Multiobjective Heat Exchanger Network Synthesis Based on Grouping of Process Streams

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2012-06-13
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2012
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
111 + app. 84
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 83
Abstract
Heat exchanger network synthesis (HENS) is an important process synthesis problem and different tools and methods have been presented to solve this synthesis problem. This is mainly due to its importance in achieving energy savings in industrial processes in a cost-efficient way. The problem is also hard to solve and has been proven NP-hard (Nondeterministic Polynomial-time) and hence it is not known if a computationally efficient (polynomial) algorithm to solve the problem exists. Thus methods that provide good approximate solutions with reasonable computational requirements are useful. The objective of this thesis is to present new HENS approaches that are able to generate good solutions for HENS problems in a computationally efficient way so that all the objectives of HENS are optimized simultaneously. The main approach in accomplishing this objective is by grouping process streams. This is done either on the basis of the fact that in reality the process streams belong to a specific group or these groups are artificially developed. In the latter approach the idea is to decompose the set of binary variables i.e., the variables that define the existence of heat exchanger matches, into two separate problems. In this way the number of different options to connect the streams decreases compared to the situation where no decomposition is present. This causes the solution time to decrease and provides options for solving larger HENS problems. In this work the multiobjective HENS problem is solved either with the traditional weighting method or with an interactive multiobjective optimization method. In the weighting method the weights are the annual costs of the different objectives. In the interactive multiobjective optimization method the Decision Maker (DM) controls the decision-making process by classifying the objectives at each iteration. This multiobjective approach provides the benefit of using interactive multiobjective optimization, so that it is possible to find the solution that best satisfies the DM without too cognitive or computational load, and compared to the traditional approach of using fixed weights for the objectives, all the possible Pareto optimal solutions can be found. Overall the key value of this work is in presenting ways of simplifying a HENS problem.

Lämmönsiirtoverkkojen synteesi on tärkeä prosessisynteesiongelma, koska tehokkaiden lämmönsiirtoverkkojen avulla prosessiteollisuudessa voidaan energiaa säästää kustannustehokkaasti. Lämmönsiirtoverkkojen synteesiongelma on vaikea ratkaista ja sen on todettu kuuluvan ei-polynomisten ongelmien luokkaan, joten sille ei todennäköisesti löydy yleistä polynomisesti konvergoituvaa ratkaisumenetelmää. Täten ongelman ratkaisemiseksi on hyödyllistä kehittää laskennallisesti tehokkaita approksimaatiomenetelmiä. Tämän työn tarkoituksena on kehittää laskennallisesti tehokkaita uusia lämmönsiirtoverkkojen synteesimenetelmiä, joiden avulla kaikkia ongelmassa olevia tavoitteita voidaan samanaikaisesti optimoida. Keskeisenä lähestymistapana tavoitteen saavuttamiseksi on prosessivirtojen ryhmittely. Ryhmittely perustuu joko siihen, että prosessivirrat kuuluvat tyypillisesti tiettyyn osaan prosessia tai ryhmittely suoritetaan keinotekoisesti. Keinotekoisessa ryhmittelyssä ajatuksena on hajottaa lämmönsiirtimien olemassaoloa kuvaavien binäärimuuttujien joukko kahteen osaan, jolloin eri prosessivirtojen välillä olevien mahdollisten kytkentöjen lukumäärä pienenee ja täten useimmissa tapauksissa myös synteesiongelman ratkaisemiseen käytetty aika pienenee mahdollistaen useampivirtaisten lämmönsiirtoverkkojen ratkaisemisen. Tässä työssä menetelmästä riippuen monitavoitteinen synteesiongelma ratkaistaan joko perinteisellä painokerroinmenetelmällä, jossa eri tavoitteita painotetaan niiden annualisoiduilla vuosikustannuksilla ja näiden vuosikustannusten summaa minimoidaan tai interaktiivisella monitavoiteoptimointimenetelmällä, jossa päätöksentekijä hallitsee päätöksentekoprosessia luokittelemalla tavoitteita kullakin iteraatiokierroksella. Interaktiivisen monitavoiteoptimointimenetelmän etuna on, että kaikki mahdolliset Paretooptimaaliset ratkaisut voidaan löytää ilman liian suurta kognitiivista ja laskennallista kuormitusta. Työn päätuloksena on joukko menetelmiä, joiden avulla lämmönsiirtoverkkojen synteesiongelmaa voidaan yksinkertaistaa, jolloin ongelma voidaan tehokkaasti ratkaista.
Description
Supervising professor
Fogelholm, Carl-Johan, Prof., Aalto University, Department of Energy Technology, Finland
Thesis advisor
Tveit, Tor-Martin, Project Manager, Aalto University, Department of Energy Technology, Finland
Keywords
lämmönsiirtoverkko, kaksitaso-optimointi, ineraktiivinen, energiatehokkuus, lämmönsiirtoverkko, kaksitaso-optimointi, ineraktiivinen, energiatehokkuus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Laukkanen, T., Tveit, T.-M. and Fogelholm, C.-J.. Simultaneous heat exchanger network synthesis for direct and indirect heat transfer inside and between processes. Chemical Engineering Research and Design, In Press, Corrected Proof, Available online 22 December 2011
  • [Publication 2]: Laukkanen, T. and Fogelholm, C.-J.. Heat exchanger network synthesis- A bilevel decomposition method based on stream data grouping. In CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS, Volume 12, pages 333-338, 2007, Edited by Jiri Klemes, 10th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, Ischia, Naples, Italy, 24-27 June 2007
  • [Publication 3]: Laukkanen, T. and Fogelholm, C.-J.. A bilevel optimization method for simultaneous synthesis of medium-scale heat exchanger networks based on grouping of process streams. Computers & Chemical Engineering, 35, 2389-2400 2011
  • [Publication 4]: Laukkanen, T. and Tveit, T.-M. and Ojalehto, V. and Miettinen, K. and Fogelholm, C.-J.. An interactive multi-objective approach to heat exchanger network synthesis. Computers & Chemical Engineering, 34, 943-952 2010
  • [Publication 5]: Laukkanen, T., Tveit, T.-M., Ojalehto, V., Miettinen, K., and Fogelholm, C.-J.. Bilevel heat exchanger network synthesis with an interactive multi-objective optimization method. Applied Thermal Engineering, In Press, Uncorrected Proof, Available online 8 May 2012
  • [Publication 6]: Nykopp, J., Laukkanen, T., Tveit, T.-M., and Fogelholm, C.-J.. A tool for automatic heat flow grid visualisation for heat exchanger networks developed using the SYNHEAT model. In Proceedings of the 18th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2008,Czech Society of Chemical Engineering, Prague, Czech Republic, 24-28 August 2008
Citation