Otimização de rotas de manipulação de pressão considerando o cálculo rigoroso de propriedades termodinâmica

Abstract

RESUMO: O crescente consumo global de energia e seus impactos ambientais associados tornaram-se grandes preocupações no século XXI. A demanda de energia em processos industriais representa uma parcela significativa do uso de energia e, portanto, é particularmente afetada pela necessidade de reduzir o consumo de energia e os impactos ambientais. A conservação de energia em plantas industriais é fundamental e pode ser alcançada pela otimização do reuso de materiais e energia. No entanto, esses procedimentos de otimização podem não ser uma tarefa simples, especialmente quando calor e trabalho estão envolvidos em sistemas de recuperação de energia. Este trabalho propõe um novo método para a integração simultânea de calor e trabalho em processos industriais, focando particularmente em fluidos próximos a regiões críticas ou em mudanças de fase. Esses sistemas são difíceis de modelar devido à não linearidade nas relações da entalpia com temperatura e pressão. O método combina Análise Pinch, Otimização por Enxame de Partículas (PSO) e uma abordagem de aproximações lineares por partes para contabilizar rigorosamente as variações de propriedades termodinâmicas. A metodologia proposta busca otimizar as temperaturas de descarga do compressor e da turbina, a diferença mínima de temperatura na Análise Pinch e as frações de uso de utilidades em sistemas multi-utilidades. O modelo permite prever custos operacionais e de capital, minimizando o custo total anual. O cálculo rigoroso das propriedades termodinâmicas, alcançado por meio da interpolação de dados obtidos de um simulador de processo, garante a precisão dos resultados, especialmente em regiões onde os métodos convencionais falham, com diferenças de até 33% no custo total anual quando comparados à literatura. A eficácia do método proposto é demonstrada por meio de estudos de caso envolvendo fluidos próximos a regiões críticas e em mudança de fase

ABSTRACT: The increasing global energy consumption and its associated environmental impacts have become major concerns in the 21st century. The energy demand in industrial processes represents a significant portion of energy usage and is therefore particularly affected by the need to reduce energy consumption and environmental impacts. Energy conservation in industrial plants is fundamental and can be achieved by optimizing the reuse of materials and energy. However, these optimization procedures may not be a straightforward task, especially when heat and work are involved in energy recovery systems. This work proposes a novel method for simultaneous heat and work integration in industrial processes, particularly focusing on fluids near critical regions or undergoing phase changes. These systems are difficult to model due to the nonlinearity in the relationship between enthalpy, temperature, and pressure. The method combines Pinch Analysis, Particle Swarm Optimization (PSO), and a piecewise linear approximation approach to rigorously account for variations in thermodynamic properties. The proposed methodology aims to optimize the discharge temperatures of the compressor and turbine, the minimum temperature difference in Pinch Analysis, and the utility usage fractions in multi-utility systems. The model can thus predict operational and capital costs, minimizing the total annual cost. The rigorous calculation of thermodynamic properties, achieved through interpolation of data obtained from a process simulator, ensures the accuracy of the results, especially in regions where conventional methods fall short, with differences of up to 33% in total annual cost when compared to the literature. The effectiveness of the proposed method is demonstrated through case studies involving fluids near critical and phase-changing regions