ABSTRACT THE ENERGY ANALYSIS AND THE MULTIVARIABLE ENERGY OPTIMIZATION OF A YANKEE HOOD DRYER Toppare, Akın Salih M.S., Department of Chemical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Güniz Gürüz Januray 2002, 116 Pages The Yankee Hood dryer is the crucial section of the paper machine due to the high consumption of energy. As a consequence of continuously increasing energy costs, determination of the proper conditions is essential to operate the tissue machine in the most efficient and economic means while ensuring paper quality. The objective of this study is to evaluate the performance of the Paper Machine 3 (PM3) in `İpekkağıt` tissue factory, in order to achieve the desired mproduction rate while keeping the drying parameters within the limits at the minimum energy cost. The steady state rate of heat transfer to the wet sheet is analyzed considering the two-way mechanism, from steam through the cast iron shell and from heated air. The critical drying parameters are air supply velocity, wet and dry hood temperatures and steam flow rate. The approach to this problem is to use the steady state analytical model developed for PM2 and, to solve the material and energy balances for each system defined previously [1]. Data for the machine parameters are taken from the plant. Balance equations are solved with the available data for the unknown parameters and for the determination of drying parameters. Three heat exchangers together with the Yankee hood dryer were also included in the analysis of the overall system. In sequence these are used to heat process water, for ceiling heating and to heat the make-up air stream respectively. The overall energy usage efficiency of the dryer was calculated as 38% and the corresponding values were obtained as 41, 49 and 50% by the inclusion of heat exchanger into the system boundary. For the optimization studies, energy consumption is related to the drying parameters. The total energy consumption consist of steam, electricity and natural gas; which are expressed as functions of steam flow rate and the air temperature of wet and dry hoods. A computer program using the Simplex Method is used to evaluate the optimum values of each drying parameter and hence the consumption ivvalues. A typical set of results with the optimized values for 1 hour production of tissue paper 1 has shown the consumption of 1759 kW of natural gas, 1242 kW of steam and 575 kW of electricity. Based on the cost values $ 26, $ 34.8 and $ 34.3 were obtained respectively. The optimized values of wet and dry hood temperatures and the steam flow rate (486°K, 416°K and 1 1430 kg/h) are close to the values taken from the factory (497°K, 425°K and 13200 kg/h) for a maximum production Keywords: Yankee Hood Dryer, Paper Drying, Energy Consumption, Linear Optimization, Simplex Method.

öz YANKEE HOOD KURUTUCUSUNUN ENERJİ ANALİZİ VE ÇOK DEĞİŞKENLİ ENERJİ OPTİMİZASYONU Toppare, Akın Salih Yüksek Lisans, Kimya Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Güniz Gürüz Ocak 2002, 116 Sayfa Yankee Hood kurutucusu yüksek enerji tüketimi nedeniyle kağıt makinasının en önemli kısmıdır: Sürekli artan enerji Batları sonunda, istenilen kağıt özelliklerinin sağlanması ile birlikte, kağıt makinasının verimli ve ekonomik çalışması çok önemlidir. Bu çalışmanın amacı İpekkağit Sânayi ve Ticaret A.Ş. fabrikasında bulanan 3 numaralı kurutucunun istenilen üretim hızında çalışabilmesi amacıyla viperformansının incelenmesidir. Bu amacı sağlarken kurutma limitleri içerisinde mümkün olan en düşük enerji maliyetin sağlanması hedeflenmiştir. Islak kağıt üzerine yatışkın durumdaki ısı transferi buhardan ve ısıtılmış havadan olmak üzere iki yönlü olarak analiz edilmiştir. Kritik kurutma parametreleri olarak hava-hızı, yaş ve kuru kısımdaki haubelerin sıcaklığı ve buhar debisi belirlenmiştir. Kurutma makinası 2 için geliştirilmiş olan yatışkın durum analitik model 3 numaralı kurutucu için adapte edilmiş ve kurulmuş olan kütle ve enerji denkliklerinin çözülmüştür [1]. Analizler için gerekli veriler fabrikadan alınmıştır. Bilinmeyen parametreler, bilinen verilerle denkliklerin çözülmesi yoluyla bulunmuştur. Yankee silindiri ve haubelerden oluşan kurutma sisteminin analiz sınırları, varolan ısı değiştiricilerinin eklenmesi ile genişletilmiştir. Isı değiştiricileri sırasıyla geri dönüşüm havası, kullanma suyu ve çatının ısıtılması amacıyla kullanılmaktadırlar. Isı değiştiriciler olmadan ısıl verimlilik %38 iken sırayla eşanjörlerin katılmasıyla bu rakam %4T, %49 ve %50 ye ulaşmıştır. Optimizasyon çalışmaları için kullanılan enerji miktarı kurutma parametrelerine bağlanmıştır. Harcanan toplam enerji buhar, elektrik ve doğal gaz şeklinde üç ana kaynaktan oluşup, miktarlar sırası ile buhar debisi ve yaş ve kuru haube sıcaklıklarına bağlanmıştır: Simplex metodunu kullanan bir bilgisayar programı ile hesaplamalar yapılmıştır. Bir saat baz alınarak yapılan bir ürün çalışmasında 1759 kW doğal gaz, 1242 k W buhar ve 575 kW elektrik harcaması viibulunmuştur. Maliyet olarak bu rakamlar sırasıyla 26$, 34.8$ ve 34.3$ tutarındadır. Optimize edilmiş olan yaş ve kuru haube sıcaklıkları ve buhar debisi (486°K, 416°K and 1 1430 kg/s), fabrikadan en verimli üretim değeri olarak alınan değerlere oldukça yakındır (497° K, 425 °K ve 13200 kg/s). Anahtar Kelimeler: Yankee Hood Kurutucusu, Kağıt Kurutma, Enerji Sarfiyatı, Lineer Optimizasyon, Simplex Metodu. vııı

116