Resumo: Síntese de redes de trocadores de calor (RTCs) é um tema de grande interesse industrial. Pode-se, em um processo industrial, aproveitar a energia existente nas próprias correntes de processo e, consequentemente, reduzir os gastos com utilidades. Considerações de operabilidade são importantes para o projeto de RTC devido às incertezas nas temperaturas e nas vazões das correntes, muito comum em processos reais. Desta forma, estudos foram realizados neste trabalho para atender, além do interesse econômico, aspectos de flexibilidade, controlabilidade e resiliência da RTC. Foi proposto um modelo de otimização formulado como um problema de programação não-linear mista inteira (PNLMI) com o objetivo de minimizar o custo total anualizado (CTA) para síntese de RTC com operação multiperiódica. O modelo permite que se realize um trade-off entre o custo operacional e o custo de capital e é aplicado separadamente para cada período de operação. Um procedimento algorítmico da literatura é utilizado para gerar a RTC final multiperiódica automaticamente. O modelo de PNLMI não considera a mistura isotérmica e o cálculo da diferença de temperaturas dos terminais de cada trocador de calor é realizado com as verdadeiras temperaturas de entrada e saída em cada equipamento de transferência de calor. Foi incluída uma restrição de igualdade no cálculo das diferenças de temperaturas nos terminais dos trocadores, garantindo que a diferença de temperatura calculada não seja relaxada, como em outros modelos existentes na literatura, que podem permitir o aumento da área do trocador, o que pode superestimar a área obtida. Além disso, uma restrição foi acrescentada para garantir que nenhuma área calculada seja menor do que 1 m2, de forma que o resultado obtido tenha aplicabilidade prática. Para a configuração do sistema de controle da RTC, utilizou-se o índice RGA (Relative Gain Array - matriz de ganho relativo) e o índice DC (Disturbance Cost - custo de perturbação). Exemplos foram empregados para verificar o desempenho dos procedimentos apresentados e resultados melhores do que os encontrados na literatura foram obtidos.
Abstract: Synthesis of heat exchanger network (HEN) is a subject of great industrial interest. In an industrial process it is possible to take advantage of the existing energy in its own process streams and consequently to reduce spending on utilities. Operability considerations are important for the HEN design due to the uncertainties in streams temperature and flow rates, which are very common in real operations. Thus, studies were performed in this work to meet, in addition to economic interests, flexibility, controllability and resiliency aspects of the HEN. It was proposed an optimization model formulated as a mixed integer nonlinear programming problem (MINLP) in order to minimize the total annualized cost (TAC) for synthesis of HEN with multi-period operation. The model allows performing a trade-off between investment and operating cost and it was applied separately for each period of operation. An algorithmic procedure is used to generate automatically the final multi-period HEN. The model MINLP does not consider the isothermal mixing. The temperature difference in both ends of each heat exchanger is calculated with true inlet and outlet temperatures in each heat transfer device. It was included an equality constraint in the calculation of temperature difference in both ends of each heat exchanger. It ensures that temperatures are exactly calculated and a relaxed constraint does not exist concerning these calculations, like in others models presented in the literature, which can overdesign the heat exchanger area. Besides, a constraint was created to ensure that no calculated area is lower than 1 m2 in order that the achieved result has practical feasibility. For the configuration of the HEN control system, it was used the Relative Gain Array (RGA) and Disturbance Cost (DC) index. Examples were utilized to test the performance of the developed procedures and satisfactory and better results than those found in the literature were obtained. |
