Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
SÍNTESE DE REDES DE Capítulo 3 1 SÍNTESE DE REDES DE TROCADORES DE CALOR 08/2013 Capítulo 3 3.1. Conceito 3.2. Exemplo Ilustrativo 3.3. Tecnologia Pinch 2 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 3.5. Número Mínimo de Trocadores de Calor 3.6. Síntese de Redes de Trocadores de Calor 3.7. Tópicos Complementares 3.8. Estudo de Caso 3.1. Conceito Redes de trocadores de calor são estruturas formadas por um conjunto de trocadores interligados que promovem a transferência de 3 interligados que promovem a transferência de energia entre as correntes quentes e frias de um processo, possibilitando assim a redução no consumo de utilidades. 3.1. Conceito O problema de síntese de redes de trocadores de calor consiste basicamente na identificação do conjunto das trocas de calor que serão promovidas 4 conjunto das trocas de calor que serão promovidas entre as correntes, associado a um mínimo de custo. 3.1. Conceito Principais técnicas: - Programação matemática 5 - Programação matemática - Tecnologia pinch 3.1. Conceito Problema de síntese de processos: Síntese de sistemas 6 Síntese de sistemas de reação Síntese de sistemas de separação Síntese de sistemas de integração energética 3.2. Exemplo Ilustrativo Seja o seguinte problema de projeto de processo: ?C1 200oC 7 ? Reator ? ? C1 C 2 30oC 30oC 200oC 200oC H1 350oC 150 oC C2 3.2. Exemplo Ilustrativo Dados das correntes: Corrente m����Cp (kW/ºC) Tin (ºC) Tout (ºC) 8 Corrente (kW/ºC) (ºC) (ºC) C1 C2 H1 10 15 20 30 30 350 200 200 150 3.2. Exemplo Ilustrativo Dados das utilidades: Vapor saturado: - Temperatura: 230 ºC 9 - Temperatura: 230 ºC - Preço: 10 US$/t - Calor de vaporização: 1810 kJ/kg Água de resfriamento: - Temperatura: 30 ºC com retorno a 40 ºC - Preço: 0,02 US$/m3 - Capacidade calorífica: 4,2 kJ/kgºC 3.2. Exemplo Ilustrativo Dados dos projetos dos equipamentos: Coeficiente global de transferência de calor: - U = 500 W/m2K 10 - U = 500 W/m2K Custos: - C(A) = 5800����A0,6 $ para A em m2 3.2. Exemplo Ilustrativo Dados econômicos do projeto: - Número de horas de operação anuais: 8000 11 - Fator de anualização: 0,2 (taxa de mínima atratividade: 15%, horizonte de tempo: 10 anos) 3.2. Exemplo Ilustrativo Alternativas avaliadas: - Sem integração energética 12 - Com integração energética 3.2.1. Alternativa sem integração Reator C 1 C 2 30oC 200oC H 1 350oC 150 oC C 2 I 13 C 2 30oC 200oC C 2 II III I – Aquecedor (consumo de vapor saturado) II – Aquecedor (consumo de vapor saturado) III – Resfriador (consumo de água de resfriamento) 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação econômica: - Custos operacionais 14 - Investimento 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação dos custos operacionais: Trocador I: QI = mc1 ���� Cpc1 ���� (Tc1,o – Tc1,i) 15 QI = mc1 ���� Cpc1 ���� (Tc1,o – Tc1,i) QI = 10 ���� (200 – 30) QI = 1700 kW vapor saturado mvap,I = 1700 kW / 1810 kJ/kg mvap,I = 0,94 kg/s = 3381 kg/h 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação dos custos operacionais: Trocador II: QII = mc2 ���� Cpc2 ���� (Tc2,o – Tc2,i) 16 QII = mc2 ���� Cpc2 ���� (Tc2,o – Tc2,i) QII = 15 ���� (200 – 30) QII = 2550 kW vapor saturado mvap,II = 2550 kW / 1810 kJ/kg mvap,II = 1,4 kg/s = 5040 kg/h 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação dos custos operacionais: Trocador III: QIII = mh1 ���� Cph1 ���� (Th1,i – Th1,o) 17 QIII = mh1 ���� Cph1 ���� (Th1,i – Th1,o) QIII = 20 ���� (350 – 150) QIII = 4000 kW água de resfriamento mar,III = 4000 kW / (4,2 kJ/kgºC x 10 ºC) mar,III = 95,2 kg/s ����qar,III = 342,8 m3/h 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação dos custos operacionais: Vapor: mvapor = 3381 kg/h + 5040 kg/h = 8421 kg/h 18 mvapor = 3381 kg/h + 5040 kg/h = 8421 kg/h Copvapor = 8,421 t/h ���� 8000 h/ano ���� 10 $/t Copvapor = 673.680 $ / ano 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação dos custos operacionais: Água de resfriamento: qágua = 342,8 m3/h 19 qágua = 342,8 m3/h Copágua = 342,8 m3/h ���� 8000 h/ano ���� 0,02 $/m3 Copágua = 54.848 $ / ano 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação dos custos operacionais: Total: Coptotal = Copvapor + Copágua 20 Coptotal = Copvapor + Copágua Coptotal = 673.680 + 54.848 Coptotal = 728.528 $ / ano 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação do investimento: Trocador I: QI = UI ����AI ���� (∆∆∆∆TLM)I 21 QI = UI ����AI ���� (∆∆∆∆TLM)I AI = QI / (UI ���� (∆∆∆∆TLM)I) (∆∆∆∆TLM)I = (230 – 200) – (230 – 30) = 89,6 ºC ln[(230 – 200) / (230 – 30)] AI = 1700 / (0,5 ���� 89,6) = 37,9 m2 CI = 5800 ���� (AI)0,6 = 5800 ���� (37,9)0,6 = 51358 $ 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação do investimento: Trocador II: QII = UII ����AII ���� (∆∆∆∆TLM)II 22 QII = UII ����AII ���� (∆∆∆∆TLM)II AII = QII / (UII ���� (∆∆∆∆TLM)II) (∆∆∆∆TLM)II = (230 – 200) – (230 – 30) = 89,6 ºC ln[(230 – 200) / (230 – 30)] AII = 2550 / (0,5 ���� 89,6) = 56,9 m2 CII = 5800 ���� (AII)0,6 = 5800 ���� (56,9)0,6 = 65538 $ 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação do investimento: Trocador III: QIII = UIII ����AIII ���� (∆∆∆∆TLM)III 23 QIII = UIII ����AIII ���� (∆∆∆∆TLM)III AIII = QIII / (UIII ���� (∆∆∆∆TLM)III) (∆∆∆∆TLM)III = (350 – 40) – (150 – 30) = 200,2 ºC ln[(350 – 40) / (150 – 30)] AIII = 4000 / (0,5 ���� 200,2) = 40,0 m2 CIII = 5800 ���� (AIII)0,6 = 5800 ���� (40,0)0,6 = 53047 $ 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação investimento: Total: Itotal = II + III + IIII 24 Itotal = II + III + IIII Itotal = 51358 + 65538 + 53047 Itotal = 169.943 $ 3.2.1. Alternativa sem integração Avaliação econômica: Custo operacional + Investimento Custo total anualizado: 25 Custo total anualizado: CTA = Cop + I ���� f CTA = 728.528 + 169.943 ���� 0,2 CTA = 762.517 $ / ano 3.2.2. Alternativa com integração Reator C 1 30oC 200oC H 1 I 26 I – Trocador (sem consumo de utilidade) II – Trocador (sem consumo de utilidade) III – Aquecedor (consumo de vapor) Reator C 2 30oC 200oC 350oC 150oC C 2 II III 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação econômica: - Custos operacionais 27 - Investimento 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação dos custos operacionais: Trocador I: QI = mc1 ���� Cpc1 ���� (Tc1,o – Tc1,i) 28 QI = mc1 ���� Cpc1 ���� (Tc1,o – Tc1,i) QI = 100 ���� (200 – 30) QI = 1700 kW 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação dos custos operacionais: Trocador I: QI = mh1 ���� Cph1 ���� (Th1i – Th1,o) 29 QI = mh1 ���� Cph1 ���� (Th1i – Th1,o) 1700 = 20 ���� (350 – Th1,o) Th1,o = 265 ºC 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação dos custos operacionais: Trocador II: QII = mh1 ���� Cph1 ���� (Th1,i – Th1,o) 30 QII = mh1 ���� Cph1 ���� (Th1,i – Th1,o) QII = 20 ���� (265 – 150) QII = 2300 kW 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação dos custos operacionais: Trocador II: QII = mc2 ���� Cpc2 ���� (Tc2,o – Tc2,i) 31 QII = mc2 ���� Cpc2 ���� (Tc2,o – Tc2,i) 2300 = 15 ���� (Tc2,o – 30) Tc2,o = 183,3 ºC 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação dos custos operacionais: Trocador III: QIII = mc2 ���� Cpc2 ���� (Tc2,o – Tc2,i) 32 QIII = mc2 ���� Cpc2 ���� (Tc2,o – Tc2,i) QIII = 15 ���� (200 – 183,3) QIII = 250 kW vapor saturado mvap,III = 250 kW / 1810 kJ/kg mvap,III = 0,14 kg/s = 504 kg/h 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação dos custos operacionais: Vapor: mvapor =504 kg/h 33 mvapor = 504 kg/h Copvapor = 0,504 t/h ���� 8000 h/ano ���� 10 $/t Copvapor = 40.320 $ / ano 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação dos custos operacionais: Água de resfriamento: mágua = 0 m3/h 34 mágua = 0 m3/h Copágua = 0 $ / ano 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação dos custos operacionais: Total: Coptotal = Copvapor + Copágua 35 Coptotal = Copvapor + Copágua Coptotal = 40.320 + 0 Coptotal = 40.320 $ / ano 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação do investimento: Trocador I: QI = UI ����AI ���� (∆∆∆∆TLM)I 36 QI = UI ����AI ���� (∆∆∆∆TLM)I AI = QI / (UI ���� (∆∆∆∆TLM)I) (∆∆∆∆TLM)I = (350 – 200) – (265 – 30) = 189,3 ºC ln[(350 – 200) / (265 – 30)] AI = 1700 / (0,5 ���� 189,3) = 18,0 m2 CI = 5800 ���� (AI)0,6 = 5800 ���� (18,0)0,6 = 32854 $ 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação do investimento: Trocador II: QII = UII ����AII ���� (∆∆∆∆TLM)II 37 QII = UII ����AII ���� (∆∆∆∆TLM)II AII = QII / (UII ���� (∆∆∆∆TLM)II) (∆∆∆∆TLM)II = (265 – 183,3) – (150 – 30) = 99,6 ºC ln[(265 – 183,3) / (230 – 30)] AII = 2300 / (0,5 ���� 99,6) = 46,2 m2 CII = 5800 ���� (AII)0,6 = 5800 ���� (46,2)0,6 = 57838 $ 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação do investimento: Trocador III: QIII = UIII ����AIII ���� (∆∆∆∆TLM)III 38 QIII = UIII ����AIII ���� (∆∆∆∆TLM)III AIII = QIII / (UIII ���� (∆∆∆∆TLM)III) (∆∆∆∆TLM)III = (230 – 183,3) – (230 – 200) = 37,7 ºC ln[(230 – 183,3) / (230 – 200)] AIII = 250 / (0,5 ���� 37,7) = 13,3 m2 CIII = 5800 ���� (AIII)0,6 = 5800 ���� (13,3)0,6 = 27399 $ 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação investimento: Total: Itotal = II + III + IIII 39 Itotal = II + III + IIII Itotal = 32854 + 57838 + 27399 Itotal = 118.091 $ 3.2.2. Alternativa com integração Avaliação econômica: Custo operacional + Investimento Custo total anualizado: 40 Custo total anualizado: CTA = Cop + I ���� f CTA = 40.320 + 118.091 ���� 0,2 CTA = 63.398 $ / ano 3.2.2. Comparação Custo total anualizado: Alternativa sem integração: 762.517 $ / ano 41 Alternativa sem integração: 762.517 $ / ano Alternativa com integração: 63.398 $ / ano 3.3. Tecnologia Pinch Apesar de ser um critério adequado do ponto de vista econômico, a busca pela minimização do custo total anualizado é um problema consideravelmente complexo, ainda foco 42 problema consideravelmente complexo, ainda foco de trabalhos de pesquisa. Solução prática: Tecnologia Pinch 3.3. Tecnologia Pinch A Tecnologia Pinch explora conceitos básicos da termodinâmica para guiar o projeto de redes de trocadores de calor na direção da minimização dos 43 trocadores de calor na direção da minimização dos custos. 3.3. Tecnologia Pinch Uma característica importante da Tecnologia Pinch é a possibilidade de identificar metas de desempenho no projeto da rede antes da síntese propriamente dita. 44 propriamente dita. - Mínimo consumo de utilidades - Número mínimo de trocadores de calor 3.3. Tecnologia Pinch Identificação das metas Etapas: 45 Determinação da rede de mínimo consumo de utilidades Evolução controlada da rede para a redução do número de trocadores 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades A partir dos dados das correntes relativos a um procedimento de integração energética, é possível determinar o mínimo consumo de 46 possível determinar o mínimo consumo de utilidades associado ao problema. Problem Table Algorithm Aplicações: - Síntese de redes de trocadores de calor 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 47 - Síntese de redes de trocadores de calor - Avaliação do desempenho de redes existentes Corrente m����Cp (kW/ºC) Tin (ºC) Tout (ºC) Exemplo ilustrativo: 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 48 (adaptado de Douglas, 1988) (kW/ºC) (ºC) (ºC) C1 C2 3,0 6,0 90 130 150 190 H1 1,0 250 120 H2 4,0 200 100 Passo 1: Determinação do approach mínimo (∆∆∆∆Tmin) 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 49 Estabelecimento da menor diferença de temperatura entre as correntes quentes e frias na rede. Diagrama Temperatura x Entalpia: Representação da transferência de calor entre duas correntes 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 50 T H Seja o seguinte exemplo: Trocador: Corrente fria: 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 51 Corrente fria: 50 ºC ���� 100 ºC Corrente quente: 120 ºC���� 40 ºC Diagrama Temperatura x Entalpia: T 120 ºC 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 52 T H 50 ºC 100 ºC 40 ºC Alternativa: T 120 ºC 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 53 T H 50 ºC 100 ºC 40 ºC Comparação de alternativas: T 120 ºC T 120 ºC 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 54 T H 50 ºC 100 ºC 40 ºC T H 50 ºC 100ºC 40 ºC Regra geral: ∆∆∆∆T ↑ ���� A ↓ Q ↑ 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 55 ∆∆∆∆Tmin ↑ ���� A ↓ Qutil ↑ ∆∆∆∆Tmin ↓ ���� A ↑ Qutil ↓ Comportamento: C Consumo de Custo total anualizado 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 56 ∆∆∆∆Tmin Consumo de utilidades Investimento Valores típicos de ∆∆∆∆Tmin: Refino de petróleo 20 ºC a 40 ºC 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 57 Petroquímica 10 ºC a 20 ºC Química 10 ºC a 20 ºC Criogenia 3 ºC a 5 ºC Exemplo: 10 ºC Passo 2: Estabelecimento dos intervalos de temperatura 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 58 A partir das temperaturas de entrada e saída das correntes na rede, deve-se identificar os intervalos de temperatura do problema. Corrente m����Cp (kW/ºC) Tin (ºC) Tout (ºC) 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 59 (kW/ºC) (ºC) (ºC) C1 C2 H1 3,0 6,0 1,0 90 130 250 150 190 120 H2 4,0 200 100 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 60 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 61 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 62 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 63 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 64 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 Passo 3: Determinação da carga térmica líquida em cada intervalo 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 65 Para cada intervalo i identificado, as entalpias das correntes quentes e frias são somadas: Qliq,i = Σ (m cp)h,j∆∆∆∆Ti - Σ (m cp)c,j ∆∆∆∆Ti Corrente m����Cp (kW/ºC) Tin (ºC) Tout (ºC) 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 66 (kW/ºC) (ºC) (ºC) C1 C2 H1 3,0 6,0 1,0 90 130 250 150 190 120 H2 4,0 200 100 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC Q = 1,0 ���� (250 – 200) = + 50 kW 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 67 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 Q = 1,0 ���� (250 – 200) = + 50 kW 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 68 Q = 1,0 (200 – 160) + 4,0 (200 – 160) – 6,0 (200 – 160) = - 40 kW160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 Q = 1,0 ���� (250 – 200) = + 50 kW 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 69 Q = 1,0 (200 – 160) + 4,0 (200 – 160) – 6,0 (190 – 150) = - 40 kW Q = (1,0 + 4,0 – 3,0 – 6,0) (20) = - 80 kW 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 70 - 40 - 80 + 40 + 20 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq Utilidade quente: 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 71 - 40 - 80 + 40 + 20 quente: 120 kW Utilidade fria: 110 kW 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq Utilidade quente: 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 72 - 40 - 80 + 40 + 20 quente: 120 kW Utilidade fria: 110 kW A energia pode ser trocada entre os intervalos 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 Passo 4: Transferência da energia calculada em cada intervalo para o intervalo imediatamente inferior 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 73 Realizar o “cascateamento” da energia. + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 74 - 40 - 80 + 40 + 20 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 75 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 76 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Utilidade quente: 10 kW 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 77 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 10 kW Utilidade fria: 0 kW 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Utilidade quente: 10 kW 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 78 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 10 kW Utilidade fria: 0 kW Violação do 2o Princípio da Termodinâmica 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 Passo 5: Adição de energia equivalente à maior transferência negativa no intervalo inicial, repetindo então o “recascateamento” da energia. 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 79 repetindo então o “recascateamento” da energia. Eliminação da violação do 2o Princípio da Termodinâmica + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 30 + 80 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 80 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 80 + 40 + 40 - 40 - 40 0 0 + 20 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 30 + 80 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 81 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 80 + 40 + 40 - 40 - 40 0 0 + 20 A violação diminuiu mas ainda não foi eliminada 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 90 + 140 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 82 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 140 + 100 + 100 + 20 + 20 + 60 + 60 + 80 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 90 + 140 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 83 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 140 + 100 + 100 + 20 + 20 + 60 + 60 + 80 Não houve mais violação, mas o consumo de utilidades poderia ser diminuído. 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 70 + 120 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 84 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 120 + 80 + 80 0 0 + 40 + 40 + 60 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 70 + 120 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 85 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 120 + 80 + 80 0 0 + 40 + 40 + 60 Não há mais violação, com a adição do mínimo consumo de utilidades 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 Passo 6: Identificação do mínimo consumo de utilidades nas extremidades da “cascata”. 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 86 Determinação do mínimo consumo de utilidade quente e do mínimo consumo de utilidade fria. + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 70 + 120 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 87 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 120 + 80 + 80 0 0 + 40 + 40 + 60 QH,min = + 70 kW QC,min = + 60 kW 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 Observação: Este procedimento pode ser utilizado não só 3.4. Mínimo Consumo de Utilidades 88 Este procedimento pode ser utilizado não só para a síntese de novas redes como também na análise da eficiência energética de redes já existentes. Em geral nos problemas de síntese de redes de trocadores de calor, é possível determinar um nível de temperatura que divide o problema em 3.4.1. Temperatura pinch 89 nível de temperatura que divide o problema em dois subproblemas. Este nível de temperatura especial é denominado temperatura pinch (temperatura do ponto de estrangulamento energético). 3.4.1. Temperatura pinch + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 70 + 120 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 90 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70- 30 - 30 - 10 + 120 + 80 + 80 0 0 + 40 + 40 + 60 Temperatura pinch: 130 ºC / 140 ºC 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 3.4.1. Temperatura pinch + 70 kW + 120 kW Diagrama + 50 kW - 40 kW 91 + 80 kW 0 kW + 40 kW Diagrama de cascata de energia + 40 kW + 20 kW+ 20 kW - 80 kW + 60 kW 3.4.1. Temperatura pinch + 70 kW + 120 kW Acima do pinch só utilidade quente + 50 kW - 40 kW 92 + 80 kW 0 kW + 40 kW + 60 kW Abaixo do pinch só utilidade fria Não há transferência de calor no pinch + 40 kW + 20 kW+ 20 kW - 80 kW 3.4.1. Temperatura pinch QH,min Acima do pinch 93 QC,min Abaixo do pinch 0Mínimo consumo de utilidades 3.4.1. Temperatura pinch QH,min + Q QAcima do pinch 94 QC,min Utilidade fria acima do pinch Abaixo do pinch 0 3.4.1. Temperatura pinch QH,min Acima do pinch 95 QC,min + Q Utilidade quente abaixo do pinch QAbaixo do pinch 0 3.4.1. Temperatura pinch QH,min + Q Acima do pinch 96 QC,min + Q Transferência de calor através do pinch Abaixo do pinch Q Observação: Alguns problemas de síntese podem não apresentar pinch. Nestes casos, o cascateamento de energia identifica a necessidade de apenas uma 3.4.1. Temperatura pinch 97 energia identifica a necessidade de apenas uma utilidade (quente ou fria). Entretanto, valores maiores de ∆Tmin podem levar a uma modificação do problema de integração energética e o consequente surgimento do pinch (“threshold problems”). 3.4.2. Curvas compostas Os diagramas Temperatura x Entalpia também podem ser utilizados para avaliar a transferência de energia associadas a todas as correntes da rede: 98 correntes da rede: Curvas compostas + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 70 + 120 3.4.2. Curvas compostas 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 99 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 120 + 80 + 80 0 0 + 40 + 40 + 60 Temperatura pinch: 130 ºC / 140 ºC 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 Corrente m����Cp (kW/ºC) Tin (ºC) Tout (ºC) Construção da curva composta quente: 3.4.2. Curvas compostas 100 H1 1,0 250 120 H2 4,0 200 100 T (ºC) 100 250 120 200 1,0 ���� (250 – 200) 4,0 ���� (120 – 100) (4,0 + 1,0) ���� (200 – 120) Q (kW) 0 Qcum (kW) 0 80 480 530 Corrente m����Cp (kW/ºC) Tin (ºC) Tout (ºC) Construção da curva composta fria: 3.4.2. Curvas compostas 101 C1 3,0 90 150 C2 6,0 130 190 T (ºC) 90 190 130 150 6,0 ���� (190 – 150) 3,0 ���� (130 – 90) (3,0 + 6,0) ���� (150 – 130) Q (kW) 0 Qcum (kW) 0 120 300 540 3.4.2. Curvas compostas 200 250 T (oC) 100 200 300 400 500 600 100 150 H (kW) 3.4.2. Curvas compostas 200 250 T (oC) 100 200 300 400 500 600 100 150 H (kW) 3.4.2. Curvas compostas 200 250 T (oC) 70 kW60 kW 100 200 300 400 500 600 100 150 H (kW) 10 ºC Corrente m����Cp (kW/ºC) Tin (ºC) Tout (ºC) Construção da curva composta fria: 3.4.2. Curvas compostas 105 C1 3,0 90 150 C2 6,0 130 190 T (ºC) 90 190 130 150 6,0 ���� (190 – 150) 3,0 ���� (130 – 90) (3,0 + 6,0) ���� (150 – 130) Q (kW) 60 Qcum (kW) 60 180 360 600 3.4.3. Grande curva composta Uma outra representação do problema de integração energética utilizando um diagrama Temperatura x Entalpia envolve a análise das correntes quentes e frias simultaneamente: 106 correntes quentes e frias simultaneamente: Grande curva composta + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 70 + 120 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 3.4.3. Grande curva composta 107 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 120 + 80 + 80 0 0 + 40 + 40 + 60 Temperatura pinch: 130 ºC / 140 ºC 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 3.4.3. Grande curva composta T (ºC) 245 195 Qcum (kW) 70 120 108 135 195 155 120 80 0 115 95 40 60 3.4.3. Grande curva composta T (oC) Utilidade Quente250 200200 250 200 109 20 40 60 80 100 120 H (kW) Utilidade Fria Tpinch = 135 200 150 200 150 200 150 100 3.4.3. Grande curva composta A grande curva composta pode ser utilizada para planejar o consumo de utilidades, considerando a existência de múltiplos níveis. 110 Em várias situações, utilidades quentes de maior temperatura e utilidades frias de menor temperatura estão associadas a maiores custos. 3.4.3. Grande curva composta T (oC) Utilidade Quente250 200200 250 200 111 20 40 60 80 100 120 H (kW) Utilidade Fria Tpinch = 135 200 150 200 150 200 150 100 3.4.3. Grande curva composta T (oC) 250 200200 250 200 112 20 40 60 80 100 120 H (kW) Utilidade Fria 1 Utilidade Quente Tpinch = 135 200 150 200 150 200 150 100 Utilidade Fria 2 3.4.3. Grande curva composta Observação: Na utilização de múltiplas utilidades, deve-se sempre observar que, buscando o mínimo consumo 113 sempre observar que, buscando o mínimo consumo de utilidades, acima do pinch deve-se utilizar apenas utilidades quentes e abaixo do pinch apenas utilidades frias. 3.4.3. Grande curva composta T (oC) 250 200200 250 200 114 20 40 60 80 100 120 H (kW) Utilidade Fria 1 Utilidade Quente 200 150 200 150 200 150 100 Utilidade Fria 2 3.4.3. Grande curva composta Observação: Pode-se determinar de forma mais precisa a necessidade de utilidade em um determinado 115 necessidade de utilidade em um determinado patamar de temperatura através da interpolação dos dados oriundos da Problem Table. 3.4.3. Grande curva composta T (oC) 250 200200 250 200 116 20 40 60 80 100 120 H (kW) Utilidade Fria 1 Utilidade Quente 200 150 200 150 200 150 100 Utilidade Fria 2 3.4.3. Grande curva composta Observação: A utilização de utilidades com valores intermediários de temperatura origina os chamados 117 intermediários de temperatura origina os chamados pinch de utilidades (nestes casos, o pinch original é chamado de pinch de processo). 3.4.3. Grande curva composta T (oC) 250 200200 250 200 118 20 40 60 80 100 120 H (kW) 200 150 200 150 200 150 100 Pinch de processo Pinch de utilidade 3.5. Número Mínimo de Trocadores de Calor Através da Tecnologia Pinch também é possível identificar uma meta associada ao número mínimo de trocadores de calor. 119 mínimo de trocadores de calor. Este é um parâmetro importante pois afeta diretamente o investimento necessário para a instalação da rede de trocadores de calor. 3.5. Número Mínimo de Trocadores de Calor Sejam: NHE = Número de trocadores de calor NS = Número de correntes 120 NHU = Número de utilidades quentes NCU = Número de utilidades frias NHE = NS + NHU + NCU - 1 3.5. Número Mínimo de Trocadores de Calor Considerando a presença do pinch no contexto da garantia do mínimo consumo de utilidades, deve-se levar em conta os subproblemas acima e abaixo do pinch separadamente: 121 NHEc/pinch= NHEacima + NHEabaixo + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 70 + 120 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 3.5. Número Mínimo de Trocadores de Calor 122 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 120 + 80 + 80 0 0 + 40 + 40 + 60 Temperatura pinch: 130 ºC / 140 ºC 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 3.5. Número Mínimo de Trocadores de Calor No exemplo, considerando a rede como um todo: NS = 4 NHU = 1 NCU = 1 123 NHE = NS + NHU + NCU – 1 NHE = 4 + 1 + 1 – 1 NHE = 5 trocadores 3.5. Número Mínimo de Trocadores de Calor No exemplo, considerando a presença do pinch: Abaixo do pinch: NS = 3 NHU = 0 NCU = 1 NHE = NS + NHU + NCU – 1 = 3 +1 – 1 NHE = 3 trocadores 124 NHE = 3 trocadores Acima do pinch: NS = 4 NHU = 1 NCU = 0 NHE = NS + NHU + NCU – 1 = 4 +1 – 1 NHE = 4 trocadores Total: NHEc/pinch = NHEacima + NHEabaixo = 4 + 3 NHEc/pinch = 7 trocadores 3.5. Número Mínimo de Trocadores de Calor Comparando os resultados, tem-se: NHEs/pinch = 5 trocadores 125 NHEc/pinch = 7 trocadores Como este exemplo ilustra: NHEs/pinch ≤≤≤≤ NHEc/pinch 3.5. Número Mínimo de Trocadores de Calor Como consequência, o mínimo consumo de utilidades pode ser incompatível com o número mínimo de trocadores de calor. 126 mínimo de trocadores de calor. Nestes casos, é possível reduzir o número de trocadores de calor as custas de um maior consumo de utilidades ou violação do ∆∆∆∆Tmin. 3.6. Síntese de Redes de Trocadores de Calor Após a determinação do mínimo consumo de utilidades e do número mínimo de trocadores de calor, pode-se então identificar as trocas de calor 127 calor, pode-se então identificar as trocas de calor presentes na rede. A princípio, deve-se proceder a síntese da rede de mínimo consumo de utilidades (Maximum Energy Recovery, MER). 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Representação da rede: As trocas de calor entre as diferentes correntes serão representadas de acordo com o seguinte exemplo: 128 exemplo: H1 300 ºC 200 ºC 220 ºC350 ºC C1 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Representação da rede: As trocas de calor entre as diferentes correntes serão representadas de acordo com o seguinte exemplo: 129 exemplo: H1 300 ºC 200 ºC 220 ºC350 ºC C1 H1 300 ºC 200 ºC 220 ºC350 ºC C1 Trocador Resfriador Aquecedor 240 ºC 280 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Representação da rede: H1 300 ºC 200 ºC 220 ºC350 ºC C1 Trocador Resfriador Aquecedor 240 ºC 280 ºC 130 220 ºC350 ºC Trocador 300 ºC 240 ºC 200 ºCH1 C1 220 ºC 280 ºC 350 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Filosofia da síntese: Uma vez que para o mínimo consumo de utilidades não pode haver transferência de calor através do pinch, o problema de síntese se divide em 131 através do pinch, o problema de síntese se divide em dois problemas: - Síntese acima do pinch - Síntese abaixo do pinch 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºCAcima do pinch 132 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 Abaixo do pinch do pinch 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Filosofia da síntese: Uma vez que no pinch a diferença de temperaturas entre as correntes é a menor possível, o 133 temperaturas entre as correntes é a menor possível, o procedimento de síntese começa primeiro nesta região e só depois segue para as trocas afastadas do pinch. 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 134 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Algoritmo de síntese: 1) Determinação do mínimo consumo de utilidades, da temperatura pinch e do número mínimo de trocadores de calor. 135 mínimo de trocadores de calor. 2) Síntese da rede acima do pinch. 3) Síntese da rede abaixo do pinch. 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Algoritmo de síntese - Acima do pinch: 2.1) Verificar se o número de correntes frias no pinch é maior ou igual que o número de correntes quentes: NCS ≥≥≥≥ NHS 136 quentes: NCS ≥≥≥≥ NHS Se falso então ir para o passo 2.2 Se verdadeiro ir para o passo 2.3 2.2) Dividir uma corrente fria e voltar ao passo 2.1 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Algoritmo de síntese - Acima do pinch: 2.3) Verificar se cada corrente quente no pinch pode trocar calor com uma corrente fria respeitando a condição: (mCp) ≥≥≥≥ (mCp) 137 respeitando a condição: (mCp)c ≥≥≥≥ (mCp)h Se falso então ir para o passo 2.4 Se verdadeiro ir para o passo 2.5 2.4) Dividir uma corrente (usualmente quente) e voltar ao passo 2.1 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 2.5) Efetuar as trocas ao longo do pinch (considerando o máximo de carga térmica possível) Algoritmo de síntese - Acima do pinch: 138 possível) 2.6) Efetuar as demais trocas afastadas do pinch 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Algoritmo de síntese - Abaixo do pinch: 3.1) Verificar se o número de correntes quentes no pinch é maior ou igual que o número de correntes frias: NCS ≤≤≤≤ NHS 139 frias: NCS ≤≤≤≤ NHS Se falso então ir para o passo 3.2 Se verdadeiro ir para o passo 3.3 3.2) Dividir uma corrente quente e voltar ao passo 3.1 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Algoritmo de síntese - Abaixo do pinch: 3.3) Verificar se cada corrente fria no pinch pode trocar calor com uma corrente quente respeitando a condição: (mCp) ≤≤≤≤ (mCp) 140 condição: (mCp)c ≤≤≤≤ (mCp)h Se falso então ir para o passo 3.4 Se verdadeiro ir para o passo 3.5 3.4) Dividir uma corrente (usualmente fria) e voltar ao passo 3.1 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 3.5) Efetuar as trocas ao longo do pinch (considerando o máximo de carga térmica possível). Algoritmo de síntese - Abaixo do pinch: 141 possível). 3.6) Efetuar as demais trocas afastadas do pinch 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Regras da síntese: Fundamentalmente, o algoritmo de síntese guia o projetista na direção da rede de mínimo consumo de utilidades através de duas regras fundamentais: 142 de utilidades através de duas regras fundamentais: - Condição entre os mCp’s nas trocas no pinch - Condição do número de correntes no pinch 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição entre os mCp’s nas trocas no pinch: Seja a seguinte troca no pinch (acima): T Pinch 143 T H (mCp)C ≥≥≥≥ (mCp)H Pinch 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição entre os mCp’s nas trocas no pinch: Seja a seguinte troca no pinch (acima): T Pinch 144 T H (mCp)C ≥≥≥≥ (mCp)H Pinch ∆ ∆ ∆ ∆ T 1 = ∆ ∆ ∆ ∆ T m i n 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição entre os mCp’s nas trocas no pinch: Seja a seguinte troca no pinch (acima): T Pinch 145 T H ∆ ∆ ∆ ∆ T 1 = ∆ ∆ ∆ ∆ T m i n ∆ ∆ ∆ ∆ T 2 ≥ ≥ ≥ ≥ ∆ ∆ ∆ ∆ T m i n (mCp)c ≥≥≥≥ (mCp)h Viável Pinch 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição entre os mCp’s nas trocas no pinch: Seja a seguinte troca no pinch (acima): T Pinch 146 T H (mCp)c < (mCp)h Pinch 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição entre os mCp’s nas trocas no pinch: Seja a seguinte troca nopinch (acima): T Pinch 147 T H (mCp)c < (mCp)h Pinch ∆ ∆ ∆ ∆ T 1 = ∆ ∆ ∆ ∆ T m i n 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição entre os mCp’s nas trocas no pinch: Seja a seguinte troca no pinch (acima): T Pinch 148 T H ∆ ∆ ∆ ∆ T 1 = ∆ ∆ ∆ ∆ T m i n ∆ ∆ ∆ ∆ T 2 < ∆ ∆ ∆ ∆ T m i n (mCp)c < (mCp)h Inviável Pinch 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição do número de correntes no pinch: Pinch Exemplo de violação 149 Pinch 90 oC 90 oC 80 oC ∆∆∆∆Tmin=10 oC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição do número de correntes no pinch: Pinch Exemplo de violação 150 Pinch 90 oC 90 oC 80 oC ∆∆∆∆Tmin=10 oC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição do número de correntes no pinch: Pinch Exemplo de violação 151 (80+∆∆∆∆T) oC Pinch 90 oC 90 oC 80 oC ∆∆∆∆Tmin=10 oC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição do número de correntes no pinch: Pinch Exemplo de violação 152 (80+∆∆∆∆T) oC Pinch 90 oC 90 oC 80 oC ∆∆∆∆Tmin=10 oC viola ∆∆∆∆Tmin 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição do número de correntes no pinch: Pinch Exemplo de violação 153 (80+∆∆∆∆T) oC Pinch 90 oC 90 oC 80 oC ∆∆∆∆Tmin=10 oC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Condição do número de correntes no pinch: Pinch Exemplo de violação Utilidade fria acima do pinch 154 (80+∆∆∆∆T) oC Pinch 90 oC 90 oC 80 oC ∆∆∆∆Tmin=10 oC Utilidade fria acima do pinch 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Divisão de correntes – Exemplos: PinchC (kW/K) 1,0 3,0 155 5,0 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Divisão de correntes – Exemplos: PinchC (kW/K) 1,0 3,0 156 5,0 PinchC (kW/K) 1,0 3,0 3,5 1,5 “Split” 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Divisão de correntes – Exemplos: PinchC (kW/K) 4,0 2,0 157 3,0 2,0 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Divisão de correntes – Exemplos: PinchC (kW/K) 4,0 2,0 158 PinchC (kW/K) 1,5 2,5 2,0 3,0 “Split” 3,0 2,0 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Divisão de correntes – Exemplos: PinchC (kW/K) 2,0 5,0 10,0 159 10,0 1,0 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Divisão de correntes – Exemplos: PinchC (kW/K) 2,0 5,0 10,0 160 10,0 1,0 “Split” PinchC (kW/K) 2,0 5,0 6,0 1,0 4,0 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Observação: É importante frisar que as restrições nas trocas no algoritmo de síntese referem-se às trocas no pinch, 161 no algoritmo de síntese referem-se às trocas no pinch, ou seja, quando ambas as correntes chegam/saem do pinch. 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Observação: Caso não seja estritamente necessário, o procedimento de divisão de correntes em geral deve 162 procedimento de divisão de correntes em geral deve ser evitado, uma vez que aumenta a complexidade da rede resultante. 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Observação: É importante observar que o algoritmo de síntese deixa ao projetista graus de liberdade que 163 síntese deixa ao projetista graus de liberdade que podem ser utilizados para explorar outros aspectos não contemplados na análise via tecnologia pinch (e.g., controlabilidade, segurança, localização das correntes, etc.). Corrente m����Cp (kW/ºC) Tin (ºC) Tout (ºC) Exemplo ilustrativo: 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 164 (adaptado de Douglas, 1988) (kW/ºC) (ºC) (ºC) C1 C2 H1 3,0 6,0 1,0 90 130 250 150 190 120 H2 4,0 200 100 + 50 Qliq + 0 + 50 Qin Qout Qin Qout + 70 + 120 250 ºC 200 ºC 240 ºC 190 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 165 - 40 - 80 + 40 + 20 + 50 + 10 + 10 - 70 - 70 - 30 - 30 - 10 + 120 + 80 + 80 0 0 + 40 + 40 + 60 Temperatura pinch: 130 ºC / 140 ºC 160 ºC 140 ºC 120 ºC 100 ºC 150 ºC 130 ºC 110 ºC 90 ºC H1 H2 C1 C2 Abaixo do pinch: NS = 3 NHU = 0 NCU = 1 NHE = NS + NHU + NCU – 1 = 3 +1 – 1 NHE = 3 trocadores 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 166 Acima do pinch: NS = 4 NHU = 1 NCU = 0 NHE = NS + NHU + NCU – 1 = 4 +1 – 1 NHE = 4 trocadores Total: NHEc/pinch = NHEacima + NHEabaixo = 4 + 3 NHEc/pinch = 7 trocadores 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 250 oC 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 Q (kW) 110 C (kW/K) 1,0 167 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 160 120 0 240 60 360 4,0 3,0 6,0 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 50 ? 168 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 160 120 0 4,0 3,0 6,0 240 0 360 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Trocador 1: Q = 60 kW Q = mhCph(Th,i – Th,o) 169 Tc,i = 130 oC Tc,o = 150 oC Th,o = 140 oC 60 = 1 (Th,i – 140) Th,i = 200 oC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 50 200 ºC 170 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 160 120 0 4,0 3,0 6,0 240 0 360 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 50 200 ºC 171 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 160 120 0 4,0 3,0 6,0 0 0 120 2 240 kW ? 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Trocador 2: Q = 240 kW Q = mcCpc(Tc,o – Tc,i) 172 Tc,i = 130 oC Th,i = 200 oC Th,o = 140 oC 240 = 6 (Tc,o – 130) Tc,o = 170 oC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 50 200 ºC 173 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 160 120 0 4,0 3,0 6,0 0 0 120 2 240 kW 170 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW 174 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 160 120 0 4,0 3,0 6,0 0 0 70 2 240 kW 170 ºC? 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Trocador 3: Q = 50 kW Q = mcCpc(Tc,o – Tc,i) 175 Tc,i = 170 oC Th,i = 250 oC Th,o = 200 oC 50 = 6 (Tc,o – 170) Tc,o = 178,3 oC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW 176 130 oC 200 oC 150 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 160 120 0 4,0 3,0 6,0 0 0 70 2 240 kW 170 ºC 190 oC 178,3 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW 177 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 160 120 0 4,0 3,0 6,0 0 0 70 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H ? 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Aquecedor:T = 178,3 oC Q = mcCpc(Tc,o – Tc,i) 178 Tc,i = 178,3 oC Tc,o = 190 oC Q = 6 (190 – 178,3) Q = 70 kW 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW 179 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 160 120 0 4,0 3,0 6,0 0 0 0 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW 180 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 40 0 0 4,0 3,0 6,0 0 0 0 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW ? 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Trocador 4: Q = 120 kW Q = mhCph(Th,i – Th,o) 181 Tc,i = 90 oC Tc,o = 130 oC Th,i = 140 oC 120 = 3 (140 – Th,o) Th,o = 110 oC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW 182 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 40 0 0 4,0 3,0 6,0 0 0 0 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 20 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW C1 ? 183 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 40 0 0 4,0 3,0 6,0 0 0 0 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Resfriador 1: T = 140 oC Q = mhCph(Th,i – Th,o) 184 Th,i = 140 oC Tc,o = 120 oC Q = 1 (140 – 120) Q = 20 kW 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW C1 20 kW 185 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 40 0 0 4,0 3,0 6,0 0 0 0 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW C1 20 kW 186 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 40 0 0 4,0 3,0 6,0 0 0 0 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 ? 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Resfriador 2: T = 110 oC Q = mhCph(Th,i – Th,o) 187 Th,i = 110 oC Tc,o = 100 oC Q = 4 (110 – 100) Q = 40 kW 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW C1 20 kW 188 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 0 0 0 4,0 3,0 6,0 0 0 0 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 C (kW/K) 1,0 Q (kW) 0 200 ºC3 50 kW C1 20 kW 189 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 4,0 3,0 6,0 0 0 0 4,0 3,0 6,0 0 0 0 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 7 trocadores √√√√ QH = 70 kW √√√√ QC = 60 kW √√√√ 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo 178,3oC 150oC 190oC 190 H1 250oC 200oC 140oC 120oC H2 200oC 140oC 110oC 100oC 130oC C2 90oC C1 130oC170oC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Observação: A abordagem de aplicar a máxima carga térmica possível em cada troca busca reduzir o 191 térmica possível em cada troca busca reduzir o número de equipamentos porém pode, em certas situações, não atingir a síntese da rede de mínimo consumo. 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Exemplo: Pinch C (kW/K) 30500 ºC 300 ºC 192 30 10 500 ºC 10 300 ºC 480 ºC 180 ºC 460 ºC 160 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Exemplo: Pinch C (kW/K) 30500 ºC 300 ºC 3000 kW 400 ºC ? 193 30 10 500 ºC 10 300 ºC 480 ºC 180 ºC 460 ºC 160 ºC 3000 kW 400 ºC ? 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Pinch C (kW/K) 30500 ºC 300 ºC Exemplo: “Cyclic matching” 194 30 10 500 ºC 10 300 ºC 480 ºC 180 ºC 460 ºC 160 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Exemplo: “Cyclic matching” Pinch C (kW/K) 30500 ºC 300 ºC 600 kW 480 ºC 195 30 10 500 ºC 10 300 ºC 480 ºC 180 ºC 460 ºC 160 ºC 600 kW 480 ºC 420 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Exemplo: “Cyclic matching” Pinch C (kW/K) 30500 ºC 300 ºC 600 kW 480 ºC 1200 kW 440 ºC 196 30 10 500 ºC 10 300 ºC 480 ºC 180 ºC 460 ºC 160 ºC 600 kW 480 ºC 420 ºC 440 ºC 340 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Exemplo: “Cyclic matching” Pinch C (kW/K) 30500 ºC 300 ºC 600 kW 480 ºC 1200 kW 440 ºC 2400 kW 197 30 10 500 ºC 10 300 ºC 480 ºC 180 ºC 460 ºC 160 ºC 600 kW 480 ºC 420 ºC 440 ºC 340 ºC 360 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Exemplo: “Cyclic matching” Pinch C (kW/K) 30500 ºC 300 ºC 600 kW 480 ºC 1200 kW 440 ºC 2400 kW 1800 kW 198 30 10 500 ºC 10 300 ºC 480 ºC 180 ºC 460 ºC 160 ºC 600 kW 480 ºC 420 ºC 440 ºC 340 ºC 360 ºC 1800 kW Atingido o mínimo consumo de utilidades (porém sem alcançar o número mínimo de trocadores) 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Pinch C (kW/K) 30500 ºC 300 ºC Exemplo: Divisão de correntes 199 30 10 500 ºC 10 300 ºC 480 ºC 180 ºC 460 ºC 160 ºC 3.6.1. Síntese da rede de mínimo consumo Pinch C (kW/K) 30 = 15/15500 ºC 300 ºC Exemplo: Divisão de correntes 3000 kW 3000 kW 200 30 = 15/15 10 500 ºC 10 300 ºC 480 ºC 180 ºC 460 ºC 160 ºC 3000 kW 3.6.2. Evolução da rede Conceito: Se o número de trocadores de uma rede for superior ao número mínimo global (i.e. ignorando o pinch), torna-se possível tentar reduzir o número de 201 pinch), torna-se possível tentar reduzir o número de trocadores através da identificação e quebra de ciclos (“loops”). 3.6.2. Evolução da rede Ciclo: É um caminho identificado ao longo dos trocadores e correntes de uma rede saindo de um ponto e retornando a este mesmo ponto. 202 ponto e retornando a este mesmo ponto. No caso da presença de aquecedores / resfriadores, considera-se que as utilidades fazem parte do mesmo ponto. 3.6.2. Evolução da rede Exemplo: 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC3 50 kW C1 20 kW 203 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 3.6.2. Evolução da rede Exemplo: 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC3 50 kW C1 20 kW 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC3 50 kW C1 20 kW 204 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 3.6.2. Evolução da rede Exemplo: 140 oC 1250 oC 60kW 120 oC 200 ºC3 50 kW C1 20 kW 205 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 3.6.2. Evolução da rede Exemplo: 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC3 50 kW C1 20 kW 206 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 3.6.2. Evolução da rede Observação: A presença de cada ciclo independente na rede implica em um trocador a mais. 207 A eliminação de um ciclo se dá através da retirada de um dos trocadores presentes no ciclo. 3.6.2. Evolução da rede Exemplo: Na rede exemplo, há apenas dois ciclos independentes, observe que se estes forem quebrados, 208 independentes, observe que se estes forem quebrados, o terceiro também desaparece. 3.6.2. Evolução da rede 209 3.6.2. Evolução da rede Quebra de ciclos: Para executar a quebra um ciclo, um dos trocadores é eliminado e a carga térmica correspondente é transferida ao longo do ciclo. 210 correspondente é transferida ao longo do ciclo. Regra heurística: Quebrar o ciclo, eliminando preferencialmente o trocador com menor carga térmica. 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,0 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC 240 kW 3 50 kW 120 kW C1 20 kW 211 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,0 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC 240 kW 3 50 kW 120 kW C1 20 kW 212 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,0 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC 240 kW 3 50 kW 120 kW 213 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,0 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC 240 kW 3 50 kW 120 kW 180 ºC 214 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,0 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC 240 kW 3 50 kW 120 kW 180 ºC70 kW 215 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,0 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC 240 kW 3 50 kW 120 kW 180 ºC70 kW 216 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 166,6 ºC Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,0 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC 240 kW 3 50 kW 120 kW 180 ºC70 kW 220 kW 217 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 166,6 ºC Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,0 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC 240 kW 3 50 kW 120 kW 180 ºC70 kW 220 kW 218 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 166,6 ºC 145 oC Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,0 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC 240 kW 3 50 kW 120 kW 180 ºC70 kW 220 kW 115 oC 219 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 166,6 ºC 145 oC 115 oC Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,0 140 oC 1250 oC 60 kW 120 oC 200 ºC 240 kW 3 50 kW 120 kW 180 ºC70 kW 220 kW 115 oC 60 kW 220 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 240 kW 170 ºC 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW 110 ºC C2 40 kW 166,6 ºC 145 oC 115 oC 60 kW Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 221 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC Quebrando o primeiro loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 222 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC Violação do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede Restauração do ∆∆∆∆Tmin: Através da transferência de calor ao longo de um caminho ligando um aquecedor e um resfriador, é 223 um caminho ligando um aquecedor e um resfriador, é possível restaurar o ∆∆∆∆Tmin, eliminando assim a violação. 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 224 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC Violação do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 225 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 226 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC 110 oC Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 60 kW 227 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC 110 oC Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 60 kW 130 oC 228 4,0 3,06,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC 110 oC 130 oC Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 60 kW 130 oC 120 kW 229 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 100 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC 110 oC 130 oC Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 60 kW 130 oC 120 kW 120 kW 230 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC 110 oC 130 oC 100 oC Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 60 kW 130 oC 120 kW 120 kW 240 ºC 231 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC 110 oC 130 oC 100 oC Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 60 kW 130 oC 120 kW 120 kW 240 ºC 10 kW 232 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC 110 oC 130 oC 100 oC Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 60 kW 130 oC 120 kW 120 kW 240 ºC 10 kW 233 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC 110 oC 130 oC 100 oC 168,3 ºC Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 60 kW 120 oC 3 120 kW 180 ºC 70 kW 220 kW 60 kW 130 oC 120 kW 120 kW 240 ºC 10 kW 234 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 178,3 ºC H 70 kW 4 120 kW C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 115 oC 60 kW 130 oC 110 oC 130 oC 100 oC 168,3 ºC 130 kW Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC3 220 kW 60 kW 120 kW 120 kW 240 ºC 10 kW 235 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 110 oC 60 kW 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Restauração do ∆∆∆∆Tmin 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC3 220 kW 60 kW 120 kW 120 kW 240 ºC 10 kW 236 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 110 oC 60 kW 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Quebrando o segundo loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC3 220 kW 60 kW 120 kW 120 kW 240 ºC 10 kW 237 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 166,6 ºC 220 kW 145 oC 110 oC 60 kW 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Quebrando o segundo loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC 220 kW 60 kW 120 kW 120 kW 238 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 220 kW 145 oC 110 oC 60 kW 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Quebrando o segundo loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC 220 kW 60 kW 120 kW 120 kW 130 kW 239 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 220 kW 145 oC 110 oC 60 kW 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Quebrando o segundo loop 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC 220 kW 60 kW 120 kW 120 kW 130 kW 240 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 220 kW 145 oC 110 oC 60 kW 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Quebrando o segundo loop 106,67 oC 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC 220 kW 60 kW 120 kW 120 kW 130 kW 50 kW 241 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 220 kW 145 oC 110 oC 60 kW 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Quebrando o segundo loop 106,67 oC 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC 220 kW 60 kW 120 kW 120 kW 130 kW 50 kW 242 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 220 kW 145 oC 110 oC 60 kW 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Quebrando o segundo loop 106,67 oC 142,5 oC 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC 220 kW 60 kW 120 kW 120 kW 130 kW 50 kW230 kW 243 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 220 kW 145 oC 110 oC 60 kW 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Quebrando o segundo loop 106,67 oC 142,5 oC 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC 220 kW 60 kW 120 kW 120 kW 130 kW 50 kW230 kW 244 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 220 kW 145 oC 110 oC 60 kW 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Quebrando o segundo loop 106,67 oC 142,5 oC 3.6.2. Evolução da rede C (kW/K) 1,0 C (kW/K) 1,01250 oC 120 oC 120 kW 130 kW 50 kW230 kW 245 4,0 3,0 6,0 4,0 3,0 6,0 130 oC 200 oC 150 oC 190 oC 90 oC 2 H 4 C2 130 oC 120 kW 100 oC 168,3 ºC 130 kW Quebrando o segundo loop 106,67 oC 50 kW 142,5 oC 230 kW 168,4oC 150oC 190oC H 3.6.2. Evolução da rede 246 H1 250oC 120oC H2 200oC 142,5oC 130oC 100oC 130oC C2 90oC C1 C2 106,7 ºC 3.7. Tópicos Complementares A aplicação das técnicas de integração energética em processos reais envolve um conjunto adicional de aspectos do problema que devem ser 247 adicional de aspectos do problema que devem ser levados em conta. 3.7.1. Balanços de massa e energia Para a confecção do quadro de correntes, ponto de partida para os estudos de integração energética, torna-se necessário o acesso a 248 energética, torna-se necessário o acesso a informações consolidadas sobre o balanço de massa e energia do processo investigado. 3.7.1. Balanços de massa e energia Diferentes abordagens: →→→→Análise do projeto de uma nova planta 249 →→→→Análise do projeto de uma nova planta →→→→Análise de uma planta já existente 3.7.1. Balanços de massa e energia���� Projeto de uma nova planta: →→→→ Dados de projeto 250 →→→→Análise de diferentes cenários 3.7.1. Balanços de massa e energia ���� Operação de uma planta já existente: →→→→ Dados de projeto terão utilidade limitada →→→→Acesso aos dados medidos pela instrumentação 251 →→→→Acesso aos dados medidos pela instrumentação - Problemas de disponibilidade e confiabilidade →→→→ Checagem cruzada (Cross-check) →→→→ Utilização de ferramentas computacionais - Simuladores de processo - Reconciliação de dados 3.7.2. Conceito de corrente Deve-se ter cuidado com a diferença do conceito de corrente no âmbito de problemas de integração energética (HEN) e na representação de 252 integração energética (HEN) e na representação de um fluxograma de processos (PFD). 3.7.2. Conceito de corrente Em problemas de integração energética, uma corrente corresponde a uma certa vazão que deve ter a sua temperatura alterada de um valor inicial até um valor final. 253 até um valor final. Exemplo: Target TSupply T Supply T Target T Supply T Target T 3.7.2. Conceito de corrente Em fluxogramas de processo (e em ferramentas de simulação), uma corrente é caracterizada por um conjunto de valores de vazão, temperatura, pressão e composição. 254 vazão, temperatura, pressão e composição. Exemplo: 3.7.3. Montagem do quadro de correntes Classicamente, a Tecnologia Pinch é baseada na descrição de correntes com valores constantes e finitos da taxa de capacidade calorífica. 255H T 3.7.3. Montagem do quadro de correntes Entretanto, em diversas situações, esta consideração não pode ser diretamente aplicada: - Correntes sem mudança de fase com capacidades térmicas variando significativamente 256 capacidades térmicas variando significativamente com a temperatura. - Correntes que sofrem mudança de fase, com variação de temperatura (misturas). - Correntes que sofrem mudança de fase, sem variação de temperatura (substâncias puras e azeótropos). ���� Correntes sem mudança de fase ou com mudança de fase com mudança de temperatura: Neste caso, deve-se adotar linearizações, 3.7.3. Montagem do quadro de correntes 257 Neste caso, deve-se adotar linearizações, envolvendo se necessário mais de uma corrente. As linearizações devem sempre se localizar no “safe side”. 3.7.3. Montagem do quadro de correntes � Correntes sem mudança de fase ou com mudança de fase com mudança de temperatura: Exemplos de linearização: 258 H T H T � Correntes sem mudança de fase ou com mudança de fase com mudança de temperatura: Exemplos de linearização: 3.7.3. Montagem do quadro de correntes 259 H T H T Errado � Correntes com mudança de fase sem mudança de temperatura: Partindo da variação de entalpia total e 3.7.3. Montagem do quadro de correntes 260 assumindo uma variação de temperatura pequena e arbitrária (e.g. 1 ºC ou 0,1 ºC), pode-se determinar um taxa de capacidade calorífica equivalente. � Correntes com mudança de fase sem mudança de temperatura: Por exemplo, seja uma corrente de líquido saturado com vazão de 1 kg/s que é vaporizada sem 3.7.3. Montagem do quadro de correntes 261 saturado com vazão de 1 kg/s que é vaporizada sem superaquecimento (calor de vaporização 2400 kJ/kg): ∆H = m · λλλλ = 1 · 2400 = 2400 kW ∆∆∆∆H = C · ∆∆∆∆T ⇒⇒⇒⇒ C = ∆∆∆∆H / ∆∆∆∆T C = 2400 kW / 1 = 2400 kW / ºC � Correntes com mudança de fase sem mudança de temperatura: 3.7.3. Montagem do quadro de correntes 262 H T 3.7.4. Seleção do conjunto de correntes Na análise de uma planta completa, pode-se tentar diferentes alternativas de agrupamentos de correntes, levando em contas aspectos relativos à distribuição espacial das correntes na área 263 distribuição espacial das correntes na área industrial, controlabilidade, etc. Neste sentido, diferentes cenários podem ser testados visando selecionar o mais apropriado (zonal targeting) 3.7.5. Utilidades Uma planta de processo pode utilizar diferentes utilidades. ⇒⇒⇒⇒ Exemplos de utilidades quentes: 264 Vapor saturado, forno, óleo térmico, aquecimento elétrico, etc. ⇒⇒⇒⇒ Exemplos de utilidades frias: Água de resfriamento, air cooler, sistemas de refrigeração (“chiller”), pré-aquecimento de BFW e geração de vapor, etc. 3.7.5. Utilidades Tal como mostrado anteriormente, a grande curva composta é um recurso potencialmente interessante na seleção dos níveis de temperatura 265 interessante na seleção dos níveis de temperatura associados às utilidades. 3.8. Estudo de Caso 266 3.8. Estudo de Caso 267 3.8. Estudo de Caso 268 3.8. Estudo de Caso 269 3.8. Estudo de Caso Rede atual: 27 trocadores 270 3.8. Estudo de Caso 271 3.8. Estudo de Caso 272 3.8. Estudo de Caso 273 3.8. Estudo de Caso 274 3.8. Estudo de Caso 275 3.8. Estudo de Caso 276 3.8. Estudo de Caso 277 3.8. Estudo de Caso 278 3.8. Estudo de Caso 279 3.8. Estudo de Caso 280 3.8. Estudo de Caso 281 3.8. Estudo de Caso Rede proposta: 282 3.8. Estudo de Caso Resultados: Comparação com a rede existente Redução do consumo de utilidades: 60% 283 Redução do consumo de utilidades: 60% Redução do número de trocadores: 6
Compartilhar