Superstructure-Based Optimization of Vapor Compression-Absorption Cascade Refrigeration Systems

A system that combines a vapor compression refrigeration system (VCRS) with a vapor absorption refrigeration system (VARS) merges the advantages of both processes, resulting in a more cost-effective system. In such a cascade system, the electrical power for VCRS and the heat energy for VARS can be significantly reduced, resulting in a coefficient of performance (COP) value higher than the value of each system operating in standalone mode. A previously developed optimization model of a series flow double-effect H2O-LiBr VARS is extended to a superstructure-based optimization model to embed several possible configurations. This model is coupled to an R134a VCRS model. The problem consists in finding the optimal configuration of the cascade system and the sizes and operating conditions of all system components that minimize the total heat transfer area of the system, while satisfying given design specifications (evaporator temperature and refrigeration capacity of −17.0 °C and 50.0 kW, respectively), and using steam at 130 °C, by applying mathematical programming methods. The obtained configuration is different from those reported for combinations of double-effect H2O-LiBr VAR and VCR systems. The obtained optimal configuration is compared to the available data. The obtained total heat transfer area is around 7.3% smaller than that of the reference case

A novel framework for integrating real-time optimization and optimal scheduling : Application to heat and power systems

The optimization of heat and power systems operation is a complex task that involves continuous and discrete variables, operating and environmental constraints, uncertain prices and demands and transition constraints for startups or shutdowns. This work proposes a novel methodology for integrating scheduling optimization and real-time optimization (RTO) in order to face and solve such optimization problem. In a first stage, an offline optimization finds a scheduling for the whole horizon under study, which sets the startups and shutdowns of pieces of equipment with long transition times. A second stage solves a multiperiod RTO, which corrects the forecasts and adapts the model before optimiz-ing the process. Although the proposed methodology is illustrated through a case study consisting in a heat and power system, it can be generalized to other systems and processes. The obtained results show significant improvements in comparison with applying the results of a single offline scheduling optimization.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativa (SADIO

A novel framework for integrating real-time optimization and optimal scheduling : Application to heat and power systems

The optimization of heat and power systems operation is a complex task that involves continuous and discrete variables, operating and environmental constraints, uncertain prices and demands and transition constraints for startups or shutdowns. This work proposes a novel methodology for integrating scheduling optimization and real-time optimization (RTO) in order to face and solve such optimization problem. In a first stage, an offline optimization finds a scheduling for the whole horizon under study, which sets the startups and shutdowns of pieces of equipment with long transition times. A second stage solves a multiperiod RTO, which corrects the forecasts and adapts the model before optimiz-ing the process. Although the proposed methodology is illustrated through a case study consisting in a heat and power system, it can be generalized to other systems and processes. The obtained results show significant improvements in comparison with applying the results of a single offline scheduling optimization.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativa (SADIO

Optimización del Proceso de Separación de Gases por Membranas

Este trabajo trata sobre la optimización del diseño del proceso de captura de CO2 por membranas a partir de gases generados en una planta de combustión de carbón. Diferentes configuraciones alternativas son embebidas simultáneamente en una superestructura a partir de la cual se deriva el modelo matemático que permite determinar la configuración óptima del proceso de separación, el área de membrana y consumo de potencia en cada etapa, y las correspondientes condiciones de operación. Precisamente, se propone minimizar el área total de membrana, adoptando como metas de diseño una recuperación de CO2 del 85.00% y pureza de 98.00% en la corriente enriquecida de CO2. Dicho problema se resolverá para dos tipos de flujos: contra-corriente y co-corriente. Las soluciones óptimas obtenidas para cada tipo de flujo son analizadas y comparadas en términos de la distribución de áreas, flujos, composiciones y la contribución individual de cada compresor al consumo total de potencia

Optimización en tiempo real con disyunciones lógicas: aplicación a sistemas de calor y potencia

La optimización en tiempo real (RTO) permite operar en cercanías del óptimo económico de una planta, respetando restricciones y respondiendo a cambios en el proceso. La adaptación con términos modificadores de las restricciones y los gradientes corrige eficientemente los errores estructurales de los modelos de RTO. Este trabajo propone el uso de RTO incluyendo disyunciones lógicas en el problema de optimización, y plantea una estrategia de adaptación con modificadores para este problema. La estrategia se muestra a través de un caso de estudio que consiste en un sistema de generación de vapor y potencia. Los resultados obtenidos muestran la validez de la estrategia sugerida y la utilidad de incluir variables discretas o disyunciones en los sistemas de RTO.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativ

Optimización en tiempo real con disyunciones lógicas: aplicación a sistemas de calor y potencia

La optimización en tiempo real (RTO) permite operar en cercanías del óptimo económico de una planta, respetando restricciones y respondiendo a cambios en el proceso. La adaptación con términos modificadores de las restricciones y los gradientes corrige eficientemente los errores estructurales de los modelos de RTO. Este trabajo propone el uso de RTO incluyendo disyunciones lógicas en el problema de optimización, y plantea una estrategia de adaptación con modificadores para este problema. La estrategia se muestra a través de un caso de estudio que consiste en un sistema de generación de vapor y potencia. Los resultados obtenidos muestran la validez de la estrategia sugerida y la utilidad de incluir variables discretas o disyunciones en los sistemas de RTO.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativ

Análisis Económico de un Proceso Basado en Reactores Discontinuos Secuenciales (SBR) para la Reducción de Nutrientes Biológicos de Aguas Residuales

En este trabajo se presenta un análisis económico de un proceso discontinuo cíclico para remoción de materia orgánica, nitrógeno y fósforo de efluentes líquidos mediante barros activados. El proceso es del tipo reactores discontinuos secuenciales con nitrificación externa. Se evalúan y comparan mediante simulación los costos operativos y de inversión de dos configuraciones de proceso alternativas para distintos caudales de diseño que cumplen con los límites de descarga exigidos. Se determinó la escala de tratamiento (caudal de diseño) que conduce al mínimo costo total anual específico para cada configuración estudiada. Desde el punto de vista económico, se concluye que es más conveniente para tratar grandes caudales de efluente instalar plantas pequeñas en paralelo operando al caudal nominal que determina el mínimo costo total anual específico de tratamiento que una planta de gran dimensión

Reducción del modelo ASM1 mediante invariantes de reacción : Aplicación a etapas batch

En todo sistema existen algunas propiedades, elementos, cantidades o relaciones que permanecen inalteradas a pesar de las transformaciones que se apliquen sobre ellos, denominados invariantes del sistema. Para un sistema de reacción en recinto cerrado con n reacciones linealmente independientes y m componentes (n<m), existen combinaciones lineales de las concentraciones que no son afectadas por las velocidades de reacción y, por lo tanto, independientes del progreso de las reacciones: son los invariantes de reacción. Se recurre al concepto de invariante de reacción para implementar una metodología de reducción de modelos para su aplicación al modelo de barros activados ASM1 de IWA para remoción de C y N de aguas residuales municipales e industriales. El propósito de contar con una metodología sistemática y eficiente de reducción de modelos se fundamenta en la necesidad de incorporar en las estrategias de optimización dinámica y control, desarrolladas en sistemas orientados a ecuaciones de tipo algebraico, modelos de pequeño tamaño y/o que disminuyan la complejidad numérica -tanto como sea posible-, pero que capturen fielmente la dinámica del sistema. El objetivo que se persigue aquí es disminuir tal complejidad numérica a través de la sustitución de ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales que describen los estados del sistema por relaciones algebraicas lineales de esos estados, conservando la dinámica exacta del modelo original. A diferencia de otros casos, el interés central no radica en disminuir los tiempos de cómputo sino en describir la dinámica exacta del fenómeno con el mínimo número de ecuaciones diferenciales. La metodología seguida es apta para su aplicación a un sistema reaccionante de cualquier naturaleza operado en modo discontinuo o batch. La metodología se aplica a dos casos de estudio: el primero (1 invariante) es lo suficientemente sencillo y pequeño para describir la metodología puntualmente; el segundo (5 invariantes) es más realista, aplicado a la fase anóxica de la etapa de bioconversión de un proceso del tipo SBR (sequenced batch reactor). Se compara el comportamiento dinámico que predice el modelo original y su versión reducida.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativa (SADIO

Estudio comparativo de sistemas SBR para eliminación de C, N y P. convencional versus nitrificación externa

Se presentan resultados de la simulación dinámica de sistemas SBR para la remoción de C, N y P de efluentes líquidos, en base al modelo de barros activados ASM3+BioP. Se incluyen resultados de la comparación entre el proceso SBR convencional y SBR con nitrificación externa, en base a la eficiencia de remoción de contaminantes y costos de inversión, operación y total, para diferentes condiciones de operación que cumplen con los límites de descarga considerados. Para el efluente estudiado, ambos procesos permiten cumplir los límites de descarga sin la adición de una fuente externa de C. El proceso SBR con nitrificación externa alcanza mayor remoción de N-nitratos y P total, mientras que la remoción de N-amoniacal se ve limitada. Si bien ambos procesos presentan costos totales específicos similares, el proceso SBR tiene un menor costo específico de inversión, mientras que el proceso SBR con nitrificación externa presenta menores costos de operación debido a una mayor eficiencia. Dado el elevado número de compromisos existentes entre las variables de operación, surge la necesidad de formular un modelo de optimización algorítmica que permita determinar simultáneamente las condiciones de operación que minimicen costos bajo especificaciones de descarga.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativ

Reducción del modelo ASM1 mediante invariantes de reacción : Aplicación a etapas batch

En todo sistema existen algunas propiedades, elementos, cantidades o relaciones que permanecen inalteradas a pesar de las transformaciones que se apliquen sobre ellos, denominados invariantes del sistema. Para un sistema de reacción en recinto cerrado con n reacciones linealmente independientes y m componentes (n<m), existen combinaciones lineales de las concentraciones que no son afectadas por las velocidades de reacción y, por lo tanto, independientes del progreso de las reacciones: son los invariantes de reacción. Se recurre al concepto de invariante de reacción para implementar una metodología de reducción de modelos para su aplicación al modelo de barros activados ASM1 de IWA para remoción de C y N de aguas residuales municipales e industriales. El propósito de contar con una metodología sistemática y eficiente de reducción de modelos se fundamenta en la necesidad de incorporar en las estrategias de optimización dinámica y control, desarrolladas en sistemas orientados a ecuaciones de tipo algebraico, modelos de pequeño tamaño y/o que disminuyan la complejidad numérica -tanto como sea posible-, pero que capturen fielmente la dinámica del sistema. El objetivo que se persigue aquí es disminuir tal complejidad numérica a través de la sustitución de ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales que describen los estados del sistema por relaciones algebraicas lineales de esos estados, conservando la dinámica exacta del modelo original. A diferencia de otros casos, el interés central no radica en disminuir los tiempos de cómputo sino en describir la dinámica exacta del fenómeno con el mínimo número de ecuaciones diferenciales. La metodología seguida es apta para su aplicación a un sistema reaccionante de cualquier naturaleza operado en modo discontinuo o batch. La metodología se aplica a dos casos de estudio: el primero (1 invariante) es lo suficientemente sencillo y pequeño para describir la metodología puntualmente; el segundo (5 invariantes) es más realista, aplicado a la fase anóxica de la etapa de bioconversión de un proceso del tipo SBR (sequenced batch reactor). Se compara el comportamiento dinámico que predice el modelo original y su versión reducida.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativa (SADIO