Esquema de integração baseado nos trocadores propostos pelo Simulis

integração para o processo. Os resultados são mostrados na Tabela 29:

Cond.D1

Sortie_Purge; Cond.D1; S_Vap_out; CS3_out; C4_out

Sortie_Purge; Cond.D1; S_Vap_out; C3_in; C4_in

Cond.D1; S_Vap_out; C3_in; C4_in S_Vap_out; C3_in; C4_in C2_in; S_Vap_out; C3_in; C4_in

C2_in; S_Vap_out; Cond.D2; C4_inC2_in; S_Vap_out; Cond.D3; C4_inC2_in; S_Vap_out; C4_in C2_in; S_Vap_out; C4_in

C2_in; S_Vap_out; C4_in C2_in; C4_in

C2_in

RS_in

D1_Vap_out C1_in

Rebo.D2; C1_inC1_in C1_in

Rebo.D1; C1_inC1_in Rebo.D3; C1_in C1_in RS_out; C1_in DTMIN=10(K) Utilité froide 3 712 640(kcal/h)

Maximum d'énergie récupérable 21 245 415(kcal/h) Utilité chaude 3 265 300(kcal/h) 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 0,0 5 000 000,0 10 000 000,0 15 000 000,0 20 000 000,0 25 000 000,0 30 000 000,0 Te m pé ra tur e ( K )

Flux enthalpique (kcal/h)

Courbes composées (TQ) T emper atur a (K )

RESULTADOS E DISCUSSÃO 58

Tabela 29 - Resultado do esquema de integração energética baseado nos trocadores propostos pelo Simulis Pinch.

Fonte: Elaborado pelo autor, 2020.

Essa tabela indica os trocadores, suas correntes e sua potência, que devem ser adicionados ao processo para uma melhor recuperação energética utilizando-se da própria capacidade térmica do processo.

O fator performance indica a eficiência do trocador de integração em função da potência que ele utiliza em relação à potência máxima que a corrente de processo tem capacidade de oferecer. A divisão de corrente indica a taxa de divisão que a corrente de processo deve sofrer para que ocorra a troca de calor necessária para realização da integração energética considerando-se as especificações térmicas do processo.

No caso do trocador 2 da lista, é necessário fazer a divisão da corrente do processo, onde apenas 90% da vazão é utilizada para atingir a troca de calor necessária. É por causa disso que se tem uma performance de 98%, em função da “perda energética” de 10% da corrente de processo. Caso a corrente não seja dividida, as temperaturas obtidas não corresponderão àquelas requeridas pelas correntes de processo.

Analisando-se os níveis de temperatura indicados, e por meio da metodologia proposta na Seção 4.5, devem ser adicionados dois trocadores do tipo “expedidor” antes do trocador de calor 1, cujo objetivo é atingir 650°C para ocorrência das reações químicas. Para esses novos dois trocadores de integração, suas temperaturas de saída devem ser informadas de acordo com as temperaturas da tabela acima. Dois trocadores do tipo “recebedor” também devem ser adicionados após o reator de Gibbs, recebendo eles as quantidades de calor trocadas pelos dois trocadores “expedidor”.

A rede de trocadores de calor mostrada na Figura 32 representa os resultados obtidos pelo Simulis Pinch:

Trocador Corrente fria (°C) Corrente quente (°C) Potência (kcal/h) Performance Divisão de corrente

Tin Tout Tin Tout

1 135 634,4 650 147,8 17,59E6 100% -

Figura 32 - Simulação do esquema de integração energética baseado nos trocadores propostos pelo Simulis Pinch.

Fonte: Elaborado pelo autor, 2020.

A figura acima mostra apenas a parte da zona reacional do processo, que concerne este primeiro esquema de trocadores de integração. Comparando-se essa simulação com àquela do processo completo da Figura 27, pode-se dizer que foram adicionados cinco trocadores – três “expedidor” (C5, C6 e C7) e dois “recebedor” (ES1 e ES2) –, que representam fisicamente apenas dois trocadores como já comentado na metodologia.

No esquema da simulação, é visto também os dois trocadores (C1 e C2) que já estavam presentes no processo antes da integração energética. Eles continuam presentes para assegurar que as correntes atinjam os níveis de temperaturas requeridos, sendo utilizadas para tanto as utilidades quente e fria.

Calcula-se então a taxa de recuperação energética da rede de trocadores, que é definida como a razão entre a soma das potências dos trocadores de integração (i ao n), pela máxima energia recuperável (MER), como na Equação 4 abaixo:

𝜏 =∑ 𝑄𝑖 𝑛 𝑖=1 𝑄𝑀𝐸𝑅

100% (Equação 4)

Com base nisso, a taxa de recuperação para esse esquema de rede de trocadores é de 97,4%, que é de grande importância para o OPEX do processo. Contudo, na prática, esse esquema não é muito viável do ponto de vista industrial, pois a vazão de saída de um reator não é resfriada pela vazão de entrada do mesmo equipamento. Além disso, a divisão de corrente de 90% no segundo trocador não é favorável ao CAPEX do processo.

Misturador

Reator

simples Reator de Gibbs

Válvula Medidor 1

Misturador Divisor

RESULTADOS E DISCUSSÃO 60

Considerando-se essas conclusões, deve-se analisar um novo esquema de trocadores com o objetivo de não apenas melhorar a taxa de recuperação, mas também de resolver as implicâncias físicas e econômicas encontradas.

5.3.2. Esquema de integração contendo os refervedores das colunas de destilação Para este caso, foram tomados os mesmos resultados iniciais obtidos pelo Simulis Pinch, negligenciando, porém, a corrente de entrada do trocador 1 (antes da zona reacional) a fim de analisar apenas a troca de calor entre a corrente de saída da zona reacional e os refervedores das colunas de destilação.

Como resultado, foi proposto a seguinte rede de trocadores como na Tabela 30: Tabela 30 - Resultado do esquema de integração energética contendo os refervedores das colunas de destilação.

Fonte: Elaborado pelo autor, 2020.

Como comentado no esquema da seção anterior, de acordo com a tabela de trocadores acima, deve-se adicionar três trocadores de integração: ES1, ES2 e ES3 correspondentes aos refervedores das colunas D1, D2 e D3. Como estes contam com os refervedores, apenas trocadores do tipo “recebedor” serão adicionados ao flowsheet, na corrente de saída do reator de Gibbs. Com isso, tem-se que esta corrente será utilizada como fluido quente para aquecer o refervedor.

Consta-se que a corrente de saída do reator terá ainda bastante capacidade térmica após esses três trocadores. Portanto, foi feito um novo balanço de energia utilizando o módulo Análise Pinch do simulador, como já explicado, para extrair as novas informações energéticas do processo, considerando a adição dos três novos trocadores de integração.

Trocador Corrente fria (°C) Corrente quente (°C) Potência (kcal/h) Performance Divisão de corrente

Tin Tout Tin Tout

1 (D1) 190,6 190,6 650 625 1,03E6 100% -

2 (D2) 132,6 132,6 625 586,8 1,54E6 100% -

Assim, retoma-se o mesmo esquema de integração da seção anterior, onde a corrente de entrada do reator é aquecida pela corrente de saída do mesmo. Isso deixa de ser um problema, pois antes de realizar a troca térmica entre a entrada e saída da zona reacional, há três diferentes trocadores de integração, que dependem dos fluxos térmicos das colunas de destilação.

O resultado para essa nova análise é mostrado na Tabela 31 a seguir:

Tabela 31 - Resultado do esquema de integração energética contendo os refervedores das colunas de destilação.

Fonte: Elaborado pelo autor, 2020.

Analisando-se os dois trocadores acima, pode-se dizer que o segundo será adicionado logo após a alimentação do processo (C5 conectado ao ES5), seguido de um trocador aquecido por utilidade quente (C6). Após isso, o primeiro trocador de integração é colocado (C7 conectado ao ES4), seguido do trocador de utilidade quente (C1). Como nos esquemas anteriores, tem-se ainda o trocador de utilidade fria (C2) para resfriar a corrente de saída do reator até a temperatura requerida.

O processo de HDA completo, junto do esquema de integração considerando os refervedores das colunas de destilação, é mostrado na Figura 33:

Trocador Corrente fria (°C) Corrente quente (°C) Potência (kcal/h) Performance Divisão de corrente

Tin Tout Tin Tout

1 135 575 578,5 135 15,06E6 100% -

RESULTADOS E DISCUSSÃO 62

Figura 33 - Simulação do esquema de integração energética contendo os refervedores das colunas de destilação.

Fonte: Elaborado pelo autor, 2020.

A taxa de recuperação de energia foi estimada em 98,7%, apresentando um aumento de 1%. Neste novo esquema, não se tem mais divisão de corrente, e com a integração dos refervedores na corrente de saída do reator, a troca térmica entre a entrada e saída da zona reacional, não é mais problemática.

Conclui-se então que este esquema de integração energética incluindo os refervedores é mais interessante que o esquema automático calculado pelo Simulis Pinch, para o processo de HDA.

Alimentação CH4 + H2

Alimentação Tolueno Misturador

Reator

simples Reator de Gibbs

Válvula Flash Bomba centrífuga Purga Válvula Separador de constituintes Compressor Bifenilo Benzeno CH4 + H2 Medidor 1 Medidor 2 Calc1 Calc2 CH4 + H2 Spec Análise pinch

6 CONCLUSÕES

O presente trabalho realizou a análise, a simulação e a otimização do processo de hidrodealquilação de tolueno (HDA) de acordo com a metodologia de Douglas (1985), realizando a tomada de decisões necessárias para o bom andamento da simulação do processo. Foi realizado um estudo termodinâmico, onde dois modelos termodinâmicos foram escolhidos, baseado na zona pressão do processo: o modelo NRTL-Gás Ideal para zona de baixa pressão; e o modelo SRK-MHV2-UNIQUAC para a zona de alta pressão.

A simulação do processo de HDA foi feita em várias etapas, até que as especificações e restrições do processo fossem atingidas. Diversas hipóteses foram tomadas, como, por exemplo, a simulação de dois reatores para melhor representar a reação principal que é controlada e a reação secundária de equilíbrio. Para a simulação das colunas de destilação, dois métodos de cálculo foram utilizados: shorcut para estimação da separação; e NET para a simulação rigorosa da separação. Além disso, foi ainda utilizado um modulo de otimização “Spec” para assegurar que certas restrições do processo fossem respeitas.

Foi estudada ainda a intensificação da zona de separação do processo, para transformar as colunas D2 e D3 em uma só coluna, mas não se obteve sucesso. As taxas de recuperação para os produtos na coluna de intensificação foram inferiores àquelas obtidas para as Colunas D2 e D3 separadamente.

Por fim, para a integração energética do processo, foram realizadas duas redes de trocadores de calor: um esquema inicial baseado nos resultados do Simulis Pinch; e um segundo esquema adicionando os refervedores das colunas de destilação. O primeiro teve uma recuperação energética de 97,4% e o segundo esquema, uma de 98,7%. Com isso, conclui-se que o segundo esquema é o mais rentável com uma redução de 175,5 GWh/ano. Pode-se inferir então que a utilização direta da ferramenta Simulis Pinch pode não oferecer o design de rede de trocadores de calor mais otimizado, como foi o caso. É necessária ainda uma análise aprofundada das zonas de demanda energética do processo para assegurar o melhor esquema de recuperação de energia.

Conclui-se então que através da metodologia de Douglas (1985), a simulação de um processo industrial pode se tornar mais organizada, reduzindo assim o tempo de desenvolvimento da mesma.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 64

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