Síntesis de redes de intercambio de calor mediante la generación y optimización de topologías redundantes - Pedroza Robles Arenas, Luis Eduardo (Universidad Autónoma Metropolitana, 2008)
A novel sequential methodology for the synthesis of heat exchanger networks is developed in this work. The proposed synthesis approach aims at determining economical network designs by overcoming current limitations of the sequential synthesis methodologies. The methodology presented consists of two main stages. In the first stage a base network design with a relatively substantial number of heat exchange units and process sub-streams is generated. Three different schemes for generating redundant base network designs are presented, with distinct levels of redundancy in terms of the number of heat exchangers. In the second stage a stochastic multistart optimization algorithm is utilized to increase the probabilities to determine the best possible network design embedded in the base network design. The application of the proposed synthesis methodology is illustrated with the solution of seven case of study from the literature. The results show that the designs developed with the proposed synthesis methodology are competitive in terms of total annual costs with respect to network designs from the literature. Chapter 1 presents a brief introduction and the state of the art of the synthesis of heat exchanger networks. Chapter 2 describes the problem of minimum utility usage formulated as a transportation problem; this linear programming based method serves as one of the key points of the presented methodology due to its capability for providing multiple sets of matches between process streams, which can be interpreted as heat exchanger units. The stochastic multi-start optimization algorithm is described in Chapter 3; this algorithm, which iteratively eliminates different sub-sets of redundant heat exchange units from the base network designs and avoids termination into a single low quality local optimum, is considered as the second fundamental element of the proposed HEN synthesis methodology. Chapter 4 defines rules and algorithms to generate the redundant base network designs with distinct levels of redundancy. Chapter 5 illustrates the application of the proposed synthesis methodology to seven benchmark problems. The results include three new best network designs that overcome previous solutions from the literature; the rest of the developed designs present total annual costs within 1% of the bestknown solutions of the literature for the respective benchmark problems. Finally, Chapter 6 summarizes the contributions of this research work, as well as possible areas for future work.; En este trabajo se desarrolla una nueva metodología secuencial para la síntesis de redes de intercambio de calor. El enfoque de síntesis propuesto tiene como objetivo determinar diseños de red económicos buscando superar las limitaciones de las metodologías de síntesis secuenciales actuales. La metodología presentada consiste principalmente de dos etapas. En la primera etapa, se genera un diseño de red base con un número relativamente grande de intercambiadores de calor y sub-corrientes de proceso. Se presentan tres esquemas diferentes para generar diseños de red redundantes con diferentes niveles de redundancia en términos de la cantidad de equipos de intercambio de calor. En la segunda etapa, se utiliza un algoritmo de optimización con multiarranque estocástico para aumentar las probabilidades de determinar el mejor diseño de red disponible, contenido en el diseño base. La aplicación de la metodología se ilustra con la solución de siete casos de estudio de la literatura. Los resultados muestran que los diseños desarrollados con la metodología propuesta presentan costos competitivos con respecto a los diseños de red reportados en la literatura. En el Capítulo 1 se presenta una breve introducción, así como el estado del arte en relación con la síntesis de redes de intercambio de calor. En el Capítulo 2 se describe el problema de uso mínimo de servicios auxiliares formulado como un modelo de transporte; este método de programación lineal representa un elemento clave en la metodología desarrollada debido a su capacidad de proporcionar múltiples conjuntos de apareamientos entre corrientes de proceso, que pueden ser interpretados como equipos de intercambio de calor. El algoritmo de multi-arranque estocástico considerado como el segundo elemento clave en la metodología de síntesis de redes de intercambio de calor propuesta, se describe en el Capítulo 3; este algoritmo iterativo, elimina subconjuntos de equipos de intercambio de calor redundantes de un diseño base y evita la terminación en un único óptimo local de baja calidad. En el Capítulo 4 se definen reglas y algoritmos para generar diseños base redundantes con diferentes niveles de redundancia. En el Capítulo 5 se ilustra la aplicación de la metodología de síntesis propuesta resolviendo siete problemas de referencia. Los resultados incluyen tres nuevos diseños de red que mejoran las soluciones previamente reportadas en la literatura; el resto de los diseños desarrollados presentan un costo total anual con menos del 1% por arriba de las soluciones conocidas para cada caso de ii estudio respectivamente. Finalmente, en el Capítulo 6 se resumen las contribuciones de este trabajo de investigación, y se presentan posibles áreas de desarrollo para un trabajo a futuro.