ANÁLISE EXERGÉTICA DE CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR
COMPRESSÃO EM UNIDADES DE PROCESSAMENTO DE GÁS
NATURAL (U.P.G.N.)
Caio César de Oliveira Gois, caiocesargois@aim.com1
Douglas Bressan Riffel, dougbr@ufs.br2
1Petrobras - Petróleo Brasileiro S/A,
2Universidade Federal de Sergipe, Núcleo de Engenharia Mecânica,
Resumo: Este trabalho realiza uma análise exergética de um ciclo de refrigeração por compressão de vapor do fluido
propano, utilizado em Unidades de Processamento de Gás Natural (UPGN). A importância da avaliação reside na possibilidade de qualificar os fluxos energéticos do sistema e mapear todos eles a fim de encontrar pontos de maior destrui-ção de exergia. A Unidade estudada se localiza em Aracaju-SE (Brasil) e é composta por dois compressores de grande porte, condensador formado por feixes tubulares refrigerados a ar, vasos de pressão acumuladores, válvulas de expansão controladoras de nível e permutadores do formato casco-tubo onde há a evaporação da corrente de refrigerante. O método utilizado para avaliação foi baseado numa modelagem computacional no software Aspen Hysys®, no qual foram feitas as predições das propriedades termodinâmicas de todos os fluxos e os cálculos necessários para obtenção dos valores de eficiência e destruição exergética nos equipamentos e no ciclo. A falta de algumas informações operacionais levou a adoção de algumas hipóteses para solucionar determinados balanços energéticos, as quais se mostraram uma boa aproximação da realidade. Como resultado, observa-se que as principais perdas estavam presentes nos elementos de compressão, de evaporação, de expansão e de condensação, numa ordem decrescente de destruição de exergia, respectivamente.
Palavras-chave: Refrigeração, análise exergética, simulações.
1. INTRODUÇÃO
Em uma UPGN se faz necessária a separação e recuperação dos hidrocarbonetos mais pesados do gás na forma líquida - de maior valor agregado - e do gás natural processado, para diversos usos: industrial, veicular, comercial e residencial. Para que estes fenômenos ocorram num processo de absorção é necessária à refrigeração do gás rico, isto é, do gás proveniente de poços de produção de petróleo que possui certa quantidade de hidrocarbonetos com cadeias carbônicas extensas (C3+), por um fluido refrigerante. Tornando possível a absorção dessa matéria-prima por outro fluido (conhecido como óleo de absorção) num vaso de pressão (torre) que opera sob altas pressões e baixas temperaturas, pois este resfriamento proporciona o aumento significativo da solubilidade das frações mais pesadas dos gases no líquido absorvedor (MÁXIMO, 2005).
O conceito de riqueza do gás diz respeito ao teor de compostos mais pesados que o propano (C3+), constituído pelas frações de C3H8 e C4H10 cuja aglomeração é chamada de G.L.P. (gás liquefeito de petróleo) em determinados
parâmetros de pressão e temperatura, e pela gasolina natural (C5+). A afirmação de que uma corrente de gás apresenta riqueza de 10% significa que esta é constituída por 10% de C3+ (GLP e gasolina natural) e 90% de gás com pequena cadeia carbônica (etano e metano). A porção mais leve (90%) irá compor, após tratamento e processamento em uma UPGN, a corrente de gás natural chamada de residual ou processada (MÁXIMO, 2005).
A absorção se dá por meio da utilização de um líquido ávido por hidrocarbonetos (óleo pobre) numa coluna vertical, onde há o contato direto dos componentes através de bandejas perfuradas dispostas em série ao longo da torre (DANIEL, 2005). A capacidade de resfriamento é vital para o funcionamento do processo, logo quando há graves imperfeições no sistema de refrigeração as consequências não se limitam ao desperdício de energia, afetando também a eficiência do processo de absorção, o que reduz o valor agregado dos produtos finais e exige reprocessamentos.
Análises técnicas de sistemas térmicos são concebidas através do conhecimento/inferição de vários parâmetros: trabalho gerado/consumido, calor fornecido/recebido, entalpia, entropia e exergia específicas das correntes. Essas informações são úteis na avaliação de desempenho dos circuitos, utilizando-as em conjunto com Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica (PLT, SLT). Através de uma análise exergética torna-se possível a qualificação dos principais causadores de desperdício energético, quantificando, inclusive, o que é passível de recuperação. O termo eficiência
exergética, baseado na SLT, fornece uma boa noção do desempenho de um sistema, tal coeficiente possui três definições: convencional/tradicional, racional e utilizável (SHUKUYA e HAMMACHE, 2002). A forma mais simples da eficiência exergética é representada pela forma tradicional que relaciona apenas o fluxo total de saída de exergia com o de entrada, num volume de controle. Este é um parâmetro de desempenho termodinâmico e mede apenas a irreversibilidade interna do sistema, desconsiderando a função do equipamento, sendo chamado também de grau de perfeição termodinâmica (SZARGUT et al. 1988).
KOTAS (1985) definiu o coeficiente racional como a razão entre a saída exergética desejada e a entrada consumida ou utilizada. Essa relação pode ser aplicada para qualquer sistema, menos àqueles puramente dissipativos, pois nesses casos não existe um fluxo de exergia esperado, afirmaram SHUKUYA e HAMMACHE (2002). Tal definição, também chamada como abordagem de engenharia, foi utilizada por VATANI et al. (2010) numa análise exergética em trocadores de calor. A última definição de eficiência é baseada num componente da exergia que não se transforma ou destrói ao decorrer de um fenômeno, também chamado de porção transitória, ou seja, ao final de um processo em que haja mudanças e destruições das formas de exergia uma parte desta permanecerá inalterada (SHUKUYA e HAMMACHE, 2002). Essa lógica é geralmente aplicável a processos químicos em que há componentes que não reagem totalmente, compondo a parte transitória do sistema.
O objetivo desse artigo é apresentar os resultados desse estudo e as soluções práticas de aperfeiçoamento. Necessitando de maiores explicações e detalhes, recomenda-se ler o trabalho de conclusão de curso do primeiro autor deste trabalho (GOIS, 2011).
2. METODOLOGIA
Para análise do referido ciclo termodinâmico, os parâmetros operacionais reais, medidos na unidade em estudo, foram inseridas em um software de simulação de processos amplamente utilizado na indústria de petróleo (Aspen Hysys®).
2.1. Hipóteses adotadas
• Todos os processos analisados operam sob regime permanente;
• Os compressores e os trocadores de calor do sistema operam de forma adiabática;
• As equações de estado da matéria foram definidas pelo modelo de Peng-Robinson;
• O refrigerante utilizado teve concentração molar de 100%;
• A eficiência mecânica dos compressores foi estimada em dados da literatura;
• As incertezas de medição foram desconsideradas;
• Variações de energia cinética e potencial nos volumes de controle foram negligenciadas;
• Pequenas variações na composição do gás natural a ser processado foram ignoradas;
2.2. Descrição do Processo
A análise proposta se fez em um ciclo de refrigeração de gás natural, mais precisamente, o que está presente na UPGN no polo industrial da Petrobras situado na Rodovia dos Náufragos, S/N, Bairro Atalaia, Aracaju-SE. O ciclo possui como objetivo resfriar o gás rico, que é obtido na produção de petróleo marítima e terrestre, e o fluido de absorção (aguarrás). O esquema do circuito pode ser visto de forma simples na Figura 1, em que são dispostos todos os elementos principais do ciclo, e correntes que compõem no sistema.
2.3. Balanços de Massa e Energia
A abordagem do sistema utilizando a PLT foi feita para mensurar vários parâmetros presentes no sistema, como quantidade de energia transferida sob a forma de calor, vazão mássica necessária de algumas correntes, determinação do trabalho mecânico de alguns equipamentos e de valores de entalpia específica de outros pontos do sistema.
2.4. Cálculo exergético
Neste trabalho, foram levadas em consideração apenas as componentes térmicas e mecânicas da exergia dos fluidos trabalhados. As, em relação ao ambiente, de temperatura e pressão das várias correntes, culminam na possibilidade da realização de trabalho útil, enquanto que do ponto de vista químico os fluidos não apresentam reatividade com o meio e tampouco são utilizados em processos de combustão durante os processos do ciclo, validando a sua desconsideração.
A determinação das eficiências exergéticas dos equipamentos foram obtidas estabelecendo as exergias específicas de cada fluxo do sistema, utilizando-as nos balanços de exergia necessários. O cálculo das exergias específicas, demonstrado na equação (1), adota como propriedades de referência a entalpia e entropia de correntes de produtos que se encontram a pressão e temperatura ambientes.
(1) Após a obtenção de tais valores específicos foram feitos vários balanços exergéticos com o intuito de calcular a eficiência de cada componente do ciclo. Processo este utilizando a abordagem de engenharia proposta por KOTAS (1985), exceto para as válvulas controladoras e vasos de pressão, onde foi utilizado o método tradicional a fim de evitar valores nulos de eficiência, tendo em vista que não há nenhuma saída de exergia desejada nesses equipamentos. As diversas relações utilizadas podem ser vistas na Tabela 1, onde há uma separação para cada tipo de elemento.
Tabela 1: Formulário de eficiências exergéticas para todos os componentes.
Após a descoberta dos valores das eficiências dos elementos foram feitos os cálculos da magnitude de destruição da energia útil que cada componente efetuou. Para tal foram necessários os dados de vazões mássicas e exergias específicas encontradas anteriormente.
Os valores em questão podem ser obtidos de duas formas, uma delas emprega o produto entre as eficiências exergéticas e a exergia dos fluxos de entrada do processo, enquanto a outra aplica um balanço global no volume de controle, considerando a diferença entre a taxa de exergia fornecida ao sistema e a taxa que o deixa. A escolha desse trabalho foi por utilizar o segundo método, exposto na Tabela 2.
Elemento Eficiência exergética (
Compressor
Vaso de pressão
Trocador de calor (casco-tubo)
Trocador de calor (air-cooler) Válvula controladora
Tabela 2: Método de cálculo para destruição exergética.
3. ANÁLISE EXERGÉTICA
O sistema analisado é sensível a vários parâmetros operacionais que podem ou não ser passíveis de manipulação. Os fatores principais que determinam o comportamento do sistema são vistos na Tabela 3, os quais foram considerados constantes e utilizados para as simulações.
Tabela 3: Condições de operação do sistema.
O gráfico de temperatura versus entropia é mostrado na Figura 2, considerando o refrigerante propano (R290). Os pontos 1 e 14 representam a sucção do primeiro e segundo estágio dos compressores, enquanto que os pontos 2 e 40 simbolizam a descarga dos mesmos, o processo de condensação do fluido é percebido entre os pontos 40 e 7, os estrangulamentos das duas válvulas de expansão são representados por dois segmentos (12-28 e 15-20). A porção de fluido que retorna ao compressor sem permear a área de evaporação é visto entre os pontos 28 e 18, o restante é enviado para o sistema de evaporação que é compreendido entre os pontos 21 e 17/29, passando pelo V-03 (ponto 20).
Dados Elemento Método do balanço exergético
Taxa de destruição de exergia Compressor Vaso de pressão Cede calor Absorve calor Trocador de calor (casco-tubo) Cede calor Adiabático Trocador de calor (air-cooler)
Válvula controladora
Características Valor
Temperatura Ambiente 28°C
Vazão de gás rico a ser refrigerado 23,10 kg/s
Temperatura do gás rico 36,33 °C
Pressão do gás rico 33,99 kgf/cm²
Riqueza do gás 8,86%
Vazão total de propano circulante 13,61 kg/s
Eficiência volumétrica do compressor A 85%
Figura 2: Representação do ciclo de propano (R290) no diagrama T-s. 3.1. Compressores
Os compressores alternativos são os equipamentos do ciclo em que mais estão presentes fenômenos que destroem exergia: atrito, vibrações e trocas térmicas culminando num processo de compressão irreversível. O primeiro passo tomado para quantificar essas perdas foi o cálculo das eficiências utilizando a abordagem racional, que nesse caso coincide com a tradicional, pois boa parte da energia fornecida é convertida em outra forma: de elétrica para mecânica.
O método empregado para o cálculo da eficiência exergética dos compressores foi abordado na Tabela 1 e o resultado é exposto na Tabela 3, a seguir:
Tabela 3: Dados das eficiências exergéticas encontradas nos compressores.
O próximo passo foi quantificar o montante de exergia que foi destruído em cada um dos dois estágios de compressão. A equação, descrita na Tabela 2, especificamente adequada a compressores, foi utilizada e determinaram-se essas perdas, relativas ao atrito e às vibrações.
Os resultados encontrados para os dois compressores (A, B) estão dispostos na Tabela 4, incluindo a destruição de cada estágio (01 e 02).
Tabela 4: Dados das taxas de destruição exergética encontradas nos compressores.
Os resultados indicam equipamentos com maiores taxas de destruição exergética e menores eficiências no primeiro estágio de compressão, isso se deve a ocorrência de maiores variações de temperatura e pressão neste processo do que as percebidas no segundo estágio.
Dados Compressor Estágio Valor
Eficiência Exergética A 1 63,41% 2 79,73% 1 e 2 72,96% B 1 63,99% 2 79,29% 1 e 2 72,79%
Dados Compressor Estágio Valor
Destruição de Exergia A 1 148,4 kW 2 104,6 kW 1 e 2 253,0 kW B 1 147,6 kW 2 107 kW 1 e 2 254,6 kW
3.2. Vasos de pressão
Os três vasos que compõe o sistema possuem capacidades volumétricas diferenciadas, vazões de entrada e saída variadas e condições operacionais também desiguais, o que leva a adotar uma visão específica de avaliação para cada um, apesar dos métodos de cálculo de eficiência e destruição exergética serem semelhantes.
A primeira etapa de análise foi voltada a obtenção das eficiências exergéticas, para isso foram assimiladas quais eram as entradas e saídas dos vasos e feitos arranjos de acordo com a equação disposta na Tabela 1, especificamente para esse tipo de equipamento. Foi levada em consideração a magnitude de energia trocada com o ambiente sob a forma de calor, apesar desse fenômeno não ser função do componente do processo e sim uma consequência, que origina a redução da exergia do fluxo avaliado, quer o equipamento esteja operando acima da temperatura ambiente ou abaixo desta.
A Tabela 5 demonstra os resultados encontrados para os três vasos, onde pode ser notado que os valores sempre se aproximam de 100%. Esses equipamentos apresentam tais características porque não possuem interações significativas com o meio, ou seja, não realizam trabalho e tampouco trocam uma quantidade de calor considerável com este.
Tabela 5: Dados das eficiências exergéticas encontradas nos vasos de pressão.
A alta eficiência encontrada em todos os vasos se deve também ao fato de que estes elementos não possuem como função a expansão do fluido de refrigeração e sim seu acúmulo, ou seja, o principal fator que influencia em seu coeficiente de desempenho exergético é a troca de calor deste com o ambiente, a qual transporta e destrói exergia, pois tal fenômeno ocorre a um diferencial de temperatura finitesimal.
Taxas de destruição de exergia foram encontradas utilizando balanços exergéticos aplicados a volumes de controles que contemplassem apenas os vasos, desconsiderando a extensão de quaisquer tubulações conectadas a estes, conforme equações específicas para esses equipamentos contidas na Tabela 2.
Os valores obtidos podem ser vistos na Tabela 6 e mostram que o terceiro vaso apresentou a maior taxa de destruição de exergia, devido à irreversibilidade gerada pelo processo de evaporação do fluido refrigerante, graças à energia fornecida pelos trocadores de calor.
Tabela 6: Dados das taxas de destruição exergética encontradas nos vasos de pressão.
3.3. Trocadores de calor
As análises realizadas nos trocadores de calor tiveram diferentes abordagens para cada tipo: casco-tubo adiabático, casco-tubo não adiabático e feixe tubular resfriado por air coolers. A importância dessas avaliações é tão grande quanto aquelas feitas para os compressores, pois esses dois grupos de equipamentos são os principais componentes do ciclo, ou seja, é onde efetivamente ocorrem as trocas térmicas.
O primeiro julgamento foi feito no P-05, onde foram encontrados os dados de potência ativa utilizadas pelos ventiladores, as quais foram calculadas tendo o valor de tensão aplicada, corrente elétrica e fator de potência fornecido pelo fabricante dos motores. Como a análise foi baseada na operação do ciclo fora da condição de carga máxima, um dos ventiladores estava inoperante e outros dois estavam com rotações reduzidas como mostra a Tabela 7.
Tabela 7: Dados para cálculo de potência dos ventiladores do P-05.
Dados Valor Equipamento
Eficiência Exergética
99,91% V-01
99,93% V-02
99,64% V-03
Dados Valor Equipamento
Taxa de destruição de exergia
1,464 kW V-01
1,075 kW V-02
5,632 kW V-03
Equipamento Tensão Aplicada Corrente Fator de Potência Potência Ativa
Ventilador – 1 440 V 50 A 0,7 15,4 kW Ventilador – 2 440 V 48 A 0,7 14,8 kW Ventilador – 3 440 V 49 A 0,7 15,1 kW Ventilador – 4 440 V 0 A 0,7 0 kW Ventilador – 5 440 V 31 A 0,7 9,5 kW Ventilador – 6 440 V 32 A 0,7 9,9kW --- --- --- Somatório 64,7 kW
A soma total das potências consumidas pelos air coolers não foi inserida no cálculo da taxa de destruição de exergia do P-05 pelo seguinte fato: foi considerado que essas potências tenham se convertido integralmente em energia cinética do ar. Sabendo-se que a exergia desse tipo de conversão é igual ao próprio valor da energia cinética (ÇENGEL e BOLES, 2006) conclui-se que diante um balanço global não haveria destruição associada a esse processo.
Os três trocadores P-02, P-03 e P-04 compõem a porção de evaporação do sistema, e para tais equipamentos foi assumida uma operação de forma adiabática.
Os valores de eficiência foram calculados utilizando as duas metodologias, tradicional e racional, para que fosse possível notar a diferença entre as duas abordagens. Os resultados demonstram que a preferência pela utilização do segundo método foi a melhor escolha, pois este representa de forma coerente as transformações que ocorrem no sistema. Os valores tradicionais indicam elementos com eficiência exergética superior a 90% mesmo quando os balanços globais confirmam altas taxas de destruição de exergia, enquanto que a técnica de engenharia sugere valores porcentuais compatíveis com essas perdas exergéticas.
Os trocadores de calor apresentaram valores de eficiência, mostrados na Tabela 8, coerentes quando comparados a resultados de outros trabalhos presentes na literatura. AMIDPOUR et al. (2008) afirmaram encontrar coeficientes próximos aos deparados no presente trabalho, quando se comparam equipamentos com trocas térmicas similares. Eficiências com valores entre 59% e 84% foram obtidas numa análise exergética de plantas de refrigeração em unidades de recuperação de C2+, onde também fora utilizado o software Aspen Hysys® (VATANI et al., 2010).
Os três permutadores revelaram valores de taxa de destruição e eficiência exergética diferenciados, sempre proporcionais à carga térmica que cada um proporcionou, ou seja, o montante de energia transferido entre os fluidos. O pior comportamento foi visto no P-02, pois neste está presente a maior vazão de todo o sistema e também a mais elevada carga térmica, além deste equipamento apresentar a maior diferença entre a temperatura entre do fluido refrigerado e refrigerante, favorecendo a destruição exergética.
A análise exergética do P-01 revelou-se peculiar, pois ambos os fluidos de operação do permutador perderam exergia através da troca térmica. Essa variação foi influenciada, majoritariamente, pela diferença de temperatura entre entrada e saída dos fluidos e sua relação com a temperatura ambiente. O fluido frio possuía, inicialmente, certa quantidade de exergia devido a sua temperatura ser inferior à de referência, já sua condição de saída apresentava um valor exergético menor que o inicial, levando a uma variação negativa dessa propriedade. Uma esquematização gráfica pode ser vista na Figura 3, mostrando a variação da exergia do fluido quente e frio, exemplificando a perda por parte das duas correntes.
Figura 3: Esquema gráfico da variação de exergia no P-01;
Dentro do volume de controle analisado, visto na Figura 4, há uma troca de calor em que o fluido do tubo (refrigerante) perde energia, levando consigo uma quantidade de exergia a qual não é aproveitada pelo outro fluido, resultando em sua destruição.
Figura 4: Esboço do volume de controle analisado no P-01.
Ambos os fluidos apresentam variações negativas de exergia, logo não é possível a utilização da eficiência exergética racional nesse equipamento e sim da tradicional. A destruição total de exergia pode ser mensurada
somando-se as variações exergéticas das duas correntes com a transferência de exergia proporcionada pela perda de calor para o ambiente.
Tabela 8: Dados das taxas de destruição e eficiências exergéticas encontradas nos trocadores de calor.
3.4. Válvulas controladoras
As válvulas analisadas neste sistema apresentaram-se bastante eficientes, do ponto de vista exergético, o que já era esperado, pois estes equipamentos não possuem interação com o meio, sendo que todo valor destruído de exergia foi perdido através da dissipação viscosa. Os resultados são expostos na Tabela 9.
Tabela 9: Dados das taxas de destruição e eficiências exergéticas encontradas nas válvulas controladoras.
É importante ressaltar que a válvula VL-01 apresentou valores nulos de eficiência e destruição de exergia, pois na situação avaliada não houve qualquer fluxo através desse componente. O menor valor do coeficiente de desempenho foi encontrado na VL-02 assim como a maior taxa de destruição exergética, devido a maior redução de pressão presente no sistema (10,21 kgf/cm²) e a passagem do maior valor de vazão mássica dentre as válvulas (13,61 kg/s). Um acontecimento interessante deve ser observado neste equipamento, a temperatura de entrada do fluido é superior à ambiente já a saída é inferior, isso caracteriza duas formas de exergia térmica: a primeira em que as vizinhanças funcionam como sumidouro de calor e a segunda operando como fonte de calor. Tal evento foi citado por SHUKUYA (1996) distinguindo esses dois tipos de exergia: warm e cool. A diferença primordial entre as duas formas está no fato de que uma substância pode alcançar o equilíbrio com o ambiente através de cessão ou de assimilação de energia na forma de calor. Na modalidade warm a transferência de exergia associada ao calor simboliza o trabalho máximo realizado por uma máquina de Carnot situada entre o ambiente e o elemento avaliado, já o tipo cool equivale o trabalho mínimo exercido por uma bomba de calor ideal, onde esta retira uma quantidade tal de energia do elemento para que possa ser mantida sua baixa temperatura.
3.5. Circuito completo
O ciclo foi analisado estimando-se o valor de sua eficiência exergética. Os dados de temperatura do evaporador e condensador foram assimilados da corrente de saída do V-03 e da saída do P-05, respectivamente. Os resultados mostraram que o máximo COP possível desse ciclo teria o valor 3,202 enquanto que o seu valor real apresentou-se como 1,636, procedendo a um valor de eficiência exergética de 51,10%. Esse número representa o que já era esperado, devido às várias formas de destruições exergéticas que aconteceram nos componentes do sistema. Todas as informações relativas à eficiência exergética do circuito são vistas na Tabela 10.
Equipamento Eficiência exergética tradicional Eficiência exergética racional Taxa de destruição de exergia Carga térmica
P-01 99,49% Não Aplicável 11,02 kW 117,4 kW
P-02 96,77 % 50,06 % 323,3 kW 2747 kW
P-03 99,85 % 56,57 % 12,42 kW 121,4 kW
P-04 92,59 % 73,14 % 16,60 kW 262,1 kW
P-05 87,12 % 85,03 % 51,41 kW 4917 kW
Equipamento Eficiência exergética Taxa de destruição de exergia
VL-01 -- 0
VL -02 92,38 128,8 kW
VL -03 93,90 72,41 kW
VL -04 96,49 13,03 kW
VL -05 99,38 2,31 kW
Tabela 10: Resultados da análise geral do ciclo.
Dados Valor Equipamento
COP real 1,636
Ciclo
COP ideal 3,202
Trabalho Consumido 1913 kW
Calor Absorvido 3130,5 kW
3.6. Visão geral e comparativa
Com todos os dados descobertos foi possível realizar uma comparação real entre os componentes, em que fossem considerados seus valores de eficiência e de destruição de exergia. Comparativos gráficos podem ser vistos nas Figuras 5 e 6, apresentando resultados individuais dos equipamentos e das quatro áreas do sistema.
Tradicionalmente análises exergéticas apontam para grandes perdas nos elementos compressores de fluidos e trocadores de calor (AHAMED et al., 2011), o que se confirmou na presente análise.
O resultado mostra evidentemente que o trocador P-02 é o componente que provoca a maior destruição de exergia, mesmo quando comparado a outros elementos que geralmente geram mais entropia, como os compressores. Suas condições operacionais e a alta transferência de energia a um diferencial de temperatura consideravelmente elevado, explicam sua notável destruição de exergia.
Figura 5: Gráfico em forma de pizza para porcentual de destruição da exergia pelos componentes do ciclo.
Figura 6: Quantificação das destruições exergéticas das quatro áreas do sistema. 4. CONCLUSÃO
Unidades de Processamento de Gás Natural possuem métodos de refrigeração do gás rico que é fracionado, este trabalho analisou um sistema por compressão de vapor de propano, o qual opera em regime permanente com uma carga térmica considerável. Os equipamentos que compõe o circuito oscilam suas condições de funcionamento de acordo com o parâmetro de vazão de propano, que por sua vez é determinado pela demanda de refrigeração imposta pela quantidade de matéria na entrada da unidade.
As propriedades termodinâmicas de todas as correntes pertencentes ao sistema foram calculadas de acordo com dados reais aferidos, através de um software de simulação de processos industriais da área de processamento e refino de petróleo e gás natural: Aspen Hysys®. As predições e os resultados dos balanços foram reunidos, possibilitando a realização dos cálculos exergéticos específicos de todos os fluxos mássicos presentes. Valores de eficiência foram encontrados através de duas diferentes formas para alguns equipamentos, porém apenas foi considerada aquela que representasse com mais fidelidade os fenômenos em questão. Utilizaram-se balanços globais de exergia com o intuito de quantificar a taxa de sua destruição nos componentes do circuito.
O método de análise exergética aplicado ao ciclo de refrigeração apresentou um resultado capaz de quantificar a quantidade de exergia desperdiçada e a qualidade dos processos que ocorriam em cada etapa do sistema. Os resultados apontaram para uma alta taxa de destruição em várias porções do ciclo, principalmente no sistema de compressão (responsável por 45% das perdas). Um trocador de calor, da seção de evaporação do fluido refrigerante, foi o equipamento menos conservador de exergia (possuindo a menor eficiência dentre todos os equipamentos e o maior
valor de irreversibilidade). As válvulas de expansão também se mostraram impactantes para o resultado final de eficiência do ciclo, contribuindo com 19% das perdas de qualidade de energia.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a PETROBRAS, a UFS e a FAPITEC pelo apoio recebido.
6. REFERÊNCIAS
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Gois, C.C.O., 2011, “Análise exergética de ciclo de refrigeração por compressão em unidades de processamento de gás natural (U.P.G.N.)”. Trabalho de Conclusão de Curso aprovado no curso de Engenharia Mecânica, UFS, São Cristóvão, Sergipe, Brasil.
Kotas, T.J., 1985, “The Exergy Method of Thermal Plant Analysis”, Anchor Brendon Ltd, London, England.
Máximo, D.H.F., 2005, “Introdução ao Processamento e Tratamento do Gás Natural”. Apostila do curso de engenheiro de processamento, UM-BSOL/ATP-U/OP, Manaus, Brasil.
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Szargut, J., Morris, D.R., Steward, F.R., 1988, “Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Metallurgical Processes” Hemisphere Publishing Co., New York, USA.
Vatani, A., Tirandazi, B., Mehrpooya, M., Moosavian, S.M.A., 2011, “Exergy analysis of C2+ recovery plants refrigeration cycles”, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Volume 50, Issue 9, pp. 916-930.
7. DIREITOS AUTORAIS
EXERGETIC ANALYSYS OF VAPOR-COMPRESSION REFRIGERATION CYCLE IN NATURAL GAS PROCESSING PLANTS (NGPP)
Caio César de Oliveira Gois, caiocesargois@aim.com1
Douglas Bressan Riffel, dougbr@ufs.br2
1Petrobras - Petróleo Brasileiro S/A,
2Federal University of Sergipe, Mechanical Engg Department,
Abstract. This paper conducts an exergetic analysys of vapor-compression refrigeration cycle of propane, used in
Natural Gas Processing Plants (NGPP). The importance of evaluation lies in the possibility of qualifying energy flows of the system and map them all to find the points of greatest exergy destruction. The unit studied is located in Aracaju-SE (Brazil) and is composed of two large compressors, condenser formed by tube bundles air-cooled, accumulators pressure vessels, expansion valves which controls the levels, shell and tube heat exchangers where the coolant stream evaporates. The method used for evaluation was based on computer modeling software in Aspen Hysys ®, in which the predictions of the thermodynamic properties of all the flows and the calculations necessary to obtain the values of exergetic efficiency and destruction of exergy in the equipment and in the cycle were made. The lack of some operational information led to the adoption of some simplifying assumptions to solve certain energy balances, which proved to be a good approximation of reality. As a result, it is observed that the main losses were present in the compression, evaporation, condensation and expansion elements, in order of decreasing exergy destruction, respectively.
