Heat integration via the optimal synthesis of heat exchanger network (HEN) is an important issue in chemical process design, especially for the process that consumes large amount of energy. But the concept of optimality does not simply concern the cost-minimum in the design stage, since the highly integrated process may require unexpected additional utility cost due to poor operability. The controllability is a crucial aspect during the process design under uncertain environment and/or existence of external disturbances.
In this research, the controllable heat exchanger network synthesis for proper operation is proposed and compared with the cost-optimal heat exchanger network. The match-network hyperstructure that includes all possible matches and configurations is considered to generate the network structure. For the controllability assessment, the variable gain matrix and the variable disturbance matrix of a heat exchanger are derived in terms of the structural variables. Three open-loop controllability measures, minimum singular value, condition number and disturbance condition number, are introduced and included with the MINLP optimization framework.
To solve the proposed synthesis problem, the GBD algorithm is adapted and applied to three examples. The resultant heat exchanger networks have improved controllability measures at the expense of slightly increased total area cost. The controllable network structures feature more utility controlled exchangers or bypass streams. The trade-off between economics and controllability has been proved.
열교환망의 최적 합성을 통한 열 통합은 많은 양의 에너지를 필요로 하는 공정의 설계 시 중요하다. 그러나, 통합된 공정은 조업성의 문제를 수반하므로 추가적인 비용이 요구된다. 따라서, 화학공정 설계 시 공정 데이터의 불확실성이나 외부의 외란이 존재할 때, 제어성은 또 하나의 중요한 설계 목적이 된다.
본 연구에서는 적절한 조업을 위한 제어가능한 열교환망 합성이 제안되었고 경제적인 열교환망과 비교하였다. 망구조 결정을 위해 모든 가능한 조합과 구조를 고려한 온구조가 고려되었다. 제어성 평가를 위해 구조 변수로 표현되는 변동 이득 행렬과 변동 외란 행렬이 유도되었다. 또한, 개루프 제어성으로 최소 특이치, 조건수, 외란 조건수가 고려되었고 혼합 정수 비선형계획법에 포함되었다.
제안된 설계 문제를 풀기 위해 일반화된 분해 알고리즘을 이용하였고 세 가지 예에 적용되었다. 설계된 열교환망은 면적 비용의 증가를 통하여 제어성이 향상되었다. 결정된 제어가능한 망구조는 유틸리티에 의해 조절되는 교환기 수가 증가하거나 우회 흐름이 늘어나는 특징을 가졌다. 이를 통해 경제성과 제어성 간의 절충 관계를 확인할 수 있었다.
