Deposição é um fenômeno indesejável que ocorre na superfície dos trocadores de calor ao longo de sua operação, ocasionando redução na efetividade térmica e aumento da resistência ao escoamento nestes equipamentos. Estes efeitos trazem grandes consequências econômicas e ambientais, devido ao aumento dos custos operacionais (energia adicional é requerida), aumento dos custos de projeto (demanda por equipamentos de maior área de troca térmica), limitações hidráulicas (que pode levar a uma diminuição da carga processada) e aumento das emissões (aumento da queima de combustíveis fósseis para suprir a energia adicional requerida). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo fornecer ferramentas computacionais robustas que apliquem técnicas de otimização para o gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor, visando minimizar os seus efeitos negativos. Estas ferramentas foram desenvolvidas utilizando programação matemática no ambiente computacional GAMS, e três abordagens distintas para a resolução do problema da deposição foram pesquisadas. Uma delas consiste na identificação do conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos durante uma parada para manutenção da planta, visando restaurar a carga térmica nesses equipamentos através da remoção dos depósitos existentes. Já as duas outras abordagens consistem em otimizar a distribuição das vazões das correntes ao longo de ramais paralelos, uma de forma estacionária e a outra de forma dinâmica, visando maximizar a recuperação de energia ao longo da rede. O desempenho destas três abordagens é ilustrado através de um conjunto de exemplos de redes de trocadores de calor, onde os ganhos reais obtidos com estas ferramentas de otimização desenvolvidas são demonstrados / Fouling is an undesirable phenomenon that occurs over the surface of heat exchangers during its operation, causing reduction of thermal effectiveness and increase of flow resistance along these equipment. These effects bring large economics and environmental consequences, due to the increase of operational costs (additional energy is required), increase of project costs (demand of equipment with larger thermal exchange areas), hydraulic limitations (that can diminish the process throughput) and increase of emissions (increase of fossil fuel firing to supply the additional energy required). In this context, the objective of this work is to provide robust computational tools that apply optimization techniques for fouling management on heat exchanger networks, aiming to reduce its negative effects. These tools were developed using mathematical programming on GAMS software, and three distinct approaches for the resolution of the fouling problem were investigated. One of them consists in the identification of the optimal set of heat exchangers that have to be cleaned during a plant maintenance shutdown, aiming to restore the thermal load in these equipment through the removal of the existent deposits. The other approaches consist in to optimize the distribution of flow rates of the streams along parallel branches, using stationary and dynamic models, in order to maximize the energy recovery in the network. The performance of these three approaches is illustrated through examples of heat exchanger networks, where the real gains obtained with these optimization tools are demonstrated

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Redes de trocadores de calor são bastante utilizadas na indústria química para promover a integração energética do processo, recuperando calor de correntes quentes para aquecer correntes frias. Estas redes estão sujeitas à deposição, o que causa um aumento na resistência à transferência de calor, prejudicando-a. Uma das principais formas de diminuir o prejuízo causado por este fenômeno é a realização periódica de limpezas nos trocadores de calor. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um novo método para encontrar a programação ótima das limpezas em uma rede de trocadores de calor. O método desenvolvido utiliza o conceito de horizonte deslizante associado a um problema de programação linear inteira mista (MILP). Este problema MILP é capaz de definir o conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos em um determinado instante de tempo (primeiro instante do horizonte deslizante), levando em conta sua influência nos instantes futuros (restante do horizonte deslizante). O problema MILP utiliza restrições referentes aos balanços de energia, equações de trocadores de calor e número máximo de limpezas simultâneas, com o objetivo de minimizar o consumo de energia da planta. A programação ótima das limpezas é composta pela combinação dos resultados obtidos em cada um dos instantes de tempo.O desempenho desta abordagem foi analisado através de sua aplicação em diversos exemplos típicos apresentados na literatura, inclusive um exemplo de grande porte de uma refinaria brasileira. Os resultados mostraram que a abordagem aplicada foi capaz de prover ganhos semelhantes e, algumas vezes, superiores aos da literatura, indicando que o método desenvolvido é capaz de fornecer bons resultados com um baixo esforço computacional / Heat exchanger networks are widely used in industry to promote heat recoveryby making hot and cold streams to exchange heat, however these networks are subjected to fouling, which causes an increase in heat transfer resistance, jeopardizing it. One of the main techniques used to diminish the effects of fouling is to perform periodical cleanings in the heat exchangers. This works goal is to develop a new method to find the optimal cleaning schedule for a heat exchanger network. The developed method uses a sliding horizon concept associated with a mixed integer linear programming problem. This MILP problem is capable of finding the optimal set of heat exchangers that must be cleaned at a certain instant (first instant of the sliding horizon), considering its influence on the further instants (the rest of the sliding horizon). The MILP problem consists of constraints corresponding to energy balances, heat exchanger equations and maximum number of cleanings.The problem objective function represents the energy consumption that must be minimized. The optimal cleaning schedule is formed by the combination of the results to each one of the time instants. The proposed approach was evaluated through its application in several cases presented in literature, including a large size example from a Brazilian refinery. The results show that the proposed approach was capable of finding similar and, sometimes, superior results compared to the literature ones, concluding that the developed method was capable of providing good results with low computational efforts

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4983.pdf: 2300350 bytes, checksum: d86b92bce6ba28c7a9e288585bab12f1 (MD5) Previous issue date: 2013-02-25 / Universidade Federal de Sao Carlos / The increasing concern about environmental impacts caused by human activities has led scientists to look for ways to settle the situation. As regards chemical industries, one of the main focuses of this concern is the energy saving. Over several studies down the years, the idea of Pinch technology has risen up as one of the main and most efficient techniques of energy integration so far. It is based on the division of the problem into two systems starting from Pinch point, in which retrofits and/or synthesis of heat exchanger networks are realized separately, grounded on Thermodynamics principles. Nevertheless, at times, the calculation needed for this methodology can be tedious and time consuming. For that effect, there is the need to use software s to execute faster the initial calculations that Pinch method demands, in order to make it easier the future project of heat exchanger networks. The purpose of this work was to create a computer program in Scilab® language, for application of basic principles of Pinch analysis. Five case studies were presented to illustrate and test the performance of the new program. Furthermore, some of the main properties of this technique are presented, proving to be very interesting and inspiring for the rising or new researches in the area. From this work, it can be concluded that Pinch analysis is a relatively simple and efficient way to the retrofit and synthesis of heat exchanger networks, being able to be used in the solution of a several range of problems. Thus, energy savings associated to capital savings are possible, making it easier to exist a quality deal between the environment and profitability of chemical industries. Besides, the new program implemented in Scilab® has shown up to be a really efficient tool in the application of the method, facilitating the learning of users recent presented to Pinch technology and also being useful to more experienced designers, presenting satisfactory results regarding energy optimization of processes. / A crescente preocupação com impactos ambientais causados por atividades humanas tem levado cientistas a buscar alternativas para amenizar a situação. No que se refere a indústrias químicas, um dos focos principais dessa preocupação é a economia de energia. Através de vários estudos realizados ao longo dos anos, surgiu então a ideia da tecnologia Pinch, uma das principais e mais eficientes técnicas de integração energética existente. É baseada na divisão do problema em dois sistemas através do ponto Pinch, nos quais são realizados reprojetos e/ou sínteses de Redes de Trocadores de Calor (RTC) separadamente, fundamentados em princípios da Termodinâmica. No entanto, por vezes, os cálculos necessários a essa metodologia podem ser demorados e tediosos. Por esta razão, há a necessidade do uso de softwares para efetuar mais rapidamente os cálculos iniciais do método Pinch, facilitando, então, o futuro projeto de redes de trocadores de calor. O objetivo deste trabalho foi criar um programa computacional em linguagem Scilab®, para aplicação dos princípios básicos da análise Pinch. Cinco estudos de caso foram apresentados para ilustrar e testar o desempenho do novo programa. Ademais, são apresentadas algumas das principais propriedades relativas a esta técnica, mostrando-se bastante interessantes e inspiradoras para a realização de novas pesquisas dentro da área. Através deste trabalho, conclui-se que a análise Pinch é uma maneira relativamente simples e eficaz para síntese de RTC, podendo ser utilizada para a resolução de uma vasta gama de problemas. Desta forma, é possível uma recuperação energética aliada à economia de capital, possibilitando um acordo de qualidade entre meio ambiente e lucratividade das indústrias químicas. Ademais, o programa computacional implementado em Scilab® mostrou-se uma ferramenta bastante eficiente para aplicação do método, facilitando o aprendizado da tecnologia Pinch por usuários iniciantes e também sendo útil para projetistas mais experientes, apresentando resultados satisfatórios no que se refere à otimização energética do processo.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Redes de trocadores de calor são bastante utilizadas na indústria química para promover a integração energética do processo, recuperando calor de correntes quentes para aquecer correntes frias. Estas redes estão sujeitas à deposição, o que causa um aumento na resistência à transferência de calor, prejudicando-a. Uma das principais formas de diminuir o prejuízo causado por este fenômeno é a realização periódica de limpezas nos trocadores de calor. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um novo método para encontrar a programação ótima das limpezas em uma rede de trocadores de calor. O método desenvolvido utiliza o conceito de horizonte deslizante associado a um problema de programação linear inteira mista (MILP). Este problema MILP é capaz de definir o conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos em um determinado instante de tempo (primeiro instante do horizonte deslizante), levando em conta sua influência nos instantes futuros (restante do horizonte deslizante). O problema MILP utiliza restrições referentes aos balanços de energia, equações de trocadores de calor e número máximo de limpezas simultâneas, com o objetivo de minimizar o consumo de energia da planta. A programação ótima das limpezas é composta pela combinação dos resultados obtidos em cada um dos instantes de tempo.O desempenho desta abordagem foi analisado através de sua aplicação em diversos exemplos típicos apresentados na literatura, inclusive um exemplo de grande porte de uma refinaria brasileira. Os resultados mostraram que a abordagem aplicada foi capaz de prover ganhos semelhantes e, algumas vezes, superiores aos da literatura, indicando que o método desenvolvido é capaz de fornecer bons resultados com um baixo esforço computacional / Heat exchanger networks are widely used in industry to promote heat recoveryby making hot and cold streams to exchange heat, however these networks are subjected to fouling, which causes an increase in heat transfer resistance, jeopardizing it. One of the main techniques used to diminish the effects of fouling is to perform periodical cleanings in the heat exchangers. This works goal is to develop a new method to find the optimal cleaning schedule for a heat exchanger network. The developed method uses a sliding horizon concept associated with a mixed integer linear programming problem. This MILP problem is capable of finding the optimal set of heat exchangers that must be cleaned at a certain instant (first instant of the sliding horizon), considering its influence on the further instants (the rest of the sliding horizon). The MILP problem consists of constraints corresponding to energy balances, heat exchanger equations and maximum number of cleanings.The problem objective function represents the energy consumption that must be minimized. The optimal cleaning schedule is formed by the combination of the results to each one of the time instants. The proposed approach was evaluated through its application in several cases presented in literature, including a large size example from a Brazilian refinery. The results show that the proposed approach was capable of finding similar and, sometimes, superior results compared to the literature ones, concluding that the developed method was capable of providing good results with low computational efforts