Atividade de Operação de Processos Unitário

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(
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
ENG364 – PRODUÇÃO E TRANSPORTE DE CALOR
)
SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
AMANDA SOUZA
CÁTIA LARISSA
JAMILE SERRA
SALVADOR, JUNHO/2010
SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
(AVALIAÇÃO III)
Versão da 3ª avaliação, referente à Integração Energética de Redes de Trocadores de Calor, na disciplina ENG364, Universidade Federal da Bahia, como requisito parcial à obtenção de aprovação.
PROFESSOR: SILVIO VIEIRA DE MELO
AMANDA FIGUEIREDO
CÁTIA LARISSA
JAMILE SERRA
TURMA B
2
SUMÁRIO
SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA	1
INTRODUÇÃO	5
DADOS DO SISTEMA	7
CONCLUSÕES	10
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS	10
[2] Novazzi, Luis Fernando. “Dinâmica e controle de redes de trocadores de calor”, Campinas-SP, 2007.	10
 
OBJETIVO
O presente trabalho tem o objetivo de propor uma rede de trocadores de calor para um dado sistema através do Método Heurístico determinando:
· O fluxograma da rede
· A carga térmica e área de cada trocador
· Consumo de utilidades e custos 
O problema consiste em, dados um conjunto de correntes quentes, um conjunto de correntes frias e um conjunto de utilidades, determinar um sistema capaz de conduzir as correntes das suas temperaturas de origem às suas temperaturas de destino.
INTRODUÇÃO
Plantas químicas são tradicionalmente grandes consumidoras de energia, principalmente em processos de fabricação de commodities. Levando-se em conta aspectos econômicos e de produtividade, é interessante que se faça o uso eficiente e racional de energia nesses processos.
É comum encontrar em vários processos químicos, correntes que precisam ter suas temperaturas ajustadas, ou seja, correntes que precisam ser aquecidas (correntes frias) e correntes que precisam ser resfriadas (correntes quentes). Os ajustes das temperaturas das correntes de processo geralmente são promovidos através de trocadores de calor. 
A forma mais eficiente de realizar esses ajustes é através da integração energética das correntes do processo que consiste no aproveitamento do calor das correntes quentes para aquecer as correntes frias com o conseqüente o resfriamento das correntes quentes. A integração energética se dá por meio de uma rede de trocadores de calor na qual os equipamentos são interligados entre si. A integração, portanto, serve para reduzir o consumo de utilidades quentes e frias pelo processo e, adicionalmente, é vantajosa do ponto de vista ambiental, já que o calor rejeitado num processo químico representa um desperdício de combustível.
 No projeto da rede, o dimensionamento é baseado nas condições nominais de vazão e temperatura das correntes. Um dos métodos de construção de Redes de Integração Energética é o Método Heurístico descrito nos Capítulo 6 e 8 do livro “Engenharia de Processos” [1]. As regras heurísticas para síntese de uma rede de trocadores são descritas basicamente a seguir:
 Regra 1 – “Iniciar a síntese cogitando exclusivamente trocadores de calor casco- e- tubo, de passo simples, com escoamento em contracorrente.”
 “Regra 2-” “Seleção dos pares de correntes com base nas temperaturas em que elas devem entrar e sair do trocador”
Para a seleção dos pares de corrente, existem dois critérios:
 
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	RPS
	"Selecionar a corrente quente com a maior temperatura de entrada e a fria com a maior temperatura de entrada ou, de forma equivalente, selecionar a corrente quente com a menor temperatura de entrada e a fria com a menor temperatura de entrada."
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	PD
	"Selecionar a corrente quente com a maior temperatura de entrada e a fria com a maior temperatura de saída"
 Regra 3- "Efetuar a troca térmica máxima entre as correntes escolhidas, respeitando as restrições quanto às temperaturas nas extremidades do trocador." (ΔT de 'approach')
	As regras devem ser aplicadas sistematicamente até que estejam esgotados todos os pares possíveis, realizando aquecimento e/ou resfriamento complementares quando necessário. 
Dessa forma, o método é aplicado para a definição dos pares de corrente, da seqüência de trocas térmicas e a quantidade de calor trocada por cada par.
DADOS DO SISTEMA
Os dados do sistema proposto são apresentados nas tabelas abaixo: 
	CORRENTE
	W.Cp (kW/ºC)
	TO (ºC)
	Td (ºC)
	F1
	2,2
	
	40
	205
	F2
	2,4
	
	65
	150
	F3
	2,5
	
	95
	205
	Q1
	3,2
	
	250
	120
	Q2
	2,5
	
	205
	65
	
TABELA 1: CORRENTES - VAZÕES E TEMPERATURAS DE ORIGEM E DESTINO
	
	
	
	
	
	UTILIDADE
	TEMPERATURA
	PROPRIEDADE
	Vapor Saturado
	250
	ºC
	Calor Latente
	0,48
	kWh/kg
	Água
	Entrada
	30
	ºC
	Cp
	0,00116
	kWh/kg ºC
	
	Saída
	60
	ºC (máx)
	
	
	
TABELA 2: UTILIDADES - TEMPERATURAS E PROPRIEDADES
	EQUIPAMENTO
	U (kW/m² ºC)
	Trocador, Resfriador
	0,75
	Aquecedor
	1
 TABELA 3: EQUIPAMENTOS - COEFICIENTES GLOBAIS
	
	W = vazão mássica
	
	
	
	
	
	Wa
	(Consumo total de água)
	 
	 
	kg/h
	
	
	Wv
	(Consumo total de vapor)
	 
	kg/h
	
	
	Ca
	(Custo unitário da água)
	 
	0,0005
	R$/kg
	
	
	Cv
	(Custo unitário do vapor)
	0,0015
	R$/kg
	
	
	Cutil
	(Custo de Utilidades)
	 
	
	R$/ano
	Cutil=8500*(CaWa+CvWv)
	Ccap
	(Custo de Capital)
	 
	
	R$/ano
	Ccap=0,1*IE
	
	IE
	(Custo de Investimento)
	 
	
	R$/ano
	IE=900*A0,024
	
	A
	(Área de Troca)
	 
	
	m²
	
	
	CT
	(Custo Total)
	 
	
	R$/ano
	CT=Cutil+Ccap
	
TABELA 4: DADOS PARA AVALIAÇÃO ECONÔMICA
EQUAÇÕES BÁSICAS
As equações básicas de troca térmica utilizadas para a construção de redes de trocador de calor são:
	Q = WCp(TSF-TEF)
	(1)
	Q = WCp(TEQ-TSQ)
	(2)
	Q = UAΔTML
	
	(3)
onde
	TEQ
	Temperatura de entrada da corrente quente
	TSQ
	Temperatura de saída da corrente quente
	TEF
	Temperatura de entrada da corrente fria
	TSF
	Temperatura de saída da corrente fria
e:
Os ΔT's de 'approach' são definidos como: (TEQ-TSF) e ( TSQ-TEF),como restrição, exige-se que ΔT's de 'approach' ≤ 10⁰C.
	
	
	
	
DESENVOLVIMENTO
 Através das equações básicas foi calculada a oferta/demanda de cada corrente e construída a tabela abaixo:
	CORRENTE
	W.Cp (kW/ºC)
	TO (ºC)
	Td (ºC)
	OFERTA/DEMANDA (Kw)
	F1
	2,2
	40
	205
	363
	F2
	2,4
	65
	150
	204
	F3
	2,5
	95
	205
	275
	Q1
	3,2
	250
	120
	416
	Q2
	2,5
	205
	65
	350
TABELA 5: SITUAÇÃO DAS CORRENTES ANTES DA INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
Com os dados acima, foram feitos os cálculos de integração utilizando como ferramenta o software Excel®. A memória de cálculo encontra-se anexada neste trabalho.
RESULTADOS
Aplicado o método Heurístico, foi possível propor uma possível rede de integração das correntes do sistema proposto. A Figura 1 apresenta o fluxograma da rede:
Figura 1: Fluxograma da rede.
A Tabela 6 apresenta as cargas térmicas e áreas de cada trocador e o consumo de utilidades correspondentes, quando existente:
	 
	CARGA TÉRMICA (Kw)
	ÁREA (m²)
	CONSUMO DE UTILIDADES (kg/h)
	1
	275
	6,5
	-
	2
	341
	25,7
	-
	3
	141
	4,0
	-
	4
	22
	0,4
	46
	5
	63
	0,6
	131
	6
	9
	0,5
	388
TABELA 6: TROCADORES DE CALOR – CARGA TÉRMICA, ÁREA E CONSUMO DE UTILIDADES
Com base na rede obtida, foram calculados os custos associados à aquisição dos trocadores e consumo de utilidades:
	Wa
	(Consumo total de água)
	388
	kg/h
	Wv
	(Consumo total de vapor)
	177
	kg/h
	Ca
	(Custo unitário da água)
	0,0005
	R$/kg
	Cv
	(Custo unitário do vapor)
	0,0015
	R$/kg
	Cutil
	(Custo de Utilidades)
	3906,52
	R$/ano
	Ccap
	(Custo de Capital)
	549,82
	R$/ano
	IE
	(Custo de Investimento)
	5498,23
	R$/ano
	A
	(Área de Troca)
	37,7
	m²
	CT
	(Custo Total)
	4456,34
	R$/ano
TABELA 7: CUSTOS ASSOCIADOS À REDE
CONCLUSÕES
	Aplicando o método Heurístico para a construção de uma rede de trocadores, foi possível propor um dentre os diversos arranjos possíveis. A rede apresentada não necessariamente representa a rede ótima, ou seja, aquela que acarreta o menor custo. Para determinar tal solução ótima é necessária a análise de outras
possíveis redes aplicando outras metodologias de síntese a exemplo do Método Evolutivo descrito no capítulo 8 do livro “Engenharia de Processos” [1]. Para fins didáticos, porém, é satisfatória a determinação de uma rede ilustrativa como forma de aplicação prática do método estudado. Além disso, na abordagem apresentada não foram levados em conta outros aspectos importantes, tais como:
· A integração das correntes de processo pode levar a plantas desnecessariamente complexas e inclusive potencialmente perigosas. 
· Procedimentos de partida e parada de planta podem ficar difíceis e até mesmo inviáveis em função da complexidade da planta
· A distância física entre correntes que são integradas não é considerada. Isso pode implicar em maior gasto com bombeamento de correntes, despesas com tubulação, etc.
· O controle de uma rede complexa não é trivial. Uma perturbação na temperatura ou na vazão de uma corrente pode afetar um grande número de correntes de processo.
Tais aspectos são de extrema importância quando se trata de processos reais e, por isso, métodos de integração mais complexos costumam ser empregados.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] C.A.G. Perlingeiro. “Engenharia de Processos”, Ed. Edgard Blücher, São Paulo-SP, 2005. 
[2] Novazzi, Luis Fernando. “Dinâmica e controle de redes de trocadores de calor”, Campinas-SP, 2007. 
MEMÓRIA DE CÁLCULO