Petroleum refinery is one of the major $CO_2$ emitters in the global industrial sector. The refinery has a number of various $CO_2$ emission points including the utility plants and furnaces. Also, it consumes a large amount of industrial water as feedstock for utility. In particular, for those located in the Middle East area which is arid, the supply of the water resource turns out to be a serious problem, so it is highly demanded to utilize the water resource more efficiently. To overcome these challenges, the heat and water recovery system (HWRS) applied to the steam plant of the petroleum refinery is proposed. The system allows recovering heat energy of hot flue gas streams to heat the condensate water through heat exchangers. Moreover, the flue gas streams are further cooled below the water dew point to recover water. The goal of this study is to find optimal design of HWRS by solving an optimization problem with calculated flue gas data for reducing the refinery-wide $CO_2$ emissions and saving costs. The refinery-wide simulator is developed based on an actual refinery data to obtain flue gas data to be input value for the optimization problem. The mixed integer nonlinear programming (MINLP) problem is formulated and solved for the heat exchanger network (HEN) synthesis of the system. The potential for $CO_2$ reduction and cost saving are assessed with the optimal HEN configuration. In addition, sensitivity analysis is conducted by perturbing several economic parameters that affect the optimization results.
석유 정제 공정은 세계적인 산업 부문에서 주요 이산화탄소 배출원 중 하나이다. 정제소에는 유틸리티 플랜트 및 용광로를 비롯하여 많은 이산화탄소 배출 지점이 존재한다. 한편, 정제 공정은 유틸리티 생산을 위한 공급 원료로서 다량의 공업용수를 소비한다. 특히 중동 지역과 같이 건조한 지역에 위치한 경우 수자원 공급이 중요한 문제로 대두됨에 따라, 보다 효율적인 수자원 이용의 필요성이 커지고있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 증기 플랜트에 적용되는 열 및 물 회수 시스템이 제안되었다. 이 시스템은 열교환기를 통해 고온의 연도 가스로 응축수를 가열함으로서 연도 가스의 열에너지를 회수하고, 연도 가스를 이슬점 이하로 추가 냉각하여 연도 가스의 물을 회수한다. 이 연구의 목표는 계산된 연도 가스 데이터를 이용하여 최적화 문제를 해결함으로써 열 및 물 회수 시스템의 최적 설계를 찾는 것이다. 이를 위해, 최적화 문제의 입력 값이 될 연도 가스 데이터를 얻기 위해 실제 정제소의 데이터를 기반으로 하여 전체 정제 공정 모사기를 개발하였다. 그리고 시스템의 열교환기 망 합성을 위한 비선형정수계획법 문제를 해결하였다. 이를 통하여 시스템의 이산화탄소 배출 감소 및 비용 감축의 가능성을 평가하였다. 또한 최적화 결과에 영향을 미치는 여러 경제적 매개 변수를 교란하여 민감도 분석을 수행하였다.
