Facultad Regional Rosario
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Item Modelado matemático, validación y análisis del proceso de extracción de antocianinas en harina de orujos tintos a diferentes temperaturas.(2018-07) Bonfigli, Mónica Beatriz; Chiandoni, Florencia Soledad; Kraft, Romina Alejandra; Reinheimer, María AgustinaLa extracción sólido-líquido es una operación unitaria ampliamente utilizada para extraer compuestos biológicos de interés de diversas matrices alimentarias. En el presente trabajo se ha desarrollado un modelo matemático para el análisis del proceso de extracción de antocianinas en orujos tintos. El modelo está formado tanto por ecuaciones algebraicas como diferenciales y fue desarrollado en el software de optimización GAMS (General Algebraic Modeling System). Para la implementación de las ecuaciones a derivadas parciales en el modelo se utilizó el método implícito de discretización. Para la validación del modelo, se llevaron a cabo corridas a diferentes temperaturas de extracción (25, 45 y 65 ºC), utilizando como solvente extractor una mezcla hidro-alcohólica (50:50). Se observó un buen ajuste entre los valores óptimos obtenidos y experimentales, observándose que se obtiene una mayor eficiencia de extracción a 45 ºC.Item Optimal design of a two-stage membrane system for hydrogen separation in refining processes.(2018-10-31) Arias, Ana Marisa; Mores, Patricia Liliana; Scenna, Nicolás José; Caballero, José Antonio; Mussati, Sergio Fabián; Mussati, Miguel CeferinoThis paper fits into the process system engineering field by addressing the optimization of a two-stage membrane system for H2 separation in refinery processes. To this end, a nonlinear mathematical programming (NLP) model is developed to simultaneously optimize the size of each membrane stage (membrane area, heat transfer area, and installed power for compressors and vacuum pumps) and operating conditions (flow rates, pressures, temperatures, and compositions) to achieve desired target levels of H2 product purity and H2 recovery at a minimum total annual cost. Optimal configuration and process design are obtained from a model which embeds different operating modes and process configurations. For instance, the following candidate ways to create the driving force across the membrane are embedded: (a) compression of both feed and/or permeate streams, or (b) vacuum application in permeate streams, or (c) a combination of (a) and (b). In addition, the potential selection of an expansion turbine to recover energy from the retentate stream (energy recovery system) is also embedded. For a H2 product purity of 0.90 and H2 recovery of 90%, a minimum total annual cost of 1.764 M$·year−1 was obtained for treating 100 kmol·h−1 with 0.18, 0.16, 0.62, and 0.04 mole fraction of H2, CO, N2, CO2, respectively. The optimal solution selected a combination of compression and vacuum to create the driving force and removed the expansion turbine. Afterwards, this optimal solution was compared in terms of costs, process-unit sizes, and operating conditions to the following two suboptimal solutions: (i) no vacuum in permeate stream is applied, and (ii) the expansion turbine is included into the process. The comparison showed that the latter (ii) has the highest total annual cost (TAC) value, which is around 7% higher than the former (i) and 24% higher than the found optimal solution. Finally, a sensitivity analysis to investigate the influence of the desired H2 product purity and H2 recovery is presented. Opposite cost-based trade-offs between total membrane area and total electric power were observed with the variations of these two model parameters. This paper contributes a valuable decision support tool in the process system engineering field for designing, simulating, and optimizing membranebased systems for H2 separation in a particular industrial case; and the presented optimization resultsprovide useful guidelines to assist in selecting the optimal configuration and operating mode.Item Membrane-based processes: optimization of hydrogen separation by minimization of power, membrane area, and cost.(2018-11-12) Mores, Patricia Liliana; Arias, Ana Marisa; Scenna, Nicolás José; Caballero, José Antonio; Mussati, Sergio Fabián; Mussati, Miguel CeferinoThis work deals with the optimization of two-stage membrane systems for H2 separation from off-gases in hydrocarbons processing plants to simultaneously attain high values of both H2 recovery and H2 product purity. First, for a given H2 recovery level of 90%, optimizations of the total annual cost (TAC) are performed for desired H2 product purity values ranging between 0.90 and 0.95 mole fraction. One of the results showed that the contribution of the operating expenditures is more significant than the contribution of the annualized capital expenditures (approximately 62% and 38%, respectively). In addition, it was found that the optimal trade-offs existing between process variables (such as total membrane area and total electric power) depend on the specified H2 product purity level. Second, the minimization of the total power demand and the minimization of the total membrane area were performed for H2 recovery of 90% and H2 product purity of 0.90. The TAC values obtained in the first and second cases increased by 19.9% and 4.9%, respectively, with respect to that obtained by cost minimization. Finally, by analyzing and comparing the three optimal solutions, a strategy to systematically and rationally provide ‘good’ lower and upper bounds for model variables and initial guess values to solve the cost minimization problem by means of global optimization algorithms is proposed, which can be straightforward applied to other processes.Item Cost-based comparison between membrane systems and chemical absorption processes for CO2 capture from flue gas.(2019-05-09) Arias, Ana Marisa; Mores, Patricia Liliana; Scenna, Nicolás José; Caballero, José Antonio; Mussati, Miguel Ceferino; Mussati, Sergio FabiánAn optimization study of membrane-based separation systems for carbon dioxide capture from flue gas of power plants is conducted, considering the possibility of employing up to four stages and using diverse options to create the required driving force. By proposing a superstructure-based model, the number of stages, recycle options, use of feed compression and/or permeate vacuum, driving force distribution along each membrane stage, operating conditions and equipment sizes are simultaneously optimized in order to minimize the total annual cost at high capture ratios and purity targets. Thus, different optimal arrangements are obtained and the total cost is reduced in about 20% compared without employing vacuum. Besides the optimal number of stages diminishes with decreasing purity, but it is independent of the capture ratio. Also, the total cost decreases with the increase of the membrane permeance requiring lower values of operating pressure and membrane areas. Permeance values higher than 2400 GPU lead to lower number of stages and recycles for the same separation target. By contrast, a sensitivity analysis shows that the total cost increases with the increase of the electricity price, capacity factor, and capital recovery factor, which are the more influential parameters in the objective function. Despite new optimal operating and design conditions are obtained when these parameters vary, no modifications in the optimal arrangement are observed.Item Optimization of the design, operating conditions, and coupling configuration of combined cycle power plants and CO2 capture processes by minimizing the mitigation cost.(2017-10-04) Mores, Patricia Liliana; Manassaldi, Juan Ignacio; Scenna, Nicolás José; Caballero, José Antonio; Mussati, Miguel Ceferino; Mussati, Sergio FabiánThis paper deals with the optimization of the coupling between a natural gas combined cycle (NGCC plant and a post-combustion CO2 capture process by minimizing the mitigation cost – defined as the ratio between the cost of electric power generation and the amount of CO2 emitted per unit of total net electric power generated – while satisfying the design specifications: electric power generation capacity and CO2 capture level. Three candidate coupling configurations, which differ in the place where the steam is extracted from, are optimized using detailed and rigorous models for both the NGCC and the CO2 capture plants. By comparing the mitigation cost of each configuration, the optimal integration configuration and the corresponding optimal sizes and operating conditions of all process units (steam turbines, gas turbines, heat recovery steam generators HRSGs, absorption and regeneration columns, reboilers and condensers, and pumps) are provided. In the computed optimal solution, the steam required by the CO2 capture plant is extracted from both the steam turbine and the HRSG (evaporator operating at low pressure), and the mitigation cost is 90.88 $/t CO2. The optimal solution is compared with suboptimal solutions corresponding to the other two candidate coupling schemes. These solutions are compared in detail regarding capital investment.Item Development of extrinsic functions for optimal synthesis and design : application to distillation-based separation processes.(2019-04-09) Manassaldi, Juan Ignacio; Mussati, Miguel Ceferino; Scenna, Nicolás José; Mussati, Sergio FabiánThis work deals with the development and implementation of mathematical models in the General Algebraic Modeling System (GAMS) environment for optimization purposes, involving extrinsic functions that are executed outside GAMS from dynamic-link libraries (DLL) implemented in the programming language C. Three DLL libraries are developed to calculate thermodynamic properties: the Raoult's law for vapor-liquid equilibrium, the Non-Random Two-Liquid (NRTL) model, and the Peng–Robinson equation of state. A detailed description on how GAMS and DLL libraries interact is presented. Case studies dealing with the optimal design of multi-component distillation columns with increasing complexity levels are discussed. For the proposed case studies, the obtained results show that the usage of the proposed extrinsic functions allows to significantly enhance the model implementation compared to the traditional model implementation approach, and to considerably reduce the model size as well as the computational time required by the optimization algorithms.Item Optimization of triple-pressure combined-cycle power plants by generalized disjunctive programming and extrinsic functions.(2021-02-01) Manassaldi, Juan Ignacio; Mussati, Miguel Ceferino; Scenna, Nicolás José; Mussati, Sergio FabiánA new mathematical framework for optimal synthesis, design, and operation of triple-pressure steamreheat combined-cycle power plants (CCPP) is presented. A superstructure-based representation of the process, which embeds a large number of candidate configurations, is first proposed. Then, a generalized disjunctive programming (GDP) mathematical model is derived from it. Series, parallel, and combined series-parallel arrangements of heat exchangers are simultaneously embedded. Extrinsic functions executed outside GAMS from dynamic-link libraries (DLL) are used to estimate the thermodynamic properties of the working fluids. As a main result, improved process configurations with respect to two reported reference cases were found. The total heat transfer areas calculated in this work are by around 15% and 26% lower than those corresponding to the reference cases. This paper contributes to the literature in two ways: (i) with a disjunctive optimization model of natural gas CCPP and the corresponding solution strategy, and (ii) with improved HRSG configurations.Item Aplicación de técnicas de programación matemática y métodos de integración de procesos para determinar la síntesis y el diseño óptimo de una planta de cogeneración de ciclo combinado(2017-03-29) Manassaldi, Juan Ignacio; Mussati, Sergio Fabián; Scenna, Nicolás JoséLa presente tesis trata sobre el modelado matemático, simulación y optimización de ciclos combinados operando en forma desacoplada y acoplada a otros procesos, como por ejemplo, sistemas de utility y planta de captura de CO2. Precisamente, la tesis presenta modelos matemáticos utilizando programación matemática y metodologías “alternativas” para optimizar la configuración y el diseño de sistemas de cogeneración de vapor y electricidad. El planteamiento del problema de optimización se resolverá postulando una superestructura de configuraciones alternativas considerando la posibilidad de intercambios de calor en paralelo, serie y serie-paralelo entre la corriente de gas que abandona la turbina de gas y el fluido circulante del ciclo de vapor. De esta manera, la superestructura embebe numerosas alternativas para la configuración de los equipos las cuales son tenidas en cuenta simultáneamente por el algoritmo de optimización. La ventaja principal de este tipo de planteo es que al modificar las especificaciones de diseño permite determinar en forma automática la configuración óptima correspondiente. Durante el desarrollo de la tesis, se proponen y resuelven diferentes problemas de optimización considerando diferentes funciones objetivos y considerando fija la demanda de electricidad, según se detalla a continuación: 1) minimización del área total de transferencia de calor, 2) minimización del consumo de combustible, 3) minimización del costo total (inversión y costo de operación). Los modelos y metodologías de solución se aplican a la optimización de la configuración, diseño y operación de un sistema de cogeneración acoplado a distintos procesos, por ejemplo a un proceso de captura de CO2 utilizando aminas. Finalmente, la metodología es aplicada también para optimizar la síntesis y diseño de plantas de “utility” (configuración del ciclo combinado y configuración del sistema de turbinas y válvulas) considerando diferentes niveles de demandas de potencia y vapor. Las metodologías de solución se componen de procedimientos sistemáticos basados en el empleo de técnicas de Programación Mixta Entera No Lineal (MINLP), utilizando variables binarias para imponer restricciones de diseño de tipo estructural (configuración de los equipos) y variables continúas relacionadas con las condiciones de operación. Los resultados encontrados son comparados con los obtenidos por otros resolvedores tradicionales para modelos MINLP.Item Optimización de Plantas de Generación de Energía Eléctrica incluyendo Sistemas de Captura de CO2.(2015-03-20) Mores, Patricia Liliana; Mussati, Sergio Fabián; Scenna, Nicolás JoséLa demanda de energía eléctrica se encuentra en constante crecimiento en el mundo actual, lo que exige la concreción de nuevas opciones de generación que resulten competitivas, en vista del amplio abanico de tecnologías que se encuentran disponibles para tal fin. Por otra parte, la reducción de emisiones de sustancias contaminantes (material particulado, gases con efecto invernadero) constituye un aspecto clave en la aprobación de nuevos proyectos, debido a la sanción de tratados internacionales y regulaciones ambientales progresivamente más restrictivas. Debido a la necesidad de satisfacer tanto la creciente demanda de energía como la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera, se están realizando enormes esfuerzos para mejorar la performance de los sistemas de captura y compresión de CO2 acoplados a sistemas de generación de energía eléctrica. Específicamente, la integración de estos procesos es objeto de estudio en diferentes áreas de investigación. El presente trabajo de tesis propone modelar y optimizar procesos de captura de CO2 para el tratamiento de gases de combustión generados en plantas de producción de energía alimentadas por combustibles fósiles. Mediante el empleo de técnicas basadas en programación matemática, se pretende realizar el estudio del proceso global, considerando en la etapa de diseño preliminar tanto las variables operativas como las de dimensionamiento de cada uno de los equipos presentes. En función de lo expresado, se plantean los siguientes objetivos: Objetivo General: Contribuir en la búsqueda de soluciones tecnológicas conducentes a la disminución de emisiones gaseosas generadas en plantas de producción de vapor y electricidad, teniendo como meta principal una producción de energía eléctrica más limpia, de manera tal de no alterar el medioambiente. Objetivos Específicos: Generar un modelo matemático de optimización que permita abordar la síntesis y el diseño de plantas nuevas de cogeneración de vapor y electricidad incluyendo el tratamiento de sus emisiones gaseosas. Proponer una estrategia de solución para el modelo resultante, que garantice la obtención de soluciones óptimas al variar los principales parámetros del proceso. Se pondrá especial énfasis en la convergencia del modelo, evitando en lo posible soluciones óptimas locales, definiendo un procedimiento eficiente de inicialización de las variables. Estudiar y comparar, desde un punto de vista energético, económico y ambiental, la integración de la planta de producción de energía eléctrica con la planta de captura de CO2. El consumo de servicios auxiliares de ambos procesos es significativo, lo que implica elevados costos de operación. En consecuencia, es indispensable proponer un proceso integrado eficiente con el fin de disminuir el costo total anual, teniendo en cuenta los niveles umbrales permitidos de emisión de gases de efecto invernadero. Finalmente, a partir del planteo de diferentes casos de estudio y distintas funciones objetivo, se evaluará la performance del sistema captura de CO2 y del sistema “captura de CO2+generación” desde un punto de vista termodinámico y también económico.