Aplicação da metodologia de Bound Contraction na síntese de redes de trocadores de calor

Abstract

RESUMO: A Otimização é um dos ramos da ciência com inúmeras áreas de aplicação. Na Engenharia Química, ela está presente na resolução de problemas de projeto e controle de processos químicos, sistemas dinâmicos e síntese de redes de distribuição de água. Uma das principais áreas de aplicação da Otimização é a síntese de redes de trocadores de calor. Uma rede de trocadores de calor compreende a combinação de correntes de processo e utilidades a fim de satisfazer uma determinada demanda térmica com o menor custo operacional possível. Assim, Yee e Grossmann (1990) apresentaram o Modelo Simultâneo de síntese de redes de trocador de calor, algoritmo que calcula simultaneamente as áreas dos equipamentos de troca térmica, a energia trocada pelas correntes de processo, a modelagem dos trocadores de calor e a síntese do processo e da rede de trocadores de calor. Com a simplificação de Barbaro e Bagajewicz (2005), a resolução do modelo simultâneo é facilitada. Com a metodologia de otimização global de Bound Contraction (FARIA, BAGAJEWICZ, 2012), problemas não-lineares inteiros mistos, como a síntese de redes de trocadores de calor, tem sua resolução facilitada a partir da relaxação dos termos não-lineares. Após a relaxação, o problema relaxado é resolvido e sua resposta é utilizada como estimativa inicial para resolver o problema não-linear original. Até que uma certa diferença percentual pré-estabelecida entre as funções objetivo dos problemas original e relaxado não seja alcançada, as variáveis presentes no termo não-linear tem seus limites contraídos. Logo, este trabalho tem como objetivo a aplicação da técnica de Bound Contraction no Modelo Simultâneo com a simplificação de Barbaro e Bagajewicz (2005). Para solucionar o problema de otimização, utilizou-se o ambiente de programação GAMS para implementar o algoritmo de otimização global. A fim de testar a potencialidade do método, utilizou-se três exemplos de integração energética. Os custos totais ótimos da rede de trocadores obtidos têm valores iguais ou melhor que observado na literatura

ABSTRACT: The Optimization is one the fields of Science with countless areas of application. In the Chemical Engineering, it is present on the resolution of design and chemical process control problems, dynamic systems and water network distribution synthesis. One of the main areas of application of Optimization is the heat exchanger network. A heat exchanger network consists on the combination of process streams and utilities to satisfy a certain energy demand with the least operational cost. Thus, Yee and Grossmann (1990) introduced the Simultaneous Model of heat exchanger network synthesis, algorithm that solves simultaneously the areas of the heat exchanger, the exchanged energy by the process streams, the modelling of the heat exchangers and the process synthesis of the heat exchanger network. With the simplification of Barbaro and Bagajewicz (2005), the resolution of the simultaneous model is facilitated. With the global optimization methodology of Bound Contraction (FARIA, BAGAJEWICZ, 2012), mixed-integer non-linear problems, like the heat exchanger network synthesis, have their resolution facilitated, from the relaxation of the non-linear terms. After the relaxation, the problem is solved and its answer is used as first estimate to solve the original non-linear problem. Until a certain pre-established percentual difference between the objective functions of the original and relaxed problems to be achieved, the present variables on the non-linear term have their limits contracted. So, this work has as objective the application of the Bound Contraction technique on the Simultaneous Model with the Barbaro and Bagajewicz (2005) simplification. To solve the optimization problem, the programming environment GAMS was used to implement the global optimization algorithm. To test the potentiality of the method, it was used three examples of energetic integration. The obtained optimum total costs of the heat exchanger network have the same or better values than the observed in the literature