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Consultar: Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica

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Ttulo [PT]: Reutilizao de gua em processos industriais : uma abordagem metaheurstica
Autor(es): Daniela Estelita Goes Trigueros
Palavras-chave [PT]:

Reuso da gua. Otimizao. Metaheurstica. PSO. Processos industriais. Sntese de rede. Rede de gua. Superestrutura. NLP/MINLP. Brasil.
Palavras-chave [EN]:
Metaheuristic. PSO. Reuse. Superestruture. Water network. NLP/MINLP. Brazil.
rea de concentrao: Desenvolvimento de Processos
Titulao: Doutor em Engenharia Qumica
Banca:
Mauro Antnio da Silva S Ravagnani [Orientador] - UEM
Aparecido Nivaldo Mdenes [Co-orientador] - UEM
Valria Viana Murata - UFU
Fernando Rodolfo Espinoza-Quinnes - Unioeste
Esdras Pendo de Carvalho - UEM
Cid Marcos Gonalves Andrade - UEM
Resumo:
Resumo: Este trabalho tem por objetivo investigar e comparar a sntese de redes de reso de gua em processos industriais a partir da aplicao do algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO) frente metodos determinsticos de otimizao. Os modelos de otimizao Nonlinear Problems (NLP) e Mixed Integer Nonlinear Problems (MINLP) foram formulados pela definio de uma superestrutura, que representa todas as possveis configuraes candidatas sntese da rede. O mtodo de otimizao global PSO foi implementado no software Maple 14 com o objetivo principal sntese de redes de reso de gua, seguindo como critrios de otimizao a minimizao do consumo de gua limpa, do nmero total de interconexes e do custo total anual da planta industrial. Os conceitos da Anlise Pinch foram considerados como ponto de partida para limitar o espao de busca garantindo a no violao do processo de transferncia de massa, alm da aplicao de condies de otimalidade e estratgias de reduo do espao de busca. Alm disso, a abordagem de penalidade externa esttica da funo objetivo foi incorporada para ajudar na manipulao do espao de busca restrito, melhorando o procedimento de otimizao. Os resultados alcanados foram comparados com os resultados obtidos por mtodos determinsticos, tais como generalised reduced gradient e branch and bound, disponveis a partir dos solucionadores locais GAMS/CONOPT e GAMS/SBB, respectivamente, alm do mtodo de otimizao global a partir do solucionador GAMS/BARON. Foram realizados quatro estudos de casos, a partir de dados extrados da literatura, para mostrar a aplicabilidade e eficcia do algoritmo PSO proposto. Os trs primeiros estudos de casos representam problemas de alocao de gua contendo um nico componente e o ltimo representa um sistema multicomponente. A rede tima de reso apresenta como resultados a vazo de gua limpa, a vazo de reso, a vazo de efluente e a concentrao mxima de entrada e sada de cada corrente de processo. Aplicando o critrio de minimizao de gua limpa, os resultados obtidos pelo PSO foram similares aos apresentados pela literatura e pelos solucionadores do GAMS, onde a mnima vazo de gua limpa determinada pela Anlise Pinch foi garantida. Para o critrio de minimizao do nmero de interconexes, o algoritmo PSO obteve as melhores solues, quando comparado s solues obtidas pelo GAMS e literatura, e alm disso, todas as redes sintetizadas pelo PSO mostraram-se viveis por questes econmicas, de implementao e de controle, apresentando vazes de reso maiores que 2 t h-1. Com relao ao critrio de minimizao do custo total anual, as redes obtidas pelo PSO apresentaram um menor custo anual que as redes sintetizadas pelos solucionadores do GAMS. Alm disso, o algoritmo PSO possibilitou uma adequada anlise econmica com relao ao consumo de gua em processos industriais. As comparaes realizadas demonstraram a eficincia e a flexibilidade da abordagem no determinstica PSO, frente abordagem determinstica. Portanto, a combinao dos conceitos da Anlise Pinch, programao matemtica e otimizao a partir da metaheurstica PSO tem fornecido timos resultados para os modelos de sntese de redes de reso de gua.

Abstract: In this work, synthesis of reuse water networks in industrial processes has been investigated by applying an improved Particle Swarm Optimization (PSO) method. A superstructure that represents the whole possible reuse water network configurations was defined in order to formulate a wide set of optimization models. In order to lead with both discrete- and continuous-type variables in Nonlinear Problems (NLP) and Mixed Integer Nonlinear Problems (MINLP), an improved PSO method that was coded in Maple 14 software was proposed, whose main goal is to seek the synthesis of the reuse water networks by demanding some criteria of optimization. The minimization of the freshwater flowrate, total number of interconnections and the total annual cost for the industrial plant were tested as criteria. By using concepts of Pinch Analysis, violations on the mass transfer processes are mainly avoided as well as a suitable reduction on the search space in the framework of the PSO method. In addition, improvement on the performance in the optimality of the reuse water network synthesis could be attained. As a strategy on the handling of the restricted search space, an external static penalty approach of the objective function was incorporated, resulting in an improvement of the optimization procedure. Deterministic methods such as the generalized reduced gradient and branch and bound that are available in GAMS/CONOPT and GAMS/SBB local solvers were also used to obtain the reuse water network synthesis, whose results are compared with those obtained by the PSO method. In order to show the applicability and effectiveness of the improved PSO method, four study cases previously reported in the literature and representing water allocation problems (WAP) with single and multi-component systems were analyzed. As results of the reuse water network synthesis, optimized values of freshwater flowrate, wastewater flowrate and maximum pollutant concentrations in the inlet and outlet of each process stream are provided. Demanding the minimization of the freshwater flowrate, the PSO method results were similar to those obtained by the GAMS solvers as well as those reported in the literature, warranting the minimum freshwater flowrate recommended by the Pinch Analysis. On the other hand, when the minimization of total number of interconnections is demanded, the PSO method has provided the best solutions for the synthesis of the reuse water networks as compared with those obtained by the GAMS solvers and other algorithms found in the literature. In addition, all reuse water networks optimized by the PSO method are economical and technical viables, with reuse water flowrate values above 2 ton h-1. In respect to the minimization of the total annual cost, the PSO method results on the synthesis of the reuse water network has attained the lower total annual cost than those results obtained by the GAMS solvers and allowed to perform an adequate economical analysis in relation to the water consumption in industrial processes. Based on all tested criteria, the improved PSO method results are thus better than that obtained by GAMS solvers, showing its flexibility and efficiency on the methaheuristic approach in solving water network reuse synthesis problems. Finally, an association of Pinch Analysis, mathematical programming and improved PSO method-based WAP optimization has been adequate to provide global optimum reuse water networks for all minimization criteria tested.
Data da defesa: 16/09/2011
Cdigo: vtls000192174
Informaes adicionais:
Idioma: Portugus
Data de Publicao: 2011
Local de Publicao: Maring, PR
Orientador: Prof. Dr. Mauro Antnio da Silva S
Ravagnani
Co-Orientador: Prof. Dr. Aparecido Nivaldo Mdenes
Instituio: Universidade Estadual de Maring. Centro de Tecnologia. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica
Nvel: Tese (doutorado em Engenharia Qumica)/
UEM: Departamento de Engenharia Qumica

Responsavel: inez
Categoria: Aplicao
Formato: Documento PDF
Arquivo: TESE-DANIELA-TRIGUEROS.pdf
Tamanho: 10072 Kb (10313836 bytes)
Criado: 30-11-2011 10:57
Atualizado: 30-11-2011 11:29
Visitas: 1238
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