Thermal Energy Integration of Milk Pasteurization Process Using Pinch Analysis: A Case Study of Al-Junaidi Company for Food and Dairy Products

Abstract

The increasing cost of fossil fuels and their harmful effects to the environment shed the light on the necessity of efficient industrial processes in order to reduce energy consumption and CO2 emissions. Fossil fuels remain the most widely used among the different energy sources. More than 80% of the total global consumed energy is produced by burning fossil fuels. This is due to their rate of commercialization and their extraction development in technology. Industry sector is responsible for 30% of the global final energy consumption. Despite the rapid development of alternative energy sources, the effective use of the traditional sources can’t be neglected. Energy integration techniques are commonly used to improve the efficiency of processes in industry. Pinch technology is widely used to utilize energy in dairy production processes. The application of pinch analysis on 3 milk pasteurizers in Al-Junaidi Company for Dairy and Food Products is presented in this study.The studied pasteurizers consisted of 3 hot streams and 3 cold streams. The total heating load required for the cold streams is 2032.5 kW, while the total cooling load required for the hot streams is 1802.4 kW. The heat exchanger network design result into a retrofit of 6 heat exchangers. If the retrofit could be implemented, the required external heating load could be reduced to 275 kW and the external cooling load could be reduced to 45 kW. The CO2 emissions could be reduced from 484 tons CO2/year to 263 tons CO2/year. Danfoss Hexact V5 selection tool is used in order to select the required heat exchangers. The selected heat exchangers indicates 65% saving of the heating load, and 8% of the cooling load. The capital cost of the design is 60400 NIS and the annual savings for this design are 374195 NIS with a simple payback period of 2 months. لقد سلط االزدياد المستمر في أسعار الوقود االحفوري و أثره المدمر على البيئة الضوء على اهمية استخدام اساليب صناعية عالية الكفاءة من اجل تقليل استهالك الطاقة و انبعاثات غاز ثاني اكسيد الكربون. ال يزال الوقود األحفوري هو المصدر األكثر استخداما 80% من المجموع العالمي الستهالك الطاقة ناتج عن ً من بين المصادر المختلفة للطاقة. حيث أن أكثر من حرق الوقود األحفوري، وهذا يعود للتطور الكبير في عمليات استخراجه. يستهلك قطاع الصناعة حوالي 30% من مجموع استهالك الطاقة العالمي. على الرغم من التقدم المتسارع النتشار مصادر الطاقة البديلة، اال أنه ال يمكن غض النظر عن االستعمال الفعال للمصادر التقليدية. يتم استخدام تقنية Pinch Technology بشكل واسع بهدف استغالل كفاءة الطاقة في العمليات الصناعية. من خالل هذه الدراسة تم تطبيق هذه التقنية على ثالثة مبسترات للحليب في شركة الجنيدي لصناعة األلبان والمواد الغذائية. تتكون المبسترات التي تم تحليلها من 3 تيارات ساخنة و3 تيارات باردة. ومن الجدير بالذكر أن مجموع حمل التخسين المطلوب 2032.5 كيلو واط، بينما بلغ مجموع الحمل النهائي للتبريد 1802.5 كليو واط. سيضيف تصميم شبكة المبادالت الحرارية تعديل على القسم من خالل استخدام 7 مبادالت حرارية. في حال تطبيق التعديل سينخفض حمل التسخين الخارجي المطلوب الى 275 كيلو واط، فيما سينخفض –حمل التبريد الخارجي الى 45 كيلو واط. كما أن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ستنخفض من 484 طن في السنة الى 263 طن في السنة. استخدمت أداة Danfoss Hexact V5 الختيار المبادالت الحرارية المطلوبة. المبادالت الحرارية التي تم اختيارها من خالل هذه األداة تشير الى توفير %65 من حمل التسخين المطلوب و %8 من حمل التبريد المطلوب. تبلغ التكلفة الرأسمالية المطلوبة لتنفيذ التصميم 60400 شيكل بينما يبلغ التوفير السنوي حوالي 374195 شيكل مع فترة استرداد حوالي شهرين