Síntese e reprojeto de redes de hidrogênio flexíveis e economicamente eficientes integradas ao planejamento de produção

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Silva, Patrícia Rodrigues da
• Orientador(a): Trierweiler, Jorge Otávio, Trierweiler, Luciane Ferreira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Produção de hidrogênio; Otimização de processos; Programação matemática; Planejamento da produção
• Palavras-chave em Inglês: Mass integration; Mathematical programming; MILP; MINLP; Multi-scenario optimization; Production planning
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/249784

O hidrogênio é utilizado nas refinarias de petróleo como insumo no hidrotratamento dos combustíveis. Através da reforma catalítica, o hidrogênio é produzido nas refinarias nas chamadas unidades de geração de hidrogênio (UGH), e juntamente com unidades de purificação e unidade de hidrotratamento (consideradas unidades consumidoras), se formam as redes de hidrogênio. Com o aumento das restrições no teor de enxofre nas frações de petróleo, como o diesel, o gerenciamento das redes de hidrogênio começou a ganhar destaque devido a sua importância econômica e ambiental. Ou seja, há interesse no uso de forma mais eficiente do hidrogênio. Através de programação matemática é possível realizar a modelagem e otimização da rede de hidrogênio, visando a sua produção ótima e uma melhor distribuição entre as unidades. Formulações MILP (Mixed Integer Linear Programming) e MINLP (Mixed Integer Nonlinear Programming) foram desenvolvidas em GAMS para representar a rede de hidrogênio. O modelo pode ser utilizado para o caso de retrofit ou de novos projetos, prevendo a instalação de novos compressores, unidades de purificação e linhas. Devido às limitações do modelo MILP, foi proposta uma técnica para diminuir a instalação de novos compressores, permitindo a mistura entre correntes, mas mantendo a linearidade do processo. Com o objetivo de facilitar a resolução do modelo não linear, foi proposta uma técnica de inicialização baseada no ótimo obtido através da formulação linear. Como uma extensão das formulações MILP e MINLP nominais e com o objetivo de incluir as incertezas do processo de refino de petróleo, que surgem principalmente devido aos diferentes petróleos e seus teores de enxofre, a otimização multicenário também é abordado neste trabalho. É importante que a rede de hidrogênio seja flexível, ou seja, seja capaz de atender as variações no consumo de hidrogênio nas unidades de hidrotratamento. O planejamento de produção é responsável por conectar os diferentes petróleos disponíveis com a demanda de produtos e assim, consegue-se estimar a quantidade de hidrogênio necessária num horizonte de tempo, normalmente mensal. Nesse sentido, este trabalho une o desenvolvimento de um planejamento de produção para uma refinaria, com o conceito de avaliação de flexibilidade da rede e otimização multicenário, a fim de obter o maior lucro possível, com uma rede mais flexível possível e capaz de atender os cenários estabelecidos, com o menor custo operacional, podendo incluir o redesign da rede. As otimizações foram validadas através de estudos de caso da literatura e de dados reais de uma refinaria brasileira. Como resultados, concluiu-se que a formulação não linear combinada com a inicialização proveniente da formulação MILP e a técnica de rearranjo de compressores é a mais adequada para redesign de redes de hidrogênio, fornecendo economias significativas de custo operacional. Além disso, através do planejamento de produção, foi possível avaliar economicamente a rede de hidrogênio, unindo o maior lucro possível, com o menor custo operacional da rede capaz de atender a demanda.