Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gonçalves, Caroline de Oliveira
Data de Publicação: 2013
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
Texto Completo: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11991
Resumo: Heat exchangers are devices widely used in many processes with the goal of changing the temperature and/or the physical state of the streams. A heat exchanger network (HEN) can be defined as a group of interconnected heat exchangers in order to reduce the energy requirements of a system and is widely used in process industries. However, during the operation of a HEN, the thermal effectiveness of the heat exchangers decreases due to fouling. This effect brings an increase of the fuel costs and carbon emissions. A possible approach to mitigate this problem is based on the establishment of a heat exchanger cleaning schedule during the refinery operation. This kind of intervention brings a tradeoff: the cleaning of a heat exchanger can restore its thermal effectiveness, but implies in additional costs, such as, manpower, chemicals, etc. Additionally, during the cleaning, the heat exchanger must be bypassed which temporally increases the energy consumption. In this context, the present work aims to explore different optimization techniques involving stochastic and heuristic methods. For this purpose, it was developed a set of integrated computational codes involving a pseudo-stationary simulation of HEN behavior related to fouling and schedule optimization of cleaning this type of system. The solution of the problem indicates for the operating staff the time periods for the cleaning of each heat exchanger in the crude preheat train. In the stochastic approach used, the parameters of the genetic algorithm, as the probability of crossover and mutation, have been calibrated to the present problem. The developed heuristic approach was made through the sequence of motions set of zero, one and two. Alternatively, the methodology developed in which the recursive heuristic move sets one and two were used recursively. The hybrid approach consisting of different combinations of stochastic and heuristic methodology was also developed. A comparative analysis of methodologies aimed at assessing the most appropriate approach to this problem of scheduling the cleaning in terms of computational effort and objective function. The performance of the proposed approach was explored by a series of examples including a real Brazilian refinery. The results were promising, suggesting that the optimization techniques of this work may be interesting approaches to operations involving HENs. Among the analyzed optimization approaches, the heuristic methodology developed in this work showed the best results showing competitive front approaches compared to the literature
id UERJ_354d51acbea65e2b6d4d3f8881ffba97
oai_identifier_str oai:www.bdtd.uerj.br:1/11991
network_acronym_str UERJ
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
repository_id_str 2903
spelling Costa, André Luiz Hemerlyhttp://lattes.cnpq.br/8951119580894280Reis, Rodrigo Azevedo doshttp://lattes.cnpq.br/7710576432746865Alberton, André Luishttp://lattes.cnpq.br/8926865010313541Sanches, Heloisa Lajashttp://lattes.cnpq.br/2840875338255590http://lattes.cnpq.br/4696276780570111Gonçalves, Caroline de Oliveira2021-01-06T19:36:32Z2014-04-032013-12-05GONÇALVES, Caroline de Oliveira. Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor. 2013. 154 f. Dissertação (Mestrado em Processos Químicos e Meio Ambiente) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2013.http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11991Heat exchangers are devices widely used in many processes with the goal of changing the temperature and/or the physical state of the streams. A heat exchanger network (HEN) can be defined as a group of interconnected heat exchangers in order to reduce the energy requirements of a system and is widely used in process industries. However, during the operation of a HEN, the thermal effectiveness of the heat exchangers decreases due to fouling. This effect brings an increase of the fuel costs and carbon emissions. A possible approach to mitigate this problem is based on the establishment of a heat exchanger cleaning schedule during the refinery operation. This kind of intervention brings a tradeoff: the cleaning of a heat exchanger can restore its thermal effectiveness, but implies in additional costs, such as, manpower, chemicals, etc. Additionally, during the cleaning, the heat exchanger must be bypassed which temporally increases the energy consumption. In this context, the present work aims to explore different optimization techniques involving stochastic and heuristic methods. For this purpose, it was developed a set of integrated computational codes involving a pseudo-stationary simulation of HEN behavior related to fouling and schedule optimization of cleaning this type of system. The solution of the problem indicates for the operating staff the time periods for the cleaning of each heat exchanger in the crude preheat train. In the stochastic approach used, the parameters of the genetic algorithm, as the probability of crossover and mutation, have been calibrated to the present problem. The developed heuristic approach was made through the sequence of motions set of zero, one and two. Alternatively, the methodology developed in which the recursive heuristic move sets one and two were used recursively. The hybrid approach consisting of different combinations of stochastic and heuristic methodology was also developed. A comparative analysis of methodologies aimed at assessing the most appropriate approach to this problem of scheduling the cleaning in terms of computational effort and objective function. The performance of the proposed approach was explored by a series of examples including a real Brazilian refinery. The results were promising, suggesting that the optimization techniques of this work may be interesting approaches to operations involving HENs. Among the analyzed optimization approaches, the heuristic methodology developed in this work showed the best results showing competitive front approaches compared to the literatureTrocadores de calor são equipamentos muito utilizados na indústria de processos com o objetivo de modificar a temperatura e/ou o estado físico de correntes materiais. Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados, a fim de reduzir as necessidades de energia de um sistema. No entanto, durante a operação de uma rede, a eficiência térmica dos trocadores de calor diminui devido à deposição. Esse efeito promove o aumento dos custos de combustível e das emissões de carbono. Uma alternativa para mitigar este problema baseia-se no estabelecimento de uma programação das limpezas dos trocadores de calor durante a operação de rede. Este tipo de abordagem ocasiona uma situação na qual ocorre um conflito de escolha: a limpeza de um trocador de calor pode recuperar a sua eficiência térmica, mas implica custos adicionais, tais como, mão-de-obra, produtos químicos, etc. Além disso, durante a limpeza, o trocador de calor tem de ser contornado por uma corrente de by-pass, o que aumenta temporariamente o consumo de energia. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar diferentes técnicas de otimização envolvendo métodos estocásticos e heurísticos. Com este objetivo foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados que envolvem a simulação pseudo-estacionária do comportamento da rede relacionado com incrustações e a otimização da programação das limpezas deste tipo de sistema. A solução do problema indica os períodos de tempo para a limpeza de cada trocador de calor. Na abordagem estocástica empregada, os parâmetros do algoritmo genético, como probabilidade de crossover e probabilidade de mutação, foram calibrados para o presente problema. A abordagem heurística desenvolvida se deu através da sequência do conjunto de movimentos zero, um e dois. De forma alternativa, desenvolveu-se a metodologia heurística recursiva na qual os conjuntos de movimentos um e dois foram empregados recursivamente. Também foi desenvolvida a abordagem híbrida que consistiu em diferentes combinações da metodologia estocástica e heurística. A análise comparativa entre as metodologias empregadas teve como objetivo avaliar a abordagem mais adequada para o presente problema da programação das limpezas em termos de função objetivo e esforço computacional. O desempenho da abordagem proposta foi explorado através de uma série de exemplos, incluindo uma refinaria real brasileira. Os resultados foram promissores, indicando que as técnicas de otimização analisadas neste trabalho podem ser abordagens interessantes para operações que envolvam redes de trocadores de calor. Dentre as abordagens de otimização analisadas, a metodologia heurística desenvolvida no presente trabalho apresentou os melhores resultados se mostrando competitiva frente às abordagens comparadas da literaturaSubmitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:36:32Z No. of bitstreams: 1 Caroline de Oliveira Goncalves.pdf: 1612413 bytes, checksum: 5f1482910b4eb9d0d352c623f7d9df34 (MD5)Made available in DSpace on 2021-01-06T19:36:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Caroline de Oliveira Goncalves.pdf: 1612413 bytes, checksum: 5f1482910b4eb9d0d352c623f7d9df34 (MD5) Previous issue date: 2013-12-05Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológicoapplication/pdfporUniversidade do Estado do Rio de JaneiroPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaUERJBRCentro de Tecnologia e Ciências::Instituto de QuímicaHeat exchanger networkFoulingoptimizationschedule of cleaningsRedes de trocadores de calordeposiçãootimizaçãoprogramação das limpezasCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICADesenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calorDevelopment of techniques for optimizing the scheduling of cleaning of heat exchanger networksinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJinstname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)instacron:UERJORIGINALCaroline de Oliveira Goncalves.pdfapplication/pdf1612413http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/11991/1/Caroline+de+Oliveira+Goncalves.pdf5f1482910b4eb9d0d352c623f7d9df34MD511/119912024-02-27 15:36:01.072oai:www.bdtd.uerj.br:1/11991Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bdtd.uerj.br/PUBhttps://www.bdtd.uerj.br:8443/oai/requestbdtd.suporte@uerj.bropendoar:29032024-02-27T18:36:01Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)false
dc.title.por.fl_str_mv Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Development of techniques for optimizing the scheduling of cleaning of heat exchanger networks
title Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor
spellingShingle Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor
Gonçalves, Caroline de Oliveira
Heat exchanger network
Fouling
optimization
schedule of cleanings
Redes de trocadores de calor
deposição
otimização
programação das limpezas
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA
title_short Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor
title_full Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor
title_fullStr Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor
title_full_unstemmed Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor
title_sort Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor
author Gonçalves, Caroline de Oliveira
author_facet Gonçalves, Caroline de Oliveira
author_role author
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Costa, André Luiz Hemerly
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/8951119580894280
dc.contributor.referee1.fl_str_mv Reis, Rodrigo Azevedo dos
dc.contributor.referee1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/7710576432746865
dc.contributor.referee2.fl_str_mv Alberton, André Luis
dc.contributor.referee2Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/8926865010313541
dc.contributor.referee3.fl_str_mv Sanches, Heloisa Lajas
dc.contributor.referee3Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/2840875338255590
dc.contributor.authorLattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/4696276780570111
dc.contributor.author.fl_str_mv Gonçalves, Caroline de Oliveira
contributor_str_mv Costa, André Luiz Hemerly
Reis, Rodrigo Azevedo dos
Alberton, André Luis
Sanches, Heloisa Lajas
dc.subject.eng.fl_str_mv Heat exchanger network
Fouling
optimization
schedule of cleanings
topic Heat exchanger network
Fouling
optimization
schedule of cleanings
Redes de trocadores de calor
deposição
otimização
programação das limpezas
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA
dc.subject.por.fl_str_mv Redes de trocadores de calor
deposição
otimização
programação das limpezas
dc.subject.cnpq.fl_str_mv CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA
description Heat exchangers are devices widely used in many processes with the goal of changing the temperature and/or the physical state of the streams. A heat exchanger network (HEN) can be defined as a group of interconnected heat exchangers in order to reduce the energy requirements of a system and is widely used in process industries. However, during the operation of a HEN, the thermal effectiveness of the heat exchangers decreases due to fouling. This effect brings an increase of the fuel costs and carbon emissions. A possible approach to mitigate this problem is based on the establishment of a heat exchanger cleaning schedule during the refinery operation. This kind of intervention brings a tradeoff: the cleaning of a heat exchanger can restore its thermal effectiveness, but implies in additional costs, such as, manpower, chemicals, etc. Additionally, during the cleaning, the heat exchanger must be bypassed which temporally increases the energy consumption. In this context, the present work aims to explore different optimization techniques involving stochastic and heuristic methods. For this purpose, it was developed a set of integrated computational codes involving a pseudo-stationary simulation of HEN behavior related to fouling and schedule optimization of cleaning this type of system. The solution of the problem indicates for the operating staff the time periods for the cleaning of each heat exchanger in the crude preheat train. In the stochastic approach used, the parameters of the genetic algorithm, as the probability of crossover and mutation, have been calibrated to the present problem. The developed heuristic approach was made through the sequence of motions set of zero, one and two. Alternatively, the methodology developed in which the recursive heuristic move sets one and two were used recursively. The hybrid approach consisting of different combinations of stochastic and heuristic methodology was also developed. A comparative analysis of methodologies aimed at assessing the most appropriate approach to this problem of scheduling the cleaning in terms of computational effort and objective function. The performance of the proposed approach was explored by a series of examples including a real Brazilian refinery. The results were promising, suggesting that the optimization techniques of this work may be interesting approaches to operations involving HENs. Among the analyzed optimization approaches, the heuristic methodology developed in this work showed the best results showing competitive front approaches compared to the literature
publishDate 2013
dc.date.issued.fl_str_mv 2013-12-05
dc.date.available.fl_str_mv 2014-04-03
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2021-01-06T19:36:32Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv GONÇALVES, Caroline de Oliveira. Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor. 2013. 154 f. Dissertação (Mestrado em Processos Químicos e Meio Ambiente) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2013.
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11991
identifier_str_mv GONÇALVES, Caroline de Oliveira. Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor. 2013. 154 f. Dissertação (Mestrado em Processos Químicos e Meio Ambiente) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2013.
url http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11991
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade do Estado do Rio de Janeiro
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
dc.publisher.initials.fl_str_mv UERJ
dc.publisher.country.fl_str_mv BR
dc.publisher.department.fl_str_mv Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
publisher.none.fl_str_mv Universidade do Estado do Rio de Janeiro
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
instname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
instacron:UERJ
instname_str Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
instacron_str UERJ
institution UERJ
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
bitstream.url.fl_str_mv http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/11991/1/Caroline+de+Oliveira+Goncalves.pdf
bitstream.checksum.fl_str_mv 5f1482910b4eb9d0d352c623f7d9df34
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
repository.mail.fl_str_mv bdtd.suporte@uerj.br
_version_ 1811728662353936384