Economic, environmental and mixed objective functions in non-linear process optimization using simulated annealing and tabu search

Screening of topologies developed by hierarchical heuristic procedures can be carried out by comparing their optimal performance. In this work we will be exploiting mono-objective process optimization using two algorithms, simulated annealing and tabu search, and four different objective functions: two of the net present value type, one of them including environmental costs and two of the global potential impact type. The hydrodealkylation of toluene to produce benzene was used as case study, considering five topologies with different complexities mainly obtained by including or not liquid recycling and heat integration. The performance of the algorithms together with the objective functions was observed, analyzed and discussed from various perspectives: average deviation of results for each algorithm, capacity for producing high purity product, screening of topologies, objective functions robustness in screening of topologies, trade-offs between economic and environmental type objective functions and variability of optimum solutions.

A simple approach to numerical modelling of propane combustion in fluidized beds

A mathematical model is proposed for the evolution of temperature, chemical composition, and energy release in bubbles, clouds, and emulsion phase during combustion of gaseous premixtures of air and propane in a bubbling fluidized bed. The analysis begins as the bubbles are formed at the orifices of the distributor, until they explode inside the bed or emerge at the free surface of the bed. The model also considers the freeboard region of the fluidized bed until the propane is thoroughly burned. It is essentially built upon the quasi-global mechanism of Hautman et al. (1981) and the mass and heat transfer equations from the two-phase model of Davidson and Harrison (1963). The focus is not on a new modeling approach, but on combining the classical models of the kinetics and other diffusional aspects to obtain a better insight into the events occurring inside a fluidized bed reactor. Experimental data are obtained to validate the model by testing the combustion of commercial propane, in a laboratory-scale fluidized bed, using four sand particle sizes: 400–500, 315–400, 250–315, and 200–250 µm. The mole fractions of CO2, CO, and O2 in the flue gases and the temperature of the fluidized bed are measured and compared with the numerical results.

Phex: a computational tool for plate heat exchanges design problems

This paper presents a computational tool (PHEx) developed in Excel VBA for solving sizing and rating design problems involving Chevron type plate heat exchangers (PHE) with 1-pass-1-pass configuration. The rating methodology procedure used in the program is outlined, and a case study is presented with the purpose to show how the program can be used to develop sensitivity analysis to several dimensional parameters of PHE and to observe their effect on transferred heat and pressure drop.

Industry energy optimization: A case study in a biodiesel production site

This paper presents a case study of heat exchanger network (HEN) retrofit with the objective to reduce the utilities consumption in a biodiesel production process. Pinch analysis studies allow determining the minimum duty utilities as well the maximum of heat recovery. The existence of heat exchangers for heat recovery already running in the process causes a serious restriction for the implementation of grassroot HEN design based on pinch studies. Maintaining the existing HEN, a set of alternatives with additional heat exchangers was created and analysed using some industrial advice and selection criteria. The final proposed solution allows to increase the actual 18 % of recovery heat of the all heating needs of the process to 23 %, with an estimated annual saving in hot utility of 35 k(sic)/y.

Determinação do teor de compostos aromáticos policíclicos de óleos minerais isolantes para transformadores

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Sustainability Evaluation of Biodiesel Produced from Microalgae Chlamydomonas sp Grown in Brewery Wastewater

This study performs a sustainability evaluation of biodiesel from microalga Chlamydomonas sp. grown in 20 % (v/v) of brewery’s wastewater, blended with pentose sugars (xylose, arabinose or ribose resulting from the hydrolysis of brewer’s spent grains (BSG). The life cycle steps considered for the study are: microalgae cultivation, biomass processing and lipids extraction at the brewery site, and its conversion to biodiesel at a dedicated external biofuel’s plant. Three sustainability indicators (LCEE, FER and GW) were considered and calculated using experimental data. Literature data was used, whenever necessary, to complement life cycle data, thus allowing a more accurate sustainability evaluation. A comparative analysis of the biodiesel life cycle steps was also conducted, with the main goal of identifying which steps need to be improved. Results show that biomass processing, especially cell harvesting, microalgae cultivation, and lipids extraction are the main process bottlenecks. It is also analysed the influence on the microalgae biodiesel sustainability of adding each pentose sugar to the cultivation media, concluding that it strongly influences the biomass and lipid productivity. In particular, the addition of xylose is preferable in terms of lipid productivity, but from a sustainability point of view, ribose is the best, though the difference from xylose is not significant. Nevertheless, culture without pentose addition presents the best sustainability results.

Properties and Sustainability of Biodiesel from Animal Fats and Fish Oil

This work presents and analyses the fat and fuel properties and the methyl ester profile of biodiesel from animal fats and fish oil (beef tallow, pork lard, chicken fat and sardine oil). Also, their sustainability is evaluated in comparison with rapeseed biodiesel and fossil diesel, currently the dominant liquid fuels for transportation in Europe. Results show that from a technological point of view it is possible to use animal fats and fish oil as feedstock for biodiesel production. From the sustainability perspective, beef tallow biodiesel seems to be the most sustainable one, as its contribution to global warming has the same value of fossil diesel and in terms of energy efficiency it has the best value of the biodiesels under consideration. Although biodiesel is not so energy efficient as fossil diesel there is room to improve it, for example, by replacing the fossil energy used in the process with renewable energy generated using co-products (e.g. straw, biomass cake, glycerine).

Syngas production by water electrolysis: preliminary tests on methane production

Master Thesis to obtain the Master degree in Chemical Engineering - Branch Chemical Processes

Solubilities of C‑Tetraalkylcalix[4]resorcinarenes in SCCO2: experimental measurements, characterization, and correlation

The solubilities of two C-tetraalkylcalix[4]resorcinarenes, namely C-tetramethylcalix[4]resorcinarene and C-tetrapentylcalix[4]resorcinarene, in supercritical carbon dioxide (SCCO2) were measured in a flow-type apparatus at a temperature range from (313.2 to 333.2) K and at pressures from (12.0 to 35.0) MPa. The C-tetraalkylcalix[4]resorcinarenes were synthesized applying our optimized procedure and fully characterized by means of gel permeation chromatography, infrared and nuclear magnetic resonance spectroscopy. The solubilities of the C-tetraalkylcalix[4]resorcinarenes in SCCO2 were determined by analysis of the extracts obtained by HPLC with ultraviolet (UV) detection methodology adapted by our team. Four semiempirical density-based models, and the SoaveRedlichKwong cubic equation of state (SRK CEoS) with classical mixing rules, were applied to correlate the solubility of the calix[4]resorcinarenes in the SC CO2. The physical properties required for the modeling were estimated and reported.

Certificação de filtros em fatores de transmissão e de cerâmicas em fatores de reflexão, em colorimetria

Mestrado em Engenharia Química - Tecnologias de Protecção Ambiental

Alternativas Processuais e Valorização de Correntes da Refinaria de Matosinhos.

Evolução, ato ou efeito de evoluir, sequência de transformações, desenvolvimento progressivo. Se tudo à nossa volta se transforma, a indústria tem de acompanhar esse sistema evolutivo, tornando assim imprescindível alterar ou melhorar processos de produção quando estes não se enquadram com a realidade, ou porque o mercado se altera, ou porque as necessidades mudam, ou por simplesmente ser mais rentável. Sendo a Galp Energia uma empresa que se encontra sempre na vanguarda da evolução tecnológica, encontra no Departamento de Engenharia Química do Instituto Superior de Engenharia do Porto um aliado na procura do melhor modo de valorizar os seus produtos. A Refinaria de Matosinhos tem atualmente duas correntes de gasolina leve e uma de refinado que apresentam grande potencialidade de valorização. Parte destas correntes incorporam atualmente a pool de nafta química da refinaria que é vendida à Repsol Polímeros. O desafio que é proposto baseia-se em valorizar essas correntes através da sua isomerização aumentando o seu RON podendo então ter como fim a pool de gasolinas. Tirando partido da tecnologia disponível para este efeito são apresentados quatro cenários de possíveis soluções. Sendo os dois primeiros excluídos por violarem restrições impostas, o terceiro e quarto cenários foram analisados de um ponto de vista económico. O terceiro cenário conduz a gasolina leve da Fábrica de Aromáticos para a pool de gasolinas sem qualquer tratamento e a gasolina leve da Fábrica de Combustíveis continua a integrar a pool de nafta química. O refinado da Fábrica de Aromáticos será enviado para um splitter, sendo a corrente de topo destinada à pool de nafta química e a corrente de fundo enviada a um reator de isomerização, Isomalk-4SM, passando previamente por uma torre de argila de forma a assegurar que a restrição em teor de olefinas no reator não é violada. O efluente, com RON maior, integrará igualmente a pool de gasolinas. No quarto cenário a corrente de refinado da Fábrica de Aromáticos não sofre qualquer tratamento, continuando a alimentar a unidade de solventes, a gasolina leve da Fábrica de Aromáticos irá diretamente para a pool de gasolinas e a gasolina leve da Fábrica de Combustíveis passará pelo Isomalk-2SM para aumentar o índice de octanos garantido assim ter condições de integrar a pool de gasolinas. Dissertação de Mestrado em Engenharia Química Isomerização de Gasolina Leve O terceiro cenário apresenta um aumento de 4 576 773 € anuais nas receitas e o quarto alcança 11 333 982 € anuais. O investimento inicial total do terceiro cenário é de 28 821 608 € quando o quarto cenário carece de um investimento inicial de apenas 18 028 349 €. Quanto aos custos associados à implementação da unidade estes demonstram-se elevados, o terceiro cenário apresenta um custo de 23 133 429 € enquanto o do quarto cenário é de 13 998 797 €. O quarto cenário apresenta-se assim como a solução mais rentável para o objetivo desta dissertação.

Design and Development of a Solar Dryer for Microalgae Retrieval - An EPS@ISEP 2013 Spring Project

Currently excessive fossil fuel consumption has become a serious problem. People are searching for new solutions of energy production and there are several options to obtain alternative sources of energy without further devastating the already destroyed environment. One of these solutions is growing microalgae, from which biodiesel can be obtained. The microalgae production is a growing business because of its many useful compounds. In order to collect these compounds microalgae must first be harvested and then dried. Nowadays the solutions used for drying use too much energy and therefore are too expensive and not sustainable. The goal of this project, one of the possible choices during the EPS@ISEP 2013 Spring, was to develop a solar microalgae dryer. The multinational team involved in its development was composed of five students, from distinct countries and fields of study, and was the responsible for designing a solar microalgae dryer prototype for the microalgae laboratory of the chemical engineering department at ISEP, suitable for future tests and incorporating control process (in order not to destroy the microalgae during the drying process). The solar microalgae dryer was built to work as a distiller that gets rid of the excess water from the microalgae suspension. This paper presents a possible solution for this problem, the steps to create the device to harvest the microalgae by drying them with the use of solar energy (also used as an energy source for the solar dryer control system), the technologies used to build the solar microalgae dryer, and the benefits it presents compared to current solutions. It also presents the device from the ethical and sustainable viewpoint. Such alternative to already existing methods is competitive as far as energy usage is concerned.

Integração Energética da Unidade de Pré-destilação U-0100 da Fábrica de Aromáticos

A presente dissertação foi realizada no âmbito do Mestrado em Engenharia Química no ramo de Otimização Energética na Indústria Química, do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O estudo energético foi desenvolvido na empresa Petrogal, S.A, na Refinaria de Matosinhos, avaliando a possível racionalização energética do processo existente na Fábrica de Aromáticos. Os objetivos propostos basearam-se na realização de uma integração energética à unidade de pré-destilação, denominada por U-0100, que se encontra instalada na Fábrica de Aromáticos. Pretende-se, de uma forma geral, o reaproveitamento máximo da energia do processo, diminuindo o recurso a utilidades externas. Para tal recorreu-se à metodologia da análise do ponto de estrangulamento, designada por tecnologia Pinch. Numa primeira fase da otimização foi necessário conhecer todo o processo em causa e os conceitos associados à tecnologia aplicada. Após contactar com o processo procedeu-se ao levantamento energético do mesmo, referente ao ano 2013. Nesta etapa foram recolhidos todos os dados considerados relevantes para a quantificação energética das correntes e das utilidades empregues. Depois da recolha efetuou-se a integração energética estabelecendo um ∆Tmin ótimo para o processo de 5°C, após uma prévia análise da influência deste parâmetro sobre os consumos. Constatou-se que atualmente o processo de separação opera com uma taxa de recuperação energética de 16,8% da energia total, sendo a restante energia introduzida por utilidades externas. Com a análise do ponto de estrangulamento concluiu-se que a unidade de pré - destilação U-0100 se encontra integrada energeticamente, não sendo essencial proceder a qualquer modificação à mesma. No entanto sugere-se como trabalho futuro um estudo técnico e económico da implementação de um pré-aquecedor de ar, necessário ao processo de combustão que se dá na fornalha H-0101. Isto tendo em vista o reaproveitamento máximo da corrente, gases de combustão, que é desperdiçada para o meio ambiente.

Avaliação de funcionamento de duas estações de tratamento de águas residuais do interior de Vila Nova de Gaia

Esta dissertação descreve o trabalho desenvolvido ao longo de um ano e um mês desde a pesquisa teórica até à prática experimental no âmbito da unidade curricular de Dissertação/estágio do Mestrado em Engenharia Química, no ramo Tecnologias em Proteção Ambiental. O tema desta dissertação consiste na avaliação do funcionamento de duas estações de tratamento de águas residuais (ETAR) do interior do município de Vila Nova de Gaia no que diz respeito ao possível aumento da resistência a antibióticos na ETAR de Febros e na ETAR de Lever. Os testes de sensibilidade a antibióticos (TSA) foram executados para ambas as ETAR, sendo as amostras de água recolhidas na entrada e na saída dos reatores biológicos (tratamento secundário). Além disso, foram realizados testes de avaliação da eficiência de desinfeção por radiação ultravioleta (UV) relativamente à Escherichia coli (E. coli) na ETAR de Lever. Os antibióticos selecionados para a realização deste trabalho foram a Eritromicina, a Azitromicina, a Claritromicina, a Ofloxacina, a Ciprofloxacina, o Sulfametoxazol, o Trimetoprim e o Metronidazol. Esta seleção baseou-se no facto de estes serem alguns dos antibióticos mais consumidos e mais persistentes no meio ambiente. A bactéria E. coli (isolada a partir de amostras das águas residuais estudadas) foi escolhida para a realização deste estudo uma vez que está sempre presente nas águas residuais domésticas e está associada a fenómenos de multirresistência a antibióticos. Os testes de TSA foram realizados seguindo a metodologia de difusão por discos. No período do estudo (Março a Junho de 2015) identificaram-se situações quer de aumento de resistência quer de aumento de sensibilidade aos antibióticos testados. As situações mais graves de aumento de resistência, a que corresponderam a halos nulos, verificaram-se para os antibióticos Claritromicina, Trimetoprim e Metronidazol, ocorrendo com maior frequência para os dois últimos, que aliás são fármacos que são administrados em simultâneo. Os períodos mais problemáticos em termos de aumento das resistências foram ligeiramente diferentes nas duas ETAR. No caso da ETAR de Febros correspondeu ao mês Abril e na ETAR de Lever ocorreu entre o final de Abril e o início de Maio. Considera-se que estes períodos poderão coincidir com um aumento do consumo destes fármacos devido à sua utilização no combate a infeções respiratórias muito comuns nesta altura do ano. Não se observou qualquer sensibilidade da E. coli para o Metronidazol porque é um antibiótico com indicação para algumas bactérias anaeróbias, fungos e giardia, e que à partida não tem capacidade para eliminar a E. coli. A eficiência da desinfeção na ETAR de Lever relativamente à remoção de E. coli foi satisfatória. Sendo de salientar a importância da manutenção, no que se refere à identificação de possíveis avarias nas lâmpadas e correspondente limpeza. Os resultados deste trabalho provam a existência de estirpes da bactéria E. coli resistentes a alguns dos antibióticos estudados, o que reforça a importância da desinfeção no tratamento de águas residuais domésticas.

Integration of Membrane Filtration and Photolysis Processes for Drinking Water Treatment

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering and Technology Sciences, Chemical Engineering.