Exportar este item: EndNote BibTex

Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/18896
Tipo do documento: Tese
Título: Global Optimization of the Design of Shell-and-Tube Heat Exchangers Considering Fouling Modelling
Autor: Lemos, Julia Coelho 
Primeiro orientador: Costa, André Luiz Hemerly
Segundo orientador: Bagajewicz, Miguel Jorge
Primeiro membro da banca: Alberton, André Luís
Segundo membro da banca: Lima, Eduardo Rocha de Almeida
Terceiro membro da banca: Fernandes, Heloísa Lajas Sanches
Quarto membro da banca: Queiroz, Eduardo Mach
Quinto membro da banca: Oliveira, Sérgio Gregório de
Resumo: Trocadores de calor são equipamentos responsáveis pela alteração da temperatura e/ou estado físico de correntes materiais. Durante a sua operação, estes equipamentos estão sujeitos ao fenômeno da deposição, o que causa a diminuição na transferência de calor, levando a um aumento nos custos operacionais e de manutenção. A abordagem usualmente adotada para lidar com este problema durante o projeto dos trocadores de calor é inserir resistências térmicas adicionais no cálculo do coeficiente global de transferência de calor. Entretanto, estas resistências adicionais, representadas na forma de resistências de depósito, ignoram o fato que a taxa de deposição é afetada pelas condições termofluidodinâmicas presentes no interior do equipamento. Por esta razão, cada alternativa de solução para o problema de projeto está associada a uma taxa de deposição diferente. Desta forma, a presente tese apresenta uma investigação de como os modelos de deposição podem ser inseridos no projeto de trocadores de calor na forma de um problema de otimização. Através da aplicação de técnicas de programação matemática, são propostas formulações do problema levando em conta dois tipos de modelos de deposição: (i) um modelo onde a resistência de depósito depende da velocidade de escoamento, tipicamente aplicável a sistemas envolvendo correntes de água de resfriamento e (ii) um modelo de taxa de deposição dependente da velocidade e da temperatura, característico de correntes de óleo cru em baterias de pré-aquecimento em unidades de destilação atmosférica em refinarias. A primeira formulação resulta em um problema de programação linear inteira (ILP) e a segunda formulação corresponde a um problema de programação linear inteira mista (MILP). O caráter linear de ambas as formulações permite a identificação do ótimo global, mesmo utilizando algoritmos de otimização convencionais. As formulações propostas obtiveram resultados compatíveis com o esperado, gerando soluções melhores que as obtidas através da formulação convencional, que considera resistências de depósito constantes.
Abstract: Heat exchangers are equipment responsible for altering the temperature and/or physical state of process streams. During the operation, these equipment are subjected to fouling phenomenon, what causes a decrease in heat transfer, increasing the operational and maintenance costs. The approach used to deal with this problem during the heat exchanger design is to insert additional thermal resistances when calculating the overall heat transfer coefficient. However, these additional resistances, represented as fouling resistances, ignore the fact that the fouling rate is affected by the thermo-fluid dynamic conditions in the interior of the equipment. Therefore, each alternative for the design solution is associated to a different fouling rate. Concluding, the present thesis presents an investigation of how the fouling models can be inserted in the heat exchanger design optimization problem. Through applying mathematical programming techniques, formulations of the problem are proposed considering two types of fouling models: (i) a model in which the fouling resistance depends on the flow velocity, typically applied to systems involving water streams and (ii) a fouling rate model that depends on flow velocity and temperature, applied to crude oil streams in preheat trains in atmospherically distillation units in refineries. The first formulation results in an integer linear programming problem (ILP) and the second one in a mixed integer linear programing problem (MILP). The linear nature of both formulations allows the identification of the global optimum, even when using conventional optimization algorithms. The formulations proposed are able to identify the feasible solutions for the heat exchanger design with lower cost than those obtained through the conventional design considering constant fouling resistances.
Palavras-chave: Heat Exchanger
Optimization
Fouling
Permutadores térmicos
Simulação e otimização
Deposição
Trocador de calor
Otimização
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: LEMOS, Julia Coelho. Global Optimization of the Design of Shell-and-Tube Heat Exchangers Considering Fouling Modelling. 2018. 116 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Faculdade de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/18896
Data de defesa: 30-Out-2018
Aparece nas coleções:Doutorado em Engenharia Química

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
Tese - Julia Coelho Lemos - 2018 - Completa.pdf2,49 MBAdobe PDFBaixar/Abrir Pré-Visualizar


Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.