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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
MESTRADO ACADÊMICO EM ENGENHARIA QUÍMICA
METODOLOGIA PARA APLICAÇÃO DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA NUMA PLANTA INDUSTRIAL
Autor: João Nery Souza Neto
Orientador: Prof. Dr. Ricardo de Araújo Kalid
Co-Orientador: Prof. Dr. José Geraldo Pacheco Filho
Salvador – Bahia Agosto / 2005
i
À Deus , pela grande Vida do Universo
Aos meus pais Hermes e Raquél
À minha esposa Maria da Conceição
Aos meus filhos Joana e Lucas
ii
Agradecimentos
Aos meus pais, Hermes e Raquél, que me deram as condições e o apoio para
todas as minhas conquistas.
À minha esposa Maria da Conceição, pela compreensão, estímulo e apoio.
Aos meus filhos Joana e Lucas, pelo incentivo e apoio.
Aos meus orientadores Prof. Dr. Ricardo de Araújo Kalid e José Geraldo
Pacheco Filho, pela orientação e dedicação oferecidos no desenvolvimento
deste trabalho.
À Escola Politécnica da UFBA, em especial aos professores do Curso de
Mestrado Acadêmico em Engenharia Química por terem me ajudado a galgar
mais um passo na minha carreira profissional.
Aos professores da Escola de Química da UFRJ, Eduardo Mach Queiroz e
Fernando Luiz Pellegrini Pessoa, pela colaboração e sugestões.
À POLITENO Indústria e Comércio S/A, em especial ao engenheiro Sebastião
Luiz F. de Magalhães, pela disponibilidade de dados e informações, e pela
confiança depositada.
Ao colega Leandro dos Anjos Sacramento, pela ajuda e profissionalismo
demonstrado durante a elaboração do estudo de caso que faz parte deste
trabalho.
Aos colegas do Mestrado, em especial a Lair de Souza Bartolomeu e Renato
Mariano de Sá pelo companheirismo, apoio e colaboração.
E a todas aquelas pessoas que, de alguma forma, contribuíram para a
execução deste trabalho.
iii
“Fica evidente que os problemas sérios que a
humanidade enfrentará no século XXI serão todos
criados pela própria humanidade. Os problemas de
poluição e meio ambiente que ficaram evidentes nos
meados do século XX foram apenas o começo. A
tecnologia científica está intimamente ligada à causa
e à solução desses problemas. Portanto, na era da
tecnologia científica, o desenvolvimento da mente
construtiva e não destrutiva se tornará o fator
preponderante e extremamente importante”.
Masanobu Taniguchi
iv
Resumo
Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia que fornece, de
modo organizado e detalhado, todas as etapas necessárias na aplicação
prática de integração energética para readaptação (“retrofit”) (IEPR) de plantas
industriais existentes, através dos conceitos da tecnologia “pinch”. Esta técnica,
leva à síntese de redes de trocadores de calor, com o propósito de minimizar o
consumo de utilidades quentes e frias nos processos, implicando em operar as
plantas com custos reduzidos e com diminuição das utilidades vapor, água de
resfriamento e combustíveis, reduzindo assim, a queima de combustíveis
fósseis e emissões atmosféricas de dióxido de carbono (causa primária do
efeito estufa) e, também, os efluentes aquosos.
Na literatura, métodos para aplicação de integração energética têm
sido desenvolvidos e vários estudos têm sido feitos, mas estes não mostram,
com detalhes, procedimentos para uso em casos práticos reais, ou seja, não
apresentam as etapas de aquisição, verificação e validação de dados tomados
das plantas. Também, não explicam, adequadamente, os problemas e
dificuldades que são encontrados nestas etapas. Sabe-se que a confiabilidade
dos dados é fundamental na obtenção dos resultados de uma rede de
trocadores de calor.
Dados de processo como vazões, temperaturas, pressões e
composições das correntes envolvidas são obtidos da planta industrial. São
calculadas as propriedades termodinâmicas e de transporte das correntes e em
seguida é feita a reconciliação dos balanços de massa e energia, de modo a
validar os dados para a aplicação da tecnologia “pinch” a fim de sintetizar redes
de trocadores de calor.
A metodologia desenvolvida foi aplicada a um estudo de caso numa
planta industrial de produção de polietileno. Foram recomendadas
modificações na rede de trocadores de calor existente. Os resultados deste
estudo indicaram uma possível redução no consumo de utilidades quente e fria
de 9 e 24%, respectivamente, com uma taxa interna de retorno do investimento
de 39%.
v
Abstract
A methodology to provide an organized and detailed procedure to apply
energy integration to retrofit (EITR) industrial plants using the Pinch Technology
concept was developed in this work. This technology propose a heat exchanger
network to reduce the consumption of hot and cold utilities in the processes
causing decrease in the operating costs by reduction of steam, water, fossil
fuels burning and atmospheric carbon dioxide emissions (primary cause of
greenhouse effect) and aqueous effluent too.
Methods have been developed and several studies have been made but they
do not present in detail practical procedures to apply the energy integration to
retrofit industrial process plants, in other words, they do not present the steps to
obtain, verify and validate data from process plants. In addition these methods
do not adequately explain the problems and difficulties that are found in these
steps. The confidence level of plant data is very important to obtain the results
of a heat exchanger network.
Process data such as flow rates, temperatures, pressures and compositions
for the streams are obtained from an industrial process plant. Thermodynamic
and transport properties for the process streams are calculated and data
reconciliation is performed using the balances of mass and energy to provide
data validation to apply the Pinch Technology to obtain heat exchanger
network.
The methodology developed was applied in a case study from an existing
polyethylene production plant. It was recommended modifications in the existing
heat exchanger network. The results of this study indicated possible reduction
in plant consumption of hot and cold utilities by 9% and 24% respectively, with a
return of investment rate estimated at 39%.
vi
METODOLOGIA PARA APLICAÇÃO DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA NUMA PLANTA INDUSTRIAL
Índice 1 - Introdução 1
1.1 - Motivação para Aplicação de Otimização Energética em Processos
Industriais 1
1.2 - Objetivos da Dissertação 3
1.3 - Estrutura do Texto 4
2 - Revisão Bibliográfica 5
2.1 - Integração de Processos 7
2.1.1 - Histórico 7
2.1.2 - Situação Atual da Integração de Processos 8
2.1.3 - Métodos para Integração de Processos 9
2.1.4 - Áreas de Aplicação de Integração de Processos 9
2.2 - Integração Energética 10
2.3 - Tecnologia "Pinch" 12
2.3.1 - Metas Referenciais 13
2.3.1.1 - Curvas Compostas 13
2.3.1.2 - Algoritmo Tabular (Cascata Energética) 15
2.3.1.3 - Número Mínimo de Unidades de Troca Térmica 15
2.3.1.4 - Área Global Mínima de Transferência de Calor 16
2.3.2 - Síntese de Rede de Trocadores de Calor 16
2.3.3 - Grande Curva Composta 19
2.3.4 - Análise Energética Global (“Total Site”) 21
vii
3 - Metodologia 23
3.1 - Sistema de Prospecção de Oportunidades (Banco de Idéias) 26
3.2 - Estudo do Processo 27
3.3 - Identificação e Caracterização das Correntes de Processo e de
Utilidades 29
3.4 - Identificação dos Equipamentos de Troca Térmica 30
3.5 - Aquisição de Dados de Projeto para Escolha dos Modelos
Termodinâmicos 30
3.6 - Aquisição de Dados de Planta para Vazão, Composição,
Temperatura e Pressão 31
3.7 - Obtenção dos Dados de Propriedades Termodinâmicas e de
Transporte, e Coeficientes de Transferência de Calor 33
3.8 - Validação e Consolidação dos Balanços Material e de Energia 35
3.9 - Criação da Tabela de Oportunidades (Tabela Problema) 37
3.10 - Cálculo das Metas Referenciais 38
3.11 - Síntese de Redes de Trocadores de Calor 39
3.11.1 - Rede com Mínimo Consumo de Utilidades 40
3.11.2 - Rede Final de Trocadores de Calor 41
3.12 - Avaliação Econômica da Rede Final 42
4 - Resultados 43
4.1 - Sistema de Prospecção de Oportunidades (Banco de Idéias) 43
4.2 - Estudo do Processo 44
4.3 - Identificação e Caracterização das Correntes de Processo e de
Utilidades 46
4.4 - Identificação dos Equipamentos de Troca Térmica 47
viii
4.5 - Aquisição de Dados de Projeto para Escolha dos Modelos
Termodinâmicos 47
4.6 - Aquisição de Dados de Planta para Vazão, Composição,
Temperatura e Pressão 48
4.7 - Obtenção dos Dados de Propriedades Termodinâmicas e de
Transporte, e Coeficientes de Transferência de Calor 48
4.8 - Validação e Consolidação dos Balanços Material e de Energia 49
4.9 - Criação da Tabela de Oportunidades (Tabela Problema) 50
4.10 - Cálculo das Metas Referenciais 52
4.11 - Síntese de Redes de Trocadores de Calor 54
4.11.1 - Rede de Trocadores de Calor Existente 54
4.11.2 - Rede com Mínimo Consumo de Utilidades 55
4.11.3 - Rede Final de Trocadores de Calor 56
4.12 - Avaliação Econômica da Integração Energética Global 59
5 - Conclusões e Sugestões 64
Referências Bibliográficas 67
Apêndice I 71
Apêndice II 72
Nomenclatura
ix
Nomenclatura
Letras latinas:
A área de troca térmica, m2
C constante de cálculo do coeficiente de transferência de
calor
Ccfria curva composta fria
Ccquente curva composta quente
CF custo fixo, R$
Cp calor específico à pressão constante, J/kg.oC
Cpef calor específico médio efetivo, J/kg.oC
CV custo variável, R$
D diâmetro do tubo, m
DMT diferencial mínimo de temperatura, oC
DTLN diferença de temperatura média logarítmica
H entalpia, kJ/kg
h coeficiente de transferência de calor, J/s.m2.oC
hext coeficiente de transferência de calor no escoamento do ar
sobre a superfície externa da tubulação, J/s.m2.oC
hf coeficiente de transferência de calor da corrente fria,
J/s.m2.oC
hint coeficiente de transferência de calor no escoamento do
fluido interno à tubulação, J/s.m2.oC
hk coeficiente de transferência de calor da corrente k,
J/s.m2.oC
hq coeficiente de transferência de calor da corrente quente,
J/s.m2.oC
I investimento fixo, R$
Nomenclatura
x
IEPR integração energética para readaptação (“retrofit”)
k condutividade térmica, J/s.m.oC
LB lucro bruto, R$
M vazão mássica, kg/s
m constante de cálculo do coeficiente de transferência de
calor
MCp taxa de capacidade calorífica, J/s.oC
N número de variáveis envolvidas
n constante de cálculo do coeficiente de transferência de
calor
Ncorr número de correntes
Nf número de correntes frias que tocam e estão posicionadas
acima do PE
N'f número de correntes frias que tocam e estão posicionadas
abaixo do PE
Nq número de correntes quentes que tocam e estão
posicionadas acima do PE
N'q número de correntes quentes que tocam e estão
posicionadas abaixo do PE
Nutil número de correntes de utilidades
PE ponto de estrangulamento energético ("pinch")
PFD fluxograma de processo
P&ID fluxograma de engenharia
Q calor trocado, kJ/h
QI Qualidade de Informação
qk módulo da diferença de entalpia da corrente k, kJ/kg
Qutil carga térmica fornecida pela utilidade, kJ/h
Nomenclatura
xi
RESR rede evoluída sem restrições
REXIST rede de trocadores existente
RF rede final de trocadores de calor
RMCU rede de mínimo consumo de utilidades
ROP receita operacional, R$
SRTC síntese de rede de trocadores de calor
Tar temperatura do ar ambiente, oC
TE temperatura de entrada da corrente, oC
TIR taxa interna de retorno, %
Tint temperatura do fluido interno à tubulação, oC
TM temperatura meta da corrente, oC
TMA taxa mínima de atratividade, %
Tsup temperatura na superfície externa da tubulação, oC
U coeficiente global de transferência de calor, J/s.m2.oC
UF consumo de utilidade fria, kJ/h
UQ consumo de utilidade quente, kJ/h
UQmin consumo mínimo de utilidade quente, kJ/h
UFmin consumo mínimo de utilidade fria, kJ/h
umin número mínimo de unidades de troca térmica
VPL valor presente líquido, R$
XMi valor medido da variável
XRi valor reconciliado da variável
Letras Gregas:
σi2 variância associada ao grau de incerteza do medidor
Nomenclatura
xii
ΔHFP diferença de entalpia de um fluido de processo, kJ/kg
ΔTef diferencial médio efetivo das temperaturas das correntes
quentes e frias ao longo da área de troca, oC
ΔT diferencial de temperatura das correntes, oC
Números Adimensionais:
Pr número de Prandtl
Prs número de Prandtl, avaliado à temperatura de superfície
externa do tubo
Re número de Reynolds
Lista de Figuras
xiii
Lista de Figuras
Figura 2.1 Modelo de um Sistema de Integração Energética
Figura 2.2 Diagrama das Curvas Compostas
Figura 2.3 Custos x Diferencial Mínimo de Temperatura
Figura 2.4 Decomposição do PE
Figura 2.5 Diagrama de Grade
Figura 2.6 Diagrama da Grande Curva Composta
Figura 2.7 Modelo de um Sistema “Total Site”
Figura 3.1 Roteiro de Aplicação de Integração Energética em Plantas
Industriais
Figura 3.2 Sistema de Prospecção de Oportunidades
Figura 3.3 Fluxograma simplificado do processo
Figura 3.4 Fluxograma para integração energética
Figura 3.5 Atribuição de valores para Qualidade de Informação (QI)
Figura 3.6 Procedimento de Síntese de Rede de Trocadores de Calor
Figura 4.1 Fluxograma Simplificado do Processo da Planta PEL
Figura 4.2 Fluxograma Simplificado das Correntes de Processo
Figura 4.3 Custo Total x Diferencial Mínimo de Temperatura
Figura 4.4 Diagrama das Curvas Compostas
Figura 4.5 Diagrama da Grande Curva Composta
Figura 4.6 Rede de Trocadores de Calor Existente (REXIST)
Figura 4.7 Rede de Trocadores de Calor Inicial (RMCU)
Figura 4.8 Consumo de Utilidade Quente
Figura 4.9 Consumo de Utilidade Fria
Lista de Figuras
xiv
Figura 4.10 Rede de Trocadores de Calor Final (RF)
Figura 4.11 Integração Energética Global da Planta PEL
Lista de Tabelas
xv
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 Constantes da Equação 3.2 para Cilindro Circular em
Escoamento Cruzado
Tabela 4.1 Reconciliação de Dados do Balanço de Massa das Correntes
Tabela 4.2 Tabela de Oportunidades para Aplicação da Tecnologia "Pinch"
Tabela 4.3 Custos das utilidades
Tabela 4.4 Custos Fixos
Tabela 4.5 Consumo de Utilidades e Avaliação Econômica
Tabela 4.6 Taxa Interna de Retorno para a Integração Energética dos
Sistemas
Capítulo 1 – Introdução
Capitulo 1 - Introdução
1.1 - Motivação para Aplicação de Otimização Energética em Processos Industriais
O aumento da competitividade global e as crises do petróleo têm
forçado a indústria a melhorar o desempenho dos seus processos, onde o
custo da energia representa uma parcela considerável do custo final de seus
produtos.
Plantas industriais consomem grandes quantidades de energia. Tais
consumos se tornam mais acentuados, principalmente nas plantas mais
antigas, com pouca integração energética nos seus processos, ou seja, pouca
recuperação de calor entre as correntes que compõem os mesmos.
O objetivo de otimizar energeticamente os processos é minimizar o uso
de energia e, conseqüentemente, minimizar a geração de resíduos e efluentes,
implicando em operar as plantas com custos reduzidos e com redução das
utilidades vapor, água de resfriamento e combustíveis.
1
A sociedade tem pressionado constantemente pela melhoria do
desempenho ambiental das indústrias. Para fazer frente a esta crescente
demanda, novos enfoques têm sido desenvolvidos, tanto no campo tecnológico
como no gerencial. Estes visam minimizar o impacto ambiental da atividade
industrial a custos reduzidos. Mercados cada vez mais competitivos exigem a
minimização dos custos e do impacto ambiental. Para tanto, têm sido
construídas novas formas de combate ao desperdício de energia e à poluição
industrial. Os resíduos industriais e o uso ineficiente de energia passam a
serem vistos, não apenas como agentes poluidores, mas, também, como
perdas econômicas a serem eliminadas através de uma ação integrada sobre a
totalidade do processo produtivo, desde a compra da matéria prima até o
descarte das correntes residuárias.
Capítulo 1 – Introdução
O custo da energia representa uma parcela considerável do custo final
dos produtos químicos. A principal fonte de energia é aquela proveniente de
combustíveis fósseis. A minimização do uso da energia não está apenas
relacionada ao custo, mas também ao aumento da concentração de gases
promotores do aquecimento global do planeta (efeito estufa). O dióxido de
carbono, proveniente da queima de combustíveis fósseis, é um desses
principais promotores.
Contudo, o dióxido de carbono não é o único poluente gerado na
queima de combustíveis. Os compostos de enxofre estão presentes e têm uma
importante contribuição na poluição atmosférica. Na combustão estes são
transformados em óxidos de enxofre, podendo causar a chuva ácida. O enxofre
no combustível também tem um importante efeito na formação de particulados
(ZANNIKOS, 1995). Além dos óxidos de enxofre, há outros importantes
poluentes formados durante a combustão: os óxidos de nitrogênio. Estes são
produzidos pela oxidação do nitrogênio presente no ar de combustão,
principalmente a temperaturas acima de 1000 oC. Os óxidos de nitrogênio são
formadores de chuvas ácidas e da névoa fotoquímica e também participam da
formação de ozônio (BOTSFORD, 2001). Portanto, quanto menor for o
consumo de energia, menor serão as emissões dos gases poluentes, tais como
dióxido de carbono, óxidos de enxofre e óxidos de nitrogênio, que provocam
enormes danos à natureza e à saúde humana.
Um outro aspecto a ser considerado é que uma planta industrial, não
otimizada energeticamente, necessita de grandes quantidades de água para
resfriamento de correntes de processo, utilizando torres de resfriamento onde
ocorre elevada evaporação de água. Somente as torres de resfriamento
instaladas em Camaçari, Bahia, Brasil, por exemplo, provocam um lançamento
na atmosfera, em forma de vapor, da ordem de milhares de metros cúbicos de
água por dia, o que daria para abastecer a população de uma cidade de porte
médio. O uso e tratamento desta água geram uma grande quantidade de
efluentes. Portanto, uma planta energeticamente otimizada terá, também,
consumo de água e seus efluentes aquosos minimizados.
2
Capítulo 1 – Introdução
Com a competição global e os altos preços da energia para os
processos industriais, motivados principalmente pelas crises do petróleo, houve
a necessidade de estudos sobre Integração Energética nos processos, de
modo a permitir ganhos econômicos com a redução do consumo de utilidades.
Surgiram então metodologias para a realização desses estudos.
Como conseqüência da redução do consumo de utilidades isto implica,
também, na redução da queima de combustíveis fósseis que emitem os
chamados GEE’s - gases do efeito estufa. Segundo JUNIOR (2003), após a
ECO-92, realizada no Rio de Janeiro, tornou-se cada vez mais presente a
preocupação mundial no sentido de se encontrar soluções para o problema do
aquecimento global que culminaram com o Protocolo de Kyoto desenhado em
1997 (em vigor a partir de 16 de fevereiro de 2005), que estabelece redução da
emissão de GEE´s na atmosfera por parte dos maiores poluidores do planeta,
os países desenvolvidos.
1.2 - Objetivos da Dissertação
Esta dissertação tem como:
Objetivo geral
- Desenvolver uma metodologia que apresente, de modo organizado e
detalhado, as etapas necessárias à aplicação prática de integração energética
para readaptação (“retrofit”) (IEPR) de plantas industriais existentes.
Objetivos específicos
- Aplicar a metodologia desenvolvida a um estudo de caso numa planta
industrial de produção de polietileno, buscando uma maior eco-eficiência nos
seus processos;
- Auxiliar na aplicação dos conceitos da tecnologia “pinch”, levando à
síntese de redes de trocadores de calor, para minimizar o consumo de
utilidades quentes e frias nos processos químicos, e como conseqüência,
reduzir a queima de combustíveis fósseis, que geram os gases do efeito estufa
(GEE’s) e também, os efluentes aquosos;
3
Capítulo 1 – Introdução
- Auxiliar engenheiros no uso de técnicas de integração energética,
visando implementar melhorias no desempenho dos processos industriais.
1.3 – Estrutura do Texto
No Capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica pertinente ao
assunto da dissertação, dando uma visão dos conceitos gerais de integração
de processo, com um enfoque especial para a integração energética.
No Capítulo 3 é apresentada a metodologia desenvolvida para
aplicação de integração energética para readaptação (“retrofit”) (IEPR) de
plantas industriais existentes, utilizando como ferramenta principal os conceitos
da tecnologia “pinch" para elaborar a síntese de rede de trocadores de calor.
No Capítulo 4, utilizando a metodologia desenvolvida, são
apresentados e discutidos os resultados de um estudo de caso, para uma
proposta de “retrofit” na integração energética, efetuado na planta de produção
de Polietileno Linear (PEL), integrante da POLITENO Indústria e Comércio S/A,
situada no Pólo Petroquímico de Camaçari, no Estado da Bahia, Brasil.
No Capítulo 5 são apresentadas as conclusões e sugestões.
No Apêndice I é apresentado o modelo de planilha com o conjunto de
dados necessários para a caracterização de uma corrente de processo.
No Apêndice II é listado o arquivo de saída do programa VALI III para o
balanço material do sistema de destilação da planta PEL.
4
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
Capitulo 2 - Revisão Bibliográfica
A necessidade de formar um grupo de especialistas na universidade e
na indústria, capacitados para o uso de tecnologias de integração energética
em plantas de processos da indústria do estado da Bahia, motivou a busca, em
literatura, por métodos que pudessem facilitar a aplicação prática destas
tecnologias em plantas de processos.
O uso da tecnologia "pinch", apresentada por LINNHOFF et al. (1982) e
LINNHOFF (1983), como ferramenta principal para realização de estudos de
integração energética, tem sido encontrado na literatura num grande número
de aplicações, principalmente, em readaptação (“retrofit”) de plantas existentes.
A integração energética que ocorre entre as correntes de processo é
efetuada através de redes de trocadores de calor (SRTC). A síntese de redes
otimizadas gera referências importantes na análise de redes em operação.
Os métodos de integração energética atualmente disponíveis podem
ser divididos em dois grandes grupos: os baseados em técnicas heurísticas-
termodinâmicas e os baseados em programação matemática.
Os métodos que utilizam a programação matemática formulam um
problema onde todas as superestruturas possíveis da rede são analisadas
(problema combinatorial), implicando num aumento de complexibilidade à
medida que o número de correntes aumenta (BIEGLER, 1997, CIRIC e
FLOUDAS, 1991 e YEE e GROSSMANN, 1990).
Por outro lado, os métodos heurísticos, apesar de não garantir
obtenção de ótimos do ponto de vista matemático, têm capacidade de gerar
resultados aceitáveis em termos econômicos e simplicidade.
O método de síntese de redes de trocadores de calor denominado
método "pinch" é oriundo dos trabalhos de LINNHOFF e colaboradores (1982), 5
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
onde fundamentos termodinâmicos e regras heurísticas são utilizados. Outros
métodos heurísticos são os propostos por RUDD et al. (1973) e, PONTON e
DONALDSON (1974).
LIPORACE (1996) modificou a regra tradicional da razão entre taxas de
capacidades caloríficas (regra b) da tecnologia “pinch", sugerida por
LINNHOFF e HINDMARSH (1983), de modo a obter redes de menor consumo
de utilidades, sem violar regras básicas da tecnologia, qualquer que seja o
conjunto de correntes de processo. Esta nova regra é chamada de regra b1, a
qual faz parte do algoritmo computacional utilizado no programa AtHENS,
desenvolvido por LIPORACE (1996) (ver também LIPORACE et al. (1997),
para síntese de redes de trocadores de calor baseado na tecnologia “pinch”.
Métodos têm sido desenvolvidos e vários estudos têm sido feitos, mas
estes não apresentam, com detalhes, procedimentos, para uso em casos
práticos reais, de aplicação de integração energética para readaptação
(“retrofit”) (IEPR) de plantas industriais existentes.
Na literatura, LINNHOFF e FLOWER (1978), LINNHOFF e
HINDMARSH (1983) aplicam a tecnologia “pinch" a partir da Tabela Problema
já pronta, sem apresentar as etapas antecedentes de aquisição, verificação e
validação de dados tomados das plantas.
AL-RIYAMI et al. (2001) desenvolveram, na área de integração
energética, um estudo de caso em readaptação (“retrofit”) de plantas de
processos existentes, com mais riqueza de informações. Mesmo assim, não
apresentam de forma organizada e detalhada, uma metodologia de aquisição,
verificação e validação de dados para a geração da Tabela Problema, além de
não informarem os critérios de escolha dos modos (casos) de operação nos
processos das plantas estudadas, nem explicam, adequadamente, os
problemas e dificuldades que são encontrados durante as etapas de
levantamento de dados.
Vários estudos de caso têm sido feitos, principalmente em plantas de
produção de amônia (LABABIDI et al. (2000) e WANG et al. (2003)) e em
refinarias de petróleo (FONSECA et al. (1997)), também, sem apresentarem
uma metodologia detalhada para uma aplicação prática. 6
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
A confiabilidade dos dados é fundamental na obtenção dos resultados
de uma rede de trocadores de calor. MIRRE et al. (2001) mostram os efeitos de
pequenas variações nas condições das correntes de processo na definição de
metas que orientam a síntese de redes de trocadores de calor. Também,
POLLEY (2002) mostra o efeito dos erros na predição das propriedades
termodinâmicas e dos coeficientes de transferência ocasionados por variações
nas temperaturas das correntes.
Como parte da revisão bibliográfica serão abordados, nos itens
seguintes, tópicos de integração de processo, de integração energética e da
tecnologia "pinch".
2.1 - Integração de Processos
Integração de Processos é um conjunto de métodos gerais e
sistemáticos para o projeto de sistemas de produção integrados, desde
processos individuais até complexos industriais, com ênfase especial no uso
eficiente de energia e na redução de efeitos ao meio ambiente, segundo
definição de GUNDERSEN (2002).
Integração de Processos é um termo novo que surgiu nos anos 80 e
tem sido amplamente usado para descrever sistemas com atividades definidas
e está relacionada com a área de Projeto de Processo.
Para alcançarem os objetivos da Integração de Processo, métodos tem
sido desenvolvidos nas últimas duas décadas.
Para DUNN (2001), o objetivo original desses métodos têm sido a
identificação de conservação de energia, redução de resíduos e de emissões
nos projetos de processo. Esses métodos foram usados para identificar
oportunidades em muitos projetos de processo.
2.1.1 - Histórico
Projeto de Processo tem evoluído através de distintas gerações. A
primeira geração constou de invenções, baseadas em experimentos no
7
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
laboratório, as quais foram testados em plantas pilotos antes da construção das
plantas industriais. A segunda geração foi baseada no conceito de Operações
Unitárias, as quais deram origem à Engenharia Química como disciplina. As
Operações Unitárias atuaram como estrutura básica para o engenheiro no
Projeto de Processo. A terceira geração considerou a integração entre estas
operações; por exemplo, recuperação de calor entre correntes de processo
para economizar energia.
2.1.2 - Situação Atual da Integração de Processos
A aplicação da integração de processos está crescendo bastante no
campo da engenharia de processo.
GUNDERSEN (2002) identificou mais de 35 universidades ao redor do
mundo que estão envolvidas em pesquisa com Integração de Processos.
Enquanto recuperação de calor foi o foco inicial da Integração de
Processo, o escopo tem sido expandido consideravelmente durante as últimas
duas décadas para abranger projetos de processo. O aspecto chave desta
expansão tem sido o uso de conceitos básicos de Recuperação de Calor em
outras áreas, através de uso de analogias. Isto tem, por exemplo, tornado
possível utilizar as técnicas de recuperação de calor para estudar processos de
transferência de massa em geral e gerenciamento do uso de água, em
particular. O crescimento da Integração de Processos nos últimos 10 anos tem
provocado um grande esforço no desenvolvimento de recursos apropriados
para auxiliar os engenheiros, sendo os simuladores de processo, ferramentas
imprescindíveis nas aplicações industriais. Atualmente, existe no mercado um
grande número de “softwares” disponíveis.
A integração de processos evoluiu de uma metodologia restrita a
recuperação de calor nos anos 80, para tornar-se o que empresas industriais
líderes nos anos 90 consideraram como principal tecnologia de estratégia de
projeto e planejamento. Com esta tecnologia é possível reduzir
significantemente os custos operacionais de plantas existentes, enquanto
8
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
novas plantas podem ser projetadas com reduções nos custos operacionais e
nos custos de investimentos.
2.1.3 - Métodos para Integração de Processos
As principais características dos métodos de integração de processo
são o uso de regras heurísticas (conjunto de regras e métodos relacionados
com a experiência), fundamentos termodinâmicos e técnicas de programação
matemática.
Existe uma significativa inter-relação entre os vários métodos e a
tendência atual é o uso simultâneo dessas três técnicas.
Apesar da tendência citada acima, a tecnologia “pinch", surgida no final
da década de 70, faz uso de fundamentos termodinâmicos e regras heurísticas
sendo hoje, a ferramenta muito utilizada em estudos de integração energética
para readaptação (“retrofit”) (IEPR) de plantas industriais.
2.1.4 - Áreas de Aplicação de Integração de Processos
Áreas típicas para aplicação de Integração de Processos no campo da
indústria são:
- planejamento, projeto e operação de processos e de sistema de
utilidades;
- novos projetos;
- projetos de readaptação (“retrofit”);
- melhoria de eficiência (matéria prima e energia) e produtividade
(aumento de capacidade);
- integração entre processos;
- integração entre processos e sistemas de utilidades;
- integração entre “sites” industriais, centrais de utilidades e cidades
(sistemas de aquecimento e refrigeração);
9
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
- problemas operacionais (flexibilidade, controlabilidade e
comutabilidade);
- minimização de resíduos;
- maximização do reuso de águas;
- redução de emissões para o meio ambiente.
2.2 - Integração Energética
No campo da integração de processos, a aplicação de integração
energética está relacionada com a recuperação de calor entre correntes de
processo com o propósito de economizar energia.
A importância da integração energética nos processos químicos das
indústrias tornou-se evidente a partir do aumento do custo da energia, durante
as décadas de 70 e 80 (crises do petróleo) e, atualmente, com a globalização
da economia mundial. Isto forçou as empresas a buscar a diminuição dos seus
custos, a fim de serem competitivas no mercado. A grande contribuição nesta
diminuição é por conta da economia de energia (custos operacionais e fixos)
nos processos.
Num processo industrial existe um grande número de correntes de
processo que necessitam ser aquecidas e/ou resfriadas através de
equipamentos de troca térmica (trocadores de calor).
A Figura 2.1 mostra de modo simplificado um sistema de integração
energética, onde a recuperação de calor está relacionada com as possíveis
combinações de troca de calor entre as correntes de processo, ficando o
fechamento do balanço de energia por conta das utilidades quentes e frias.
A redução no consumo de energia está associada com a recuperação
de calor entre correntes de processo, ou seja, quanto maior esta recuperação
menor o consumo de utilidades.
10
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
Minimização do Consumo Maximização da
Recuperação de Calor Utilidades Quentes
11
Figura 2.1 – Modelo de um Sistema de Integração Energética
Além da diminuição dos custos operacionais, busca-se também, uma
diminuição nos custos fixos (unidades de troca térmica), ou seja, esta
integração procura minimizar o consumo de utilidades e o custo do capital.
O resultado da aplicação de integração energética numa planta estará
sempre entre os processos não-integrado e totalmente integrado, e o nível
econômico da recuperação de calor para o processo é determinado pela
melhor combinação dos custos operacionais e de capital.
A recuperação ótima de calor entre as correntes não é um problema
simples, devido ao grande número de possíveis combinações entre as
mesmas. Portanto, deve-se encontrar, dentre as possíveis redes de trocadores,
a que resulta em melhor benefício técnico-econômico, para a integração.
Nos processos existem combinações que são proibidas e outras que
são obrigatórias, em função de aspectos operacionais, de segurança e de
controlabilidade.
Dependendo das características dos processos, outros problemas
devem ser observados como: as propriedades físicas das correntes que podem
PROCESSO
Utilidades Frias
Correntes Frias
Correntes Quentes
Minimização do Consumo
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
ter uma grande dependência da temperatura, os trocadores de calor quanto ao
tipo e materias de construção e limitações quanto à queda de pressão.
Como pode ser visto, há uma certa complexidade para resolver um
problema de integração energética, tornando necessário o emprego de
métodos apropriados para a sua solução.
Na literatura observa-se a utilização da tecnologia "pinch", apresentada
por LINNHOFF et al. (1982) e LINNHOFF (1983) em um grande número de
estudos de readaptação (“retrofit”) de plantas existentes em relação a
integração energética.
2.3 - Tecnologia "Pinch"
Segundo LINNHOFF et al. (1982), a tecnologia "pinch" tem como
objetivo a síntese, a análise e a otimização de processos químicos, com
relação à sua integração energética, através do uso de um conjunto de regras
estabelecidas para a aplicação da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica.
Nesta técnica, são identificadas as correntes quentes que precisam ser
resfriadas e as correntes frias que precisam ser aquecidas com o objetivo de
conduzir estas a atingir suas metas energéticas, da maneira mais econômica
possível. Caso estas metas ainda não tenham sido atingidas ao final da
integração energética entre as correntes de processo, são utilizadas utilidades
quente e/ou fria para completar a energia necessária. As combinações
efetuadas entre as correntes quentes e frias, geram uma rede de trocadores de
calor.
A primeira parte da Análise "Pinch" compreende a determinação das
metas referenciais e a segunda parte a síntese de rede de trocadores de calor.
Para o entendimento da metodologia é necessário o conhecimento de
alguns conceitos e procedimentos que serão apresentados a seguir.
12
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
2.3.1 - Metas Referenciais
A obtenção das metas referenciais é chamada na tecnologia "pinch" de
“supertargeting” (LINNHOFF et al. (1982)) que compreende: o consumo mínimo
de utilidades necessárias para o processo, o número mínimo de unidades de
troca térmica e a área global mínima de transferência de calor, correspondente
a um determinado diferencial mínimo de temperatura (DMT) entre as correntes
quentes e frias envolvidas.
O procedimento de determinação destas metas serão mostrados nos
próximos sub-itens.
2.3.1.1 - Curvas Compostas
A curva composta é uma representação do balanço de energia do
processo (perfis de Temperatura versus Entalpia) através de um conjunto de
correntes em uma só, sendo definida para as correntes quentes (curva
composta quente) e frias (curva composta fria). A curva composta quente é
obtida pela soma de todas as cargas térmicas de resfriamento, enquanto a
curva composta fria é obtida pela soma de todas as cargas térmicas de
aquecimento, disponíveis em cada intervalo comum de temperatura.
Em PIRES (2003) e LIPORACE (1996) é apresentado de modo
detalhado o procedimento de construção das Curvas Compostas (CC).
No diagrama das Curvas Compostas a região vertical compreendida
entre as curvas representa a possibilidade de recuperação de energia entre as
mesmas e à medida que as curvas se aproximam horizontalmente uma da
outra, maior será esta possibilidade de troca térmica, até o ponto onde as
curvas atingem a menor distância vertical permitida entre as mesmas
(diferença mínima de temperatura - DMT). Neste ponto, a energia restante para
fechar o balanço térmico das correntes deve ser fornecida pelo sistema de
utilidades e representa o consumo mínimo de utilidades quente e fria
necessárias para o processo.
13
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
H
T
Diferença mínimade temperatura
(DMT)
PE
UFmin
UQmin
Calor recuperado
ccquente
ccfria
Figura 2.2 - Diagrama das Curvas Compostas
Um exemplo de Curvas Compostas é mostrado na Figura 2.2, onde
ccquente é a curva composta quente, ccfria é a curva composta fria, UQmin é
o consumo mínimo de utilidade quente, UFmin é o consumo mínimo de utilidade
fria, PE é o ponto de estrangulamento energético ("pinch") e DMT é o
diferencial mínimo de temperatura entre as curvas.
Esta representação permite obter as seguintes informações do
processo:
- localização do ponto de estrangulamento energético ("pinch");
- potencial de recuperação de calor dentro do processo;
- metas de consumo mínimo de utilidades quente e fria.
Como pode ser visto, o uso de utilidades está diretamente relacionado
ao valor do DMT. Quanto maior este valor maior o consumo de utilidades
quando as curvas se afastarem horizontalmente uma da outra.
Por outro lado, o aumento do DMT faz com que a área de troca térmica
dos trocadores diminua (para uma mesma carga térmica, um aumento na força
motriz diminui a necessidade de área), diminuindo o seu custo. Logo, há um
valor ótimo de DMT que forneça o menor custo total (somatório dos custos fixo
e operacional).
14
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
Figura 2.3 – Custos x Diferencial Mínimo de Temperatura
Como pode ser constatado, o DMT é uma das variáveis mais
importantes na Análise "Pinch" e, sua escolha é baseada em critérios
econômicos, como mostrado na Figura 2.3.
2.3.1.2 - Algoritmo Tabular (Cascata Energética)
Uma forma alternativa de obtenção das metas de energia de um
processo é através do Algoritmo Tabular – “Problem Table Algorithm”
(LINNHOFF e FLOWER, 1978). O método é desenvolvido através da
construção de uma tabela, baseada na divisão do problema em intervalos de
temperaturas, para posterior realização de balanço energético. Também,
PIRES (2003) e LIPORACE (1996) apresentam de modo detalhado o
procedimento de construção desta tabela.
2.3.1.3 - Número Mínimo de Unidades de Troca Térmica
O número mínimo de unidades de troca térmica é calculado pela
equação de HOHMANN (1971),
1 (2.1) min −+= utilcorr NNu
15
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
onde, umin é o número mínimo de unidades de troca térmica, Ncorr o
número de correntes de processo que precisam de aquecimento ou de
resfriamento e Nutil o número de correntes de utilidades.
A expressão acima pode ser utilizada para cada uma das regiões
acima e abaixo do PE e o número mínimo provável de unidades para a rede
completa, com a máxima recuperação de energia, será dado pela soma das
unidades das regiões.
2.3.1.4 - Área Global Mínima de Transferência de Calor
A área global mínima de transferência de calor é calculada pela
equação de TOWNSEND e LINNHOFF (1984), baseado em HOHMANN (1971)
que apresentou o conceito de transferência vertical de calor através das curvas
compostas, sugerindo que se a energia for transferida dessa forma, a área
global de troca térmica será mínima, devido a um melhor aproveitamento da
força motriz existente. A área global mínima é dada pela seguinte expressão:
( )Amin
DTLNqhj
k
kkj
=⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟ ⋅
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟∑∑ 1 (2.2)
onde, DTLN é a diferença de temperatura média logarítmica; j o
intervalo de entalpia; k a corrente que participa do intervalo j; qk o módulo da
diferença de entalpia da corrente k, no intervalo j e hk o coeficiente de
transferência de calor da corrente k.
2.3.2 - Síntese de Rede de Trocadores de Calor
Após a determinação das metas referenciais (primeira etapa) é iniciada
a síntese de rede de trocadores de calor (segunda etapa).
O objetivo da síntese é obter redes para viabilizar o alcance de todas
as metas definidas no processo.
16
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
A síntese é efetuada segundo um conjunto de regras estabelecidas
pela tecnologia "pinch", onde as duas mais importantes, segundo LINNHOFF e
HINDMARSH (1983), são apresentadas a seguir:
a) Número de correntes
“O número de correntes quentes imediatamente acima do PE tem que
ser menor ou igual ao número de correntes frias imediatamente acima do PE.
Caso contrário, deve-se dividir corrente fria”.
“O número de correntes frias imediatamente abaixo do PE tem que ser
menor ou igual ao número de correntes quentes imediatamente abaixo do PE.
Caso contrário, deve-se dividir corrente quente”.
b) Regra do MCp (taxa de capacidade calorífica)
“Para correntes combinadas imediatamente acima do PE o MCp da
corrente quente tem que ser menor ou igual ao MCp da corrente fria (MCpq ≤
MCPf) e para correntes combinadas imediatamente abaixo do PE o MCp da
corrente fria tem que ser menor ou igual ao MCp da corrente quente (MCpf ≤
MCpq)”.
A síntese permite também a determinação dos custos totais das redes.
Na montagem de redes de troca térmica, alguns procedimentos
específicos e conceitos serão apresentados a partir deste momento.
Para a Análise "Pinch" o diagrama das Curvas Compostas pode ser
decomposto, segundo LINNHOFF e HINDMARSH (1983), conforme mostrado
na Figura 2.4, em função do que será apresentado a seguir.
A identificação do PE e as suas características permitem fazer as
seguintes observações:
a) é possível a divisão do problema em duas regiões: uma acima e
outra abaixo do PE, sendo a região superior uma receptora (sorvedouro) de
calor (somente utilidade quente é necessária) e a região inferior uma fonte de
calor (somente utilidade fria é necessária), Figura 2.4 (a);
17
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
T HQ HF T HQ HF50 1000 160 3000
60 200 1200 175 3000 4600100 900 1800 200 4100 6500150 2100 2800 250 5250160 2400 3000 270 5500160 2400 3700175 3000 4600175 3700 4600200 4100 6500250 5250270 5500
(a)
TUQmin
DMT
UFmin
UQmin
Q=0
UFmin
(b)
H
α
UQmin + α
UFmin + α
(c)
(a)
Figura 2.4 - Decomposição do PE
b) cada região é independente e equilibrada energeticamente
(correntes de processo + utilidade), Figura 2.4 (b). Para a construção de uma
rede que garanta as metas de consumo mínimo de energia, existem três regras
básicas:
b.1. não transferir calor do processo através do PE;
b.2. não utilizar utilidade quente para correntes abaixo do PE;
b.3. não utilizar utilidade fria para correntes acima do PE.
c) caso haja desequilíbrio energético no projeto da rede, por
determinada transferência de calor através do PE, este valor (α) incidirá no
18
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
mesmo acréscimo de utilidade quente e fria, acima do consumo mínimo, Figura
2.4 (c).
As regras estabelecidas pela tecnologia "pinch" para a síntese podem
acarretar no aparecimento de ciclos de trocadores de calor. Estes ciclos são
laços de troca térmica. Um ciclo é formado quando uma corrente de processo
quente e outra fria são combinadas duas vezes. O aparecimento de ciclos
implica num número de unidades de troca térmica acima do mínimo.
Para a representação de rede de trocadores de calor LINNHOFF et al.
(1982) apresentam o Diagrama de Grade (“Grid Structure”), como uma maneira
de facilitar a localização do PE, a divisão das duas regiões e a alocação de
trocadores. A Figura 2.5 mostra a forma deste diagrama.
# 2
# 1
# 3
# 4
quente 2
quente 1
fria 1
fria 2
Pinch (PE)
ResfriadorAquecedor
correntes quentes
correntes frias
trocadorprocesso-processo
AbaixoAcima
Figura 2.5 - Diagrama de Grade
2.3.3 - Grande Curva Composta
A Grande Curva Composta (GCC) é construída a partir das Curvas
Compostas (CC), podendo ser usada como uma ferramenta de projeto para
especificar as utilidades (LINNHOFF et al. 1982), com o objetivo de escolher,
de modo mais apropriado, os seus níveis e cargas térmicas, a fim de minimizar
os custos operacionais do processo.
Na Figura 2.6 é mostrado um Diagrama da Grande Curva Composta.
19
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
Esta curva indica de modo claro quanta energia tem que ser suprida
pelos vários níveis de utilidades. Aqui são plotadas as disponibilidades (acima
do PE) e as necessidades (abaixo do PE) de energia do processo, como
função da temperatura.
Os diversos níveis de temperaturas das utilidades disponíveis estão
diretamente ligados aos seus custos. Normalmente, as utilidades quentes de
maior temperatura e as utilidades frias de menor temperatura possuem um
custo maior, ou seja, quanto mais afastada da temperatura ambiente, mais cara
é a utilidade, sendo então preferível maximizar o uso de utilidades com
temperaturas mais próximas à ambiente.
H
T
UF
UQQ
Calor recuperadoPE
AGR
VBP
VMP
VAP
REF
VAP - Vapor de Alta Pressão VMP - Vapor de Média PressãoVBP - Vapor de Baixa Pressão
AGR - Água de ResfriamentoREF - Refrigeração
Figura 2.6 - Diagrama da Grande Curva Composta
A GCC permite uma análise do nível de temperatura necessário para
cada trecho do processo, permitindo um uso mais racional das diferentes
utilidades disponíveis.
A GCC tem um número de aplicações industriais fortemente voltado
para sistemas de utilidades e de geração de energia.
20
A GCC, segundo HALL (1989), ajuda também na integração de
utilidades com sistemas de gases de combustão de fornalhas e turbinas,
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
circuitos de fluidos de aquecimento (por exemplo, “hot oil”), água de
refrigeração, sistemas de refrigeração, sistemas de destilação, etc., de tal
maneira que o custo total de utilidades seja minimizado.
2.3.4 - Análise Energética Global (“Total Site”)
É a integração energética feita entre unidades de processo e o sistema
de utilidades, onde o mesmo é considerado como parte do problema. O método
do “Total Site” foi desenvolvido por DHOLE e LINNHOFF (1993).
As unidades de processo são fisicamente separadas e independentes,
mas interligadas pelas utilidades, como mostra a Figura 2.7.
Unidade de Processo C
Unidade de Processo A
Unidade de Processo B
Unidade de Processo D
Sistema de Utilidades
Figura 2.7 – Modelo de um Sistema “Total Site”
Os processos são de modo indireto integrados através dos sistemas de
utilidades.
Para cada unidade de processo do “site” são geradas as Curvas
Compostas e a Grande Curva Composta. Aqui não se deseja trocas de calor
entre as correntes de processo das unidades. Cada unidade é analisada de
forma separada e depois é integrada. Isto geralmente é feito de modo que uma
determinada utilidade gerada numa unidade podem ser consumida em outra.
21
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
A aplicação desse método para um complexo industrial, com vários
processos produtivos, tem mostrado um maior potencial de ganho energético.
Essa análise num “site” industrial é uma tarefa que requer significantes
quantidades de mão-de-obra, tempo e capital.
22
Capítulo 3 – Metodologia
Capitulo 3 - Metodologia
A metodologia desenvolvida neste trabalho fornece de modo
organizado e seqüencial as etapas necessárias para obtenção, verificação e
validação de dados, tomados de uma planta real existente, para ajudar
engenheiros na análise de integração energética para readaptação (“retrofit”)
(IEPR) de plantas industriais existentes, visando melhorias no desempenho
energético dos processos.
A metodologia adotada toma como base a comparação entre uma
planta real existente e uma proposta oriunda de um procedimento de síntese
de rede de trocadores de calor, na qual, a Tabela Problema, apresentada por
LINNHOFF e FLOWER (1978), identificada na planta estudada neste trabalho é
utilizada. A Tabela Problema será chamada aqui de Tabela de Oportunidades,
por se considerar que as correntes de processo contidas na mesma,
representam oportunidades de integração para incorporar melhorias no aspecto
energético do processo.
Adotando a Tecnologia "Pinch" para a síntese, a rede de mínimo
consumo de utilidades (RMCU) obtida é comparada com a rede existente,
visando identificar condições de semelhança ou impedimentos (restrições) de
troca que devem ser levados em consideração na etapa seguinte de evolução
da RMCU. Com estas restrições definidas, a partir da observação das
estruturas das duas redes e, principalmente, através das discussões com os
técnicos da planta, esta evolução é efetuada até a rede final (RF), tendo como
função objetivo a minimização do custo total anual. Obtida a rede final, esta
novamente é comparada com a rede existente e então as oportunidades de
modificações são identificadas.
A aplicação da metodologia requer uma equipe com conhecimento do
processo e capacitação adequada para: 23
Capítulo 3 – Metodologia
- uso da Tecnologia "Pinch" e síntese de redes de trocadores de calor;
- conhecimento na obtenção de propriedades termodinâmicas e de
transporte;
- uso de ferramentas de reconciliação de dados;
- uso de simuladores de processos.
A metodologia desenvolvida para aplicação de integração energética
em plantas industriais de processos envolveu as seguintes etapas:
A) Estudo do processo: realizado através dos fluxogramas de processo, dos
manuais de operação e de reuniões com os técnicos das unidades
operacionais da planta.
B) Identificação e caracterização das correntes de troca térmica: feita a partir
do levantamento das correntes quentes e frias existentes no processo e seus
respectivos equipamentos de troca térmica.
C) Aquisição de dados de vazão, temperatura, pressão e composição:
adquiridos no sistema de informação disponível na planta e, quando
necessário, por medição no campo com leitura de temperatura através de
instrumentos portáteis, tais como pirômetro ótico da Raytek Corp. U.S.A,
modelo Raynger ST80-IS.
D) Cálculo de propriedades termodinâmicas e de transporte: realizado através
de simulador de processos. No presente estudo de caso foi utilizado o HYSYS
versão 1.5, com o modelo termodinâmico modificado de Peng Robinson
(PRSV) para sistemas não-ideais.
E) Definição da Qualidade de Informação: através da ferramenta de Qualidade
de Informação (QI) apresentada por FONTANA et al. (2004), foram atribuídos
valores de QI para os dados adquiridos, associando a estes um certo grau de
incerteza relacionado com o método no qual estas informações foram obtidas
na planta.
F) Reconciliação de dados de vazão e temperatura: efetuada após a definição
da Qualidade de Informação. Neste caso utilizou-se o software VALI III da
24
Capítulo 3 – Metodologia
Belsim S.A. para a construção dos balanços de massa e de energia do
processo da planta PEL da Politeno.
G) Montagem da Tabela de Oportunidades (Tabela Problema) a partir dos
dados reconciliados.
H) Cálculo do consumo mínimo de utilidades e síntese da rede de trocadores
de calor foi efetuado segundo um conjunto de regras da Tecnologia “Pinch”
através do software AtHENS (LIPORACE, 2000) da UFRJ tendo como dados
de entrada aqueles da Tabela de Oportunidades.
I) Validação da rede de transferência de calor foi conduzida com aplicação de
restrições reais da planta industrial. Também, foram aproveitadas energias
contidas em determinadas correntes para geração de utilidades necessárias
aos processos das plantas.
J) Avaliação econômica: foi realizada de modo a escolher as alternativas mais
promissoras, através do valor presente líquido (VPL) e da taxa interna de
retorno (TIR), levando em conta os custos operacionais, custos do
investimento, a receita operacional e a taxa mínima de atratividade (TMA)
estabelecida.
Como resultado do trabalho é apresentado um roteiro para a aplicação
da metodologia de integração energética numa planta industrial existente,
como mostrado na Figura 3.1 e descrito detalhadamente nos sub-títulos
seguintes.
As etapas de contribuição da dissertação a esse roteiro compreendem
os itens 3.1 até 3.8, que mostram informações e dados necessários para a
aplicação prática da metodologia.
25
Capítulo 3 – Metodologia
3.1.
Sis
tem
a de
pro
spec
ção
de o
port
unid
ades
(Ban
co d
e Id
éias
)
ETAPAS DE CONTRIBUIÇÃODA DISSERTAÇÃO
3.11 Síntese de Redes de Trocadores de Calor:Rede Inicial (RMCU) Evolução Rede Final (RF)
3.2. Estudo do Processo
3.3. Identificação e Caracterização das Correntes de Processo e de Utilidades
3.4. Identificação dos Equipamentos de Troca Térmica
3.5. Aquisição de Dados de Projeto para Escolha dos Modelos Termodinâmicos
3.6 Aquisição de Dados de Planta para Vazão, Temperatura, Pressão e Composição
3.7 Obtenção dos Dados de Propriedades Termodinâmicas e de Transporte e Coeficientes de Transferência de Calor
3.8 Validação e Consolidação dos Balanços Material e de Energia
3.9 Criação da Tabela de Oportunidades (Tabela Problema)
3.10 Cálculo das Metas Referenciais
3.12 Avaliação Econômica da Rede Final
Figura 3.1 - Roteiro de Aplicação de Integração Energética em Plantas
Industriais
3.1 - Sistema de Prospecção de Oportunidades (Banco de Idéias)
Em primeiro lugar, a experiência dos técnicos da planta é uma fonte
importante de informações. Por isto, foi criado nesta etapa um Banco de Idéias,
que faz interface com determinadas etapas da metodologia, onde idéias podem
ser incorporadas como oportunidades para melhorar o processo no aspecto
energético.
Este sistema é composto de descrição expondo a oportunidade, as
ações necessárias para viabilizá-la, os resultados preliminares obtidos com a
implantação da mesma. Um formulário para sua utilização é mostrado na
Figura 3.2.
26
Capítulo 3 – Metodologia
Projeto XX
Sistema de Prospecção de Oportunidades
TECLIM
1. DADOS REFERENTES À IDÉIA 1.1. Proponente 1.2. Data 1.3. Ficha de nº 1.4. Identificação / Denominação da Oportunidade 1.5. Área / Unidade / Equipamento 1.6. Processo / Estágio / Fase 1.7. Palavras - Chaves 1.8. Avaliador 2. DESCRIÇÃO - EXPOSIÇÃO DA OPORTUNIDADE A oportunidade é descrita de forma clara e objetiva. 2.1. A IMPLEMENTAÇÃO DEPENDERIA DE ... Descrever as ações que seriam necessárias para viabilizar a oportunidade. 2.2. A IMPLEMENTAÇÃO RESULTARIA EM ... Descrever que resultados seriam obtidos com a implantação da oportunidade. 2.3. A IMPLEMENTAÇÃO APRESENTARIA AS SEGUINTES QUESTÕES CORRELATAS ... Descrever que questões podem interferir na implantação da oportunidade e na obtenção dos resultados. Podem ocorrer efeitos negativos, como por exemplo geração de novos resíduos ou riscos ao homem, meio ambiente ou ao processo industrial?
2.4. A IMPLEMENTAÇÃO APONTARIA PARA OS SEGUINTES GANHOS ESTIMADOS ... Quantificar os ganhos preliminares.
Figura 3.2 - Sistema de Prospecção de Oportunidades
3.2 - Estudo do Processo
Nesta etapa é feito o estudo dos processos produtivos selecionados
para a otimização energética.
Definido o processo, são estudados o seu fluxograma (PFD) e
respectivo descritivo, visando elaborar um fluxograma resumido mais adequado
para aplicação da tecnologia de integração energética, que será chamado de
fluxograma para integração energética, referenciado por LINNHOFF (1998)
como “Data Extraction Flow-sheet Representation.”
Como exemplo, nas Figuras 3.3 e 3.4 são apresentados
respectivamente, o PFD simplificado do processo e o Fluxograma para
Integração Energética de uma das unidades da planta considerada no estudo
de caso apresentado no presente trabalho.
27
Capítulo 3 – Metodologia
Reator
Trocador-4
Trocador-1
Trocador-2
Trocador-3
Trocador-5
Purificadores
Purificadores
Mat
éria
prim
a-1
Mat
éria
prim
a-2
Solv
ente
118 oC
61 oC
60 oC
33 oC
26 oC48 oC
36 oC
32 oC
Trocador-6272 oC 291 oC
26 oC
Figura 3.3 - Fluxograma Simplificado do Processo
Como pode ser visto na Figura 3.4, uma corrente de processo utilizada
para aplicação da tecnologia pinch, é iniciada num determinado ponto (por
exemplo, em “A”) e encerra-se antes de haver uma mudança de composição
da mesma, seja antes de um reator, um misturador (por exemplo, em “B”) ou
um equipamento de separação. No PFD existem seis trocadores de calor
enquanto no Fluxograma para Integração Energética existem quatro correntes
de processo, onde três destas precisam ser resfriadas e uma aquecida.
Reator
Mat
éria
prim
a-1
Mat
éria
prim
a-2
Solv
ente
Resfriar
Aquecer
Resfriar
Resfriar
118 oC
61 oC
60 oC
26 oC
48 oC 32 oC
272 oC 29 oC
26 oC
"A"
1 "B"
Figura 3.4 - Fluxograma para Integração Energética
28
Capítulo 3 – Metodologia
A participação de técnicos da planta que conheçam com profundidade
o processo em estudo é importante, no sentido de agilizar e dar um bom
andamento ao trabalho. São identificadas todas as restrições e situações
inadequadas com base na disposição física dos equipamentos da planta, na
controlabilidade do processo, além de problemas de segurança do processo e
estratégias de partida e parada da planta, que surgirão posteriormente com a
integração do processo, segundo LIPORACE (1996).
3.3 - Identificação e Caracterização das Correntes de Processo e de Utilidades
Nesta etapa, tomando-se como referência o Fluxograma para
Integração Energética (Figura 3.4), são identificadas as correntes quentes que
precisam ser resfriadas e as correntes frias que precisam ser aquecidas, onde
o objetivo é conduzi-las a atingir suas metas energéticas.
As correntes devem ser nomeadas, preferencialmente, com o mesmo
número destas no PFD do processo existente, para facilitar posterior
comparação entre as redes. As correntes devem ter cores e tipo de linhas
diferenciadas.
Devem ser identificadas as correntes que operam de modo contínuo e
intermitente, já que nos fluxogramas de processo isto nem sempre é uma tarefa
simples. Também, devem ser identificadas correntes cujo aproveitamento
energético não esteja sendo efetuado, como gases de exaustão de chaminés,
excesso de utilidades (vapor e condensado), entre outros, com destinos não
apropriados.
São também caracterizadas as utilidades disponíveis, incluindo
correntes de vapor e condensado - a diferentes temperaturas e pressões,
correntes de fluidos de aquecimento (por exemplo, “hot oil”) e correntes de
água de resfriamento. Também, são estabelecidas todas as restrições iniciais
do sistema, de acordo com as características do processo em estudo, como
por exemplo, contaminações proibitivas entre correntes de processo-processo
e correntes de processo-utilidade, em função tanto de danos temporários ou
29
Capítulo 3 – Metodologia
permanentes em determinadas partes do processo quanto de especificações
de materiais dos equipamentos e tubulações.
Uma planilha em arquivo eletrônico deve ser elaborada para
armazenagem dos dados de vazão, temperatura, pressão, composição e
propriedades termodinâmicas e de transporte das correntes de processo e de
utilidades. Um modelo desta planilha é apresentado no Apêndice I.
3.4 - Identificação dos Equipamentos de Troca Térmica
Todos os equipamentos que operam em regime contínuo devem ser
identificados com suas respectivas funções e tipos de troca térmica dentro do
processo. Devem ser obtidos dados da geometria dos trocadores de calor que
estão relacionados com as correntes de processo (diâmetro e quantidades de
tubos, diâmetro do casco, número de passes no casco e nos tubos, “pitch” dos
tubos, tipo e corte de chicanas), necessários para o cálculo rigoroso dos
coeficientes de transferência de calor (h), durante a etapa de síntese de redes
(item 3.11).
3.5 - Aquisição de Dados de Projeto para Escolha dos Modelos Termodinâmicos
Nesta etapa devem ser obtidos todos os dados de vazão, composição,
temperatura, pressão e propriedades termodinâmicas e de transporte das
correntes, a partir da documentação existente do projeto. Com estes dados
torna-se possível comparar e escolher os modelos termodinâmicos mais
adequados considerados no projeto da planta, os quais, serão posteriormente
utilizados como referência, com os dados de planta, durante o cálculo das
propriedades termodinâmicas e de transporte (item 3.7).
Pode ser utilizado software simulador de processo e/ou referências
bibliográficas, que possuam banco de dados apropriados com regras de
misturas adequadas, para a validação dos modelos na determinação das
propriedades termodinâmicas e de transporte.
30
Capítulo 3 – Metodologia
Como ponto de partida para aplicação da metodologia de integração
energética é recomendado fazer uma avaliação dos processos selecionados,
considerando os dados de projeto como referência (a partir da etapa 3.9), a fim
de aumentar o conhecimento destes processos e obter maior domínio e
confiança no uso das diversas ferramentas necessárias à aplicação da
metodologia.
3.6 - Aquisição de Dados de Planta para Vazão, Composição, Temperatura e Pressão
Várias dificuldades podem ser encontradas nesta etapa, desde a falta
de instrumentos para medição de vazão e temperatura das correntes até a
seleção dos modos de operação e do conjunto de dados a ser utilizado. Mais
uma vez, o conhecimento do processo e o suporte dos técnicos da planta são
indispensáveis.
Para aquisição de dados de planta, o fluxograma de engenharia (P&ID)
das unidades de processo é o primeiro e principal documento para obtenção de
informações das correntes de processo. Aqui, para as correntes de processo
selecionadas, é feita a verificação de localização de instrumentos de vazão, de
temperatura, de pressão e também de analisadores em linha e pontos de
amostragem.
Para fins de integração energética, deve-se escolher a condição mais
representativa do processo, em termos de maior tempo de operação e/ou maior
consumo energético, já que normalmente, uma planta industrial opera em
modos (casos) de operação distintos, durante determinados períodos de tempo
(campanhas).
Nesta etapa é efetuada a aquisição dos dados, através do sistema de
informação disponível na planta, nos modos de operação e períodos
previamente definidos, onde a mesma esteja operando de modo estável e na
capacidade de produção apropriada.
Para correntes que não possuem ponto de medição de temperatura,
utiliza-se uma medição indireta, através de aparelho portátil (por exemplo,
31
Capítulo 3 – Metodologia
pirômetro ótico) que mede a temperatura da superfície externa da tubulação.
Este valor deve então ser corrigido, a fim de representar a temperatura do
fluido interno à tubulação. Esta temperatura é estimada com o diâmetro da
tubulação, vazão e propriedades termodinâmicas e de transporte da corrente,
além das condições do ar ambiente (temperatura, velocidade e direção) do
momento da medição, considerando a resistência térmica condutiva
desprezível e não considerando possíveis efeitos de deposição, conforme a
equação:
)( supint
supint arext TT
hhTT −∗+= (3.1)
onde, Tint é a temperatura media do fluido interno à tubulação, Tsup a
temperatura medida na superfície externa da tubulação, Tar a temperatura do ar
ambiente, hext o coeficiente de transferência de calor no escoamento do ar
através da superfície externa da tubulação e hint o coeficiente de transferência
de calor no escoamento do fluido interno à tubulação.
O hext é calculado, considerando escoamento cruzado, utilizando a
correlação de ZHUKAUSKAS (equação 3.2) encontrada no INCROPERA e
DEWITT (2003):
DkCh
s
nmext
4/1
PrPrPrRe ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= (3.2)
onde Re é o número de Reynolds, Pr o número de Prandtl, k a
condutividade térmica (avaliados à temperatura do ar), D o diâmetro do tubo, C
e m constantes que dependem de Re - conforme Tabela 3.1, n constante que
depende de Pr (se Pr ≤10, n=0,37; se Pr >10, n=0,36) e Prs o número de
Prandtl, avaliado à temperatura de superfície externa do tubo.
O hint é calculado, considerando escoamento turbulento desenvolvido,
utilizando a correlação DITTUS-BOELTER (equação 3.3), também encontrada
no INCROPERA e DEWITT (2003):
Dkh nPrRe023,0 5/4
int = (3.3)
32
Capítulo 3 – Metodologia
onde Re é o número de Reynolds, Pr o número de Prandtl, k a
condutividade térmica (avaliados à temperatura do fluido), D o diâmetro do tubo e n constante que depende de Pr (se Pr ≤10, n=0,37; se Pr >10, n=0,36).
Tabela 3.1: Constantes da Equação 3.2 para Cilindro Circular em Escoamento
Cruzado
Número de Reynolds (Re) C m
1 - 40 0,75 0,4
40 - 103 0,51 0,5
103 - 2x105 0,26 0,6
2x105 - 106 0,076 0,7
Fonte: Tabela 7.4 (INCROPERA e DEWITT, 2003)
3.7 - Obtenção dos Dados de Propriedades Termodinâmicas e de Transporte, e Coeficientes de Transferência de Calor
Em função da ocorrência de temperaturas e/ou composições diferentes
observadas na planta para as correntes do processo, com relação aos valores
de projeto, torna-se necessário estimar as propriedades termodinâmicas e de
transporte nas condições reais de operação. Isto deve ser feito utilizando-se as
mesmas regras de misturas selecionadas durante a etapa de validação dos
modelos termodinâmicos (Etapa 3.5).
Também, nesta etapa, os coeficientes de transferência de calor para as
correntes quentes e frias, podem ser estimados, de maneira mais rigorosa, com
uso de um simulador de processo, a partir de dados da geometria dos
trocadores de calor e, das propriedades termodinâmicas e de transporte das
correntes envolvidas na troca térmica.
33
Capítulo 3 – Metodologia
Uma alternativa mais simples de estimativa destes coeficientes pode
ser feita a partir do coeficiente global de transferência de calor (U) entre as
correntes que estão realizando a troca térmica no trocador de calor. O
coeficiente global está relacionado com o calor trocado (Q), a área de troca (A)
e o diferencial médio efetivo das temperaturas das correntes quentes e frias ao
longo da área de troca (ΔTef) por:
efTAQUΔ∗
= (3.4)
O calor trocado pode ser estimado por uma das correntes envolvidas
na troca, utilizando-se o balanço de massa e energia da planta. Estando o
coeficiente global diretamente relacionado com as resistências térmicas entre
os dois fluidos no interior do trocador, desprezando a resistência térmica
condutiva na parede dos tubos, as resistências de depósito e a diferença entre
as áreas superficiais interna e externas dos tubos, o mesmo pode ser
representado por:
fq hh
U 111
+= (3.5)
onde hq e hf são os coeficientes de transferência de calor nas correntes quente
e fria, respectivamente. Neste caso, é calculado o valor de um destes
coeficientes (o que for mais confiável), enquanto o outro é estimado com a
equação 3.5. Caso haja informações sobre as resistências de depósito, estas
podem ser consideradas nesse cálculo. Na sua inexistência, o coeficiente
estimado na equação 3.5 incorpora a influência dos depósitos na operação,
podendo ser tomado como um coeficiente efetivo.
Se a corrente passa em vários trocadores em série, escolher o trocador
que for mais representativo, em termos de carga térmica e/ou área de troca,
para a determinação do coeficiente de transferência de calor para esta
corrente.
34
Capítulo 3 – Metodologia
Na ausência de um software mais sofisticado para o cálculo de
coeficientes de transferência de calor, podem ser usados procedimentos
baseados em equações disponíveis na literatura.
3.8 - Validação e Consolidação dos Balanços Material e de Energia
Faz parte da validação e consolidação dos balanços material e de
energia a aplicação das ferramentas de reconciliação de dados de modo a
permitir o fechamento destes balanços.
Nesta etapa é feita inicialmente a avaliação da consistência dos dados
dos balanços material e de energia das unidades de processos da planta,
através da ferramenta de Qualidade de Informação (QI) apresentada por
FONTANA et al. (2004). Esta avaliação antecede o procedimento de
reconciliação de dados.
INC - Informação não confiável IP - Informação Precária: Simulação desatualizada, projeto desatualizado ou instrumento descalibrado IPC - Informação Pouco Confiável: Medida de campo não corrigida IC - Informação Confiável: Simulação atualizada, projeto atualizado ou medida de campo corrigida IAC - Informação Altamente Confiável: Instrumento totalizador calibrado
0,0
2.5
5
7.5
10
0
2
4
6
8
10
QU
ALI
DA
DE
DE
INFO
RM
AÇ
ÃO
INC IP IPC IC IAC
PARÂMETROS
0,001
2,5
7,5
Figura 3.5 - Atribuição de Valores para Qualidade de Informação (QI)
A Figura 3.5, adaptada de FONTANA et al. (2004), mostra o critério
utilizado para a QI, onde são atribuídos valores a determinados parâmetros,
estando estes associados ao grau de incerteza do modo no qual estas
informações foram obtidas. Com isto, a qualidade máxima refere-se à medição 35
Capítulo 3 – Metodologia
da variável com o instrumento totalizador calibrado e a qualidade mínima
representa a falta da informação do dado da variável.
Outro ponto importante é que todas as informações são disponíveis,
isto é, se não há medição ou sugestão dos técnicos da planta ou resultado de
simulação ou de projeto para estimar um certo dado, é estimado o valor da
variável e atribuído a menor Qualidade de Informação (QI=0,001). Desta forma,
sempre é possível realizar a reconciliação.
A reconciliação de dados é uma ferramenta útil que, além de detecção
de erros grosseiros, confere a esses balanços, dados mais confiáveis e com
erros mínimos possíveis. A reconciliação é aplicada através de uma função
objetivo, cuja solução irá minimizar os erros das medidas em termos
matemáticos, utilizando-se o método dos mínimos quadrados, ponderados
entre os valores reconciliados e medidos das variáveis envolvidas, obedecendo
às restrições (limites) impostas pelo processo. Normalmente, estas variáveis
são vazões e temperaturas. A função objetivo é representada por:
( )2
12min.. ∑
=
−=
N
i i
MR
X
ii
R
XXOF
σ (3.6)
sujeita às restrições para que satisfaçam aos balanços de massa e de energia:
(3.7) 0)( =iRXF
onde, XRi é o valor reconciliado da variável, XMi é o valor medido da variável, σi2
é a variância (associada ao grau de incerteza do medidor), N é o número de
variáveis envolvidas.
A variância é proporcional ao grau de incerteza da medição e com
comportamento inverso a sua QI, ponderando-se os dados pelo valor medido
da variável, conforme a formulação proposta por FONTANA et al. (2004):
2
22
i
iMi
QI
Xασ (3.8)
Como no problema de reconciliação o que importa são as variâncias
relativas entre os dados e a nova função objetivo a ser minimizada é:
36
Capítulo 3 – Metodologia
( ) 2
22
1min..
i
iiR
M
N
iMRX X
QIXXOF ∗−= ∑=
(3.9)
Com o diagnóstico resultante da reconciliação, é possível identificar
incertezas em medições de instrumentos. A reconciliação também fornece
dados confiáveis de vazões e temperaturas, tornando mais realistas as redes
sintetizadas. Recomenda-se, se possível, a inclusão desses instrumentos num
plano de inspeção, antes de iniciar um estudo.
MIRRE et al. (2001) mostram a importância que pequenas variações
nas condições das correntes de processo (vazão e temperatura) podem ter na
definição de metas (área global e consumo de utilidades) e parâmetros (DMT -
diferencial mínimo de temperatura, entre as correntes quentes e frias), que
orientam a síntese de redes de trocadores de calor a ser obtida.
POLLEY (2002) mostra também o efeito dos erros na predição das
propriedades termodinâmicas e de transporte e dos coeficientes de
transferência de calor na temperatura de correntes de saída de trocadores.
A partir desta etapa, a confiabilidade dos dados é fundamental, pois os
resultados seguintes dependem da qualidade desses. Assim, caso haja
desconfianças em dados neste momento do procedimento, necessariamente,
estas devem ser sanadas antes dos próximos passos da metodologia.
3.9 - Criação da Tabela de Oportunidades (Tabela Problema)
A Tabela Problema (“Problem Table”) apresentada por LINNHOFF e
FLOWER (1978) é uma forma organizada de apresentar os dados relevantes
de cada corrente, necessários para a realização do balanço energético durante
a aplicação da tecnologia "pinch", na determinação do consumo mínimo de
utilidades e do ponto de estrangulamento energético ("pinch"). Foi denominada
aqui de Tabela de Oportunidades. Um exemplo pode ser visto na Tabela 4.2
(Capítulo 4 – item 4.9) que mostra, para cada corrente do processo usado
como estudo de caso, os dados de temperatura de entrada (TE), temperatura
meta ou de saída (TM), vazão mássica (M), calor específico (Cp) e coeficiente
de transferência de calor (h). 37
Capítulo 3 – Metodologia
3.10 - Cálculo das Metas Referenciais
Nesta etapa, chamada na tecnologia "pinch" de “supertargeting” por
LINNHOFF et al. (1982), é efetuada a determinação das metas de consumo
mínimo de utilidades necessárias para o processo, do número mínimo de
unidades de troca térmica e da área global mínima de transferência de calor,
correspondente a um determinado diferencial mínimo de temperatura (DMT)
entre as correntes quentes e frias envolvidas. As metas de consumo são
obtidas através do algoritmo da Tabela Problema.
O consumo mínimo de utilidades representa, para um determinado
DMT, o limite termodinâmico, ou seja, o máximo de energia que a integração
energética pode economizar.
Aqui também, é determinado o ponto de estrangulamento energético –
"pinch" (PE).
O número mínimo de unidades de troca térmica é calculado pela
equação de HOHMANN (1971), já apresentada no item 2.3.1.3.
A área global mínima de transferência de calor é calculada pela
equação de TOWNSEND e LINNHOFF (1984), já apresentada no item 2.3.1.4.
Neste momento, a fim de ser otimizado o DMT, é possível fazer uma
análise econômica preliminar para encontrar um ponto ótimo, de mínimo custo
total anual, utilizando os custos de consumo mínimo de utilidades e de área
global mínima de transferência de calor, antes de ser iniciada a síntese de rede
propriamente dita. Nessa análise, tradicionalmente a tecnologia "pinch"
considera os trocadores com configuração de escoamento em contracorrente,
propriedades termodinâmicas e de transporte constantes; e coeficientes de
transferência de calor constantes para cada corrente.
Uma maneira de obter uma estrutura de rede parecida com a estrutura
da planta é identificar o DMT da planta e utilizá-lo como dado de entrada para a
síntese de redes.
38
Capítulo 3 – Metodologia
3.11 - Síntese de Redes de Trocadores de Calor
Nesta etapa o objetivo é a síntese da rede de trocadores de calor que
se aproxime das metas e seja mais econômica conforme critério definido
previamente segundo LINNHOFF e HINDMARSH (1983).
A síntese de rede de trocadores de calor (SRTC) pode ser dividida em
duas etapas, sendo realizadas de modo seqüencial: síntese da rede de mínimo
consumo de utilidades (RMCU), também chamada de rede inicial, e da rede
final (RF), evoluída a partir dessa. Este procedimento é, também, apresentado
por LINNHOFF et al. (1982).
A Figura 3.6 mostra um fluxograma do procedimento de síntese,
organizado por OLIVEIRA (2001).
Dados do Processo:Tabela Problema
Definição das Metas e do DMTIdenfificação da Temperatura Pinch
Divisão do Problema em Regiões Acima e Abaixo do Pinch
Síntese com correntes que tocam o Pinch:N'q ≥ N'f e MqCpq ≥ MfCpf
Complementação da Síntese com correntes que não tocam o Pinch +
utilidades quentes
Síntese com correntes que tocam o Pinch:Nq ≤ Nf e MqCpq ≤ MfCpf
Complementação da Síntese com correntes que não tocam o Pinch +
utilidades frias
Rede com Mínimo Consumo de Utilidades (RMCU)
REDE INICIAL
Acima do Pinch Abaixo do Pinch
Evolução da rede:Quebra de Ciclo e determinação do
Custo da Nova Rede
REDE FINAL (RF)
Figura 3.6 - Procedimento de Síntese de Rede de Trocadores de Calor 39
Capítulo 3 – Metodologia
Como o número possível de combinações entre as correntes é muito
grande, a tecnologia "pinch" é uma das técnicas apropriadas para na
construção de soluções, que levam em conta os aspectos técnico e econômico,
para a integração energética a ser proposta num processo industrial existente.
Neste momento, o conhecimento do processo é muito importante com
relação à necessidade de serem identificadas todas as restrições existentes
nas unidades da planta e para a avaliação dos resultados derivados da
evolução da rede.
Mantendo o DMT usado no cálculo das metas referenciais
(“supertargeting”), a RMCU é sintetizada. Este procedimento tem como ponto
básico a divisão da rede em duas regiões, uma acima e outra abaixo do ponto
de estrangulamento energético (PE).
A rede final (RF) é obtida a partir da evolução da RMCU, através de um
algoritmo de identificação e quebras de ciclos seqüencial (redução do número
de unidades de troca térmica) , que possibilita a consideração de restrições de
trocas, adotando como objetivo a minimização do custo total anual.
A rede final sintetizada (RF) apresentará um consumo de utilidades
entre o da rede de mínimo consumo de utilidades (RMCU) e o da rede
existente na planta (REXIST).
A etapa completa de síntese pode ser efetuada utilizando um software
disponível para aplicação em síntese de rede de trocadores de calor.
3.11.1 - Rede com Mínimo Consumo de Utilidades
Nesta etapa realiza-se a síntese de uma rede que satisfaça as metas
de consumo mínimo de utilidades, obtidas no item 3.10, também chamada de
rede inicial (RMCU).
Esta síntese é efetuada segundo regras estabelecidas pela tecnologia
"pinch" (LINNHOFF e HINDMARSH,1983 e LAPORACE,1996).
40
Capítulo 3 – Metodologia
Quando correntes afastadas do PE estão presentes em número
significativo, muitas vezes há a necessidade de adoção de modificações das
regras originais para viabilizar o final da síntese (LIPORACE, 1996).
3.11.2 - Rede Final de Trocadores de Calor
Nesta etapa a RMCU é evoluída, com o objetivo de diminuir o seu
custo total anual (custos de capital e operacional), através da identificação e
avaliação da viabilidade de quebra dos ciclos existentes na mesma, até a rede
final (RF). Exemplo deste procedimento é apresentado por LINNHOFF et al.
(1982) ou LINNHOFF e HINDMARSH (1983).
Conhecendo-se a estrutura da rede inicial procede-se uma avaliação
minuciosa da mesma, com o objetivo de identificar restrições e situações
inadequadas com base na disposição física dos equipamentos da planta, na
controlabilidade e flexibilidade do processo, além de problemas de segurança e
estratégias de parada e partida da planta, que podem surgir como
conseqüência da integração do processo.
De acordo com POLLEY (2002) a disposição física dos equipamentos
(“layout”) exerce a maior influência na viabilidade e nos custos das possíveis
modificações na estrutura da planta.
Na readaptação (“retrofit”) de redes existentes, deve-se buscar a
redução no consumo de utilidades com a maior utilização possível dos
trocadores já disponíveis.
Vale ressaltar que, além do aspecto econômico envolvido na síntese de
rede de trocadores de calor (SRTC), devido à diminuição dos custos com
utilidades, há também como benefício para o meio ambiente a redução dos
efluentes aquosos e a redução do consumo de combustíveis fósseis, o que
conseqüentemente reduz a emissão de gases poluentes.
41
Capítulo 3 – Metodologia
3.12 - Avaliação Econômica da Rede Final
Para a rede final sintetizada nas etapas anteriores é feita uma
avaliação econômica.
Os valores corretos dos custos são essenciais para o sucesso de um
projeto de readaptação (“retrofit”). Estes custos necessitam ser anualizados
para o estudo econômico.
Os dados econômicos básicos considerados são: as horas anuais de
operação da planta, os custos do investimento de instalação de novos
equipamentos, os custos fixos e variáveis, a receita operacional e a taxa
mínima de atratividade (TMA) estabelecida. A TMA representa uma taxa de
juros que expressa uma lucratividade mínima pretendida pelo investidor.
A avaliação econômica tem como parâmetros principais o valor
presente líquido (VPL) e taxa interna de retorno (TIR), que são calculadas
através das seguintes fórmulas da Matemática Financeira:
( ) ITMA
TMALBVPLj−
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ +−=
11* (3.10)
( ) ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
+−=
− jTIRTIRILB
11* (3.11)
sendo: (3.12) VFOP CCRLB −−=
onde, LB é o lucro bruto, I é o investimento fixo (custo de capital), CF são os
custos fixos (manutenção, seguros e depreciação), CV são os custos variáveis
(matéria prima, utilidades e produtos químicos), ROP é a receita operacional
(produtos e sub-produtos) e j é o número de períodos de vida útil dos
equipamentos.
Considera-se como critério de decisão do investimento, que a rede é
economicamente viável se apresentar VPL positivo (tornando-se tanto mais
atrativo quanto maior for este valor) e TIR maior do que TMA.
Com os resultados desta avaliação econômica preliminar, caso a rede
seja viável, é elaborado o projeto conceitual da rede de transferência de
energia adotada no estudo. 42
Capítulo 4 – Resultados
Capitulo 4 - Resultados
Neste capítulo são apresentados os resultados de um estudo de caso,
usando a metodologia desenvolvida para aplicação de integração energética
para readaptação (“retrofit”) de plantas industriais de processos.
O estudo de caso foi efetuado na planta de produção de Polietileno
Linear (PEL) integrante da POLITENO Indústria e Comércio S/A., situada no
Pólo Petroquímico de Camaçari, no Estado da Bahia, Brasil e fez parte de um
Projeto Cooperativo em Redes de Transferência de Energia entre a UFBA e
esta empresa.
A motivação do estudo foi fazer uma otimização energética da planta
para reduzir o consumo de utilidades, o consumo de combustíveis fósseis e,
como conseqüência, diminuição da poluição atmosférica.
A seguir são apresentadas todas as etapas da metodologia aplicadas
ao estudo de caso no processo da planta PEL para o “caso de operação-A”:
4.1 - Sistema de Prospecção de Oportunidades (Banco de Idéias)
Foi criado um Banco de Idéias com o intuito de receber contribuições
dos técnicos da planta ao estudo.
Foram identificadas várias oportunidades de integração energética nas
unidades que compõem a planta, com reduções no consumo de utilidades.
Uma das oportunidades mais promissoras, no aspecto técnico e
econômico, envolveu a integração no sistema de destilação e sua integração
com os sistemas de fornalhas e de reação.
Como conseqüência, foram identificadas e incorporadas ao estudo:
- aproveitamento de energia dos gases de chaminé das fornalhas; 43
Capítulo 4 – Resultados
- aproveitamento de energia remanescente da corrente de reciclo de
solvente.
4.2 - Estudo do Processo
A escolha do “caso de operação-A” para o estudo foi porque este opera
durante 70% do tempo de campanha da planta.
Para o entendimento do processo é apresentada uma descrição
resumida baseada no fluxograma simplificado da Figura 4.1.
ETENO
SISTEMADE
DESTILAÇÃO
EXTRUSÃO PELLETIZAÇÃO
PRODUTO
Reciclo de Solvente
Comonômero
SISTEMA DE "HOT OIL"(FORNALHA)
SISTEMADE
PURIFICAÇÃO
SISTEMADE
REAÇÃO
SISTEMA DEREMOÇÃO DECATALISADOR
SISTEMA DE SEPARAÇÃO DE
POLÍMERO
Catalisador
SISTEMADE
ESTRIPAGEM
Figura 4.1 - Fluxograma Simplificado do Processo da Planta PEL
As matérias primas utilizadas na produção de resinas de polietileno são
eteno e um comonômero.
A planta é composta dos sistemas de purificação, reação, remoção de
catalisador, separação de polímero, destilação, estripagem e acabamento do
produto, além dos sistemas de utilidades e tancagem.
O sistema de purificação tem como finalidade remover as impurezas
existentes nas matérias primas que afetam o sistema catalítico e, por
conseqüência, o consumo de catalisador.
44
Capítulo 4 – Resultados
Os reagentes são absorvidos no solvente (recuperado no sistema de
destilação) e após serem purificados, são introduzidos no sistema de reação.
As condições de operação deste sistema são específicas para cada tipo de
resina, a depender das propriedades desejadas.
Na saída do reator existe o sistema de remoção de catalisador, cuja
função é remover os resíduos deste da solução polimérica.
A solução polimérica resultante é despressurizada em dois estágios, a
fim de promover a separação do polímero dos demais componentes (solvente,
eteno e comonômero não reagidos).
O polímero separado é encaminhado, por gravidade, para o sistema de
extrusão, que tem como função principal aumentar a pressão do polímero e
enviá-lo ao sistema de pelletização. Neste ponto do processo, alguns aditivos
específicos são adicionados.
No sistema de pelletização a resina é cortada gerando grânulos
uniformes e enviada para o sistema de estripagem.
No sistema de estripagem, a resina é separada da água e do solvente
residual que acompanham a mesma. A resina saindo deste sistema é secada,
enviada para os silos de mistura, onde é homogeneizada e classificada. Em
seguida, a mesma é enviada para ensaque e estocagem.
A recuperação do solvente, do eteno e comonômero não reagidos é
feita no sistema de destilação em várias etapas, utilizando colunas de
destilação.
A planta possui um sistema especial de utilidades, em circuito fechado,
com um óleo sintético usado como fluido de aquecimento (“hot oil”) em
unidades da planta onde é requerida alta temperatura. Neste sistema existem
duas fornalhas para aquecimento deste óleo, utilizando como combustível gás
natural.
Existe também um sistema fechado de vapor e condensado.
45
Capítulo 4 – Resultados
4.3 - Identificação e Caracterização das Correntes de Processo e de Utilidades
Uma planta de polietileno é submetida a diferentes condições
operacionais, produzindo diferentes tipos de resinas. Para o estudo de caso
foram escolhidas as condições para resinas de maior duração de campanha no
ano.
Neste processo foram identificadas dezessete correntes contínuas,
sendo nove correntes quentes que necessitam ser resfriadas e oito frias para
serem aquecidas. Duas destas correntes (gases de chaminé de fornalhas e
excesso de condensado de baixa pressão) estão, no momento, sem nenhum
aproveitamento de seus conteúdos energéticos. O condensado está sendo
resfriado e enviado para a bacia da torre de resfriamento.
Foram identificadas diversas outras correntes quentes e frias de
processo que operam de forma intermitente e, portanto não puderam ser
consideradas para integração energética pela tecnologia “pinch”.
A aplicação desta tecnologia foi possível:
- dentro do sistema de destilação;
- entre algumas correntes dos sistemas de destilação, reação e
fornalhas.
O sistema de reação não apresentou perspectiva de integração
energética entre suas próprias correntes de processo, devido aos níveis de
temperaturas das correntes frias estarem muito acima dos níveis de
temperaturas das correntes quentes.
Além disso, outros sistemas não foram incluídos no estudo por:
- ter um consumo de utilidades abaixo de 6% (sistemas de extrusão e
pelletização) - quando comparado com os sistemas de destilação, reação e
fornalhas, e pela complexidade dos seus processos (dificuldades de
modificações);
- não ter envolvimento com troca térmica (sistemas de purificação,
remoção de catalisador e separação de polímero).
46
Capítulo 4 – Resultados
A Figura 4.2 mostra o fluxograma simplificado das correntes de
processo utilizadas na integração energética da planta.
Legenda: Cond - condensador; Ref - refervedor; Troc - Trocador; # - corrente
# 16
# 15
# 14
# 13# 12# 11
# 10
# 8 # 7
# 6
# 5
# 4
# 3
# 2# 1
Sistema de Reação
Troc 1 Troc 2
Col
una
3
Cond 3
Ref 3
Col
una
4
Cond 4
Ref 4
Cond 5
Col
una
5
Ref 5
Troc 3
Col
una
1
Cond 1
Ref 1
Col
una
2Cond 2
Ref 2
Troc 7
Troc17
Troc22
Sistema das Fornalhas
Sistema de Vapor e Condensado
# 17
# 9
Sistema de Destilação
Figura 4.2 - Fluxograma Simplificado das Correntes de Processo
4.4 - Identificação dos Equipamentos de Troca Térmica
Todos os equipamentos que operam em regime contínuo tiveram os
dados de sua geometria levantados e arquivados em planilhas para serem,
posteriormente, considerados no cálculo rigoroso dos coeficientes de
transferência de calor (item 4.7).
4.5 - Aquisição de Dados de Projeto para Escolha dos Modelos Termodinâmicos
Na planta em questão, utilizando-se os dados de projeto de vazão,
composição, temperatura e pressão das correntes envolvidas, no simulador de
processos HYSYS versão 1.5, foi possível identificar o modelo termodinâmico
modificado de Peng Robinson (PRSV) para sistemas não-ideais, como o mais
47
Capítulo 4 – Resultados
apropriado para a estimativa das propriedades termodinâmicas e de transporte
das correntes.
4.6 - Aquisição de Dados de Planta para Vazão, Composição, Temperatura e Pressão
Todos os dados de vazão, temperatura e pressão das correntes foram
levantados da planta e arquivados em banco de dados, no formato eletrônico.
Para as composições químicas das correntes foram consideradas as
mesmas de projeto, com base em alguns analisadores em linha, existentes no
processo, apresentarem composições próximas às de projeto.
Foram coletados três conjuntos de dados, em distintas ocasiões.
Para correntes que não possuíam medição de temperatura, utilizou-se
uma medição indireta, através de pirômetro ótico da Raytek Corp. U.S.A,
modelo Raynger ST80-IS, que fez a medição da superfície externa da
tubulação.
Este valor foi então corrigido, a fim de representar a temperatura do
fluido interno à tubulação, utilizando as equações 3.1, 3.2 e 3.3.
Para as 17 correntes de processo, das 34 temperaturas consideradas,
25 foram obtidas do sistema de aquisição de dados “on-line” da planta, 7 foram
medidas no campo com o pirômetro ótico e 2 foram estimadas por balanço de
energia. Todas as temperaturas das correntes de utilidades (água de
resfriamento, vapor d’ água e fluido de aquecimento) foram obtidas, também,
por pirômetro ótico.
4.7 - Obtenção dos Dados de Propriedades Termodinâmicas e de Transporte, e Coeficientes de Transferência de Calor
A partir dos dados de temperatura, pressão e composição, foram
obtidas as propriedades termodinâmicas e de transporte das correntes de
processo da planta, através do simulador de processos HYSYS, utilizando-se
48
Capítulo 4 – Resultados
as mesmas regras de misturas selecionadas durante a etapa de validação dos
modelos termodinâmicos (item 4.5).
Além disso, os coeficientes de transferência de calor para as correntes,
foram estimados de maneira semi-rigorosa, usando o módulo “Heat Transfer
Equipment” opção “Heater” do simulador HYSYS.
4.8 - Validação e Consolidação dos Balanços Material e de Energia
Nesta etapa foi feita inicialmente a avaliação da incerteza dos dados
dos balanços material e de energia das unidades de processos da planta,
através da ferramenta de Qualidade de Informação (QI) apresentada por
FONTANA et al. (2004).
Em seguida foi feita a reconciliação dos dados utilizado o software
VALI III da Belsim S.A. Dos instrumentos de vazão utilizados, 13 destes
apresentaram valores distintos dos medidos, com erro de medição entre 2,4 e
39,4 %, após reconciliação. No Apêndice II é mostrado o fluxograma da
reconciliação do balanço de massa do sistema de destilação da planta PEL.
Na Tabela 4.1 está o resultado da reconciliação feita nos balanços de
massa das correntes utilizadas na Tabela de Oportunidades. Para a
reconciliação das correntes 7 e 10 foi levado em conta também o balanço de
energia.
O tempo de mão-de-obra gasto entre as etapas 4.1 e 4.8
representou 65% do total de horas utilizadas neste estudo de caso. O restante
do tempo (35%) ficou por conta das etapas a seguir.
49
Capítulo 4 – Resultados
Tabela 4.1 - Reconciliação de Dados do Balanço de Massa das
Correntes
Número da Corrente Valor Medido (kg/h) QI Valor Reconciliado (kg/h) Valor Utilizado (kg/h)1 20000 5 19584 195842 4900 5 5222 52223 82600 7,5 81325 813254 17900 7,5 16625 166255 45730 7,5 42618 426186 1000 5 1086 10867 99420 5 97114 971148 2448 5 2430 24309 39312 (1) 3931210 25899 5 25900 2590011 431802 (1) 43180212 259400 (1) 25940013 43150 (1) 4315014 76212 (1) 7621215 181332 (1) 18133216 1200 7,5 1621 162117 3000 10 2977 2977
Nota (1): valor calculado conforme descrito no item 4.9.
4.9 - Criação da Tabela de Oportunidades (Tabela Problema)
Os dados levantados e validados nas etapas anteriores foram
organizados na forma de Tabela Problema (Tabela de Oportunidades),
conforme mostrada na Tabela 4.2, para a aplicação da tecnologia "pinch" no
presente estudo de caso.
Tabela 4.2 - Tabela de Oportunidades para Aplicação da Tecnologia "Pinch".
No Corrente Tipo TE (°C) TM (°C) M (kg/s) Cp (J/kg°C) h (J/s.m2.C)1 quente 169,2 30,5 5,44 4414 2390,02 quente 144,0 31,5 1,45 13126 3125,03 quente 111,5 70,9 22,59 7351 1894,04 quente 70,9 45,0 4,62 2532 1673,05 quente 62,8 60,4 11,84 135717 1711,06 quente 114,0 27,8 0,30 2215 1437,07 quente 173,5 149,2 26,98 2586 541,18 quente 173,5 49,1 0,68 2209 626,89 quente 440,0 279,5 10,92 1222 100,4
10 fria 38,4 147,6 7,19 2161 572,611 fria 230,7 234,1 119,95 22616 3533,012 fria 175,7 176,6 72,06 103146 2932,013 fria 209,4 218,0 11,99 3554 2282,014 fria 112,1 113,1 21,17 58007 3477,015 fria 114,1 122,4 50,37 8802 2699,016 fria -28,0 20,0 0,45 8512 2400,017 fria 77,0 250,0 0,83 14972 6980,0
50
Capítulo 4 – Resultados
Para a elaboração desta tabela, o procedimento adotado foi o seguinte:
- estabelecida uma numeração para as correntes de processo idêntica
àquela existente no PFD do processo existente;
- considerado o calor específico como calor específico médio efetivo
(Cpef) e calculado pela equação:
TMH
Cp FPef Δ
Δ=
* (4.1)
onde ΔHFP é o módulo da diferença de entalpia de entrada e saída da
corrente, ΔT é o módulo da diferença de temperatura (TE – TM) e M a vazão
mássica da corrente.
- para a corrente # 1 a vazão considerada é a soma das vazões de ar e
de gás natural utilizadas na fornalha;
- para as correntes de processo dos refervedores (#11, #12, #13, #14 e
#15):
• a vazão M é calculada através do balanço térmico,
utilFP QHM =Δ∗ (4.2)
onde, Qutil é a quantidade de utilidade medida (carga térmica
consumida da utilidade considerada).
• com o M calculado pela equação 4.2, o Cpef é calculado
através da equação 4.1.
- envolvendo mudança de fase de misturas, as temperaturas e
entalpias de entrada e saída da corrente de processo foram consideradas
supondo uma única corrente, sendo o calor específico médio efetivo calculado
também pela equação 4.1.
- considerada água de resfriamento como a utilidade fria e sob as
seguintes condições:
a) temperatura de entrada: 26 oC;
b) temperatura de saída: 36 oC;
c) calor específico: 4,200 kJ/kgoC
51
Capítulo 4 – Resultados
- considerado vapor d’água como a utilidade quente e sob as seguintes
condições:
a) temperatura de saturação: 274 oC;
b) calor latente: 1636,6 kJ/kg
4.10 - Cálculo das Metas Referenciais
Para a determinação das metas de consumo mínimo de utilidades
necessárias para o processo, do número mínimo de unidades de troca térmica
e da área global mínima de transferência de calor foi considerado o diferencial
mínimo de temperatura (DMT) de 1,8 oC observado na planta, apesar do valor
ótimo estar em torno de 2,7 oC, conforme mostrado na Figura 4.3. O custo total
anual normalizado está baseado no custo de energia e no custo de capital.
Para esses dois valores de DMT as diferenças em termos monetários e de
configuração das redes são muito pequenas e, por isto, toda as análises do
estudo tomaram como base o DMT da planta.
0.9820.9840.9860.9880.9900.9920.9940.9960.9981.000
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00
DMT (oC)
Cus
to T
otal
Anu
al n
orm
aliz
ado
Figura 4.3 - Custo Total x Diferencial Mínimo de Temperatura
52
Capítulo 4 – Resultados
O consumo mínimo de utilidades, para o DMT de 1,8 oC, quando
comparado com a planta, apresentou reduções no consumo de utilidade quente
e fria de 17 e 31 %, respectivamente.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5x 10
7
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Entalpia (J/s)
Tem
pera
tura
( o C
)
Figura 4.4 - Diagrama das Curvas Compostas
0 0.5 1 1.5 2x 10
050
100 150 200 250 300 350 400 450 500
Entalpia (J/s)
Tem
pera
tura
( o C
)
7
troca de calor processo-processo
Figura 4.5 - Diagrama da Grande Curva Composta
53
Capítulo 4 – Resultados
O diagrama das curvas compostas é apresentado na Figura 4.4
enquanto o diagrama da grande curva composta é apresentado na Figura 4.5.
Todos estes resultados mostram que na planta há possibilidade de integração
para troca de calor entre as correntes de processo.
4.11 - Síntese de Redes de Trocadores de Calor
A síntese foi iniciada com a obtenção da rede de mínimo consumo de
utilidades (RMCU), apresentada na Figura 4.7.
Esta rede foi evoluída e com o conhecimento das restrições existentes
na planta chegou-se até a rede final (RF), apresentada na Figura 4.10.
Na representação gráfica das redes nas Figuras 4.6, 4.7 e 4.10, as
correntes de processo (corrente 1 até 17) são identificadas por linhas
horizontais e as unidades de troca térmica, por linhas verticais unindo as duas
correntes que passam pela respectiva unidade. A primeira linha horizontal
superior representa a utilidade fria (UF) e a última a utilidade quente (UQ).
A etapa completa de síntese foi efetuada utilizando o software AtHENS.
A seguir serão apresentadas as redes de trocadores de calor existente
na planta, a rede inicial (RMCU) e a rede final (RF).
4.11.1 - Rede de Trocadores de Calor Existente
O processo atual utiliza 13 trocadores de calor e a diferença mínima de
temperatura é de 1,8 ºC.
A Figura 4.6 mostra a rede de trocadores existente na planta (REXIST),
com um número total de 13 trocadores, onde pode ser visto a integração
energética envolvendo apenas 2 trocas térmicas entre as correntes de
processo-processo, 5 trocas entre correntes de processo frias e utilidade
quente (vapor d’água e fluido térmico), 6 trocas entre correntes de processo
quentes e utilidade fria (água de resfriamento) e 2 correntes (gases de chaminé
de fornalhas e excesso de condensado de baixa pressão) que estão, no
54
Capítulo 4 – Resultados
momento, sem nenhum aproveitamento dos seus conteúdos energéticos
disponíveis.
CORRENTE QUENTE CORRENTE FRIA
UF
1
23
4
5
6
7
8
9
UQ
17
16
15
1413
12
1110
gases de chaminé
condensado
CORRENTE
Figura 4.6 - Rede de Trocadores de Calor Existente (REXIST)
4.11.2 - Rede com Mínimo Consumo de Utilidades
Após a síntese de rede de trocadores de calor, chegou-se ao resultado
mostrado na Figura 4.7 para a RMCU ou rede inicial, com um número total de
25 unidades de troca térmica, sendo 13 trocas entre as correntes de processo-
processo, 4 trocas entre correntes frias e utilidade quente e 8 trocas entre
correntes quentes e utilidade fria.
Pode ser visto que na RMCU, o número de trocadores de calor
aumentou em 12 unidades, contudo, esta rede comparada com a existente na
planta, promove reduções no consumo de utilidade quente e fria de 17 e 31 %,
respectivamente, como apresentadas nas Figura 4.8 e Figura 4.9.
55
Capítulo 4 – Resultados
CORRENTE QUENTE CORRENTE FRIA TROCADOR NOVO
UF
1
23
4
5
6
7
8
9
UQ
17
16
15
1413
12
1110
CORRENTE
Figura 4.7 - Rede de Trocadores de Calor Inicial (RMCU)
0.700
0.750
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
Con
sum
o de
UQ
nor
mal
izad
o
RMCU RESR RF REXIST
RMCU - rede com mínimo consumo de utilidadesRESR - rede evoluída sem restriçõesRF - rede finalREXIST - rede existente
Figura 4.8 - Consumo de Utilidade Quente
4.11.3 - Rede Final de Trocadores de Calor
56
A RMCU encontrada foi evoluída através de quebras de ciclos visando
minimizar o custo total anual e uma nova rede evoluída sem restrições (RESR)
Capítulo 4 – Resultados
foi obtida. Comparando a RMCU com a RESR, houve uma redução de apenas
uma unidade de troca térmica, um pequeno aumento no consumo de utilidades
fria, como apresentado nas Figuras 4.9 e 4.8.
0.600
0.650
0.700
0.750
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
Con
sum
o de
UF
norm
aliz
ado
RMCU RESR RF REXIST
RMCU - rede com mínimo consumo de utilidadesRESR - rede evoluída sem restriçõesRF - rede finalREXIST - rede existente
Figura 4.9 - Consumo de Utilidade Fria
Com essa RESR foi feita uma avaliação minuciosa do processo,
juntamente com os técnicos responsáveis pela planta, onde foram identificadas
várias restrições, principalmente quanto à disposição física dos novos
equipamentos propostos e longas distâncias de tubulações (queda de pressão
e custos).
Como resultado destas restrições citadas, evoluiu-se para a rede de
trocadores de calor final (RF) como mostrada na Figura 4.10, com um número
total de 16 unidades de troca térmica, com a integração energética envolvendo
5 trocas entre as correntes de processo-processo (2 existentes mais 3 novas),
5 trocas entre correntes de processo frias e utilidade quente (vapor d’água e
fluido térmico), 6 trocas entre correntes de processo quentes e utilidade fria
(água de resfriamento). Como pode ser observado, foram mantidos os mesmos
trocadores utilidade-processo da rede existente.
57
Capítulo 4 – Resultados
Para os trocadores assinalados como já existentes, as áreas
comportaram as demandas das novas cargas térmicas.
CORRENTE QUENTE CORRENTE FRIA TROCADOR NOVO
CICLO DE ABSORÇÃO PARA GERAR FRIO PRÉ-AQUECEDOR DE ARC
UF
1
23
4
5
6
7
8
9
UQ
1716
15
1413
12
1110
gases de chaminé
condensado
CORRENTE
C
Figura 4.10 - Rede de Trocadores de Calor Final (RF)
Das 3 novas trocas que resultaram da integração, 2 estão envolvidas
entre correntes processo-processo do sistema de destilação (corrente 1 com 15
e corrente 2 com 14) e 1 entre correntes processo-processo dos sistemas
vapor/condensado e fornalhas (corrente 9 com 17). Esta troca foi responsável
pela geração de vapor de alta pressão, utilizando parte do conteúdo energético
dos gases de chaminé.
Além da rede obtida através do uso da tecnologia "pinch", também foi
possível integrar um sistema de refrigeração (ciclo de absorção, com brometo
de lítio e água como fluidos de trabalho - apresentado por TALBI (2000)), para
geração de água fria a 7 oC - necessária ao resfriamento da corrente de
alimentação do sistema de reação. Para esta integração foi utilizada parte do
conteúdo energético remanescente na corrente 7.
58
Capítulo 4 – Resultados
Também, no sistema das fornalhas houve o aproveitamento de parte
da energia dos gases de chaminé para pré-aquecer o ar de combustão,
reduzindo o consumo de gás natural.
A configuração da alternativa de integração energética global das
unidades da planta PEL é mostrado na Figura 4.11, onde, há integração dentro
dos próprios sistemas de destilação e fornalhas e, também, entre os sistemas,
através de correntes que interligam os mesmos. Esta integração global,
comparada com a planta atual, apresentou reduções no consumo de utilidade
quente e fria de 9 e 24%, respectivamente, como mostradas anteriormente na
Figura 4.8 e na Figura 4.9.
Água gelada
SISTEMA DE DESTILAÇÃO
SISTEMA DE "HOT OIL"(FORNALHAS)
SISTEMA DE REAÇÃO CICLO DE
ABSORÇÃO
corr
ente
7co
nden
sado
vapo
r de
alta
Figura 4.11 - Integração Energética Global da Planta PEL
4.12 - Avaliação Econômica da Integração Energética Global
Para o desenvolvimento da avaliação econômica de integração
energética da planta, bases e premissas foram estabelecidas, a fim de facilitar
o entendimento e interpretação dos resultados obtidos, conforme a seguir:
59
Capítulo 4 – Resultados
- Consumo de Eteno: 25 ton/h (matéria prima principal);
- Caso de Operação: A;
- Composição das correntes de processo iguais as de projeto;
- Considerado um fator operacional de 98% no sistema das fornalhas;
- Na integração energética das fornalhas foi considerada produção de vapor de
alta pressão nas seguintes condições:
Pressão = 30 kgf/cm2 man.
Temperatura = 250 oC
- Custo dos equipamentos e tubulações: utilizado fator multiplicativo igual a 4
(considerado pela Politeno), para obtenção dos investimentos fixos totais dos
mesmos, instalados e prontos para operar;
- Para a valoração dos dutos do sistema de pré-aquecimento do ar nas
fornalhas foram considerados tubulações com diâmetro de 10 pol. com
isolamento térmico;
- Taxa de câmbio considerada: US$ 1,00 = R$ 3,00;
- Taxa mínima de atratividade (TMA) da empresa:15%;
- Composição do Custo Fixo Total:
- manutenção: 5% do custo do equipamento
- seguros: 1,5% do investimento fixo total
- depreciação: 10% linear ao longo de10 anos
- Considerado para avaliação econômica que a planta PEL operará em
aproximadamente 70% do tempo produzindo um mix de resinas para filme,
injeção e roto-moldagem durante 330 dias por ano (Caso A). No restante do
tempo a planta estará produzindo outros tipos de resinas;
- Os custos considerados para o ciclo de absorção foram baseados na
proposta do fabricante de equipamentos TRANE® de 20.05.2004;
- Custos das utilidades: mostrados na Tabela 4.3;
- Custos fixos: mostrados na Tabela 4.4 60
Capítulo 4 – Resultados
Tabela 4.3 - Custos das utilidades
Utilidade Unidade Valor
Vapor d’água R$ / ton 61,01
Água de resfriamento R$ / m3 0,014
Gás natural R$ / m3 0,40
Energia elétrica R$ / MWh 95,49
Água desmineralizada R$ / m3 0,83
Água clarificada R$ / m3 0,21
Custo tratamento de água de resfriamento R$ / m3 1,10
Fonte: Politeno (referente ao mês de outubro de 2003)
Tabela 4.4 - Custos Fixos
Item Unidade Valor
Área de troca (trocador casco-tubo) R$ / m2 942,00
Tubulações R$ / m 705,00
Ciclo de refrigeração R$ 1.642.252,00
Bomba de água gelada R$ 172.000,00
Bomba de condensado R$ 195.500,00
Vaso de vapor de alta R$ 87.000,00
Ventilador de tiragem induzida R$ 58.000,00
Fonte: Politeno (referente ao mês de outubro de 2003)
61
Capítulo 4 – Resultados
Para a alternativa de integração energética global da planta PEL, no
“caso de operação-A”, são apresentados, na Tabela 4.5, os resultados do
consumo de utilidades da planta atual e depois da integração energética, além
da avaliação econômica realizada.
As maiores reduções de consumo de utilidades foram verificadas em
energia elétrica (comparação entre o ciclo de absorção proposto e o ciclo
existente), seguida pelo vapor de alta pressão. Estas reduções, em valores
monetários, representam uma economia da ordem de R$ 2.700.000,00 por
ano.
Tabela 4.5 - Consumo de Utilidades e Avaliação Econômica
Planta PlantaAtual após
IntegraçãoEnergética
Vapor de alta pressão (importação) % 100 62Gás natural % 100 88Água de resfriamento % 100 78Energia Elétrica (ciclo) % 100 11
Planta PlantaAtual após
IntegraçãoEnergética
Investimento Fixo (I) R$ - 7.750.640,00Lucro Bruto (LB) R$ - 3.116.686,00Valor presente líquido (VPL) R$ - 7.891.289,00Taxa interna de retorno (TIR) % - 39Tempo de retorno ANOS - 2,5
Item
Uni
d.
UTILIDADES
Uni
d.
Também, a taxa interna de retorno (TIR) do investimento foi bastante
favorável, quando comparada com a taxa mínima de atratividade (TMA),
estabelecida em 15%.
62
Como beneficio ao meio ambiente, a redução do consumo de vapor
resultou numa diminuição de queima de combustíveis fósseis (óleo combustível
e gás natural), que representa um abatimento nas emissões atmosféricas de
11.500 toneladas por ano de dióxido de carbono (CO2). Também, houve
Capítulo 4 – Resultados
diminuição no consumo de água de resfriamento, que representou uma
redução de 113.000 metros cúbicos por ano no desperdício de água
(evaporação e efluentes aquosos), representando uma economia estimada de
R$ 150.000,00 por ano no custo do tratamento.
Para a proposta da alternativa de integração energética realizada neste
estudo de caso, a empresa adotará a execução dessa por etapas, dando
prioridade àquelas de maior TIR e que apresentam menores impactos de
intervenções e tempo para sua implementação na planta.
Os valores da TIR calculados para a integração energética individual
dos sistemas são apresentados na Tabela 4.6.
Tabela 4.6 – Taxa Interna de Retorno para a Integração Energética dos
Sistemas
Sistema TIR (%)
Destilação - Reação 22
Destilação 28
Destilação - Fornalhas 71
.
63
Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões
Capitulo 5 - Conclusões e Sugestões
A metodologia desenvolvida no presente trabalho traz como principal
contribuição para a área de Integração de Processo, uma maneira adequada e
prática de aplicação de Integração Energética para Readaptação (IEPR) de
plantas industriais existentes, através dos conceitos da tecnologia “pinch”,
auxiliando engenheiros nos seus estudos para implementar melhorias no
desempenho dos processos.
Na aplicação dessa metodologia num estudo de caso efetuado na
planta de produção de Polietileno Linear (PEL), integrante da POLITENO
Indústria e Comércio S/A., os resultados mostraram-se bastante promissores,
com possibilidade de economia de energia e benefícios econômicos e
ambientais, apesar desta planta já ter sido projetada originalmente com um
certo grau de integração energética. Para o caso estudado foi verificado que há
possibilidade de:
- reduzir o consumo de utilidade quente em 9%;
- reduzir o consumo de utilidade fria em 24%;
- agregar valor à corrente de condensado (excesso) convertendo-a em
vapor de alta pressão no sistema das fornalhas;
Como conseqüência, os benefícios alcançados foram:
- condições atrativas para investimento na readaptação (“retrofit”) da
planta, com taxa interna de retorno de 39% e tempo de retorno do investimento
de 2,5 anos;
- redução das emissões atmosféricas em 11.500 toneladas por ano de
dióxido de carbono (CO2), por conta da redução da queima de combustíveis
fósseis (óleo combustível e gás natural) para produzir vapor;
64
Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões
- redução de 113.000 metros cúbicos por ano no desperdício de água
(evaporação e efluentes aquosos) e no custo de tratamento desta em R$
150.000,00 por ano.
Durante o desenvolvimento deste estudo, com o diagnóstico resultante
da etapa de reconciliação de dados, foi possível identificar incertezas de
medição em alguns instrumentos da planta PEL, coincidindo com observações
feitas pelos técnicos. Com isto, foi recomendada a inclusão desses
instrumentos num plano de inspeção futuro.
A metodologia desenvolvida também contribuiu para a formação de um
grupo de especialistas na universidade e na indústria, capacitado para estudos
usando tecnologias de otimização energética em plantas industriais existentes,
como um dos objetivos do Projeto Cooperativo em Redes de Transferência de
Energia entre a UFBA e indústrias do Estado da Bahia, visando uma maior eco-
eficiência nos seus processos produtivos.
O estudo de caso realizado na planta acima mencionada resultou
numa integração bem sucedida entre empresa e universidade.
Este estudo resultou na elaboração de três trabalhos técnico-
científicos:
- SOUZA NETO, J.N., PACHECO FILHO, J.G., SACRAMENTO, L.A.,
KALID, R.A., MAGALHÃES, S.L.F., QUEIROZ, E.M., PESSOA, F.L.P.
Metodologia para Aquisição e Validação de Dados Operacionais para
Aplicação da Tecnologia Pinch numa Planta de Polietileno. XV CONGRESSO
BRASILEIRO DE ENGENHARIA QUÍMICA - COBEQ, vol. 1, p. , Curitiba,
outubro 2004.
- SOUZA NETO, J.N., PACHECO FILHO, J.G., SACRAMENTO, L.A.,
KALID, R.A., MAGALHÃES, S.L.F., QUEIROZ, E.M., PESSOA, F.L.P.
Aplicação de Integração Energética para Retrofit de uma Planta Petroquímica
Existente. Revista Petro & Química, 262, 87-91, julho 2004;
- SOUZA NETO, J.N., PACHECO FILHO, J.G., SACRAMENTO, L.A.,
KALID, R.A., MAGALHÃES, S.L.F., QUEIROZ, E.M., PESSOA, F.L.P. Energy
Integration - An Example in a Retrofit of a Petrochemical Plant. 4th Mercosur
65
Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões
Congress on Process System Engineering and 2nd Mercosur Congress on
Chemical Engineering - ENPROMER - 2005.
Como sugestões para futuros trabalhos:
1. Desenvolver atualizações no software AtHENS versão 6.0 de modo
a ser necessário, para cada rodada do programa, entrar apenas só uma vez
com os dados dos coeficientes de transferência de calor (h) das correntes de
processo, quando a opção for “Entrar com o coeficiente de película”.
2. Integrar o software AtHENS (visando economizar tempo na Análise
“Pinch” a ser realizada em futuros estudos similares) com:
um simulador de processo que estime as propriedades
termodinâmicas e de transporte das correntes de processo;
um simulador de processo que faça a reconciliação de dados, de
modo a permitir o fechamento dos balanços material e de energia
das unidades de processo;
um simulador, com método rigoroso, para cálculo de trocadores
de calor.
3. Desenvolver uma metodologia para aplicação de Integração
Energética em processos contínuos em plantas que operam em vários Casos
de Operação (flexibilidade).
- Desenvolver uma metodologia para aplicação de Integração
Energética em processos à batelada, tendo como referência trabalhos
publicados por STOLTZE et al. (1995), MIKKELSEN (1998), ADONYI (2003) e
KLEME (2003).
66
Referências Bibliográficas
Referências Bibliográficas
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Apêndice I
71
MODELO DE PLANILHA COM OS DADOS DE UMA CORRENTE DE PROCESSO
TAG Corrente TAG do Equipamento Especificação Tipo de
equipamento Tipo de corrente Estado Físico Posição no Equipamento Troca calor com Origem Destino
229 Vapor 1o. Estágio do LPSTubo AG_RESFR
Condensador do 1o. estágio
do LPSP-46-01A S & T Vaso V-46-01Quente
TAG Corrente Fonte da informação Valor Unidade Qualidade Fonte da Informação Valor IN Valor OUT Qualidade Fonte da Informação Valor Unidade Qualidade
PFD / Projeto PFD / Projeto PFD / Projeto
Simulaçao Simulaçao Simulaçao
Valor de campo Valor de campo-1 Valor de campo
Valor de campo-2
Valor de campo-3
Valor de campo-M
Média de instrumentos Média de instrumentos-1 Média de instrumentos-1
Média de instrumentos-2 Média de instrumentos-2
Média de instrumentos-3 Média de instrumentos-3
Média de instrumentos-M Média de instrumentos-M
Outros 1 Outros 1 Outros 1
Outros 2 Outros 2 Outros-2
Vazão
229
Pressao Temperatura, oC
TAG Corrente Fonte da Informação Valor IN Valor OUT Unidade Qualidade Fonte da Informação Valor IN Valor
OUT Unidade Qualidade Fonte da Informação Valor IN Valor OUT Unidade Qualidade Fonte da Informação Valor IN Valor
OUT Unidade Qualidade Fonte da Informação Comp-1 Comp-2 Comp-n
PFD / Projeto PFD / Projeto PFD / Projeto PFD / Projeto PFD / Projeto
Simulaçao Simulaçao Simulaçao Simulaçao Simulaçao
Valor de campo Valor de campo Valor de campo Valor de campo Valor de campo
Média de instrumentos Média de instrumentos Média de instrumentos Média de instrumentos Média de instrumentos
Outros Outros Outros Outros Outros
Composição da corrente
229
Condutividade térmicaViscosidadeCalor Específico Massa específica
Apêndice II
72
RESULTADO DA RECONCILIAÇÃO DE DADOS DO SISTEMA DE DESTILAÇÃO DA PLANTA PEL