Synthesis of heat exchanger network considering equipment design and industrial layout  

Orientador: Roger Josef ZempDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: A integração energética é uma alternativa para reduzir o consumo de energia em processos industriais. A viabilidade econômica do projeto de síntese de rede de trocadores de calor depende de uma estimativa de custo confiável, que usualmente inclui os custos de investimento com a aquisição dos trocadores de calor e os custos operacionais devido ao consumo de utilidades externas. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a influência de outras duas variáveis nestas estimativas de custo: as quedas de pressão nos trocadores de calor e o layout industrial. A otimização simultânea da síntese da rede de trocadores de calor incluindo a primeira destas variáveis, as quedas de pressão nos equipamentos, mostrou-se significativa, uma vez que a simulação convergiu para uma alternativa de rede e um custo anual total diferentes dos resultados obtidos sem esta consideração. Visto que poucos trabalhos na literatura detalham o layout e, de fato, calculam o comprimento total das tubulações necessárias para conectar os equipamentos que constituem a rede de trocadores de calor, a inclusão desta segunda variável foi a principal contribuição deste trabalho. Portanto, para esta segunda análise, a função objetivo do modelo de programação não linear inteira mista (MINLP) a ser minimizada incluiu o comprimento total da tubulação, calculado pela distância de Manhattan. Nós consideramos apenas poucas posições (específicas e limitadas) como disponíveis para instalar os trocadores de calor, sendo que cada uma destas posições comportou mais de um equipamento. Os resultados mostraram que a otimização simultânea da rede de trocadores de calor incluindo esta consideração resultou em alternativas de rede mais simples e, logo, operacionalmente mais viáveis. Além disso, a partir de uma alternativa de rede definida, a minimização sequencial do comprimento total da tubulação também garantiu layouts mais simples e com comprimentos totais de tubulação de 35 % a 52 % menores. Com isto, conclui-se que a inclusão de ambas as variáveis analisadas contribuiu para que as estimativas de custo fossem mais realistas nos estudos de caso abordadosAbstract: Heat integration is an alternative to reduce energy consumption in industrial processes. In order to ensure economic viability of the heat exchanger network, a reasonable cost estimation of this project is necessary, which usually includes heat exchangers purchase cost and operational costs due to utilities consumption. The main goal of this study was to assess the influence of two other variables in this project cost estimates: heat exchangers pressure drops and industrial layout. The simultaneous optimization of the synthesis of heat exchanger netwok including the first variable (heat exchangers pressure drops) showed that this assumption was significant since the result was a network and a cost estimation different from the alternative found without this assumption. In order to consider the second variable (industrial layout), the total pipe length necessary to connect the equipment that constitute the network was calculated by Manhattan distance. Then, the total pipe costs were included in the objective function to be minimized in the Mixed Integer Nonlinear Programming (MINLP) model. This was the main contribution of this work, since only few studies reported by literature detailed the industrial layout and proposed a methodology to calculate the total pipe length. We considered that only few and specific positions are available in the industrial site to install the heat exchangers and that in each of these positions more than one equipment could be allocated. In our results, the simultaneous optimization of the synthesis of heat exchanger netwok including the second variable (industrial layout) found different and simpler networks. Moreover, after defining a network, the total pipe length optimization may represent a decrease of 33%-52% of the total pipe length. Therefore, we concluded that the inclusion of the both proposed variables contributed to achieve more reliable cost estimations for the case studies analysedMestradoEngenharia QuímicaMestra em Engenharia Química001CAPE