La filtration membranaire est une technique séparative utilisée fréquemment comme procédé permettant de retenir et d'extraire les microorganismes présents dans un fluide. Le mécanisme de sélectivité classiquement admis dans ce procédé est l'exclusion par la taille. Cependant, nos travaux ont permis de mettre en évidence un transfert de microorganismes à travers la structure poreuse des membranes au cours d'opérations de filtration, alors que les dimensions des cellules vivantes en suspension sont supérieures au diamètre moyen des pores de la membrane, entrainant une diminution du taux de récolte des microorganismes et une contamination de la phase perméat. Les caractéristiques morphologiques et nanomécaniques des cellules bactériennes sélectionnées pour nos travaux ont été observées et les propriétés du matériau membranaire modèle ont été mesurées. Grâce à ces informations, le transfert des bactéries aux premiers instants d'une filtration frontale a pu être évalué et le rôle de différents paramètres opératoires appliqués (type de souche bactérienne, composition physico-chimique de fluide filtré, PTM) a pu être commenté. Ainsi, nos résultats ont permis de préciser les mécanismes de sélectivités appliqués aux bactéries à Gram positif et à Gram négatif qui différent du fait des caractéristiques structurales de la paroi bactérienne (épaisseur et élasticité de la couche de peptidoglycane). Enfin, l'évolution du transfert de cellules vers la phase perméat a également été suivie et la mise en place du dépôt bactérien colmatant à la surface de la membrane a été observée. Le rôle de ce dépôt structuré sur les variations de débit et de transfert a donc pu être mis en évidence pour les trois modèles bactériens sélectionnés. Nos résultats ont permis de définir des conditions critiques (physiques, chimiques et biologiques) pour lesquelles le transfert de cellules bactériennes par déformation est amplifié au cours d'une filtration membranaire frontale. / Membrane filtration is a separation technique commonly used as a method for removing and extracting microorganisms present in a fluid. The selectivity mechanism is size exclusion. However, our work has highlighted transfer of microorganisms through the porous membrane structure during filtration operations, even if the size of the living cell in suspension is greater than the average pore size of the membrane, resulting in lowering of the accumulation rate of the microorganisms and thus contamination of the permeate phase. Morphological and nanomechanical characterization of selected bacteria cells used for our work were performed and the properties of the model membrane were analyzed. With this information, the transfer of bacteria dunring the first moments of the dead-end filtration has been evaluated and the role of operating parameters (type of bacteria strains, physicochemical composition of filtered fluid, TMP) has been studied. Thus, our results have clarified the selectivity mechanisms applied to Gram-positive and Gram-negative bacteria strains because of different structural characteristics of the bacterial cell wall (thickness and elasticity of the peptidoglycan layer). Finally, evolution of cells transfer to the permeate phase has also been followed, and the bacterial deposit clogging the membrane was observed. The role of the structured deposit on the variations in flow and transfer has been demonstrated for the three selected bacterial models. Our results have defined critical conditions (physical, chemical and biological) where the transfer of bacterial cells is amplified by deformation during a frontal membrane filtration.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Trocadores de calor são equipamentos muito utilizados na indústria de processos com o objetivo de modificar a temperatura e/ou o estado físico de correntes materiais. Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados, a fim de reduzir as necessidades de energia de um sistema. No entanto, durante a operação de uma rede, a eficiência térmica dos trocadores de calor diminui devido à deposição. Esse efeito promove o aumento dos custos de combustível e das emissões de carbono. Uma alternativa para mitigar este problema baseia-se no estabelecimento de uma programação das limpezas dos trocadores de calor durante a operação de rede. Este tipo de abordagem ocasiona uma situação na qual ocorre um conflito de escolha: a limpeza de um trocador de calor pode recuperar a sua eficiência térmica, mas implica custos adicionais, tais como, mão-de-obra, produtos químicos, etc. Além disso, durante a limpeza, o trocador de calor tem de ser contornado por uma corrente de by-pass, o que aumenta temporariamente o consumo de energia. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar diferentes técnicas de otimização envolvendo métodos estocásticos e heurísticos. Com este objetivo foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados que envolvem a simulação pseudo-estacionária do comportamento da rede relacionado com incrustações e a otimização da programação das limpezas deste tipo de sistema. A solução do problema indica os períodos de tempo para a limpeza de cada trocador de calor. Na abordagem estocástica empregada, os parâmetros do algoritmo genético, como probabilidade de crossover e probabilidade de mutação, foram calibrados para o presente problema. A abordagem heurística desenvolvida se deu através da sequência do conjunto de movimentos zero, um e dois. De forma alternativa, desenvolveu-se a metodologia heurística recursiva na qual os conjuntos de movimentos um e dois foram empregados recursivamente. Também foi desenvolvida a abordagem híbrida que consistiu em diferentes combinações da metodologia estocástica e heurística. A análise comparativa entre as metodologias empregadas teve como objetivo avaliar a abordagem mais adequada para o presente problema da programação das limpezas em termos de função objetivo e esforço computacional. O desempenho da abordagem proposta foi explorado através de uma série de exemplos, incluindo uma refinaria real brasileira. Os resultados foram promissores, indicando que as técnicas de otimização analisadas neste trabalho podem ser abordagens interessantes para operações que envolvam redes de trocadores de calor. Dentre as abordagens de otimização analisadas, a metodologia heurística desenvolvida no presente trabalho apresentou os melhores resultados se mostrando competitiva frente às abordagens comparadas da literatura / Heat exchangers are devices widely used in many processes with the goal of changing the temperature and/or the physical state of the streams. A heat exchanger network (HEN) can be defined as a group of interconnected heat exchangers in order to reduce the energy requirements of a system and is widely used in process industries. However, during the operation of a HEN, the thermal effectiveness of the heat exchangers decreases due to fouling. This effect brings an increase of the fuel costs and carbon emissions. A possible approach to mitigate this problem is based on the establishment of a heat exchanger cleaning schedule during the refinery operation. This kind of intervention brings a tradeoff: the cleaning of a heat exchanger can restore its thermal effectiveness, but implies in additional costs, such as, manpower, chemicals, etc. Additionally, during the cleaning, the heat exchanger must be bypassed which temporally increases the energy consumption. In this context, the present work aims to explore different optimization techniques involving stochastic and heuristic methods. For this purpose, it was developed a set of integrated computational codes involving a pseudo-stationary simulation of HEN behavior related to fouling and schedule optimization of cleaning this type of system. The solution of the problem indicates for the operating staff the time periods for the cleaning of each heat exchanger in the crude preheat train. In the stochastic approach used, the parameters of the genetic algorithm, as the probability of crossover and mutation, have been calibrated to the present problem. The developed heuristic approach was made through the sequence of motions set of zero, one and two. Alternatively, the methodology developed in which the recursive heuristic move sets one and two were used recursively. The hybrid approach consisting of different combinations of stochastic and heuristic methodology was also developed. A comparative analysis of methodologies aimed at assessing the most appropriate approach to this problem of scheduling the cleaning in terms of computational effort and objective function. The performance of the proposed approach was explored by a series of examples including a real Brazilian refinery. The results were promising, suggesting that the optimization techniques of this work may be interesting approaches to operations involving HENs. Among the analyzed optimization approaches, the heuristic methodology developed in this work showed the best results showing competitive front approaches compared to the literature

Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados com o objetivo de reduzir a necessidade de energia de um sistema, sendo largamente usada nas indústrias de processos. Entretanto, uma rede está sujeita à deposição, a qual causa um decréscimo na efetividade térmica dos trocadores. Este fenômeno é provocado pelo acúmulo de materiais indesejáveis sobre a superfície de troca térmica. Para compensar a redução de efetividade térmica causada pela deposição, torna-se necessário um aumento no consumo de utilidades. Isto eleva os custos de operação, assim como os custos de manutenção. Estima-se que os custos associados à deposição atinjam bilhões de dólares anualmente. Em face a este problema, vários trabalhos de pesquisa têm investigado métodos para prevenir a deposição e/ou gerenciar as operações em uma rede. Estudos envolvem desde a otimização de trocadores de calor individuais, simulação e monitoramento de redes, até a otimização da programação das paradas para limpeza de trocadores de calor em uma rede. O presente trabalho apresenta a proposição de um modelo para simulação de redes de trocadores de calor com aplicações no gerenciamento da deposição. Como conseqüência, foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados, envolvendo a simulação estacionária de redes, a simulação pseudo-estacionária do comportamento de redes em relação à evolução da deposição, a estimação de parâmetros para diagnóstico do problema da deposição e a otimização operacional deste tipo de sistema. Com relação ao simulador estacionário, o modelo da rede foi formulado matricialmente e os balanços de massa e energia são resolvidos como sistemas de equações lineares. Do ponto de vista da otimização, o procedimento proposto redistribui as vazões, visando um melhor aproveitamento térmico dos trocadores da rede, como, por exemplo, buscando as vazões da rede que maximizem a temperatura da corrente de entrada no forno em unidades de destilação atmosférica de óleo cru. Os algoritmos foram implementados em alguns exemplos da literatura e em um problema de uma refinaria real. Os resultados foram promissores, o que sugere que a proposta deste trabalho pode vir a ser uma abordagem interessante para operações envolvendo redes de trocadores de calor / A Heat Exchanger Network (HEN) can be defined as a group of heat exchangers interconnected aiming to reduce the energy demand of a system, being widely used in the process industries. However, a HEN is subject to fouling, which causes a decrease on the thermal effectiveness of heat exchangers. This phenomenon is provoked by the accumulation of undesirable materials on thermal surface. In order to compensate the reduction of thermal effectiveness caused by fouling, it becomes necessary to increase the utility consumption. Thus, there is an increase of the operation costs, as maintenance costs. It is estimated that the costs associated to fouling reach billions of dollars annually. Facing this problem, several researches have investigated methods to prevent fouling and/or how to manage HEN operations. Studies involve since optimization of individual heat exchangers, simulation and fouling monitoring, until cleaning schedule optimization of HENs. The present work proposes a HEN simulation model, applied to fouling management. Consequently, it was developed a set of integrated computational codes, which involve a HEN stationary simulation, a pseudo-stationary simulation of HEN behavior related to fouling, a parameter estimation procedure for diagnosing fouling problems and an operational optimization procedure of this sort of system. Related to the stationary simulator, the HEN model is formulated using a matrix approach and the mass and energy balances are solved as linear equation systems. Focusing on optimization, it redistributes the HEN flows in order to improve the heat exchangers thermal efficiency, for example, searching for the HEN flows that maximize the inlet furnace stream temperature in crude distillation units. The algorithm was implemented to some literature examples and on a problem of a real refinery. All results show to be promising, which suggests that the proposal of this work may be an interesting approach for operations involving HENs

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

Orientadora: Prof.ª Dra Luisa Helena dos Santos Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Ambiental, 2016. / Biorreatores com Membranas Submersas (BRMS) são, atualmente, reconhecidos como opção viável para o tratamento de esgotos sanitários e o reúso de águas. Apesar disso, a tecnologia é geralmente vista como de alto investimento quando comparado a sistemas convencionais de tratamento de esgoto, sobretudo pelo maior gasto energético com aeração do sistema. Porém, BRMS quando operados sob condições específicas para nitrificação e desnitrificação simultâneas (NDS), é possível obter um efluente de elevada qualidade com menor custo, devido a menor necessidade de aeração. Nesse sentido, a operação do sistema de BRMS com o processo de NDS pode aumentar a utilização desta tecnologia no tratamento de esgoto sanitário. Neste contexto, este trabalho teve por objetivo principal avaliar a remoção de nitrogênio via NDS em diferentes concentrações de oxigênio dissolvido (OD) em uma unidade piloto de um Biorreator de Membranas Submersas tratando esgoto sanitário. Para isso, o experimento foi dividido em três Fases de acordo com a concentração de oxigênio dissolvido no licor misto: Fase I (2,3 mgO2/L), Fase II (0,8 mgO2/L e Fase III (0,3 mgO2/L). Foram alcançadas elevadas eficiências de remoção de material orgânico, independente das variações na concentração de OD, DBO5 com valores médios de 98%, 97% e 98% e DQO de 95%, 96% e 95% para as Fases I, II e III, respectivamente. A remoção média de nitrogênio total obtida foi 33% na Fase I, 60% na Fase II e 50% na Fase III. Onde a remoção via NDS foi responsável por 60%, 78% e 74% do total removido para as Fases I, II e III, respectivamente. A remoção de nitrogênio amoniacal não foi limitada devido as baixas concentrações de OD e houve acúmulo de NO2-. O sistema operou sob baixos valores de pressão transmembrana durante todo o período, porém foi encontrada diferença significativa nos valores da Fase III em relação às Fases I e II. Houve uma redução significativa na permeabilidade da membrana quando a concentração de OD no licor misto foi reduzida para 0,3 mg/L, porém sem efeito significativo quando a concentração de OD foi de 0,8 mg/L. Foram observados maiores valores de SPE ligado na Fase III em relação às demais, principalmente na fração de carboidratos que pode estar diretamente ligada a taxa de fouling. Foi possível alcançar remoção de NT em OD de 0,8 mg/L (Fase II) sem causar um impacto negativo no desempenho das membranas, sendo esta fase a mais adequada para a ocorrência do processo de NDS em BRMS. / Submerged Membrane Bioreactors (SMBR) are actually, recognized as viable option for wastewater treatment and reuse. Nevertheless, this technology is generally viewed as a high investment compared to conventional sewage treatment systems, especially for greater energy requirement for aeration system. However, SMBR when operated under specific conditions for simultaneous nitrification and denitrification (SND) it is possible to obtain a high quality effluent with lower compared to the conventional configuration because of less need for aeration. Therefore, the operation of the system SMBR with the NDS process can increase the utilization of this technology in the wastewater treatment. In this context, this study aimed to evaluate the removal of nitrogen via SND under different dissolved oxygen concentrations (DO) in a pilot of a SMBR treating wastewater. For this, the experiment was divided into three phases according to the concentration of dissolved oxygen in the mixed liquor: Phase I (2,3 mgO2/L), Phase II (0,8 mgO2/L and Phase III (0,3 mgO2/L). Were achieved high organic matter removal efficiencies regardless of fluctuations in DO concentration in terms of BOD5 average values of 98%, 97% and 98% and COD average values of 95%, 96% and 95% for Phases I, II and III respectively. The average total nitrogen removal was 33% in Phase I, 60% in Phase II and Phase III 50%. Where the removal means SND is responsible for 60%, 78% and 74% of the total removed for Phases I, II and III respectively. The removal of ammoniacal nitrogen is not limited by the low DO concentrations and there was accumulation of NO2- in Phase III. The system operated under low transmembrane pressure values throughout the period, but significant difference was found in the values of Phase III in relation to phases I and II. There was a significant reduction in membrane permeability when the DO concentration in the mixed liquor was reduced to 0.3 mg/L, but without significant effect when the DO concentration was 0.8 mg/L. It was observed highest bound EPS values in Phase III in relation to the others, mainly in the fraction of carbohydrates that can be directly linked to fouling rate. Satisfactory NT removal was achieved when concentration DO was 0.8 mg/L (Phase II) without causing a negative impact on the performance of membranes, being this phase the most suitable for the occurrence of the SND process in SMBR.

O cultivo de moluscos marinhos tornou-se, nos últimos dez anos, uma importante fonte de renda das comunidades litorâneas de Santa Catarina, no sul do Brasil, sendo este estado o maior produtor nacional de moluscos cultivados e o segundo maior da América do Sul. A vieira Pata-de-Leão (Nodipecten nodosus Linnaeus, 1758) é uma espécie com grande potencial para a aqüicultura, e seu cultivo em escala experimental e piloto vem sendo realizado em Santa Catarina, com excelentes perspectivas. Entretanto, a incidência de organismos epibiontes sobre as valvas das vieiras cultivadas em Santa Catarina, por períodos superiores a quatros meses, pode acarretar problemas no desenvolvimento dos moluscos, uma vez que há interferência no crescimento em altura da N. nodosus (RUPP, 2007). O presente trabalho teve como objetivos registrar a ocorrência dos principais organismos que compõem o fouling da vieira N. nodosus e se este assentamento acarreta efeitos negativos no seu desenvolvimento; identificar e descrever as espécies de esponjas presentes no fouling e avaliar de forma preliminar a capacidade de colonização das espécies de esponjas através da competição por espaço com outros organismos da epifauna. As coletas foram realizadas no cultivo de vieiras N. nodosus, situado no estado de Santa Catarina, município de Bombinhas, praia do Canto Grande (27o13’S/48o30’W), nos meses de junho de 2006 a julho de 2007. Foi detectada a presença de 31 espécies pertencentes a sete grandes grupos de organismos epibiontes. Dessas, apenas dez espécies representaram mais de 98% da abundância total. Apesar de haver aumento da riqueza de espécies, diferenças na abundância e na diversidade ao longo das coletas, não houve evidências concretas de processos sucessionais. Após 467 dias sem limpeza, as vieiras do cultivo de Canto Grande não apresentaram efeitos negativos pela presença do fouling. Foram registradas oito espécies de esponjas, sendo Arenosclera brasiliensis a mais abundante, e Prosuberites sp. a espécie que apresentou a maior área de cobertura das valvas das vieiras. Entretanto, nenhuma espécie foi dominante na comunidade de epibiontes, não evitando a presença de outros organismos incrustantes. Foram identificadas pela primeira vez, esponjas associadas às vieiras de cultivo, descrevendose oito espécies: Arenosclera brasiliensis Muricy & Ribeiro 1999, Tedania ignis (Duhassaing & Micheloti, 1864), Lissodendoryx (Lissodendoryx) isodictyalis (Carter 1882), Hymeniacidon heliophila Parker 1910, Mycale (Carmia) microsigmatosa Arndt 1927, Halichondria (Halichondria) sp., Mycale (Carmia) sp. e Prosuberites sp. Ampliam-se os limites meridionais de A. brasiliensis e L. isodictyalis. Mycale sp. e Prosuberites sp. são possíveis espécies novas para a ciência. / The cultivation of marine mollusks became, in the last ten years, a major source of income to the coastal communities of Santa Catarina in southern Brazil. This state is the greatest domestic producer of shellfish cultivation and the second largest in South America. The scallop Pata-de-Leon (Nodipecten nodosus Linnaeus, 1758) is a species with great potential for aquaculture, and its cultivation in experimental and pilot scale is being held in Santa Catarina, with excellent prospects. However, the incidence of epibionts on the valves of scallops can cause problems in the development of bivalves. This study aimed to identify the occurrence of the main organisms that make up the fouling of the scallop N. nodosus and whether this settlement would impose negative effects on their development; to record and describe the occurrence of eight species of marine sponges associated with cultured scallops and evaluate on a preliminary form the ability of colonization of sponges species by the space competition with others epifaunal organisms. The samples were collected in the cultivation of scallops N. nodosus, located in the state of Santa Catarina, municipality of Bombinhas, the beach Canto Grande (27°13'S / 48°30'W), in the months of June 2006 to July 2007. It detected the presence of 31 species belonging to seven major groups of organisms epibionts. Of these, only ten species represented more than 98% of the total abundance. Although there was an increase in species richness, differences in the abundance and diversity throughout the study period, there was no concrete evidence of successional processes. After 467 days without cleaning, the scallops of the culture of Canto Grande showed no negative effects by the presence of fouling. Eight sponge species have been recorded being the most abundant Arenosclera brasiliensis, and Prosuberites sp. the species that showed the largest area of coverage valve of the scallops. However, no species was dominant in the community of epibionts, not avoiding the presence of other organisms incrustants. All sponge species have been described: Arenosclera brasiliensis Muricy & Ribeiro 1999, Tedania ignis (Duhassaing & Micheloti, 1864), Lissodendoryx (Lissodendoryx) isodictyalis (Carter 1882), Hymeniacidon heliophila Parker 1910, Mycale (Carmia) microsigmatosa Arndt 1927, Mycale (Carmia) sp., Halichondria (Halichondria) sp. e Prosuberites sp. The southern boundaries of A. brasiliensis and L. isodictyaliz were enlarged and the latter is a new record for Brazilian coast. Mycale sp., Halichondria sp. and Prosuberites sp. are possible new species.

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

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Trocadores de calor são equipamentos muito utilizados na indústria de processos com o objetivo de modificar a temperatura e/ou o estado físico de correntes materiais. Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados, a fim de reduzir as necessidades de energia de um sistema. No entanto, durante a operação de uma rede, a eficiência térmica dos trocadores de calor diminui devido à deposição. Esse efeito promove o aumento dos custos de combustível e das emissões de carbono. Uma alternativa para mitigar este problema baseia-se no estabelecimento de uma programação das limpezas dos trocadores de calor durante a operação de rede. Este tipo de abordagem ocasiona uma situação na qual ocorre um conflito de escolha: a limpeza de um trocador de calor pode recuperar a sua eficiência térmica, mas implica custos adicionais, tais como, mão-de-obra, produtos químicos, etc. Além disso, durante a limpeza, o trocador de calor tem de ser contornado por uma corrente de by-pass, o que aumenta temporariamente o consumo de energia. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar diferentes técnicas de otimização envolvendo métodos estocásticos e heurísticos. Com este objetivo foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados que envolvem a simulação pseudo-estacionária do comportamento da rede relacionado com incrustações e a otimização da programação das limpezas deste tipo de sistema. A solução do problema indica os períodos de tempo para a limpeza de cada trocador de calor. Na abordagem estocástica empregada, os parâmetros do algoritmo genético, como probabilidade de crossover e probabilidade de mutação, foram calibrados para o presente problema. A abordagem heurística desenvolvida se deu através da sequência do conjunto de movimentos zero, um e dois. De forma alternativa, desenvolveu-se a metodologia heurística recursiva na qual os conjuntos de movimentos um e dois foram empregados recursivamente. Também foi desenvolvida a abordagem híbrida que consistiu em diferentes combinações da metodologia estocástica e heurística. A análise comparativa entre as metodologias empregadas teve como objetivo avaliar a abordagem mais adequada para o presente problema da programação das limpezas em termos de função objetivo e esforço computacional. O desempenho da abordagem proposta foi explorado através de uma série de exemplos, incluindo uma refinaria real brasileira. Os resultados foram promissores, indicando que as técnicas de otimização analisadas neste trabalho podem ser abordagens interessantes para operações que envolvam redes de trocadores de calor. Dentre as abordagens de otimização analisadas, a metodologia heurística desenvolvida no presente trabalho apresentou os melhores resultados se mostrando competitiva frente às abordagens comparadas da literatura / Heat exchangers are devices widely used in many processes with the goal of changing the temperature and/or the physical state of the streams. A heat exchanger network (HEN) can be defined as a group of interconnected heat exchangers in order to reduce the energy requirements of a system and is widely used in process industries. However, during the operation of a HEN, the thermal effectiveness of the heat exchangers decreases due to fouling. This effect brings an increase of the fuel costs and carbon emissions. A possible approach to mitigate this problem is based on the establishment of a heat exchanger cleaning schedule during the refinery operation. This kind of intervention brings a tradeoff: the cleaning of a heat exchanger can restore its thermal effectiveness, but implies in additional costs, such as, manpower, chemicals, etc. Additionally, during the cleaning, the heat exchanger must be bypassed which temporally increases the energy consumption. In this context, the present work aims to explore different optimization techniques involving stochastic and heuristic methods. For this purpose, it was developed a set of integrated computational codes involving a pseudo-stationary simulation of HEN behavior related to fouling and schedule optimization of cleaning this type of system. The solution of the problem indicates for the operating staff the time periods for the cleaning of each heat exchanger in the crude preheat train. In the stochastic approach used, the parameters of the genetic algorithm, as the probability of crossover and mutation, have been calibrated to the present problem. The developed heuristic approach was made through the sequence of motions set of zero, one and two. Alternatively, the methodology developed in which the recursive heuristic move sets one and two were used recursively. The hybrid approach consisting of different combinations of stochastic and heuristic methodology was also developed. A comparative analysis of methodologies aimed at assessing the most appropriate approach to this problem of scheduling the cleaning in terms of computational effort and objective function. The performance of the proposed approach was explored by a series of examples including a real Brazilian refinery. The results were promising, suggesting that the optimization techniques of this work may be interesting approaches to operations involving HENs. Among the analyzed optimization approaches, the heuristic methodology developed in this work showed the best results showing competitive front approaches compared to the literature

Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados com o objetivo de reduzir a necessidade de energia de um sistema, sendo largamente usada nas indústrias de processos. Entretanto, uma rede está sujeita à deposição, a qual causa um decréscimo na efetividade térmica dos trocadores. Este fenômeno é provocado pelo acúmulo de materiais indesejáveis sobre a superfície de troca térmica. Para compensar a redução de efetividade térmica causada pela deposição, torna-se necessário um aumento no consumo de utilidades. Isto eleva os custos de operação, assim como os custos de manutenção. Estima-se que os custos associados à deposição atinjam bilhões de dólares anualmente. Em face a este problema, vários trabalhos de pesquisa têm investigado métodos para prevenir a deposição e/ou gerenciar as operações em uma rede. Estudos envolvem desde a otimização de trocadores de calor individuais, simulação e monitoramento de redes, até a otimização da programação das paradas para limpeza de trocadores de calor em uma rede. O presente trabalho apresenta a proposição de um modelo para simulação de redes de trocadores de calor com aplicações no gerenciamento da deposição. Como conseqüência, foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados, envolvendo a simulação estacionária de redes, a simulação pseudo-estacionária do comportamento de redes em relação à evolução da deposição, a estimação de parâmetros para diagnóstico do problema da deposição e a otimização operacional deste tipo de sistema. Com relação ao simulador estacionário, o modelo da rede foi formulado matricialmente e os balanços de massa e energia são resolvidos como sistemas de equações lineares. Do ponto de vista da otimização, o procedimento proposto redistribui as vazões, visando um melhor aproveitamento térmico dos trocadores da rede, como, por exemplo, buscando as vazões da rede que maximizem a temperatura da corrente de entrada no forno em unidades de destilação atmosférica de óleo cru. Os algoritmos foram implementados em alguns exemplos da literatura e em um problema de uma refinaria real. Os resultados foram promissores, o que sugere que a proposta deste trabalho pode vir a ser uma abordagem interessante para operações envolvendo redes de trocadores de calor / A Heat Exchanger Network (HEN) can be defined as a group of heat exchangers interconnected aiming to reduce the energy demand of a system, being widely used in the process industries. However, a HEN is subject to fouling, which causes a decrease on the thermal effectiveness of heat exchangers. This phenomenon is provoked by the accumulation of undesirable materials on thermal surface. In order to compensate the reduction of thermal effectiveness caused by fouling, it becomes necessary to increase the utility consumption. Thus, there is an increase of the operation costs, as maintenance costs. It is estimated that the costs associated to fouling reach billions of dollars annually. Facing this problem, several researches have investigated methods to prevent fouling and/or how to manage HEN operations. Studies involve since optimization of individual heat exchangers, simulation and fouling monitoring, until cleaning schedule optimization of HENs. The present work proposes a HEN simulation model, applied to fouling management. Consequently, it was developed a set of integrated computational codes, which involve a HEN stationary simulation, a pseudo-stationary simulation of HEN behavior related to fouling, a parameter estimation procedure for diagnosing fouling problems and an operational optimization procedure of this sort of system. Related to the stationary simulator, the HEN model is formulated using a matrix approach and the mass and energy balances are solved as linear equation systems. Focusing on optimization, it redistributes the HEN flows in order to improve the heat exchangers thermal efficiency, for example, searching for the HEN flows that maximize the inlet furnace stream temperature in crude distillation units. The algorithm was implemented to some literature examples and on a problem of a real refinery. All results show to be promising, which suggests that the proposal of this work may be an interesting approach for operations involving HENs

A fim de garantir a inocuidade, alguns alimentos industrializados são termicamente tratados por um processo contínuo denominado pasteurização, o qual visa inativar os micro-organismos patogênicos, mantendo, ao mesmo tempo, a sua qualidade sensorial e nutricional. Essa operação é aplicada a produtos como sucos, leite, cervejas, polpas, entre outros. A modelagem matemática deste processo tem como intuito auxiliar no entendimento, controle e posterior otimização desta operação. O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento da modelagem do processo contínuo da pasteurização HTST do leite e a validação experimental do modelo empírico da incrustação do produto nas placas do trocador de calor, em malha aberta (sem PID). A modelagem fenomenológica foi composta por balanços diferenciais de energia, para temperatura, e de material, para letalidade, nos canais, nas placas, no tubo de retenção e nas conexões do pasteurizador. Também foi realizada a modelagem empírica da incrustação do leite na seção de aquecimento. Os modelos desenvolvidos representam um conjunto de equações diferenciais ordinárias de primeira e segunda ordem, o qual foi resolvido pelo método das diferenças finitas, pelo uso do software gPROMS. O modelo foi aplicado para representar o comportamento de um pasteurizador a placas de escala laboratorial, com e sem incrustação, com e sem perturbações no sistema e durante a partida do equipamento, através de estudo de caso. Os dados simulados foram apresentados pela distribuição unidimensional e temporal de temperatura e da letalidade do tratamento, ao longo do processo, e do perfil do coeficiente global de troca térmica na seção de aquecimento. Para a validação do modelo de incrustação foi realizado um ensaio experimental da pasteurização de solução proteica (similar ao leite). Inseriu-se termopares em diversos pontos do equipamento e as temperaturas foram registradas ao longo do tempo. As placas do trocador foram pesadas e fotografadas antes e depois do teste para controle da quantidade de material depositado. A partir dos resultados laboratoriais, fez-se o ajuste dos parâmetros do modelo de incrustação, simulando novamente. Esses resultados foram comparados aos experimentais, sendo, então, o modelo validado. / In order to guarantee harmlessness, some processed foods are thermally treated in a continuous process named pasteurization, in which the purpose is to eliminate pathogenic microorganisms, while avoiding sensorial and quality losses. This operation is used in products such as juice, beers, milk and dairy food, pulp, and so on. Mathematical modeling of this process seeks to help its understanding, controlling, and optimization. Thus, the aim of this work was to develop and simulate a model of a continuous process pasteurization, and to conduct the experimental validation of a fouling model in the plates of the heat exchanger plates, without a process controller (PID). The phenomenological modeling was composed by differential energy and material balances, for temperature and lethality, respectively, in the channels, plates, holding tube and its connections of the pasteurizer. It was also developed an empirical fouling model for the product in the heating section. All these models represent a set of first and second order differential equations which were solved by a finite difference method through the gPROMS software. This modeling was used to express the behavior of a laboratory scale plate pasteurizer, with and without fouling, with and without system disturbances and during the equipment startup, in a case study. The simulated data was presented by the unidimensional spatial and temporal distribution of temperature and lethality along the process, and overall heat transfer coefficient profile in the heating section. To validate the fouling model, an experimental test by using a protein solution (similar to cow milk) was conducted. The temperature logging over time was done by various thermocouples inserted in the pasteurizer. All the plates were weighed and photographed before and after the tests to quantify the amount of deposits. From laboratory results, fouling model parameters were adjusted and simulation was performed again. These results were compared to the experiments, being the model validated adequately.