This thesis presents optimization models based on mathematical programming techniques for the efficient use of water as raw material as well as cooling medium in the industrial processes. The objectives are to reduce the capital and operational costs as well as the environmental impact of the studied processes. Practical problems were solved taking into account the mass and energy integration. Particularly, this work presents the development and application of optimization models to the mass water integration into eco-industrial parks and to the optimal design of cooling water systems and cooling systems for aqueous effluents. Respect to the mass water integration into eco-industrial parks, this thesis proposes new superstructures that include several configurations not considered previously and the proposed models are able to considered streams with several pollutants through property balances. In addition, several optimization schemes are proposed to find out the global optimum in the addressed problems. Regarding to the cooling water systems, this thesis presents a new model for the optimal design of counter flow cooling towers. Moreover, models for the optimal synthesis of thermal treatment of aqueous effluents and cooling water systems with multiple cooling towers are presented. The applicability of the proposed models is shown through several practical examples.
En la presente tesis se presentan modelos de optimización basados en la técnica de programación matemática para el uso eficiente de agua de proceso y de enfriamiento en procesos industriales, con el objetivo de minimizar los costos de capital y de operación así como el impacto ambiental de los mismos. Se resolvieron problemas de interés práctico y considerando la problemática actual de la industria, tomando en cuenta tanto la integración energética como másica de los procesos. En particular, se presenta el desarrollo y la aplicación de modelos de optimización para la integración másica del agua en parques eco-industriales y el diseño óptimo de sistemas de enfriamiento de agua y de efluentes acuosos. Respecto a la integración de agua en parques eco-industriales, se proponen nuevas superestructuras que incluyen configuraciones previamente despreciadas y se consideran corrientes con múltiples contaminantes a través de balances de propiedades. Además, se proponen diversos esquemas de optimización para encontrar el óptimo global de los problemas considerados. Para el caso de sistemas de enfriamiento de agua, se formula un modelo riguroso para la optimización de torres de enfriamiento a contracorriente y se proponen modelos de optimización para la síntesis de sistemas de tratamiento térmico de efluentes acuosos y de sistemas de agua de enfriamiento con múltiples torres de enfriamiento a contracorriente. La eficacia de cada uno de los métodos propuestos se demuestra a través de la solución de varios ejemplos de aplicación industrial.
