Optimal Design and Optimal Operation of Separate Heat Pump Distillation

Authors

  • Ping Zhu,

    1. School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
    2. Department of Chemistry, Xuzhou Normal University, Xuzhou 221009, China
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  • Xiao Feng

    Corresponding author
    1. School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
    • School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
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Abstract

For a distillation system, in which relative volatility is large in low composition range and small in high composition range, using separate heat pump distillation (SHPD) can markedly save energy. In this paper, vapour flow rate to compressor is proposed as a parameter for system optimization, from the viewpoint of system energy balance. This parameter can be used for both optimal design and optimal operation of SHPD. Mathematical models for optimal design and optimal operation are formulated to minimize total annual cost and annual operating cost respectively. Optimal design of SHPD is performed and evaluated through process simulation, for a typical case study for the distillation of ethanol-water system. The results show that SHPD has notable energy saving and economic benefit when compared with conventional distillation. Optimal operation of SHPD is also evaluated for changes in feed composition which is an operating variable.

Abstract

Pour un système de distillation, dans lequel la volatilité relative est grande dans une faible gamme de composition et petite dans une forte gamme de composition, le recours à la distillation à pompes à chaleur séparées (SHPD) peut permettre d'importantes économies d'énergie. Dans cet article, le débit de vapeur par rapport au compresseur est proposé comme paramètre pour l'optimisation du système, en termes de bilan d'énergie. Ce paramètre peut servir à la conception optimale et au fonctionnement optimal de la SHPD. Des modèles mathématiques pour la conception optimale et le fonctionnement optimal sont formulés pour minimiser le coût annuel total et le coût de fonctionnement annuel, respectivement. La conception optimale de la SHPD est effectuée et évaluée par la simulation de procédé, pour un cas-type de distillation d'un système éthanol-eau. Les résultats montrent que la SHPD permet des économies notables d'énergie et présente un avantage économique par rapport aux procédés de distillation classiques. Le fonctionnement optimal de la SHPD est également évalué quant aux changements dans la composition de l'alimentation qui est une variable de fonctionnement.

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