A matrix approach to modeling and simulation of networks of heat exchangers with applications for managing deposition

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:36:46Z No. of bitstreams: 1 dissertacao luiz omena de oliveira filho.pdf: 1180413 bytes, checksum: 66285b7861e93f19b9415a9deb30f148 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-06T19:36:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao luiz omena de oliveira filho.pdf: 1180413 bytes, checksum: 66285b7861e93f19b9415a9deb30f148 (MD5) Previous issue date: 2007-08-30 A Heat Exchanger Network (HEN) can be defined as a group of heat exchangers interconnected aiming to reduce the energy demand of a system, being widely used in the process industries. However, a HEN is subject to fouling, which causes a decrease on the thermal effectiveness of heat exchangers. This phenomenon is provoked by the accumulation of undesirable materials on thermal surface. In order to compensate the reduction of thermal effectiveness caused by fouling, it becomes necessary to increase the utility consumption. Thus, there is an increase of the operation costs, as maintenance costs. It is estimated that the costs associated to fouling reach billions of dollars annually. Facing this problem, several researches have investigated methods to prevent fouling and/or how to manage HEN operations. Studies involve since optimization of individual heat exchangers, simulation and fouling monitoring, until cleaning schedule optimization of HENs. The present work proposes a HEN simulation model, applied to fouling management. Consequently, it was developed a set of integrated computational codes, which involve a HEN stationary simulation, a pseudo-stationary simulation of HEN behavior related to fouling, a parameter estimation procedure for diagnosing fouling problems and an operational optimization procedure of this sort of system. Related to the stationary simulator, the HEN model is formulated using a matrix approach and the mass and energy balances are solved as linear equation systems. Focusing on optimization, it redistributes the HEN flows in order to improve the heat exchangers thermal efficiency, for example, searching for the HEN flows that maximize the inlet furnace stream temperature in crude distillation units. The algorithm was implemented to some literature examples and on a problem of a real refinery. All results show to be promising, which suggests that the proposal of this work may be an interesting approach for operations involving HENs Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados com o objetivo de reduzir a necessidade de energia de um sistema, sendo largamente usada nas indústrias de processos. Entretanto, uma rede está sujeita à deposição, a qual causa um decréscimo na efetividade térmica dos trocadores. Este fenômeno é provocado pelo acúmulo de materiais indesejáveis sobre a superfície de troca térmica. Para compensar a redução de efetividade térmica causada pela deposição, torna-se necessário um aumento no consumo de utilidades. Isto eleva os custos de operação, assim como os custos de manutenção. Estima-se que os custos associados à deposição atinjam bilhões de dólares anualmente. Em face a este problema, vários trabalhos de pesquisa têm investigado métodos para prevenir a deposição e/ou gerenciar as operações em uma rede. Estudos envolvem desde a otimização de trocadores de calor individuais, simulação e monitoramento de redes, até a otimização da programação das paradas para limpeza de trocadores de calor em uma rede. O presente trabalho apresenta a proposição de um modelo para simulação de redes de trocadores de calor com aplicações no gerenciamento da deposição. Como conseqüência, foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados, envolvendo a simulação estacionária de redes, a simulação pseudo-estacionária do comportamento de redes em relação à evolução da deposição, a estimação de parâmetros para diagnóstico do problema da deposição e a otimização operacional deste tipo de sistema. Com relação ao simulador estacionário, o modelo da rede foi formulado matricialmente e os balanços de massa e energia são resolvidos como sistemas de equações lineares. Do ponto de vista da otimização, o procedimento proposto redistribui as vazões, visando um melhor aproveitamento térmico dos trocadores da rede, como, por exemplo, buscando as vazões da rede que maximizem a temperatura da corrente de entrada no forno em unidades de destilação atmosférica de óleo cru. Os algoritmos foram implementados em alguns exemplos da literatura e em um problema de uma refinaria real. Os resultados foram promissores, o que sugere que a proposta deste trabalho pode vir a ser uma abordagem interessante para operações envolvendo redes de trocadores de calor