Thermo-economic comparison of novel modified rankine and IHX-based heat pump cycles: application to methanol-water distillation

Heat pump integration into distillation processes is an important industrial decarbonization solution. However, compressor reliability can be compromised by liquid droplets (wet compression), especially when modern refrigerants characterized by a re-entrant saturation curve in the T-s diagram are used. This thesis proposes an alternative, the Modified Rankine (MR) loop, to replace the conventional configuration with an internal heat exchanger (IHX), evaluating its thermodynamic performance and techno-economic aspects. The MR loop eliminates the need for IHX by mixing the working refrigerant with a non-volatile ionic liquid (IL) directly in the evaporator. By exploiting the ebullioscopic elevation (BPE) induced by the ionic liquid, the proposed cycle intrinsically ensures superheated vapor at the compressor intake. The study presents a thermodynamic comparison and investigates the integration of the configurations in a methanol-water distillation column, using the low-GWP refrigerant R-1233zd(E) and the Cyphos IL 104® ionic liquid. The results confirm the thermodynamic feasibility of both architectures in providing the required superheat. However, in the MR cycle, compliance with the pinch point imposes a reduction of the evaporating pressure, leading to a significant performance penalty (COP equal to 3.85, compared with 5.16 for the IHX cycle). The techno-economic analysis shows that heat pump configurations require higher costs than the steam-driven column, with an increase in the Total Annualized Cost (TAC) of 14% for the IHX configuration and 50% for the MR cycle. Sensitivity analysis confirms that although the MR cycle provides an intrinsic safety mechanism that enhances compressor reliability, its industrial competitiveness is limited by the actual high operative and capital expenditures, driven by the larger heat exchange areas required and the higher mechanical work demanded by the compressor.

L’integrazione delle pompe di calore nei processi di distillazione costituisce una strategia di interesse primario per la decarbonizzazione industriale. Tuttavia, l’affidabilità dei compressori è spesso compromessa dalla formazione di gocce di liquido (wet compression), criticità aumentata dall’utilizzo di refrigeranti moderni caratterizzati da una curva di saturazione rientrante nel diagramma T-s. La presente tesi propone un’alternativa, il Modified Rankine (MR) loop, in sostituzione delle configurazioni convenzionali con scambiatore di calore interno (IHX), valutandone le prestazioni termodinamiche e gli aspetti tecno-economici. Il ciclo MR elimina la necessità dell’IHX miscelando il refrigerante di lavoro con un liquido ionico (IL) non volatile direttamente nell’evaporatore. Sfruttando l’innalzamento ebullioscopico (BPE) indotto dal liquido ionico, il ciclo proposto garantisce intrinsecamente vapore surriscaldato all’aspirazione del compressore. Lo studio presenta un confronto termodinamico e l’integrazione delle due tecnologie in una colonna di distillazione metanolo-acqua, impiegando il refrigerante a basso GWP R-1233zd(E) e il liquido ionico Cyphos IL 104®. I risultati confermano la validità termodinamica di entrambe le configurazioni nel fornire il surriscaldamento necessario. Tuttavia, nel ciclo MR il rispetto del pinch point impone una riduzione della pressione di evaporazione, determinando una sensibile penalizzazione prestazionale (COP pari a 3.85, a fronte del 5.16 garantito dal ciclo IHX). L’analisi tecno-economica evidenzia che le configurazioni con integrazione delle pompe di calore comportano maggiori costi rispetto alla colonna convenzionale, mostrando un incremento del Costo Totale Annualizzato (TAC) pari al 14% per l’architettura IHX e al 50% per il ciclo MR. Le analisi di sensitività confermano infine che, sebbene il ciclo MR offra un meccanismo di sicurezza intrinseco di affidabilità al compressore, la sua competitività su scala industriale risulta attualmente limitata dagli elevati costi operativi e di investimento, causati dalle maggiori superfici di scambio richieste e dal superiore lavoro meccanico da parte del compressore.