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Type: TESE DIGITAL
Title: Alocação de trocadores em processos químicos
Title Alternative: Heat exchanger positioning in chemical plants
Author: Trifoni, Daniel de Almeida, 1989-
Advisor: Zemp, Roger Josef, 1962-
Abstract: Resumo: Durante estudos visando maior eficiência energética de processos químicos o engenheiro projetista lida com a adição de trocadores de calor novos para aumentar a recuperação de energia da planta. O posicionamento destes trocadores de calor exige importantes decisões envolvendo investimentos em materiais de construção, bombeamento, controle e segurança. Apesar de que o custo de tubulação e bombeamento representam uma fatia significativa no custo de projetos existem poucos trabalhos que abordam este assunto e os consideram em retrofits. Além disso, o custo de tubulação e de bombeamento é diretamente proporcional ao layout da planta química e consequentemente ao comprimento da tubulação empregado, mostrando ser uma variável importante para estimativas de viabilidade de projeto. Desse modo, é proposto um modelo de programação misto-inteira não-linear que posiciona vários trocadores de calor simultaneamente minimizando o comprimento de tubulação necessário para ligar os trocadores de calor com suas respectivas correntes de processo, já presentes na planta. Não obstante, o modelo proposto reconhece os locais disponíveis na planta para posicionar trocadores de calor, restrições de layout para o pipe rack, permitindo a escolha da sustentação da tubulação em seu roteamento, e o posicionamento relativo dos trocadores que estão sendo posicionados, alinhando-os horizontalmente com um espaçamento seguro, ou empilhando-os em pares. O modelo foi estudado utilizando um método proposto para o cálculo do comprimento de tubulação com o simulated annealing e pelo software GAMS para vários cenários distintos, variando o número de integrações simultâneas e de locais disponíveis em uma planta de produção de dimetiléter. Os dois métodos mostraram-se efetivos para o posicionamento de um pequeno número de trocadores de calor em diferentes cenários com diferente número de locais disponíveis, por outro lado, em cenários com um maior número de trocadores de calor o simulated annealing se sobressai com menores comprimentos de tubulação. Para um caso estudado de quatro integrações simultâneas o simulated annealing apresentou um comprimento 31% menor, quando o modelo foi resolvido pelo GAMS©, sem um ponto inicial, e 12% menor considerando um ponto inicial

Abstract: During heat integration studies its a common practice of the project engineer to add new heat exchangers aiming to improve the heat recovery in chemical plants. The positioning of these heat exchangers demands important decisions in view of investment in construction materials, pumping, control and security of a retrofit project. Although the piping and pumping costs are keys variables to calculate the cost of the project, there are not many studies that consider them in the heat exchanger network investment. Furthermore, the piping and pumping cost varies according to the plant layout and consequently to the piping length, thus emphasizing its importance on a project cost feasibility. The present study proposes a mixed-integer-non-linear programing model that positions several heat exchangers simultaneously in a chemical plant minimizing the piping lenght. The model considers the existing pipe in the plant, the available areas to positionate heat exchangers, pipe rack constraints in the pipe routing and the relative positioning of heat exchangers allowing to choose between stacking and horizontal spacing of heat exchangers pairs. The model is applied to several scenarios using a dimetyl éther plant as process layout. It is solved by GAMS© and the simulated annealing method and their results are compared. Both solving methods achieved comparable results when a small number of heat exchangers and available sites are considered, however the simulated annealing method presented better results when the number of heat exchangers is increased. For a case study considering four heat exchangers and no initial point for the GAMS's solvers, the simulated annealing piping length was 31% lower than the GAMS©. When an initial point is considered the piping length difference decreases to 12%
Subject: Otimização matemática
Integração energetica
Trocadores de calor
Instalações industriais - Layout
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEQ - Tese e Dissertação

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