization approach for the design of wastewater and heat exchange networks based on cost estimation. Journal of Cleaner Production, 17(2) (2009), 162-71. 39.Leewongtanawit, B., Kim, J.-K. Improving energy recovery for water minimisation. Energy, 34(7) (2009), 880-93. 35
E. Ahmetović i sar.: ODRŢIVO UPRAVLJANJE VODOM, OTPADNOM VODOM I ENERGIJOM U PROCESNOJ INDUSTRIJI 40.Xiao, W., Zhou, R.-j., Dong, H.-G., Meng, N., Lin, C.-Y., Adi, V. Simultaneous optimal integration of water utilization and heat exchange networks using holistic mathematical programming. Korean Journal of Chemical Engineering, 26(5) (2009), 1161-74. 41.Ahmetović, E., Mart n, M., Grossmann, I.E. Optimization of Energy and Water Consumption in Corn-Based Ethanol Plants. Ind Eng Chem Res, 49(17) (2010), 7972-82. 42.Chen, C.-L., Liao, H.-L., Jia, X.-P., Ciou, Y.-J., Lee, J.-Y. Synthesis of heat-integrated water-using networks in process plants. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 41(4) (2010), 512-21. 43.George, J., Sahu, G.C., Bandyopadhyay, S. Heat Integration in Process Water Networks. Ind Eng Chem Res, 50(7) (2010), 3695-704. 44.Polley, G.T., Picón-Núñez, M., López-Maciel, J.d.J. Design of water and heat recovery networks for the simultaneous minimisation of water and energy consumption. Applied Thermal Engineering, 30(16) (2010), 2290-9. 45.Bandyopadhyay, S., Sahu, G.C. Energy targeting in heat integrated water networks with isothermal mixing. In: E.N. Pistikopoulos, M. C. G., Kokossis, A. C., editors. Computer Aided Chemical Engineering: Elsevier; 2011. p. 1989-93. 46.Chew, I.M.L., Foo, D.C.Y., Lam, H.L., Bonhivers, J.C., Stuart, P., Savulescu, L.E., et al. Simultaneous Water and Energy Optimisation for a Pulp and Paper Mill. Chemical Engineering Transactions 25 (2011), 441-6. 47.George, J., Sahu, G.C., Bandyopadhyay, S. Heat Integration in Process Water Networks. Ind Eng Chem Res, 50(7) (2011), 3695-704. 48.Boix, M., Pibouleau, L., Montastruc, L., Azzaro-Pantel, C., Domenech, S. Minimizing water and energy consumptions in water and heat exchange networks. Applied Thermal Engineering, 36(0) (2012), 442-55. 49.Ibrić, N., Ahmetović, E., Kravanja, Z., editors. A sequential approach for the synthesis of heat-integrated water networks. Slovenian Chemical Days 2012; 2012 12-14 September; Portoroţ, Slovenia. 50.Sahu, G.C., Bandyopadhyay, S. Energy optimization in heat integrated water allocation networks. Chemical Engineering Science, 69(1) (2012), 352-64. 51.Yiqing, L., Tingbi, M., Sucai, L., Xigang, Y. Studies on the effect of non-isothermal mixing on water-using network's energy performance. Computers & Chemical Engineering, 36(0) (2012), 140-8. 52.Ahmetović, E., Ibrić, N., Kravanja, Z. Application of simultaneous optimization model for the synthesis of pinched heat-integrated water networks. SDEWES 2013 - The 8th Conference on Process Integration, Modelling and Optimization for Energy Saving and Pollution Reduction; 2013 22-27.09.2013; Dubrovnik, Croatia. 2013. 53.Chew, I.M.L., Foo, D.C.Y., Bonhivers, J.-C., Stuart, P., Alva-Argaez, A., Savulescu, L.E. A model-based approach for simultaneous water and energy reduction in a pulp and paper mill. Applied Thermal Engineering, 51(1 2) (2013), 393-400. 54.Ibrić, N., Ahmetović, E., Kravanja, Z. A two-step solution strategy for the synthesis of pinched and threshold heatintegrated process water networks. Chemical Engineering Transactions, 35 (2013). 55.Ahmetović, E., Kravanja, Z. Simultaneous optimization of heat-integrated water networks involving process-toprocess streams for heat integration, Applied Thermal Engineering, In Press, Corrected Proof, (2013). Dostupno na: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s1359431113004249, (18.6.2013). 56.Ibrić, N., Ahmetović, E., Kravanja, Z., editors. Synthesis of heat-integrated water networks including wastewater regeneration Slovenian Chemical Days 2013; 2013 12-14 September; Maribor, Slovenia. 57.Ahmetović, E., Kravanja, Z. Solution strategies for the synthesis of heat-integrated process water networks. Chemical Engineering Transactions, 29 (2012), 1015-20. SUSTAINABLE WATER, WASTEWATER, AND ENERGY MANAGEMENT IN THE PROCESS INDUSTRIES Elvis Ahmetović 1, Nidret Ibrić 1, Zdravko Kravanja 2 1 University of Tuzla, Faculty of Technology, Tuzla, Bosnia and Herzegovina 2 University of Maribor, Faculty of Chemistry and Chemical Engineering, Maribor, Slovenia Water and energy are important natural resources which are usually used in significant quantities in the process industries. Different approaches have been proposed and implemented over the last two decades in order to minimize freshwater usage, wastewater generation, and energy consumption, within water networks. Earlier studies only addressed the investigating of various strategies for water and wastewater minimization within isothermal water networks (water reuse, wastewater treatment and water recycling), whilst more recent approaches have also considered energy minimization together with freshwater and wastewater minimization. In this work a superstructure optimization is presented as an approach for the simultaneous synthesis of overall water, wastewater, and energy networks. An example from literature is used in order to illustrate the applicability of the proposed approach. A base case is first presented for the water network synthesis problem. Then the water networks are synthesized using simultaneous optimization. The obtained results are the same or better than those reported in the literature. An optimal non-isothermal water network featuring optimal freshwater usage, wastewater generation, energy consumption, and investment is realized when finally process-to-process streams are taken into account for heat integration. Key words: sustainable industry, water integration, energy integration, simultaneous synthesis, superstructure optimization 36