Orientador: Roger Josef Zemp

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Durante a etapa de projeto conceitual, e de montagem da rede de trocadores de calor, é necessário lidar com uma análise de custos e benefícios (trade-off) que flutua entre dois limites. O primeiro limite envolve não utilizar trocas de calor entre correntes de processo e abastecer as...

Resumo: Durante a etapa de projeto conceitual, e de montagem da rede de trocadores de calor, é necessário lidar com uma análise de custos e benefícios (trade-off) que flutua entre dois limites. O primeiro limite envolve não utilizar trocas de calor entre correntes de processo e abastecer as necessidades energéticas do processo (de aquecimento e resfriamento) apenas com utilidades, o que não é usual, já que algum nível de integração energética pode ser estabelecido de forma intuitiva. O outro limite é termodinâmico, e se refere ao consumo mínimo de utilidades cujo o valor pode ser estimado pela Tecnologia Pinch. Todavia, ao tentar atingir-se este valor, muitas vezes serão necessárias topologias complexas de redes de trocadores de calor, que além de terem alto custo de capital, não levam em consideração fatores como layout, controlabilidade e segurança. Nesta tese, foi proposta uma abordagem alternativa para a estimativa de metas de energia e de área para redes de trocadores de calor (RTC) aos níveis de planta e complexo (sistema composto por um conjunto de plantas). E a abordagem escolhida para simplificar-se a topologia das RTC foi a fixação do número de trocadores de calor desejado para a rede de trocadores de calor (NHEN). Desse modo, é proposta uma série de três modelos: dois de programação mista-inteira linear para estimativa de metas de energia para as plantas e para o complexo químico, e o terceiro, um modelo sequencial de programação não linear para estimativa de metas de área para ambos os casos anteriores. Os modelos foram implementados no software GAMS© para vários cenários distintos variando-se o número de trocadores de calor em análises de custo e de engenharia tanto para as plantas em separado, quanto para complexo, em alguns estudos de caso. Os três métodos mostraram margens de erro que flutuam entre 10 a 15% de erro, valores estes consistentes com resultados similares aos vistos na literatura. Consequentemente, esta nova abordagem pode ser uma ferramenta útil aos engenheiros na etapa de projeto conceitual

Abstract: During the conceptual design and heat exchanger network (HEN) synthesis phase, it is necessary to deal with trade-off analysis fluctuating between two limits. The first limit won¿t use process streams heat exchangers and the process energy demands (heating and cooling) will be supplied...

Abstract: During the conceptual design and heat exchanger network (HEN) synthesis phase, it is necessary to deal with trade-off analysis fluctuating between two limits. The first limit won¿t use process streams heat exchangers and the process energy demands (heating and cooling) will be supplied only with utilities, this is not seen in practice, since some energy integration level can be established intuitively. The other limit is the thermodynamics and refers to the minimum utilities consumption whose value can be estimated by Pinch Technology. Notwithstanding, heat exchangers networks complex topologies commonly going to be necessary carrying high capital costs, besides that, they not consider factors such as layout, controllability and safety. In this thesis, an alternative approach was proposed for process and site (s) HEN energy and area targets estimation. The chosen approach to simplify HEN topology was made through an arbitrary HEN number definition. A series of three models are proposed: two of mixed-integer linear programming for process and site energy targets estimation, and the third, a nonlinear programming sequential model for area targets estimation for the both previous cases. The models were implemented in the software GAMS © for some distinct scenarios varying the number of heat exchangers through costs and engineering analyzes. The three methods presented error margins fluctuating between 10 and 15% error, these values were consistent with similar literature results. Consequently, this new approach can be useful for engineers during conceptual design stage

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