Optimización y síntesis de un sistema de distribución de hidrógeno en una refinería

Abstract

El suministro de hidrógeno tiene un costo elevado en las refinerías y es muy demandado para producir combustibles que cumplan con las normas medio ambientales. La red de hidrógeno se ha convertido en un componente importante dentro de una refinería y es vital para que los sistemas que emplean hidrógeno, operen de manera económica y segura bajo condiciones de operación variables. Este trabajo retoma e implementa un modelo mixto entero de programación no lineal (MINLP) para sintetizar la red de hidrógeno con un costo total anual mínimo propuesto en la literatura, que se basa en una superestructura que modela unidades clave de una red de hidrógeno en una refinería, dichas unidades son fuentes de hidrógeno y consumidores de hidrógeno. También, se incluyen unidades de acondicionamiento como enfriadores, compresores, válvulas y calentadores, permite correlaciones de costos y evita muchos términos bilineales. Sin embargo, dada la presencia de términos bilineales en el modelo de programación matemática, genera múltiples soluciones óptimas locales por la no convexidad del conjunto solución. Por lo tanto, en este trabajo se implementa una técnica metaheurísticas de búsqueda conocida como técnica Multiarranque. Los resultados obtenidos son similares a los de la literatura especializada con optimización operacional y retrofit (problema de diseño que permite modificaciones estructurales e inversión de equipo).

The supply of hydrogen has a high cost in refineries and is very demanded to produce fuels that comply with environmental standards. The hydrogen network has become an important component within a refinery and it is vital for systems that use hydrogen to operate economically and safely under varying operating conditions. This paper takes up and implements a mixed-integer non-linear programming (MINLP) to synthesize the hydrogen network with a minimum total annual cost proposed in the literature, which is based on a superstructure that models key units of a hydrogen network in a refinery, these units are hydrogen sources and hydrogen consumers. Also, it includes conditioning units such as coolers, compressors, valves and heaters, allows cost correlations and avoids many bilinear terms. However, given the presence of bilinear terms in the mathematical programming model, it generates multiple optimal local solutions due to the non-convexity of the solution set. Therefore, in this work a metaheuristic search technique known as Multiarranque technique is implemented. The results obtained are similar to those of the specialized literature with operational optimization and retrofit (design problem that allows structural modifications and equipment investment)