Resumo: Um dos ramos mais importantes no estudo dos processos industriais é a síntese de redes de trocadores de calor (RTC). Por meio das RTC pode-se maximizar a recuperação energética, reduzindo os gastos com utilidades quentes e frias. Desta forma, no presente trabalho apresentam-se modelos para a síntese de redes flexíveis de trocadores de calor, ou seja, redes capazes de suportar variações nas capacidades térmicas e nas temperaturas de entrada e saída das correntes em um número finito de períodos de operação. Os modelos desenvolvidos são baseados em técnicas de programação matemática e foi baseado em um método sequencial publicado em Floudas e Grossmann (1986, 1987a), o qual é decomposto em três objetivos: custo mínimo de utilidades para cada período de operação, formulado como um problema de programação linear (PL); mínimo número de unidades de troca de calor, formulado como um problema de programação linear mista inteira (PLMI); e mínimo custo de investimento, formulado como um problema de programação não linear (PNL). No último caso, propõe-se uma alteração na superestrutura apresentada pelos autores, adicionando um by-pass que sai da entrada de um trocador e entra na saída de outro trocador e propõe-se a criação de dois conjuntos e um parâmetro para reduzir o número de variáveis e de restrições envolvidas nessa formulação matemática. Dois exemplos da literatura foram estudados com o objetivo de comparar os resultados encontrados pelos modelos desenvolvidos no presente trabalho e os apresentados por Floudas e Grossmann (1987a). Os resultados encontrados evidenciaram custos totais menores que os do trabalho original, mostrando que os resultados obtidos por aqueles autores provavelmente ficaram aprisionados em ótimos locais. Além disso, o segundo exemplo também foi aplicado por Isafiade e Fraser (2010), os quais obtiveram um custo total anualizado maior que o encontrado pelos modelos desenvolvidos neste trabalho. Desta forma, comprovam a viabilidade dos modelos propostos, atingindo, assim, os objetivos do presente trabalho.
Abstract: One of the most important fields in the study of industrial processes is the synthesis of heat exchanger networks (HEN). By using a HEN it is possible to maximize the energy recovery, reducing the use of cold and hot utilities. In this paper it is presented models using mathematical programming for the synthesis of flexible heat exchanger networks, which are HEN able to support changes in flowrates, inlet and outlet temperatures in a finite sequence of periods of time. The models were developed according to a sequential method based on Floudas and Grossmann (1986, 1987a). This work is decomposed in three goals: the minimum utility cost for each period of operation formulated as a linear programming (LP) problem; the fewest number of units of heat exchange formulated as a mixed integer linear programming (MILP) problem; and the minimum investment cost, formulated as a nonlinear programming (NLP) problem. In the last case the original superstructure is improved. A bypass coming out of the entrance of a heat exchanger and into the output of another heat exchanger is added. Also two sets and a parameter are created to reduce the number of variables and constraints involved in this mathematical formulation. Two examples were used to test the models applicability and results achieved by the models are compared with the results of Floudas and Grossmann (1987). Total costs are better than the original paper, indicating that the authors result was trapped in local minima. The last example was also applied for Isafiade and Fraser (2010), who had a total annualized cost higher than that found for models developed in this work. The results found demonstrate the viability of the proposed models, reaching the goals of this work. |
