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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Projeto de hidrociclones usando otimização robusta e evolução diferencial
Alternate title (s): Hydrocyclone design using robust optimization and differential evolution
Author: Garcia, Vitor Alves
First Advisor: Vieira, Luiz Gustavo Martins
Second Counselor: Lobato, Fran Sérgio
First member of the Committee: Pereira, Marina Seixas
Second member of the Committee: Cavalini Jr, Aldemir Aparecido
Third member of the Committee: Salvador, Fernanda Falqueto
Summary: Os hidrociclones são equipamentos versáteis amplamente utilizados na indústria para realizar a remoção ou classificação de uma fase discreta (líquida ou sólida) suspensa em uma fase contínua líquida, com base em um campo centrífugo, no tamanho e na densidade da fase discreta. Estes equipamentos, que são constituídos por uma parte cilíndrica e outra cônica, promovem o processo de separação através da ação de uma força centrífuga proveniente do movimento rotacional que a suspensão realiza dentro dele e têm o seu desempenho intimamente relacionado com as suas dimensões geométricas. O desempenho destes separadores pode ser quantificado através das respostas eficiência total (ET), razão de líquido (RL) e número de Euler (Eu), que representam o poder de classificação, de concentração e o consumo energético, respectivamente. Estas três respostas, normalmente, são objetivos conflitantes no projeto de hidrociclones, sendo assim faz-se necessário o uso de otimização para encontrar-se as configurações que produzem equipamentos com boa performance nos três objetivos. Além disso, para se ter confiabilidade nos resultados é importante adotar um critério de inserção de robustez na otimização, já que as dimensões dos hidrociclones podem não ser totalmente precisas, em função das limitações do processo de fabricação e dos desgastes que ocorrem com o tempo de operação. Diante disto, o presente trabalho busca realizar o projeto de hidrociclones de alto poder classificador e concentrador e baixo consumo energético, utilizando otimização robusta por evolução diferencial usando como base dados coletados experimentalmente. O efeito da inserção de robustez na geração dos modelos empíricos foi avaliado através da comparação entre os valores dos coeficientes de determinação e das funções objetivo empregadas dos modelos nominal e robusto, além da realização de uma análise comparativa de sensibilidade dos modelos. Foi constatado que o aumento no valor do parâmetro de robustez (δ) deteriora o valor do coeficiente de determinação e da função objetivo dos ajustes, além disso notou-se que para pequenos valores de δ os dois tipos de modelos são igualmente sensíveis a perturbações em seus parâmetros, já para valores maiores de δ o modelo robusto mostrou-se menos prejudicado. Os dois tipos de modelo foram utilizados para realizar-se a otimização das dimensões do hidrociclone, de forma nominal e robusta, considerando quatro estudos de caso: maximização de ET e minimização de RL (caso 1); maximização de ET e minimização de Eu (caso 2); minimização de RL e minimização de Eu (caso 3); maximização de ET, minimização de RL e minimização de Eu (caso 4). Os hidrociclones obtidos na otimização apresentam valores das respostas satisfatórios e dentro das faixas desejadas, constatou-se ainda que o aumento no valor do parâmetro de robustez da otimização promove o distanciamento das curvas em relação a curva nominal e causa uma concentração das soluções em uma determinada região do espaço dos objetivos, implicando em uma menor variedade de hidrociclones ótimos. Alguns dos hidrociclones otimizados obtidos foram selecionados para realização de testes experimentais com equipamentos de dimensões próximas a deles. Os resultados experimentais mostraram que os separadores testados obtiveram um bom desempenho.
Abstract: Hydrocyclones are versatile equipment largely used in industry to remove or classify a discrete phase (liquid or solid) mixed in a continuous liquid phase, based on a centrifugal field and on the discrete phase’s size and density. These equipment, which are constituted by a cylindrical and a conical part, promote the separation process by the action of a centrifugal force that comes from the rotational movement of the mixture and they have their performance closely related to their geometric dimensions. The performance of these separators can be measured by the responses total efficiency (ET), liquid ratio (RL) and Euler number (Eu), which represent the classification and concentration capacity and the energy cost, respectively. These three responses are, normally, conflicting objectives in hydrocyclones project, therefore it is necessary to use an optimization method to find out the configurations that produce good performance equipment in all three characteristics. Besides that, it’s important to adopt a robustness insertion criterion to reach reliable results, as hydrocyclone dimensions may not be totally accurate due to fabrication process limitations and wear that occur with operation. Faced with this, the purpose of this work is to project hydrocyclones with high classification and concentration capacity and low energy cost, using robust optimization by differential evolution technique basing on experimental data. The robustness introduction effect on the empirical models was evaluated through the comparison between the determination coefficient and objective function values of the nominal and robust models, besides the realization of a comparative analysis of models’ sensibility. It was verified that an augmentation in the robustness parameter (δ) makes the value of determination coefficient and objective function get worse, besides that it was noticed that the two types of model were equally sensitive to parameter perturbation when the value of δ was low, however when the value of δ was high, the robust model was less impaired than the nominal one. Both models were used to execute the hydrocyclone dimensions optimization, with and without robustness, considering four cases: maximum ET and minimum RL (case 1); maximum ET and minimum Eu (case 2); minimum RL and minimum Eu (case 3); maximum ET, minimum RL and minimum Eu (case 4). The obtained hydrocyclones presented satisfying values of the concerning responses, inside the desired range, it was also verified that the augmentation in robustness parameter value causes the robust curves to distance from the nominal ones and it reduces the objectives space, which means a smaller optimum hydrocyclones variety. Some of the optimum hydrocyclones were chosen to be used as reference in experimental tests with equipment of similar dimensions to theirs. The experimental result showed that the tested separators had a good performance.
Keywords: Separação sólido-líquido
Solid-liquid separation
Hidrociclone
Hydrocyclone
Otimização
Optimization
Evolução diferencial
Differential evolution
Robustez
Robustness
Engenharia Química
Chemical Engineering
Separação
Separation
Otimização combinatória
Combinatory optimization
Separação (Tecnologia)
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: GARCIA, Vitor Alves. Projeto de hidrociclones usando otimização robusta e evolução diferencial. 2018. 86 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018. Disponível em: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1227
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1227
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/22745
Date of defense: 10-Jul-2018
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