Modelagem e otimização de energia em síntese de processos: desenvolvimento de modelos de programação matemática para a ótima integração entre calor e trabalho

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Onishi, Viviani Caroline
Data de Publicação: 2014
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Estadual de Maringá (RI-UEM)
Texto Completo: http://repositorio.uem.br:8080/jspui/handle/1/6870
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Mauro Antonio da Silva Sá Ravagnani
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spelling Modelagem e otimização de energia em síntese de processos: desenvolvimento de modelos de programação matemática para a ótima integração entre calor e trabalhoModelagem matemáticaOtimização de processosIntegração de energiaSíntese de processos660.28449EngenhariasEngenharia QuímicaOrientador: Prof. Dr. Mauro Antonio da Silva Sá RavagnaniCoorientador: Prof. Dr. José Antonio Caballero SuárezTese (doutorado em Engenharia Química) - Universidade Estadual de Maringá, 2014RESUMO: A conservação e eficiência energética são fundamentais em plantas de processamento, sendo alcançadas por meio da gestão otimizada do uso de energia. Neste contexto, a ótima integração entre calor e trabalho pode reduzir significativamente o consumo de energia e, como consequência, o custo total do processo. Desta forma, quatro modelos de otimização baseados em superestruturas são desenvolvidos para a integração de energia em processos industriais. O primeiro modelo apresentado nesta tese, trata-se de um modelo de Programação Matemática para o projeto detalhado de trocadores de calor casco e tubo. A abordagem proposta segue rigorosamente as normas TEMA (sigla em inglês para: Tubular Exchanger Manufacturers Association), de forma que todas as características geométricas obtidas para o equipamento estejam padronizadas. O método de Bell-Delaware é usado para o projeto do lado casco do trocador de calor. Além disso, a superestrutura é formulada em programação disjuntiva generalizada (PDG) e programação não-linear mista inteira (PNLMI), para obtenção de um equipamento padrão com área de troca térmica e/ou custo total mínimo. A grande contribuição deste modelo reside na proposição de uma nova abordagem sequencial de otimização de objetivos parciais, na qual o conjunto total de equações de projeto é dividido em subconjuntos, com a atribuição de distintas funções objetivo baseadas no conhecimento heurístico do processo. O segundo modelo de otimização desenvolvido, refere-se a um modelo para a síntese simultânea de redes de trocadores de calor (RTCs). A superestrutura proposta para descrever o processo é formulada em PDG e PNLMI, com o objetivo de minimizar o custo total anualizado do processo. Neste caso, a função objetivo é composta por despesas operacionais e custo de capital de investimento em equipamentos. Este modelo contribui significativamente para a área de síntese de processos, pois incorpora a possibilidade de ajuste de níveis de pressão de correntes de processo, com intuito de melhorar a recuperação de calor do sistema. Assim, a recuperação de pressão é realizada simultaneamente com a integração de calor, de modo que as condições de processo devem ser tratadas como variáveis de otimização. Em adição, o modelo inova ao permitir o uso de equipamentos para manipulação de pressão acoplados a eixos comuns, além da substituição de turbinas por válvulas, quando economicamente favoráveis para o processo. O terceiro modelo matemático proposto, aplica-se à síntese simultânea de redes de troca de trabalho (RTTs). Neste modelo, um conceito inovador e pouco explorado na literatura é desenvolvido, centrando-se na ótima integração entre trabalho e calor em processos industriais. Assim, a nova abordagem proposta é análoga ao problema de síntese de RTCs, no qual a integração de trabalho de correntes a alta-pressão e baixa-pressão ocorre em vários estágios de manipulação de pressão. O modelo de PNLMI permite a integração simultânea de calor na RTC, com o objetivo de melhorar a recuperação de pressão do processo. Além disso, o modelo considera o uso de várias unidades de eixos únicos de turbina e compressor do tipo SSTC (sigla em inglês para: single-shaft-turbine-compressor), bem como compressores, turbinas e válvulas autônomas com o objetivo de minimizar o custo total anualizado da rede. O último modelo de PNLMI proposto, trata-se de um modelo matemático para o retrofit de RTCs. A principal contribuição deste trabalho é a utilização da recuperação de pressão de correntes, para favorecer a recuperação de calor em redes existentes. Desta forma, a superestrutura proposta permite o incremento da área de troca térmica existente, bem como a utilização de novos equipamentos para manipulação de pressão e troca de calor. Em todos os modelos desenvolvidos, estudos de casos são conduzidos para verificar a acurácia das respectivas abordagens propostas, incluindo aplicações industriais reais para os modelos de síntese de processos. De modo geral, os resultados obtidos indicam que os modelos propostos descrevem com precisão os processos industriais a que se destinamABSTRACT: Conservation and energy efficiency are critical in processing plants, being achieved through optimized management of energy use. In this context, the optimal integration between heat and work can significantly reduce energy consumption and, consequently, the total cost of the process. In this way, four optimization models based on superstructures are developed for the energy integration in industrial processes. The first model presented in this thesis is a mathematical programming model for the detailed design of shell-and-tube heat exchangers. The proposed approach strictly follows the standards of TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association), so that all geometric characteristics obtained for the equipment are standardized. The Bell-Delaware method is used to design the shell-side of the heat exchanger. Moreover, the superstructure is formulated in generalized disjunctive programming (GDP), and mixed-integer nonlinear programming (MINLP) to obtain standard equipment with heat exchange area and/or minimum total cost. The major contribution of this model relies in proposing a new sequential approach of optimization of partial objectives, in which the full set of design equations is divided into subsets, with the proposition of different objective functions based on heuristic knowledge of the process. The second optimization model refers to a model for the simultaneous synthesis of heat exchanger networks (HENs). The superstructure proposed to describe the process is formulated in GDP and MINLP, aiming to minimize the total annualized cost of the process. In this case, the objective function is composed by operating expenses and capital cost of investment in equipment. This model contributes significantly to the synthesis processes field because it incorporates the possibility of adjusting pressure levels of process streams, in order to improve the system heat recovery. Thus, the pressure recovery is performed in the simultaneously with the heat integration, so that the process conditions must be treated as optimization variables. Additionally, the model innovates by allowing the use of equipment for handling pressure coupled to the common axis, and the replacement of turbines by valves when thermo-economically favorable for the process. The third mathematical model is applied to the simultaneous synthesis of work exchange networks (WENs). In this model, an innovative concept, poorly explored in the available literature, is developed, focusing on the optimal integration between work and heat in industrial processes. Thus, the proposed new approach is analogous to the problem of HENs synthesis, in which the work integration occurs between streams at high-pressure and low-pressure in several pressure manipulation stages. The MINLP-based model allows simultaneous heat integration in the HEN, aiming to improve the pressure recovery process. In addition, the model considers the use of multiple units of single-shaft-turbine-compressor (SSTC), as well as stand-alone compressors, turbines and valves in order to minimize the total annualized cost of the network. The last MINLP-based model proposed is a mathematical model for the retrofit of HENs. The main contribution of this work is the use of pressure recovery of streams, to improve the heat recovery in existing networks. Therefore, the proposed superstructure enables the increase of the existing thermal exchange area, as well as the use of new equipment for heat exchange and pressure manipulation. In all developed models, case studies are conducted to verify the accuracy of their proposed approaches, including real industrial applications for the process synthesis models. In general, the results indicate that the proposed models accurately describe industrial processes for their intended use227 f. : il. (algumas col.).Universidade Estadual de MaringáDepartamento de Engenharia QuímicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaCentro de TecnologiaRavagnani, Mauro Antonio da Silva SáCaballero Suárez, José A.Secchi, Argimiro ResendeCarvalho, Esdras Penêdo deParaíso, Paulo RobertoRibeiro, Aline Priscila da SilvaOnishi, Viviani Caroline2024-02-14T20:03:08Z2024-02-14T20:03:08Z2014info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfONISHI, Viviani Caroline. Modelagem e otimização de energia em síntese de processos: desenvolvimento de modelos de programação matemática para a ótima integração entre calor e trabalho. 2014. 227 f. 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