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

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.