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Previous issue date: 2015-03-13 / Universidade Federal de Sao Carlos / Este trabalho visa a otimização não-linear restrita usando o Método das Tolerâncias Flexíveis (FTM) e na aplicação do mesmo na síntese de sistemas de integração mássica. A integração mássica é uma técnica que permite a compreensão global do fluxo de massa dentro do processo, e emprega tais conhecimentos na identificação de melhorias de desempenho e otimização da geração e mapeamento de espécies ao longo do processo. A integração de massa baseia-se nos princípios fundamentais da engenharia química combinada com a análise do sistema usando ferramentas gráficas e de otimização. Neste contexto, o método direto de otimização foi usado como base para melhorias a fim de tornar possível sua aplicação em problemas de síntese de processo, especialmente a integração de massa. O Método das Tolerância Flexíveis é um método direto de otimização que apresenta algumas vantagens como simplicidade e a capacidade de lidar com igualdade e desigualdade sem empregar o cálculo de derivadas. O método utiliza duas buscas para satisfazer a restrição de viabilidade. A busca externa é uma variação do método de Nelder-Mead (ou o método Poliedro Flexível ou FPM) que minimiza a função objetivo. A busca interna minimiza o valor da função formada pelas restrições de igualdade e/ou desigualdade do problema. Esta busca interna pode ser realizada por qualquer método de otimização não linear irrestrita. Neste trabalho, o método das tolerâncias flexíveis foi hibridizado com diferentes métodos irrestritos para realizar a busca interna: BFGS (Método de Broyden, Fletcher, Goldfarb and Shanno) e Powell modificado. O método estocástico do Enxame de Partículas (PSO) também foi empregado para efetuar a inicialização e geração do ponto de partida viável para sequencial aplicação do método deiii terminístico (FTM e modificações). Outras modificações testadas foram o escalonamento de variáveis, a utilização de parâmetros adaptativos Nelder-Mead e a adição de uma barreira. Os algoritmos propostos neste trabalho foram aplicados a um conjunto de problemas nãolineares restritos que compreende problemas de otimização reais. Os códigos que apresentaram melhor desempenho foram o Método Modificado das Tolerâncias Flexíveis com variáveis escalonadas (MFTMS) e o híbrido FTMS-PSO (o Método das Tolerância Flexíveis com escalonamento de variáveis e hibridizado com PSO). Estes melhores códigos foram aplicados com sucesso na solução de problemas de integração em massa. Os resultados encontrados neste trabalho demonstram a capacidade de métodos simples e diretos em lidar com problemas de otimização complexos, como os problemas de integração mássica. Além disso, um problema inédito de integração mássica proposto neste trabalho, a integração mássica de uma biorefinaria de cana-de-açúcar incluindo 1G, 2G e 3G, foi resolvido com êxito com os métodos propostos neste trabalho (MFTMS e FTMS-PSO). A primeira geração (1G) inclui a produção de etanol utilizando o caldo da cana-de-açúcar e produção de vapor e eletricidade pela cogeração. A segunda geração (2G) utiliza a biomassa lignocelulósica para produção de etanol pela rota bioquímica. A terceira geração (3G) inclui a utilização de algas para produção de biocombustíveis (etanol e biodiesel). Os resultados deste estudo de caso fornecem uma indicação de uma forma economicamente viável de conseguir avanços substanciais em termos de consumo de água e redução da poluição. / This work is focused in constrained nonlinear optimization using the Flexible Tolerance Method (FTM) and in applying in systems synthesis of mass integration. Mass integration is a technique that allows an overall understanding of the mass flow within the process, and employs such knowledge in identification of performance improvements and optimization of the generation and mapping of species throughout the process. The mass integration is based on the fundamental principles of chemical engineering combined with system analysis using graphical and optimization tools. In this context, the direct method of optimization was used as the basis for improvements in order to make possible the application in process synthesis problems, especially mass integration. The Flexible Tolerance Method is a direct method of optimization that present some advantages as simplicity, the ability to lead with equality and inequality constraints without employ derivative calculus. The method uses two searches to satisfy feasibility constraint. The external search is a variation of the Nelder-Mead method (or the Flexible Polyhedron method or FPM). This one seeks to minimizes the objective function. The internal search minimizes the value of the positive function for all equality and/or inequality constraints of the problem. This internal search can be performed by any unconstrained nonlinear optimization method. In this work, the Flexible Tolerance Method was hybridized with different unconstrained methods to perform the inner search: the BFGS (Broyden, Fletcher, Goldfarb and Shanno Method) and the modified Powell. The stochastic PSO method was also employed to perform the initialization and generation of the feasible start point to sequential application of the determination method i (FTM and modifications). Others modifications tested were the scaling of variables, the use of Nelder-Mead adaptive parameters and the addition of a barrier. The algorithms proposed in this work were applied to a benchmark of constrained nonlinear problems that comprises real world optimization problems. The best codes obtained were the Modified Flexible Tolerance Method Scaled (MFTMS) and the hybrid FTMS-PSO (the Flexible Tolerance Method with scaling of variables hybridized with PSO (Particle Swarm Optimization)). These best codes were applied with success in the solution of mass integration problems. The results found in this work demonstrate the capacity of simple and direct methods in deals with complex optimization problems, as the mass integration problems. Additionally an inedited problem of mass integration proposed in this work, the mass integration of 1G, 2G and 3G sugarcane biorefinery was successful solved with the methods proposed in this work (MFTMS and FTMS-PSO). The first generation (1G) includes the ethanol production using the sugarcane juice and production of vapor and electricity throughout cogeneration. The second generation (2G) includes the ethanol production using the lignocellulosic biomass feedstock via the biochemical route. The third generation (3G) includes the algae use for production of biofuels (ethanol and biodiesel). The findings of this study case provide an indication of an economically viable way of achieving substantial advances in terms of water consumption and pollution reduction.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/3967 |
| Date | 13 March 2015 |
| Creators | Lima, Alice Medeiros de |
| Contributors | Kwong, Wu Hong |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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