dc.contributor.author | Oliveira, Cássia Maria de | |
dc.date.accessioned | 2018-03-07T14:02:53Z | |
dc.date.available | 2018-03-07T14:02:53Z | |
dc.date.issued | 2018-01-16 | |
dc.identifier.citation | OLIVEIRA, Cássia Maria de. Integração energética de biorrefinarias de cana-de-açúcar com operação multiperiódica. 2018. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2018. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9541. | * |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9541 | |
dc.description.abstract | Brazil has a great importance as biofuels producer, especially of ethanol from sugarcane. The bagasse, a byproduct of sugarcane biorefineries, can be used to generate electricity and produce second generation
ethanol. However, variations in prices of electricity and ethanol may motivate variations in the operating
conditions of the integrated biorefinery process, which produces first and second generation ethanol and
bioelectricity. The heat exchanger network (HEN) of such a process must be able to meet these variations.
This work aimed the synthesis of multiperiod HEN in sugarcane biorefineries. In this approach, each period indicates a process condition and the HEN synthesized is able to meet these different operating conditions. Three industrial case studies are considered. Case Study 1 (CS1) is a biorefinery that produces 1G/2G ethanol and electricity, disposing the pentoses fraction. In Case Studies 2 and 3, CS2 and CS3, the process is similar, but the pentoses fraction is used to produce ethanol (CS2) or biogas (CS3). For each biorefinery, three periods were considered, which differ in the bagasse fraction diverted to 2G ethanol production. In each period, a Mixed Integer Nonlinear Programming (MINLP) problem was solved to minimize the total annualized cost (TAC) and timesharing mechanisms were used to integrate the HENs of all periods into a multiperiod HEN. Optimization problems were solved at two levels using three different strategies. In the first strategy, an adapted Particle Swarm Optimization algorithm was used in both levels. However, the solutions by this method presented small TAC improvements compared to the process commonly found in Brazilian plants, where there is already energy integration among some process streams (called in this work of the process with project integration). To deal with this problem, two strategies were employed with hybrid metaheuristics: Simulated Annealing and Rocket Fireworks Optimization; and Tabu Search and Particle Swarm Optimization. For processes with the multiperiod HENs, these latter two strategies presented reductions above 58% and 54% in TAC and steam demand, respectively, compared to processes without energy integration. Also, using the aforementioned methods, improvements in TAC and steam demand for process with the multiperiod HENs reach values above 44% and 41%, respectively, in relation to processes with project integration. Such reductions in steam demand allow diverting more bagasse to produce second generation ethanol. In addition, energy integration in biorefineries provides improved energy management and reduced operating and capital costs. Thus, all these improvements contribute to 1G/2G ethanol and electricity production process. | eng |
dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | por |
dc.description.sponsorship | Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | por |
dc.language.iso | eng | por |
dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
dc.rights.uri | Acesso aberto | por |
dc.subject | Etanol 1G/2G | por |
dc.subject | Síntese de rede de trocador de calor | por |
dc.subject | Otimização por exame de partículas | por |
dc.subject | Recozimento simulado | por |
dc.subject | Otimização por fogos de artifício | por |
dc.subject | Busca tabu | por |
dc.title | Integração energética de biorrefinarias de cana-de-açúcar com operação multiperiódica | por |
dc.title.alternative | Energy Integration of Sugarcane Biorefineries with Multiperiod Operation | eng |
dc.type | Tese | por |
dc.contributor.advisor1 | Cruz, Antonio José Gonçalves da | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/1812806190521028 | por |
dc.contributor.advisor-co1 | Costa, Caliane Bastos Borba | |
dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/1602653870311562 | por |
dc.description.resumo | O Brasil tem uma grande importância como produtor de biocombustíveis, especialmente na produção de etanol a partir de cana-de-açúcar. O bagaço, um subproduto das biorrefinarias de cana-de-açúcar, pode ser usado para gerar energia elétrica e produzir etanol de segunda geração. No entanto, as variações nos preços da energia elétrica e do etanol podem motivar variações nas condições operacionais do processo integrado da biorrefinaria, a qual produz etanol de primeira e segunda geração e energia elétrica. A rede de trocador de calor (RTC) de tal processo deve ser capaz de atender a essas variações. Este trabalho teve como objetivo a síntese de RTC multiperiódica em biorrefinarias de cana-de-açúcar. Nesta abordagem, cada período indica uma condição de processo e a RTC sintetizada é capaz de atender a essas diferentes condições de operação. Três estudos de caso industriais são considerados. O Estudo de Caso 1 (EC1) é uma biorrefinaria que produz etanol 1G/2G e energia elétrica, descartando a fração de pentoses. Nos Estudos de Caso 2 e 3, EC2 e EC3, o processo é semelhante, mas a fração de pentoses é usada para produzir etanol (EC2) ou biogás (EC3). Para cada biorrefinaria, foram considerados três períodos, que diferem na fração do bagaço desviada para a produção de etanol 2G. Em cada período, um problema de Programação Não Linear Inteira Mista (PNLIM) foi resolvido para minimizar o Custo Total Anualizado (CTA) e mecanismos de compartilhamento de tempo foram utilizados para integrar as RTCs de todos os períodos em uma RTC multiperiódica. Os problemas de otimização foram resolvidos em dois níveis usando três estratégias diferentes. Na primeira estratégia, uma adaptação do algoritmo Otimização por Enxame de Partículas foi usada em ambos os níveis. No entanto, as soluções por este método apresentaram pequenas melhorias de CTA em comparação com o processo comumente encontrado nas plantas brasileiras, onde já existe integração de energia entre algumas correntes de processo (chamado neste trabalho de processo com integração de projeto). Para lidar com esse problema, duas estratégias foram empregadas com metaheurísticas híbridas: Recozimento Simulado e Otimização por Fogos de Artificio; e Busca Tabu e Otimização por Enxame de Partículas. Para os processos com as RTCs multiperiódicas, estas duas últimas estratégias apresentaram reduções acima de 58% e 54% no CTA e na demanda de vapor, respectivamente, em comparação com processos sem integração de energia. Além disso, usando os métodos acima mencionados, as melhorias no CTA e na demanda de vapor para o processo com as RTCs multiperiódicas atingem valores acima de 44% e 41%, respectivamente, em relação aos processos com integração de projeto. Tais reduções na demanda de vapor permitem desviar mais bagaço para a produção de etanol de segunda geração. Além disso, a integração energética em biorrefinarias oferece melhor gerenciamento da energia e redução nos custos de operação e de capital. Assim, todas essas melhorias contribuem para o processo de produção de etanol 1G/2G e energia elétrica. | por |
dc.publisher.initials | UFSCar | por |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.description.sponsorshipId | FAPESP: 2013/21343-3 | por |
dc.ufscar.embargo | Online | por |
dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/8332048666190385 | por |