Otimização e síntese de redes de trocadores de calor integradas ao ciclo rankine orgânico

Abstract

RESUMO: A integração energética, por muitos anos, vem sendo um dos principais objetos de estudo no campo da síntese de processos, por consistir em uma das mais relevantes abordagens em ambientes industriais. Isto porque existe uma crescente necessidade de economia energética, o que influencia significativamente na busca por processos mais integrados, mais rentáveis e com um mínimo impacto ambiental. Como o ciclo Rankine orgânico é um ciclo de potência indicado para o uso de calor de baixa qualidade como fonte de energia, o que o torna propício para integração com correntes de processo com energia remanescente, o presente estudo apresenta duas abordagens que visam analisar a integração entre o ciclo Rankine orgânico e correntes de processo. Na primeira abordagem é proposta uma otimização sujeita a restrições de balanço de energia do ciclo e a um modelo baseado na Análise Pinch para representar a integração entre as correntes de processo, bem como entre correntes de processo e o ciclo termodinâmico. Por meio de um estudo de caso, foi alcançada uma melhoria de 6 % na energia líquida específica em relação ao melhor valor apresentado até o momento na literatura, utilizando o n-hexano como fluido de trabalho. Para pentano e benzeno como fluidos de trabalho, foram obtidas melhorias de 4,7 % e 8,5 % em relação ao melhor valor de energia líquida específica apresentado até o momento na literatura. Na segunda abordagem é proposta uma otimização em três níveis, com um modelo que visa determinar simultaneamente a melhor configuração para o ciclo, juntamente com uma rede de trocadores de calor, minimizando o custo total anualizado. Por meio de um estudo de caso foram obtidos valores ótimos para o custo total anualizado, para as pressões de operação do ciclo e para a vazão do fluido de trabalho, tendo o R245fa como fluido de trabalho. Nas duas abordagens o método de otimização por enxame de partículas (PSO) foi utilizado. Na segunda abordagem, utilizou- se ainda Simulated Annealing

ABSTRACT: Energy integration, for many years, has been one of the main topics of study in the field of process synthesis, as it consists of one of the most relevant approaches in industrial environments. This is because there is a growing need for energy savings focused on both economic and environmental aspects, which significantly influences the search for integrating processes, making them more profitable and with minimal environmental impact. As the organic Rankine cycle is a power cycle indicated for the use of low quality heat as heat source, which makes it proper to be integrated with process streams with remaining energy, the present study presents two approaches that aim to analyze the integration between the organic Rankine cycle and process streams. In the first approach, an optimization study is proposed, subject to cycle energy balance constraints and a model based on Pinch Analysis to represent the integration between process streams, as well as between process streams and the cycle. By means of a case study, an improvement of 6 % in specific net energy was achieved in relation to the best value presented so far in the literature, using n-hexane as the working fluid. For pentane and benzene as a working fluid, improvements of 4.7 % and 8.5 % were obtained in relation to the best value of specific net energy presented so far in the literature. In the second approach, a three-level optimization is proposed, with a model that turns possible to determine simultaneously the best configuration for the cycle and a heat exchangers network, while minimizing the total annualized cost. By means of a case study, optimal values were obtained for the total annualized cost, for the operating pressures of the cycle and for the flowrate of the working fluid, with R245fa as the working fluid. In both approaches, particle swarm optimization method (PSO) was used. In the second approach, Simulated Annealing was also used