Processos Químicos III Módulo II

Utilidades

Investimentos

Podem estar relacionados à aquisição de equipamentos para:

Geração e distribuição de eletricidade Geração e distribuição de vapor

Água de processog p Água de resfriamento Água de incêndio Compressão de arp

Geração ou armazenamento de gás inerte

O custo das utilidades, em si, não está associado somente à aquisição dos equipamentos, mas também aos custos advindos de sua instalação na unidade:

Instalação de tubulações e válvulas Instalação dos sistemas de controle Fundações

Isolamentos térmico e elétrico Pi t

OBS.: Em geral, o custo de instalação de um equipamento em uma unidade industrial é de 2 a 4 vezes superior ao valor do próprio equipamento (SMITH, 2005).

Pintura

Trocadores de Calor (revisão)

Tipos Usuais

Trocadores tubulares (tubo-duplo) e trocadores casco-tubo

Tubo duplo (KERN) Casco-tubo (KERN)

Trocadores de Calor (revisão)

Casco-tubo

Trocadores de Calor (revisão)

Casco-tubo

Sua construção segue as normas da Tubular Exchangers Manufactures Association (TEMA)

Association (TEMA)

Estabelecimento de critérios para projeto, construção, teste, instalação e

manutenção manutenção

São definidas 3 classes de trocadores de calor:

Cl R li õ i d t d t ól

Classe R – para uso em aplicações associadas processamento de petróleo (serviço severo)

Classe B – para uso na indústria química em geral

Classe C para uso considerado moderado na indústria em geral

Classe C – para uso considerado moderado na indústria em geral

As tubulações podem ser fabricadas em diversos materiais: aços, latão, liga cobre-níquel (70-30), alumínio, aços inoxidáveis etc.q ( ), , ç

Trocadores de Calor (revisão)

Casco-tubo (2 passes no tubo e 1 passe no casco)

Geralmente requeridos quando houver necessidade de grandes áreas de troca térmica

Quanto aos defletores, podem ser de segmento simples duplo ou triplo

segmento simples, duplo ou triplo

Trocadores de Calor (revisão)

Vedação

Fundamental para se evitar perdas de fluidos e consequente eficiência do processo bem como evitar riscos à saúde do trabalhador e ao meio ambiente processo, bem como evitar riscos à saúde do trabalhador e ao meio ambiente

Igual cuidado deve-se tomar quando se trabalhar com vapor d´água (Segurança)

Trocadores de Calor (revisão)

Vedação

Uma boa junta deve conciliar resistência ao esmagamento, proveniente de apertos, com resistência a pressões elevadasp , p

O fabricante deve calcular, portanto, os limites de torques referentes a cada tipo de juntaj

Se o torque aplicado for menor do que o mínimo – não há vedação

Projeto de Trocadores de Calor (revisão)

Fenômenos de transferência de calor

Força motriz: é a diferença de temperatura (∆T) entre as correntes quentes e frias

Em um sistema tubular, esta diferença está relacionada também com a dimensão longitudinal e, por conseguinte, com a área de troca térmica

O termo “U” equivale a um fator de proporcionalidade entre o fluxo energético e

∆T sendo chamado de coeficiente global de transferência de calor ∆T, sendo chamado de coeficiente global de transferência de calor

O termo “U” engloba a resistência à troca térmica: U.A = 1/∑R

∑R = 1/ht.At + R_Dt/At +R_cond +R_DS/As + 1/hs.As

Resistência por convecção fora do tubo S

Resistência condutiva

Resistência a depósitos fora do tubo

R i tê i d ó it d t d t b

t

Resistência por convecção dentro do tubo

Projeto de Trocadores de Calor (revisão)

Adotando a área externa (As) como a de referência, tem-se que A = As

Assim,,

U = 1/[1.As/ht.At + R_Dt. As/At +Rcond +R_DS + 1/hs]

Mas como Rcond = ln(De/Di)/2π.L.k,

U = 1/[1.As/ht.At + R_Dt. As/At + ln(De/Di)/2πLk +R_DS + 1/hs]

Colocando As = π.De.L e At = π.Di.L, e admitindo que De ≈ Di, tem-se que:

U = 1/[1/ht + R_Dt + R_DS + 1/hs],

onde R_Dt+ R_DS está associado ao fator de formação de depósitos no trocador de calor.

DE

Projeto de Trocadores de Calor (revisão)

Cálculo de ∆T (método MLDT)

Realizado em função das temperaturas de entrada e saída dos fluidos

Fluxo contra-corrente (KERN) Fluxo em paralelo (KERN)

Projeto de Trocadores de Calor (revisão)

Exemplo 1

Um fluido quente entra em um trocador de tubos concêntricos a temperatura de 150oC, sendo resfriado por um fluido frio até a temperatura de 95oC. O fluido frio, p p entra a 40oC e sai a 70oC. Qual o melhor projeto para fluxo das correntes, em paralelo ou contra-corrente?

Exemplo 2

Projeto de Trocadores de Calor (revisão)

Cálculo do trocador de calor tubo duplo

(1)De posse das temperaturas terminais dos fluidos quente e frio, determina-se o valor de Q, pelo balanço energético:

(2)Determinação do coeficiente global de transferência de calor (U); (3)Determinação do MLDT;

(4)Obtenção da área de troca térmica.

Para o cálculo da perda de carga, é necessário o conhecimento do comprimento total correspondente à trajetória do fluido no trocador de calor.

Para o tubo interior:

(1) Avaliar o regime de escoamento, se laminar ou turbulento; (2) Determinar o fator de atrito;

Projeto de Trocadores de Calor (revisão)

P ã l

Para a secção anelar:

(1) Cálculo do diâmetro equivalente;

Sendo o perímetro molhado correspondente à circunferência externa do tubo interno e a área do fluxo correspondendo à área da secção anelar.

Como determinar o coeficiente global “U” para sistemas tubo-duplo?

Neste caso, como ele depende dos coeficientes de transferência locais (h_i e h_o), eles devem ser primeiramente determinadosp

Projeto de Trocadores de Calor (revisão)

Corrigindo o valor de h_i para a superfície, tem-se que:

Agora, de posse desses valores, é possível chegar ao valor do coeficiente global de transferência de calor (U):

de transferência de calor (U):

1/U = 1/h_io + 1/h_o

que, pela resolução:

1/U = (h + h_i )/h_i h 1/U (h_o + h_io)/h_io.h_o

U = h_io.h_o/(h_o + h_io), que é o coeficiente global de transferência de calor que não leva em conta os fatores de incrustação

Projeto de Trocadores de Calor (revisão)

Exemplo 3

Deseja-se aquecer 9820 lb/h de benzeno de 80oF a 120oF usando tolueno, cujas temperaturas de entrada e saída são, respectivamente, 160oF e 100oF. Asp , p , gravidades específicas a 68oF são 0,88 e 0,87, respectivamente. A cada corrente será admitida um fator de incrustação de 0,001 e uma queda de pressão de 10 lb/in2_.

Dispõe-se de um certo número de conjuntos de tubos concêntricos de 20 pés de comprimento, com tubos de 2 in e 11/4 _{de polegada, padrão IPS. Quantos}

Trocador de Calor (

perda de carga

)

Para um trocador de calor deve-se prever, também, a perda de carga no sistema

Tubulações circulares

Para perfis não-circulares, utiliza-se o diâmetro hidráulico

Perda de carga de um fluido percorrendo vários passes em Perda de carga de um fluido percorrendo vários passes em um tubo:

Trocador de Calor (

perda de carga

)

A perda de carga no lado do casco pode ser determinada por diversos métodos

Mét d B ll D l

Método Bell-Delaware:

Trocador de Calor (

perda de carga

)

PN é o passo normal, de valor tabelado:

Trocador de Calor (

avaliação)

Seleção de um tipo básico de trocador de calor (TC)

Cálculo manual ou por ferramenta computacional

Estimativa dos parâmetros do TC

Avaliação do TC: performance térmica e hidráulica

Modificações no projeto

Avaliação do projeto: taxa de transf. de calor, temperaturas de saída e

perdas de cargas são aceitáveis?

Trocador de Calor (

avaliação)

Custo de Trocador de Calor

Os custos de quaisquer equipamentos industriais podem ser expressos em função do tamanho, do material de construção, da pressão e da temperatura

admissíveis. Esses custos freqüentemente são apresentados em cartas ou expressos pela seguinte relação:

CE = custo do equipamento de capacidade Q

CB = custo conhecido de um equipamento com capacidade QB CB custo conhecido de um equipamento com capacidade QB M = constante que depende do tipo de equipamento

Usualmente as constantes são tabeladas para alguns equipamentos: p g q p

Custo de Trocador de Calor

A correlação pode fornecer valores mais aproximados através da consideração de fatores de correção, os quais levam em conta o tipo de material para a construção do equipamento, a pressão e a temperatura de processos.

Onde fm = fator de correção para o material de construção fp = fator de correção para a pressão

ft = fator de correção para a temperatura ft fator de correção para a temperatura

Custo de Trocador de Calor (

forno rotativo

)

N d t lh t fi i d j t d t bé i l i t

(Custos referentes à década de 1980)

No detalhamento financeiro de um projeto, deve-se também incluir os custos associados à manutenção e, principalmente, à instalação dos equipamentos

Para os fornos rotativos: Para os fornos rotativos:

- custos de instalação podem ser 3x superior ao custo do próprio equipamento

Trocador de Calor (

retrofit

)

Custos associados a melhorias nos equipamentos de troca térmica, visando à:

Eliminação de emissões fugitivas;ç g

Eliminação ou redução de riscos à saúde do trabalhador; Maior eficiência do processo de troca térmica;

Redução de custos de manutenção e paradas de unidade advindas dos procedimentos de limpeza;

Garantia das condições de processo inicialmente projetadas (perda de carga e diferenças de temperatura)

- Quanto à eficiência, muitas vezes ela pode ser alcançada pela instalação de elementos corrugados alcançada pela instalação de elementos corrugados (aletas) ou pelo aumento de sua profundidade

- A redução dos custos de manutenção relacionados à corrosão pode ser obtida pela aplicação de uma camada de revestimento de aço ou de um revestimento

p p ç ç

Trocador de Calor (

demais aplicações

)

Aquecimento de tanques; aquecimento de ar; concentração de soluções poliméricas (thin layer evaporators); remoção de sais de correntes aquosas (dessalgadoras); obtenção de pós (spray-driers), fusão de polímeros etc.

Serpentinas

Correias “evaporadoras” Correias evaporadoras

Trocador de Calor (

demais aplicações

)

Reator encamisado Pré-aquecedor de ar

Forno rotativo

Trocador de Calor (

demais aplicações

)

Forno rotativo (estimativa do tempo de residência)

Ɵ = tempo de residência (min) L = comprimento do forno (ft) D = diâmetro interno (ft)

S = inclinação do forno (ft/ft) N = velocidade de rotação (rpm)

Trocador de Calor (

demais aplicações

)

Spray-driers

Recomendados para secagem de lamas, soluções e de

t d t i iá l t

pastas onde se torna inviável a secagem por outros equipamentos disponíveis, ou quando o material a ser seco é muito sensível ao calor , não podendo permanecer a altas temperaturas por muito tempo ou permanecer a altas temperaturas por muito tempo, ou quando suas partículas tendem a se aglomerar se secas em condições de diluição

Parâmetros a serem considerados:

-Tamanho desejado de partículas

-Características da carga (viscosidade,

Trocador de Calor (

demais aplicações

)

Spray-driers

Tamanho médio das gotas (estimativa)

Tamanho médio das gotas (µm)

Tensão superficial (dyn/cm)( y ) Viscosidade da carga (P)

Velocidade relativa ar/líq

Trocador de Calor (

demais aplicações

)

Condensador barométrico

Torre de refrigeração

Trocador de Calor (

demais aplicações

)

E C t ã d d l j d 10% 50% Q l á d t

Ex.: Concentração de suco de laranja, de 10% a 50%. Qual a área de troca térmica necessária?

(1) Balanço de massa

( ) ç

(2) Balanço de energia

(3) Substituição na equação

Integração de Processos (IP)

Pode ser considerada como uma forma eficiente da indústria aumentar sua produtividade através da redução do consumo de energia, água e matéria-prima, bem como redução das emissões de gases e da geração de rejeitos

bem como redução das emissões de gases e da geração de rejeitos

“... consiste de métodos gerais e sistemáticos para o projeto de sistemas

integrados de redução, desde processos individuais até complexos

industriais, com ênfase especial no uso eficiente da energia e na redução dos efeitos ao meio ambiente” (Agência de Proteção Ambiental – EUA)

Tendo como foco principal a recuperação energética, passou a cobrir outros aspectos da Engenharia de Processos incluindo o gerenciamento de água

aspectos da Engenharia de Processos, incluindo o gerenciamento de água

Principais ferramentas para IP (Gundersen, 2002):

• Regras heurísticas (experiência)

• Conceitos termodinâmicos

Integração de Processos (IP)

Segundo El-Halwagi, a IP envolve três estágios distintos e complementares entre si: a síntese, a análise e a otimização

Síntese de Processos

Envolve uma série de decisões e conjecturas feitas sobre quais componentes

d i i id l t i i t t d

poderiam ser inseridos no processo e como eles se encontrariam interconectados dentro do processo industrial de maneira a fornecer a solução ótima para um dado projeto.

Análise de Processos

Consiste na decomposição do processo em várias partes que serão foco de estudos mais precisos do que os realizados pela síntese

Otimização de Processos

Consiste em selecionar a melhor solução dentre as mais variadas existentes para atender a um determinado problema, e sua quantificação pode ser expressa pela função objetiva, que pode ser minimizada ou maximizada

Integração de Processos (IP)

Pelo exposto, verifica-se que a IP é uma ferramenta poderosa para auxiliar os engenheiros de processo nos mais diversos casos, entre eles:

• Planejamento, projeto e operação de processos e sistemas de utilidades; • Planejamento de campanha a curto prazo e estratégico a longo prazo; • Planejamento de campanha a curto prazo e estratégico, a longo prazo; • Novos projetos e vários projetos de melhoramentos de processo (Retrofit); • Melhoria da eficiência (matéria-prima e energia) e produtividade;

• Processos contínuos, bateladas e semi-contínuos;

• Todos os aspectos dos processos, como reatores, separadores e redes de trocadores de calor;

trocadores de calor;

• Integração entre o processo e o sistema de utilidades;

• Integração nos complexos industriais e entre os complexos industriais,

t õ d i i t d i t / f i t d id d

Integração de Processos (IP)

Imagine um processo industrial destinado para a obtenção de um produto a partir da conversão química de uma dada matéria-prima

Representação simples, sendo um esboço da idéia

inicial

Representação mais próxima da realidade do

processo químico

Integração de Processos (IP)

A representação pode ser admitida como a definitiva? E as possibilidades de integração de processos? Não serão representadas?

Representação com as possibilidades de integração possibilidades de integração

Rede de Trocadores de Calor e Utilidades (

NHEU

)

Sistemas de integração energética capazes de promover a troca térmica entre as correntes de processo. Seu principal objetivo é maximizar a utilização ou “recuperação” do calor disponível nas correntes quentes, para o aquecimento dasecupe ação do ca o d spo e as co e es que es, pa a o aquec e o das correntes frias, minimizando assim a utilização e o consumo das utilidades necessárias para completar o aquecimento e/ou o resfriamento das correntes de processo

p

Historicamente:

Campo de estudo mais desenvolvido na Engenharia de Processos devido aos altos custos de energia nas décadas de 1970 e 1980

Atualmente, seus estudos são motivados pelo aspecto ambiental e pela concorrência entre as empresas

Rede de Trocadores de Calor e Utilidades (

NHEU

)

A busca deste ponto ótimo pode ser orientada pela determinação de metas que indiquem a direção a ser seguida. Elas nem sempre são alcançadas e, quando as são geralmente não coexistem Essas metas são:

são, geralmente não coexistem. Essas metas são:

• Consumo mínimo de utilidades

• Área global mínima de troca térmicaÁrea global mínima de troca térmica

• Número mínimo de unidades de troca térmica

Análise Pinch

O termo Tecnologia Pinch foi originalmente introduzido por Linnhoff e Vredeveld para representar uma metodologia baseada em informações termodinâmicas, aplicada a redes de trocadores de calor capazes de garantir os níveis mínimos de aplicada a redes de trocadores de calor, capazes de garantir os níveis mínimos de energia necessários para a rede projetada

• Para cenários mais complexos:

Atualmente estão disponíveis no mercado programas que trazem embutidos os algoritmos para a análise pinch. PinchExpress, SuperTarget e AspenPinch são os mais usados

p

Análise

Pinch

B i d l i li i i í i

Baseia-se numa metodologia que analisa sistematicamente os processos químicos bem como seus sistemas de utilidades, através da primeira e segunda leis da termodinâmica

Approach de temperatura (∆Tmin): diferença de temperatura mínima permitida entre as correntes

Seu significado está associado a critérios econômicos (custo) e de desempenho Seu significado está associado a critérios econômicos (custo) e de desempenho (recuperação de energia) de uma rede de trocadores de calor

Exemplo 7

Admita duas correntes, uma quente e outra fria, com suas respectivas temperaturas de entrada e saída bem como as entalpias, supondo que o calor recuperado seja Qrec = 11 MW Na unidade industrial há disponível vapor a 180ºC e água a 20ºC O

Exemplo 7

Análise

Pinch

Corrente Tipo Tin Tout Entalpia

1 Fria 40ºC 110ºC 14 MW

2 Quente 160ºC 40ºC -12 MW

Resolução:

O ∆Tmin de 10o_{C fornece}

menor consumo de utilidades para o sistema

Análise

Pinch

Diagramas temperatura x entalpia:

Formas de representação gráfica que permitem uma melhor análise de comop ç g q p estão relacionados o approach de temperatura e a quantidade mínima de utilidades frias e quentes

Exemplo 8 Exemplo 8

Análise

Pinch

Corrente Tipo Tin (oC) Tout (oC) Entalpia (MW)

Tx. Calorífica (MW/oC) Alimentação do reator 1 Fria 20 180 32 0,2 Produto do reator 1 Quente 250 40 -31,5 0,15 Alimentação do reator 2 Fria 140 230 27 0,3 Produto do reator 2 Quente 200 80 -30 0,25

Análise

Pinch

Curvas Compostas:

Considerando as correntes frias e quentes como se fossem únicas

No intervalo onde as curvas se sobrepõem, o valor da taxa calorífica é obtido pelo somatório das taxas individuais, ou seja, (0,15+0,25 = 0,4)

U t i d li t t d i t é t é d

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em um Hospital):

Sabidamente, os hospitais são grandes centros consumidores de energia, sendo essa a razão pela qual muitos estudam suas possibilidades de economia energética [DOE, Ostroy, Thumann, European Comission, etc.]

I tit t M i d S S i l (A li t Mé i )

Instituto Mexicano de Seguro Social (Aguascalientes – México)

ÆHospital Geral

ÆCentro de lavanderia

ÆCentro esportivo

ÆCentro de Apoio Social

ÆCentro de Saúde da Família

1999: 75% do consumo total de energia era suprida por diesel

68% do consumo total representava um custo anual de quase US$ 400.000

ÆNecessidade de se implantar um programa de recuperação energética

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em um Hospital):

Metodologia

9 Obtenção do diagrama energético do complexo hospitalar

9 Coleta de dados termodinâmicos (temperatura pressão entalpias vazões

9 Coleta de dados termodinâmicos (temperatura, pressão, entalpias, vazões

mássicas e calores específicos)

9 Identificação das correntes quentes e frias dentro do complexo

9 Identificação das correntes quentes e frias dentro do complexo

9 Determinação do delta T mínimo

9 Construção das curvas compostas (quente e fria)Construção das curvas compostas (quente e fria)

9 Construção da tabela de algoritmo (problem table)

9 Determinação da temperatura pinch e do consumo mínimo de utilidades quentesç p p q

e frias

9 Avaliação do potencial de redução de custo energético

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em um Hospital):

A aplicação da metodologia pinch, para qualquer sistema industrial, requer a

id tifi ã ( di d bl ) d id d id d

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em um Hospital):

Pelo diagrama:

Æ Correntes quentes – requerem resfriamento

Æ Correntes frias requerem aquecimento

Æ Correntes frias – requerem aquecimento

Æ Utilidades quentes – fonte externa de calor (boilers ou forno)

A demanda por utilidade quente era satisfeita por vapor gerado pelo boiler o A demanda por utilidade quente era satisfeita por vapor gerado pelo boiler, o

qual era abastecido por óleo diesel

Æ Utilidades frias – sistema aberto (água natural) ou sistema fechado (torres de

Æ Utilidades frias sistema aberto (água natural) ou sistema fechado (torres de

resfriamento)

Para aplicação da metodologia pinch:

Æ Corrente vinda da lavanderia (água com sabão) e corrente de vapor

Æ Corrente vinda da lavanderia (água com sabão) e corrente de vapor

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em um Hospital): Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em um Hospital):

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em um Hospital): Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em um Hospital):

Uma vez identificadas as correntes quentes e frias e quantificadas em termos de temperatura e carga térmica as mesmas são agrupadas em intervalos de temperatura e carga térmica, as mesmas são agrupadas em intervalos de temperaturas, constituindo as curvas compostas (uma quente e outra fria)

Estas curvas mostram a quantidade de calor disponível ou perdida no processo, Estas curvas mostram a quantidade de calor disponível ou perdida no processo, para diferentes níveis de temperatura, bem como a quantidade mínima de utilidades quentes e frias a ser empregada de acordo com o delta T mínimo estipulado

Três áreas são evidentes:

9 Á d i t

9 Área de aquecimento

9 Área de troca térmica

9 Área de resfriamento

Resultado:

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em uma destilaria de álcool): Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em uma destilaria de álcool):

Æ Análise de um processo de refino de corrente aquosa de álcool etílico (5 a 10% volume) para teores entre 92 e 96%

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em uma destilaria de álcool): Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em uma destilaria de álcool):

Análise

Pinch

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em uma unidade de produção de HNO ): Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em uma unidade de produção de HNO₃):

Indústria petroquímica Kutina – Croácia (Tecnologia da década de 1980)

O processo é constituído por 17 trocadores de calor, 2 turbinas e 2 compressores

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em uma unidade de produção de HNO ):

Análise

Pinch

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em uma unidade de produção de HNO ):

Estudo de caso (Aplicação de Tecnologia Pinch em uma unidade de produção de HNO₃):

Utilizados por 16 correntes de processo

Proposta: Aproveitamento energético entre as correntes de óxido nitroso e de Proposta: Aproveitamento energético entre as correntes de óxido nitroso e de amônia

Æ Redução da rede de trocadores de calor

Æ Redução da rede de trocadores de calor

Æ 3 trocadores precisaram ser redesenhados para as novas condições

Determinação do Mínimo Consumo de Utilidades

(Tabela de Algoritmo)

(

g

)

Exemplo 9

Admita um sistema onde se identificaram duas correntes frias (H1 e H2) e duas( ) correntes quentes (C1 e C2), com as respectivas temperaturas de entrada e saída e as capacidades caloríficas

Corrente C (kW/o_{C) Tin (}o_{C) Tout (}o_C)

H1 1,0, 250 120

H2 4,0 200 100

C1 3 0 90 150

C1 3,0 90 150

C2 6,0 130 190

Passos:

1) Determinar o approach mínimo nas trocas (∆Tmin); supondo que ∆Tmin = 10ºC

2) E t b l i t l d t t

Tabela de Algoritmo

H1 H2

250ºC 240ºC

C1 C2

200ºC 190ºC

160ºC 150ºC 160ºC 150ºC

140ºC 130ºC

120ºC 110ºC

100ºC 90ºC

1 4 3 6

A escolha da temperatura de approach está associada ao custo dos trocadores. Quanto menor for esta diferença, maior a área de troca térmica e, conseqüentemente maior o custo

Tabela de Algoritmo

3) Determinar a carga térmica líquida (Qi) de cada intervalo; Q = mc∆T

A temperatura pinch é obtida quando Qout é igual a zero (onde se atinge o ponto de “estrangulamento” energético)

Tabela de Algoritmo

A tabela anterior foi construída seguindo os passos abaixo:

4) Transferir o excesso ou déficit de calor em cada intervalo para o intervalo imediatamente inferior

5) Adicionar o maior volume de déficit de energia cumulativa no topo da cascata

6) Repetir o procedimento de “cascateamento” do excesso de calor ao longo dos i t l

intervalos

7) Identificar o consumo mínimo de utilidades nas extremidades da cascata que,

ã QH i 70 kW QC i 60 kW

no caso, são QHmin = 70 kW e QCmin = 60 kW.

Grande Curva Composta (GCC)

Construída a partir da Tabela de Algoritmo

Para cada intervalo, determina-se a média das temperaturas entre as correntes quentes e frias plotando os valores no eixo y e as cargas térmicas calculadas no quentes e frias, plotando os valores no eixo y e as cargas térmicas calculadas no eixo x.

Temperatura média (oC) Q (kW)

245 [(250+240)/2] 70

195 120

195 120

155 80

135 0

115 40

95 60

Grande Curva Composta (GCC)

Exemplo 10:

Para a situação mostrada na tabela abaixo:

a)Determine o mínimo consumo de utilidades (fria e quente), admitindo ∆Tmin = 10ºC

b) Calcule a redução de custos associada à integração energética, sabendo que o custo de produção de água de resfriamento é de $ 0,00018/MW e o custo de geração de vapor é de $ 0,025/MW

Corrente Tipo Tin (ºC) Tout (ºC) Cp (MW/ºC)

g ç p $ ,

p ( ) ( ) p ( )

1 Quente 190 110 2,5

2 Fria 140 150 20

3 Fria 90 170 20

Número Mínimo de Trocadores de Calor

Graph Theory (Linnhoff)

Pontos são correntes de processos e utilidades

Linhas são as trocas térmicas entre correntes frias e quentes

Gráficos - coleções de quaisquer pontos nos quais os pares de pontos são frias e quentes

conectados por linhas

Trajetória - uma seqüência de linhas distintas, sendo conectadas por outras. Qualquer trajetória contendo 4 pontos é capaz de representar um componente

Qualquer trajetória contendo 4 pontos é capaz de representar um componente

Loop - é caracterizado por uma trajetória que se inicia e termina em um mesmo ponto

Se dois loops têm uma linha em comum, eles podem ser associados para formar um terceiro loop, removendo-se a linha em comum, sendo este último loop dito como terceiro loop, removendo se a linha em comum, sendo este último loop dito como

Número Mínimo de Trocadores de Calor

Assim, transportando os conceitos desta teoria para a integração de processos, o número de loops independentes pode ser dado por:

Nunits = S + L – C

Nunits = número de unidades (linhas) Nunits número de unidades (linhas)

S = número de correntes e/ou utilidades (pontos) L = número de loops independentes

C = número de componentesp

De uma forma geral, o projeto de uma rede de trocadores de calor poderia ser obtido pela minimização do número de unidades (linhas que representam a troca térmica entre correntes quentes e frias) para que o custo total fosse reduzido

Fazendo L = 0 e C = 1 tem-se um caso especial de rede formado por um único Fazendo L = 0 e C = 1, tem-se um caso especial de rede formado por um único componente e livre de loops independentes

Número Mínimo de Trocadores de Calor

OBS.:

Se o problema em análise tiver pinch, a equação deve ser aplicada em cada área do pinch em separado (acima e abaixo dele), conforme a equação a seguir:

do pinch em separado (acima e abaixo dele), conforme a equação a seguir:

Nunits = (S _{acima do pinch} – 1) + (S _{abaixo do pinch} – 1)

Exemplo 11

Número Mínimo de Trocadores de Calor

O primeiro passo é identificar as correntes de processo e utilidades, separando-as em quentes e frias, e suas temperaturas de entrada e saída

Corrente Tipo Tin (oC) Tout (oC)

Alimentação do reator 1 Fria 20 180 Produto do reator 1 Quente 250 40 Alimentação do reator 2 Fria 140 230 Produto do reator 2 Quente 200 80

O ó i é t di d j í l id tifi ã d

O próximo passo é montar um diagrama onde seja possível a identificação das regiões acima e abaixo do pinch, sendo separadas exatamente pelas temperaturas pinch, conforme a figura a seguir

Nunits = (5 – 1) + (4 – 1) = 7

Qual será o arranjo entre Qual será o arranjo entre eles capaz de fornecer as

exigências (metas energéticas) estipuladas energéticas) estipuladas

Diagrama de Redes

Condições

Nenhum trocador de calor poderá ter uma diferença de temperatura inferior ao deltaT mínimo (caso contrário a eficiência da rede se esbarraria com as metas econômicas) e não poderá haver transferência de calor através do pinch, nem por uso de correntes de processo nem pelo uso inapropriado de utilidades

Diagrama de Redes

3) Identificação, em cada área, das correntes capazes de realizar troca térmica

Acima do pinchp , a possibilidade de troca térmica só é permitida entre correntes , p p quentes que tenham um Cp menor ou igual ao Cp das correntes frias

Abaixo do pinch ocorre o contrário ou seja as correntes quentes capazes de Abaixo do pinch, ocorre o contrário, ou seja, as correntes quentes capazes de trocar energia com as correntes frias precisam ter um Cp maior ou igual ao Cp

das correntes frias

Diagrama de Redes

Após consideração de todos os trocadores de calor, determina-se a necessidade de se empregar utilidades quentes e frias para fechar o balanço de energia da rede

O Diagrama de Redes permite que sejam identificados os consumos mínimos de utilidades bem como as cargas térmicas (Q) associadas a cada trocador de calor. Através destas cargas determinam-se os valores das áreas de troca térmica para Através destas cargas, determinam-se os valores das áreas de troca térmica para cada intervalo. A área total da rede é determinada pelo somatório das áreas individuais. Assim, o custo da rede pode ser estimado em função da área total calculada

calculada

Custo de uma Rede de Trocadores de Calor

Assumindo que o custo de um trocador de calor de área “A” é dado por:

Onde a, b, c são constantes relacionadas com o material de construção, faixa de pressão e tipo de trocador de calor (já vistos)

pressão e tipo de trocador de calor (já vistos).

Admitindo que a rede é formada por trocadores iguais, o custo será dado por:

Custo da Rede = N.(a + b.Ac₎

Onde N = número de trocadores de calor