AUDITORIA EM TORRES DE RESFRIAMENTO EM INDÚSTRIAS QUÍMICAS

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3 JÉSSICA DUARTE DE OLIVEIRA AUDITORIA EM TORRES DE RESFRIAMENTO EM INDÚSTRIAS QUÍMICAS Monografia apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Industrial, Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, como requisito parcial para a obtenção do grau de Especialista em Engenharia Econômica, Estratégia e Prevenção de Perdas na Indústria CEPI. Orientador: Prof. Dr. Salvador Ávila Salvador 2011

4 JÉSSICA DUARTE DE OLIVEIRA AUDITORIA EM TORRES DE RESFRIAMENTO EM INDÚSTRIAS QUÍMICA Monografia apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Especialista em Engenharia Econômica, Estratégia e Prevenção de Perdas na Indústria CEPI, Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia. Monografia aprovada em 23 de maio de Prof.: Dr.: Salvador Ávila, Orientador Instituição: Universidade Federal da Bahia Salvador 2011

5 AGRADECIMENTOS À Deus, em primeiro lugar. À toda minha família. Ao professor Dr. Salvador Ávila pela confiança, e sua contribuição acadêmica diária. Ao coordenador do CEPI Prof.: Dr.: Antônio Francisco pela gestão e organização durante todo andamento do curso. Aos Secretários Tatiana e Edilson, pela atenção dedicada a todos os alunos do Programa de Engenharia Industrial. Aos meus colegas de curso, pelo apoio e pelos momentos de discussão que contribuíram bastante para a nossa formação. Ao Programa de Engenharia Industrial PEI pela disponibilidade de sua estrutura física. A todos aqueles que contribuíram de alguma forma para a realização deste trabalho.

6 Somos o que fazemos repetidamente. Por isso o mérito não está na ação e sim no hábito. Aristóteles

7 OLIVEIRA, Jéssica Duarte. Auditoria em Torres de Resfriamento em Indústrias Químicas Trabalho de Conclusão de Curso (Especialização) Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, Salvador. RESUMO Devido ao grande consumo de água clarificada nas torres de resfriamento, acima de 50% do total que entra em unidades industriais químicas, torna-se necessário fazer auditorias frequentes nestes equipamentos. A auditoria em torres de resfriamento visa diminuir o consumo de água no make-up de água para este equipamento e verificar a quantidade de blow-down para manter o ciclo de concentração constante. As torres de resfriamento são equipamentos similares a trocadores de calor resfriados a ar, trabalhando com diferenciais de temperatura bastante reduzidos sendo, portanto muito sensíveis do ponto de vista de rendimento a mudanças nos parâmetros usados no seu projeto termodinâmico. Vazamentos de água, caminhos preferenciais nos enchimentos, deformação no fluxo de ar, etc. influem diretamente no desempenho destes equipamentos modificando os parâmetros já citados. Em vista disto, é necessária uma atenção redobrada na operação e manutenção das torres. Uma das ferramentas usuais e que podem dar uma resposta positiva no desempenho destes equipamentos é programar auditorias. As auditorias tem como resultado a proposição de uma série de atividades, e que trazem com resultado real a redução do consumo de água e de energia com melhor enquadramento do perfil das operações unitárias na indústria química. Palavras-chave: Torres de resfriamento, auditoria em torres, reuso de água de resfriamento.

8 OLIVEIRA, Jéssica Duarte. Cooling Tower Auditing in Chemical Industry Dissertation Polytechnic School, Federal University of Bahia, Salvador. ABSTRACT Due to the large consumption of clarified water in cooling towers, over 50% of which enters into chemical plants, it becomes necessary to make frequent audits on these equipments. The audit cooling tower aims to reduce water consumption in make-up water for the equipment and check the amount of blowdown to maintain a cycle of constant concentration. Cooling towers are devices similar to heat exchangers, air cooled, working with very low temperature differentials are therefore very sensitive in terms of yield to changes in its design parameters used in thermodynamics. Water leaks, preferential paths in the fillings, deformation in air flow, etc.. directly influence the performance of these devices by changing the parameters already mentioned. In view of this, careful attention is needed in the operation and maintenance of the towers. One of the usual tools and can give a positive response in the performance of these devices is to program audits. The audits have resulted in the proposition of a series of activities, and that bring real results with the reduction of water consumption and energy to better fit the profile of the unit operations in chemical industry. Keywords: Cooling towers, audit towers, cooling water reuse.

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Diagrama psicrométrico de uma torre de resfriamento (MELLO, 2008) 18 Figura 2: esquema mostrando a evaporação de água e remoção de calor em um sistema de resfriamento Figura 3: Metodologia de melhoria do desempenho em Torres de Resfriamento (Ávila, 2010) Figura 4: Exemplo da torre analisada (Casetta, E., & Mansur, W. 2009) Figura 5: Simulador de vazão em torres de resfriamento com os dados de projeto da unidade de amônia Figura 6: Simulador de vazão em torres de resfriamento com os dados de processo da unidade de amônia Figura 7: Pareto dos Itens que mais influenciam no desempenho da torre de resfriamento Figura 8: Interior do plenum Figura 9: Eliminador de gotículas Figura 10: Ventilador sujo com óleo Figura 11: Diferenças na distribuição frontal torre Figura 12: Distribuição com bacias de água quente (torres de correntes cruzadas) (Casetta, E., & Mansur, W. 2009) Figura 13: Presença de águas e plantas Figura 14: Resumo da Auditoria feita na torre de resfriamento da área de amônia Figura 15: Carta Psicrométrica da Torre analisada... 39

10 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Dados de projeto da torre da unidade de amônia Tabela 2: Resultados da vazão de evaporação em m³/h Tabela 3: Resultados da vazão de recirculação em m³/h... 31

11 NOMENCLATURA H = volume total do sistema CC = CR = Ciclo de concentração HTI = Holding Time Index RR = Vazão de recirculação saída RRe = Vazão de recirculação entrada RRear = Vazão de água entrando / ar seco RRar = Vazão de água saindo / ar seco E = EV = vazão de evaporação M U = MW = Total de água clarificada entrando na torre PT = Total perdas líquidas sistema Perda mecânica = Respingo = P Blow-down = BD = PT- Perda mecânica Te = temperatura de entrada da água Ts = Temperatura de saída da água Tbw= Temperatura de bulbo úmido ΔT = DT = Delta T = Ts Te AGR = Água de resfriamento Q = taxa de calor m = vazão mássica Cp = Calor específico η = eficiência SR = sistema de resfriamento TRG=Torre de resfriamento ATR = Auditoria em Torres de Resfriamento

12 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO DA LITERATURA METODOLOGIA Dados e Procedimento Desempenho térmico e Cálculos Auditoria local de torre e sistema de resfriamento RESULTADOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 42

13 Capítulo 1 Introdução INTRODUÇÃO As Torres de resfriamento evaporativas são normalmente usadas para fornecer o resfriamento da água a partir do contato direto com o ar. Dois mecanismos de remoção de calor ocorrem na torre de resfriamento evaporativa: remoção de calor por evaporação e transferência de calor sensível. A transferência de calor sensível se refere ao calor transferido pela diferença de temperatura entre a água e o ar. As perdas por evaporação da água das torres de resfriamento determinam a necessidade de reposição. Embora a literatura discuta as perdas evaporativas, a fração relativa de calor removido pela evaporação e pela transferência de calor sensível não tem sido devidamente avaliada. Tem seu princípio de operação na troca simultânea de calor e massa, com a vantagem de evitar desperdício de água, um fator de alta importância atualmente mas sem muito cuidado. O cálculo de balanço de massa e de energia para torres é impreciso devido à quantidade de variáveis ambientais e de processo envolvidas. Embora exerça importância nas condições operacionais do processo, é um equipamento de pouca atenção no setor industrial, exceto nas fases de projeto da fábrica e especificação da torre. De fato, como em todo processo industrial, podem ocorrer falhas ou interrupções; mas a busca desses problemas, na maioria das vezes, focaliza-se no processo propriamente dito, raramente se direciona a atenção para o serviço de utilidades e a torre de resfriamento. As torres de resfriamento na Indústria Química não tem tido atenção adequada que é transferida de forma inadequada para empresas tratadoras de água que atuam independentes na dosagem de produtos químicos sobre a água de resfriamento. Com as auditorias em torres de resfriamento existe um retorno destas atribuições para os técnicos da empresa. Por outro lado, por se tratar de uma instalação não integrante do processo (a torre de resfriamento faz parte das utilidades ) e porque em geral fica topograficamente afastada das unidades produtivas da fábrica, o sistema de resfriamento, muitas vezes, tem sido relegado nos estudos. Porém, em face da importância das interações envolvidas com as unidades, a torre e o circuito da água de resfriamento

14 Capítulo 1 Introdução 14 merecem uma atenção especial na análise sistêmica de um processo industrial e, às vezes, a solução de alguns problemas operacionais pode ser encontrada ao ampliar o foco do seu estudo para as utilidades da fábrica (Cortinovis & Song, 2006). Na literatura encontram-se diversos trabalhos sobre torre de resfriamento. No entanto, nota-se uma carência de estudos sobre variáveis de operação e dados experimentais do seu desempenho. De fato, normalmente, estes dados baseiam-se nas informações do fabricante, sem uma verificação posterior na prática, após a implementação da torre. As variáveis que são estabelecidas na especificação de uma torre de resfriamento de água são a carga térmica a ser removida do processo, a vazão de circulação de água, a diferença das temperaturas de entrada e saída da torre (range), a diferença entre a temperatura da água que sai da torre e a temperatura de bulbo úmido do ar ambiente (approach). Na especificação destes parâmetros, consideram-se, em geral, as condições médias e usuais de operação. Mas, dois aspectos relevantes nem sempre são levados em conta: as interações do sistema de resfriamento como um todo e a operação da torre quando ocorrem demandas térmicas de pico.

15 Capítulo 2 Revisão da Literatura REVISÃO DA LITERATURA A água que sai dos trocadores de calor é conduzida e distribuída no topo da torre de resfriamento, constituída de um enchimento interno para melhor espalhar a água ( A torre é alimentada com água captada de poços subterrâneo e previamente tratada, esta é insuflada com ar ambiente, este em contracorrente ou corrente cruzada com a água (CORTINOVIS & SONG, 20_). Sendo um equipamento de remoção de calor de uma corrente de água para o ar atmosférico consequentemente o resfriamento de água. Água de refrigeração da torre de resfriamento é bombeada para trocadores de calor onde o calor dos resíduos deve ser rejeitado a partir do processo para o ambiente. A água de refrigeração por sua vez é aquecida na rede de trocadores de calor e volta para a torre de resfriamento que flui sobre o enchimento e é contactado em contra corrente ou fluxo cruzado com o ar. O enchimento deve fornecer uma grande área interfacial de transferência de calor e massa entre o ar e a água. O ar é umedecido, aquecido e sobe através do enchimento. A água é arrefecida por evaporação, principalmente à medida que cai. A água evaporada deixa o topo da torre de resfriamento reflete o dever de arrefecimento que é perdida através da evaporação. As gotículas têm a mesma composição que a água de recirculação e é diferente de evaporação. Perda de água pelas laterais é de cerca de 0,1 a 0,3% da taxa de circulação de água. Purga é necessário evitar o acúmulo de contaminação na água de recirculação. A água de reposição é necessária para compensar a perda de água por evaporação, purga, arraste e respingo. A água composição contém sólidos que se acumulam na recirculação como resultado da evaporação. Tanto o crescimento microbiológico e a corrosão precisam ser inibidos por dosagem química do sistema de recirculação. O recheio de plástico tem limitações severas de temperatura, tanto quanto a temperatura de retorno da água de refrigeração. Se a temperatura for muito alta, o recheio plástico irá deformar e isso irá resultar em uma deterioração do desempenho da torre de resfriamento. PVC está limitado a

16 Capítulo 2 Revisão da Literatura 16 uma temperatura máxima de cerca de 50 C. Outros tipos de receios de plástico podem suportar temperaturas de até cerca de 70 C. Os produtos químicos são adicionados ao sistema de circulação para evitar sujeira no interior da torre. Dispersantes são adicionados para prevenir o acúmulo de sólidos, inibidores de corrosão para evitar a corrosão e biocidas para inibir o crescimento biológico. Há algumas tendências gerais que podem ser observadas para o projeto de torres de arrefecimento em termos de temperatura e vazão da água de refrigeração de entrada para a torre. O aumento da temperatura da entrada de um projeto de torre de resfriamento para um valor fixo aumenta o desempenho da torre de resfriamento e permite que mais calor a ser removido. Por outro lado, se a vazão para a entrada de uma torre de resfriamento dado é diminuída para uma temperatura de entrada fixa, o desempenho da torre de resfriamento aumenta, permitindo que mais calor a ser removido. Assim, o desempenho de uma torre de resfriamento é maximizado através da maximização da temperatura de entrada para a torre de refrigeração e minimizar a vazão de entrada. É, portanto, útil para ser capaz de prever o fluxo mínimo de água de refrigeração, tendo em conta as limitações de transferência de calor do que os direitos individuais de resfriamento. As maiorias das redes de água de resfriamento envolvem o uso de refrigeração de água diretamente da torre de resfriamento em cada trocador de calor. Isto leva a um arranjo paralelo dos refrigeradores (Smith, 2005). Por meio desse contato líquido gás, parte da água evapora e ocorre o seu resfriamento. Na torre, a principal contribuição para o resfriamento da água é dada por essa evaporação de parte da água que circula na torre (WAKI, 2009). A evaporação da água transferência de massa da fase líquida para a fase gasosa causa a diminuição da temperatura da água que escoa ao longo da torre de resfriamento porque a água para evaporar precisa de calor latente, e esse calor é retirado da própria água que escoa pela torre (MORETTI, CORAZZINI, & PEGAN, 2006). Este fenômeno é responsável por aproximadamente 80% do resfriamento da água. A diferença de temperatura entre o ar e a água é responsável pelos outros 20 % do resfriamento (MELLO, 2008).

17 Capítulo 2 Revisão da Literatura 17 Estes equipamentos são projetados para expor uma grande área de superfície entre a água e um fluxo elevado de ar, por um determinado período de tempo. As torres de resfriamento abaixam a temperatura da água por evaporação. Aproximadamente 2300 kj de calor são removidos para cada quilograma de água evaporada (MSPC, 2011). O tamanho de uma torre de resfriamento é estabelecido pela demanda de calor a ser removido de um sistema por unidade tempo. O range refere-se à diferença de temperaturas de entrada e saída da água na torre, ou seja, o quanto esta água de circulação é resfriada na torre. Esta diferença é uma função da carga de calor e da quantidade de água que está passando pelo equipamento. Conforme visto, o approach é a diferença entre a temperatura da água de saída da torre de resfriamento e a temperatura de bulbo úmido. Este valor reflete o desempenho térmico da torre, bem como está associado ao seu tamanho. Geralmente, o approach de uma torre de resfriamento está compreendido entre 3 C e 11 C e conforme esta temperatura é reduzida, o tamanho da torre aumenta exponencialmente (PANNKOKE, 1996). A carga térmica, o range e a temperatura de bulbo úmido são variáveis que afetam o tamanho da torre de resfriamento. Isto pode ser notado quando a temperatura de bulbo úmido cai, a temperatura da água resfriada também cai mantendo fixas as demais condições (PANNKOKE, 1996). A temperatura de bulbo úmido é um fato importante no desempenho operacional de uma torre de resfriamento, bem como no seu dimensionamento e seleção. A escolha do valor da temperatura de bulbo úmido para o projeto não é simples, pois esta variável é função das condições ambientais locais que variam durante o dia, à noite e durante as estações do ano. Entretanto, sua escolha é feita com base nas médias das máximas temperaturas de bulbo úmido durante os meses de verão, porém este critério pode ser revisto quando a unidade industrial dispõe de torres e ventiladores sobressalentes que possam ser mantidos em stand by. No diagrama mostrado na Figura 1, estão indicadas as variações das condições térmicas do ar ao passar por uma torre de resfriamento

18 Capítulo 2 Revisão da Literatura 18 (considerando que o ar deixa a torre de resfriamento com umidade relativa igual a 100%). Na entrada da torre, para o ponto E do diagrama psicrométrico, o ar está na condição ambiente, na saída, no ponto S do referido diagrama, o ar está saturado (W R =100%). O aumento de entalpia verificado é aquele correspondente à qualidade total trocado com a água, provocando, com isso, a elevação da temperatura de bulbo seco do ar. Figura 1: Diagrama psicrométrico de uma torre de resfriamento (MELLO, 2008) Em torres de resfriamento com corrente cruzadas, há possibilidade de se instalarem os ventiladores na parede lateral; desta maneira, pode-se aumentar a altura do recheio sem a necessidade de alterar a posição do ventilador. Outra informação importante, no estudo de torres de resfriamento, são as curvas de desempenho onde estão relacionadas as seguintes condições de operação: temperatura de bulbo úmido, range e approach, fluxo volumétrico de água e o rating fator. Este fator representa o número de unidades de torre requerido para uma dada situação (EVANS, 1980). Estas curvas de desempenho dependem da característica do recheio na torre e das vazões de ar e água pelo equipamento (CASTRO, SONG, PINTO, 2000). Assim, ocorre um fenômeno de transferência simultânea de calor e de massa neste processo, ou seja, há uma diferença de concentração entre a água (fase líquida) e a água presente no ar (fase vapor umidade do ar); isto proporciona uma força motriz que faz com que a água (líquido) tenha uma tendência a equilibrar a concentração com a fase gasosa (umidade do ar). Para a água passar para a fase vapor, ela necessita de energia, que é obtida na

19 Capítulo 2 Revisão da Literatura 19 forma de calor da água que permanece na fase líquida, resultando no resfriamento desta última. Assim, quanto mais seco estiver o ar, maior será a força motriz e a tendência da água evaporar, resultando em maior quantidade de calor removido e consequentemente, menor temperatura da água resfriada. Na Figura 2 está ilustrado este processo. Pelo fato dos dois mecanismos de transferência serem fortemente dependentes da área de troca, os sistemas de resfriamento são projetados de modo a propiciar uma grande área superficial de contato da água com o ar, conseguida através de bicos para pulverização / distribuição e recheios (colmeias) para otimizar o contato. Figura 2: esquema mostrando a evaporação de água e remoção de calor em um sistema de resfriamento. A temperatura mínima obtida num sistema de resfriamento a água pode até ser menor que a temperatura ambiente, dependendo da umidade relativa do ar e da eficiência do equipamento. No entanto, existe um valor mínimo na qual a temperatura deste processo pode chegar que é a chamada Temperatura de Bulbo Úmido. Esta, por sua vez, é determinada colocando-se um pedaço de algodão umedecido (ou gaze, ou flanela) em volta do bulbo de um termômetro (ou outro instrumento de medida), fazendo-se passar pelo

20 Capítulo 2 Revisão da Literatura 20 mesmo o ar a certa velocidade; a água evapora e retira calor da água que ficou no algodão, provocando o abaixamento da temperatura. A diferença entre a temperatura da água resfriada e a temperatura de bulbo úmido é chamada de Approach e pode, inclusive, ser usada para avaliar a eficiência de um sistema de resfriamento: quanto mais próxima do bulbo úmido estiver a temperatura da água resfriada, maior será a eficiência da instalação. De modo geral, valores de Approach maiores que 10 ºC indicam operação deficiente no sistema de resfriamento (subdimensionamento, obstruções ou canais preferenciais nos recheios, bicos entupidos / danificados, baixa velocidade do ar, etc.), embora alguns autores e técnicos adotem limites máximos de Approach de 6 ºC. As vazões mais altas de ar e água provocam, até um determinado limite, uma convecção mais intensa, elevando os coeficientes globais de transferência de calor e massa (REIS, SILVEIRA, & DOMENI). O aumento das vazões de ar e água causa um aumento da turbulência, o que favorece a transferência de calor e massa. No entanto, a partir de um determinado ponto, quando as vazões de água e ar tornam-se muito altas, o contato entre a água e o ar torna-se ineficiente, podendo ocorrer, por exemplo, excessivo arraste de água pela corrente de ar. As vazões de água e ar da torre são limitadas pelo tipo de recheio empregado. O desempenho de uma torre de resfriamento varia, entre outros fatores, conforme a temperatura do ar ambiente, umidade do ar, temperatura de bulbo úmido, ou seja, com o clima ( No inverno, a temperatura do ar cai e a temperatura de saída da água também cai, caso a carga térmica seja mantida constante (CORTINOVIS & SONG, 2006). Para manter a temperatura da água de saída constante, pode-se diminuir a vazão de água que circula no sistema de refrigeração. No verão, ocorre o inverso, a temperatura de saída da água aumenta, comprometendo a operação de um condensador em uma coluna de destilação, por exemplo. Pode-se aumentar a vazão de água no sistema, visando compensar o aumento de temperatura (MORETTI, CORAZZINI, & PEGAN, 2006). Fontes de calor próximas às torres de resfriamento podem influenciar sua operação. Problemas de recirculação e interferência são comuns em torres de resfriamento. A recirculação ocorre quando o ar quente e úmido que deixa a

21 Capítulo 2 Revisão da Literatura 21 torre contamina o ar que está entrando na torre (BUHRMANN, WALDT, HANEKOM, & FINLAYSON, 1999). Esta situação pode ocorrer devido à direção dos ventos, dificuldades de dispersão do ar de saída e formação de neblina. A interferência ocorre quando a ar que sai de uma torre contamina o ar de entrada de outra torre próxima, a direção dos ventos pode causar tal problema. A formação de neblina ocorre quando parte do vapor de água que sai da torre condensa em pequenas gotas, devido ao contato com o ar ambiente mais frio, tornando-se o ar supersaturado. A formação de neblina ocorre com mais frequência no inverno, dificultando a dispersão do ar quente que sai da torre. Os sais dissolvidos, luz, sólidos e matéria orgânica em suspensão dissolvidos na água de resfriamento são fatores que contribuem para a formação de um meio favorável à proliferação de algas, bactérias e fungos, que por sua vez, prejudicam não só a operação da torre de resfriamento, mas também o desempenho térmico da rede de trocadores de calor. A formação de algas e fungos pode provocar a queda de eficiência, deformação e desprendimento do recheio da torre de resfriamento. O tratamento químico da água de resfriamento para o controle de dureza, ph, condutividade e DBO é importante não só para o desempenho da torre de resfriamento, mas também da rede de trocadores de calor (CAMPAGNE, 1984). Em um sistema de torres úmidas a água evaporada é totalmente perdida para a atmosfera, cerca de 70% da água captada, esta evaporação pode causar formação de neblina dependendo da temperatura e da umidade do ar (BLOEMKOLK & SCHAAF, 1996). Em alguns países se tem se reportado danos sobre a vegetação nos arredores das torres de resfriamento, causada pela utilização de anticorrosivos afetando agricultura da região (SANTIAGO & SANTOS). Devido às perdas por evaporação que ocorrem na torres úmidas, os sais de Ca, Mg, Na, CO 3, HCO 3 e SO 4, presentes naturalmente na água, aumentam suas concentrações no líquido circulante (WAKI, 2009). Para evitar incrustações, é necessário retirar constantemente uma quantidade de água, cujo conteúdo de sólidos dissolvidos é da ordem de 3 vezes o conteúdo da água captada (MELLO, 2008).

22 Capítulo 2 Revisão da Literatura 22 As consequências da presença de incrustações em circuitos de resfriamento são: Diminuição das taxas de troca de calor nos trocadores, devido à baixa condutividade térmica das incrustações; Obstrução e até destruição do enchimento (colméias) de torres de resfriamento; Obstrução (parcial ou total) de tubulações e acessórios, restringindo a área de fluxo e, consequentemente, limitando a vazão; Entupimento de bicos e dispositivos distribuidores de água nas torres de resfriamento, promovendo a ocorrência de canais preferenciais de escoamento e diminuindo a eficiência do equipamento; Aumento dos processos corrosivos que ocorrem sob os depósitos (áreas sujeitas a diferenciais de aeração).

23 Capítulo 3 Metodologia METODOLOGIA A fim de maximizar a eficiência, as principais variáveis que influenciam o consumo de energia e água estão a ser identificadas e sua influência analisada. Este trabalho desenvolve uma abordagem para o problema da gestão de energia e água em sistemas de refrigeração. A Torre de Resfriamento é parte integrante da unidade de utilidade e garante que as operações unitárias executem o serviço proposto com êxito quando o seu funcionamento esteja igual ao projeto proposto. A maioria das instalações fabris altera a configuração do sistema de resfriamento para atender novas condições de produção, modificando assim a demanda energética por água fria. As estatísticas mostram que mais da metade da água na indústria é perdida devido à evaporação. Isso é indicativo de uma gestão ineficiente da energia. Todas as plantas de processo químico, mesmo aquelas com as disposições mais abrangentes para a recuperação do calor requer um dissipador de calor externo para remover energia térmica e de controlar a temperatura dos fluidos de processo. Com a sua abundância relativa, a capacidade de calor elevado transportabilidade e custo relativamente baixo, a água continua a ser o meio preferido para gestão de energia industrial. Assim, se faz necessário analisar o desempenho térmico das torres e acompanhar a gestão quanto a procedimentos de operação e de manutenção. A Figura 1 mostra a sequência que deve ser adotada durante uma auditoria em torres de resfriamento. Figura 3: Metodologia de melhoria do desempenho em Torres de Resfriamento (Ávila, 2010).

24 Capítulo 3 Metodologia Dados e Procedimento Análise preliminar A primeira etapa a ser feita ao chegar à torre de resfriamento á a análise preliminar. Ela visa em fornecer um diagnóstico rápido do funcionamento. Os aspectos importantes a ser analisados são: temperatura de entrada e saída da torre de resfriamento, vibração dos ventiladores e bombas, aparência da piscina superior e inferior, presença de água no plenum, parâmetros existentes no painel de controle e são os mesmo que os parâmetros de campo. Projeto e dados de processo crítica. Após coletar os dados de projeto e de processo é necessário fazer uma análise Os dados importantes de processos a serem avaliados são: a) Temperatura na bacia de água quente e fria; b) Carga térmica da planta e variabilidade que afetam trocadores de calor; c) Vazão de chegada na bacia de água quente é a mesma que a vazão de saída na bacia de água fria (possibilidade de vazamentos nas linhas); e) Verificar as condições dos ventilados e bombas; f) Dureza cálcio da água de recirculação e do make-up; g) Ciclo de concentração; h) Umidade em dias com chuva; i) Umidade em dias ensolarados; j) Temperatura de bulbo úmido e bulbo seco estimativa; k) Velocidade da água nos trocadores críticos; l) Blow-down Desempenho térmico e Cálculos Nessa etapa do trabalho são desenvolvidos os balanços de massa e energia por métodos diferenciados para avaliar impacto de fatores que podem influenciar no desempenho térmico das torres de resfriamento. Serão preparados modelos matemáticos

25 Capítulo 3 Metodologia 25 simples na intenção de testar o desempenho com a simulação de novas situações ou condições de operação nas torres e no sistema de resfriamento. Serão analisados também os erros cometidos a partir do controle de operação de sistemas de resfriamento com isso será possível preparar recomendações com novos procedimentos. Prepararão e implantarão teste para análise de desempenho das torres de resfriamento. Durante esse processo serão estimados dados faltantes para a realização dos testes através de medição no campo. Avaliarão cenários de variabilidade ambientais e de processo da planta industrial, que possam influenciar no desempenho das torres de resfriamento e que medidas devem ser tomadas para estabilizar a operação. Realizarão as recomendações e direcionarão as demandas específicas para especialistas, caso seja necessário acompanhamento dos serviços de especialista. São 4 métodos utilizados para calcular o balanço de massa, abaixo está citado cada método com as respectivas fórmulas: Método 1: Esse método é utilizado por uma tratadora de água (( ) ) (1) ( ) (2) (3) (4) ( )*RR (5) (6) Método 2: Balanço de massa (7) As perdas por respingo são da ordem de 0,1 a 0,3%. Nas torres alpinas de menor porte este valor pode chegar a 0,01%. A quantidade de sólidos entrando no make-up será proporcional à quantidade de sólidos removidos nas perdas, proporcionalidade esta dada por uma constante, CR, denominada ciclo de concentração. Esta constante CR constitui-se em um importante índice para o acompanhamento e operação de sistemas de água de resfriamento, visto que é proporcional ao teor de sólidos na água de circulação.

26 Capítulo 3 Metodologia 26 Este índice indica quantas vezes a concentração de sólidos na água em circulação é maior que a concentração de sólidos na água de reposição. De acordo com as formulas mostradas anteriormente, tem uma relação entre as quantidades de água de reposição, blowdown e cada ciclo de concentração. Método 3: Balanço de energia (8) Onde, o volume de água perdido por evaporação é proporcional à queda de temperatura na torre de resfriamento e à vazão de recirculação Método 4: Carta de umidade ( ( )) (9) (10) (11) (12) Estes métodos indicam diferenças tanto no cálculo da evaporação quanto na verificação da recirculação necessária para a troca térmica medida da água para resfriamento. A verificação quanto à eficiência de troca térmica por distribuição e pelo ventilador também pode levar a erros neste cálculo. Os itens de maior risco de erros são: vazão de recirculação, vazão nos ventiladores e análise do ciclo de concentração, visto que, as condições de umidade, bulbo e temperaturas do processo foram verificadas uma por uma na auditoria Auditoria local de torre e sistema de resfriamento Auditoria é conjunto de procedimentos técnicos para a revisão do sistema, cujo objetivo é averiguar se elas estão de acordo com as disposições planejadas ou estabelecidas previamente, se foram implementadas com eficácia e se estão adequadas (em conformidade) à consecução dos objetivos. Esta atividade é desenvolvida seguindo as seguintes etapas: 1. Definição de roteiro; 2. Comunicação para a operação; 3. Execução da Auditoria; 4. Preparação de Relatório.

27 Capítulo 3 Metodologia 27 Na Definição de roteiro (1) é importante avaliar quais são os itens críticos por tipo de torre de resfriamento que foram verificados na análise preliminar. Na comunicação para a operação (2) não é apresentado o horário nem o roteiro da visita de auditoria. Na execução da Auditoria (3) é importante recolher material para análise visual e estimar vazões e perdas de ar ou água. Instrumentos com princípio de pirômetro para medir temperatura, dimensões das caixas da torre para estimar perdas, dados de projeto do ventilador e das vazões para estimar o desempenho. A Auditoria pode indicar falhas na operação e manutenção da torre de resfriamento. Na etapa de relatório (4) são apresentados os registros da auditoria e as recomendações necessárias para melhorar o desempenho da torre de resfriamento. Para aperfeiçoar a gestão energética em torres de resfriamento deve-se utilizar o ventilador e a recirculação da água de forma proporcional à demanda das plantas. Assim, faz parte do trabalho de auditoria em torres de resfriamento avaliar o nível de automação e quantificar qual a economia atingida caso se façam alterações no sistema de controle.

28 Capítulo 4 Resultados RESULTADOS A metodologia de auditoria em torre de resfriamento foi realizada em uma indústria no setor químico no estado da Bahia. A torre auditada é de corrente cruzada e fica situada na unidade de amônia. As torres de maior porte são divididas em células independentes, cada uma com seu ventilador, para maior flexibilidade operacional. A parte central da plataforma é ocupada pelos ventiladores. As bacias de distribuição de água quente, com orifícios, ficam à esquerda e à direita dos ventiladores, na altura da plataforma e um pouco acima do enchimento. Os eliminadores de gotas ficam ao longo de toda a superfície do enchimento, do lado da saída de ar. O espaço vazio, na parte central, entre os dois lados do enchimento, é a câmara de plenum que, como nas torres de contra corrente, serve para equalizar a pressão de sucção dos ventiladores no enchimento. A água é coletada e acumulada na bacia de água fria, na base da torre, de onde é bombeada para os pontos de utilização. O retorno da água quente é feito através dos tubos, nos dois lados da torre, sobre as bacias de distribuição. As venezianas, nas laterais da torre, tem finalidade melhorar a distribuição de ar para o enchimento, servindo também para conter os respingos de água. Figura 4: Exemplo da torre analisada (Casetta, E., & Mansur, W. 2009) Essa torre analisada possui dois trocadores críticos que somente eles necessitam de uma vazão de pelo menos 10820m³/h sendo 60% da capacidade total da mesma. Assim a linha até esses trocadores não pode estar obstruída para não prejudicar o desempenho da unidade. Foi calculada a energia liberada pela torre com os dados de processo e projeto através da formula 13.

29 Capítulo 4 Resultados 29 onde Cp água = 4,19MJ/(t C) (13) Dados de projeto: m = t/h ΔT = 10 C Q = 18000*4,19*10*10-3 Q = 754,2 GJ/h Dados de processo: m = t/h ΔT = 8,2 C Q = 17856*4,19*8,2*10-3 Q = 613,5 GJ/h Calculou-se a eficiência energética da torre (η), tem-se: η = (Q (medição) / Q (projeto)) * 100 η = (613,5/754,2)*100 η = 81,34% Verificou-se que a torre opera com 81,34% de sua capacidade energética. Esse desempenho pode ser melhorado pois foi verificado alguns itens críticos que serão discutidos a seguir. A redução na transferência de energia é devido ao gradiente térmico e variação de temperatura. Na

30 Capítulo 4 Resultados 30 Tabela 1 segue as informações sobre os dados de projeto da torre de resfriamento analisada durante a auditoria.

31 Capítulo 4 Resultados 31 Tabela 1: Dados de projeto da torre da unidade de amônia Dados de projeto da torre Torre da unidade de amônia Recirculação 18000m³/h Capacidade de resfriamento 754,2 GJ/h Temperatura da água fria 32 C Temperatura da água quente 42 C Delta da Temperatura 10 C Temperatura de bulbo úmido de projeto 27 C Temperatura do ar deixando a torre 37 C Velocidade periférica 3591m/min Vazão de ar de projeto (min) 47287m³/min Vazão de projeto (max) Aumento da vazão Consumo de energia 200 BHP Os métodos citados na metodologia indicam diferenças tanto no cálculo da evaporação quanto na verificação da recirculação. As diferenças variam entre 30 a 50% para evaporação e entre 40 a 60% no caso de cálculo para vazão de recirculação. A verificação da eficiência de troca térmica por distribuição e pelo ventilador também pode levar a erros neste cálculo. Os itens de maior risco de erros são: vazão de recirculação, vazão nos ventiladores e análise do ciclo de concentração, visto que, as condições de umidade, bulbo e temperaturas do processo foram verificadas por na auditoria. Tabela 2: Resultados da vazão de evaporação em m³/h Simulação da vazão de evaporação Vazão de evaporação Diferença Simulação M1 M3 M4 M3/M1 M4/M1 Torre (Dados de projeto) ,29 0,46 Torre (Dados de processo) ,29 0,70 Tabela 3: Resultados da vazão de recirculação em m³/h Simulação da vazão de recirculação Vazão de recirculação Diferença Simulação Total M4 M4/total Torre (Dados de projeto) ,47 Torre (Dados de processo) ,58 Os dados apresentados nas tabelas Tabela 2 e Tabela 3 são resultados da simulação demonstrada nas Figura 5 e Figura 6 (os círculos vermelhos representam a vazão de evaporação e o azuis são a vazão de recirculação).

32 Capítulo 4 Resultados 32 Figura 5: Simulador de vazão em torres de resfriamento com os dados de projeto da unidade de amônia

33 Capítulo 4 Resultados 33 Figura 6: Simulador de vazão em torres de resfriamento com os dados de processo da unidade de amônia

34 Porcentagem Capítulo 4 Resultados 34 Após o calculo de desempenho térmico e vazão foi feito uma auditoria local na torre e no sistema de resfriamento Itens críticos distribuição da bacia de água quente 0 recheio ventilador fuga de ar pela lat eral fuga de ar pela porta vazament os 0 Count Percent 26,3 21,1 18,4 13,2 10,5 10,5 Cum % 26,3 47,4 65,8 78,9 89,5 100,0 Figura 7: Pareto dos Itens que mais influenciam no desempenho da torre de resfriamento Durante a auditoria foram verificados os itens que mais influenciam no desempenho da torre analisada nesse trabalho. A distribuição da água na bacia de água quente é o item principal no desempenho da torre de resfriamento posteriormente são os recheios conforme mostra na Figura 7. Quanto menor a gotícula de água melhor será a eficiência da troca térmica entre o ar e a água, isso só irá ocorrer se a água for distribuída de forma homogênea no interior das células e com os recheios eficientes. Os recheios devem estar em perfeito estado sem algas e rachaduras. Os separadores de gotícula e o enchimento (Figura 8: Interior do plenum e Figura 9: Eliminador de gotículas) de uma torre de resfriamento de água acelera a dissipação de calor, aumentando o tempo de contato entre a água e o ar. Esta função se realiza devido o aumento da área molhada á exposição contínua da superfície da água ao ar e à formação de gotas e filmes na torre. Durante a auditoria verificou-se que eles estavam deficientes fazendo com que grande quantidade de gotículas de água provoque uma chuva permanente no recinto. Os exaustores estavam succionando água ao invés de ar saturado,

35 Capítulo 4 Resultados 35 fazendo com que diminua o rendimento da tiragem e aumente a perda por arraste. Figura 8: Interior do plenum Figura 9: Eliminador de gotículas Os ventiladores das torres de resfriamento necessitam movimentar grandes volumes de ar, de modo econômico; seu funcionamento deve ser isento de vibrações e pulsações, as quais podem danificar os demais componentes mecânicos e toda a estrutura da torre. Os ventiladores existentes estavam com uma alta vibração e com resíduo de óleo com isso é necessário uma verificação minuciosa de cada um. Verificou-se que a folga existente entre a pá e a parede do difusor estavam com valores aceitáveis para não existir o retorno de ar saturado para o interior da torre e o ângulo estava conforme o projeto.

36 Capítulo 4 Resultados 36 Figura 10: Ventilador sujo com óleo Na Figura 11 se apresenta densidades diferenciadas na parte externa do recheio, indicando diferenças no distribuidor. As venezianas de entrada do ar são projetadas para evitar perda de água através das superfícies de entrada do ar e para uma eficiente admissão deste ar na torre. Durante a auditoria foram verificados problemas nas venezianas pois ao transitar ao lado da torre tinhase a sensação de chuva. Figura 11: Diferenças na distribuição frontal torre A Figura 12 ilustra a bacia de água quente e válvula de controle que serve para ajustar a vazão de água, distribuindo-a igualmente entre as células. Se essa válvula não estiver ajustada a distribuição no interior da célula não será homogênea como pode ser verificado na Figura 11.

37 Capítulo 4 Resultados 37 Figura 12: Distribuição com bacias de água quente (torres de correntes cruzadas) (Casetta, E., & Mansur, W. 2009) Na Figura 13 é indicada a presença de algas e planta indicando deficiências no tratamento químico ou manutenção de torres totalmente paradas e consequente proliferação de flora. Para evitar essa proliferação a água de recirculação deverá estar dentro dos seguintes parâmetros: ph:... 7,0 a 9,0 Dureza (CaCO 3 ): a 500 ppm Alcalinidade (CaCO 3 ): ppm max. Total sólidos dissolvidos: ppm max. Cloretos: ppm max. Sulfatos: ppm max. Figura 13: Presença de águas e plantas Uma torre de resfriamento funciona como se fosse um lavador de gases, sendo as impurezas contidas no ar removidas pela água circulante. Deste modo, a água de resfriamento é sujeita a contaminação por substâncias diversas as quais podem provocar depósitos e corrosão nos equipamentos, assim tem como:

38 Capítulo 4 Resultados 38 gases de combustão provenientes de fornos e caldeiras que, além de reduzirem o ph da água, podem reagir com os produtos inibidores de corrosão e incrustação, prejudicando sua eficiência; material particulado, possível causador de depósitos nos distribuidores das torres. Estes riscos devem ser levados em consideração, principalmente quando, com relação à direção predominante dos ventos, a torre está a sotavendo de fontes emissoras de contaminantes atmosféricos. Existe a possibilidade potencial de redução do número de torres em operação, mas antes é necessário corrigir a presença de materiais que obstruem os distribuidores. Após as correções das anormalidades encontradas durante a auditoria chegouse a uma redução de até 1 C a temperatura da água fria do sistema, esse aumento do ΔT significa uma economia de energia de até kcal/h (energia térmica e elétrica juntamente). Alta vibração e amperagem em ventiladores específicos Distribuição irregular de água na bacia de água quente da torre devido a: válvulas, manutenção inadequadas, vazamentos laterais, transbordos, obstruções, etc... Fuga de água do recheio para a ventilação Figura 14: Resumo da Auditoria feita na torre de resfriamento da área de amônia Distribuição irregular de água no recheio devido a: tratamento químico, fluxo da torre, canais preferenciais, presença de plantas, etc...

39 Capítulo 4 Resultados 39 Figura 15: Carta Psicrométrica da Torre analisada

40 Capítulo 5 Conclusão CONCLUSÃO Como já foi dito, cerca de 80% do resfriamento deve-se à evaporação, sendo o resto atribuído à transferência de calor para o ar circundante por convecção, portanto torres que trabalham com faixas de temperatura mais amplas, necessitam de grandes vazões de reposição. Ela é uma instalação não integrante do processo (a torre de resfriamento faz parte das utilidades ) e porque em geral fica topograficamente afastada das unidades produtivas da fábrica, o sistema de resfriamento, muitas vezes, tem sido relegado nos estudos. Porém, em face da importância das interações envolvidas com as unidades, a torre e o circuito da água de resfriamento merecem uma atenção especial na análise sistêmica de um processo industrial e, às vezes, a solução de alguns problemas operacionais pode ser encontrada ao ampliar o foco do seu estudo para as utilidades da fábrica. Além disso, nos últimos anos, devido a questões ambientais e crescente limitação na captação de água para uso em processos, o interesse das indústrias por pesquisas que melhorem o desempenho desses sistemas como um todo, e de torres de resfriamento em particular, tem aumentado. A medição que envolve desempenho térmico e energético da planta industrial precisa ser melhorada inclusive com relação às vazões e temperaturas podendo ser o principal motivo das diferenças de cálculo iniciais. A falta de histórico de condições de operação e vazão de ar nos ventiladores faz com que se trabalhe em vazões atuais estimadas, foram verificados indicativos que os ventiladores podem estar com seus rendimentos reduzidos. Também não foram encontrados os valores reais das purgas feitas na torre além da cotidiana. Durante a auditoria na Torre da unidade de amônia pode verificar alguns desinteresses por parte do setor industrial visto que a purga existente nessa torre tem uma vazão mínima e contínua pois tem-se a necessidade do fluxo dessa purga formar vácuo no setor de bombas da unidade para não ficar alagado. Outro item de suma importância foi que as purgas das outras torres eram direcionados para ela assim aumentando a contaminação interna e perdendo o controle operacional existente.

41 Capítulo 5 Conclusão 41 Com os itens verificados durante a auditoria pode-se concluir que a área de utilidades não tem o cuidado necessário com as torres de resfriamento. Foram no total de 5 não conformidades no interior da torre quando foram sanados fez com que houvesse uma redução de 1 C na bacia de água fria e verificou-se uma economia de energia de aproximadamente kcal/h que poderá ser utilizado em outro sistema.

42 Referências Bibliográficas 42 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ADAMS, S. (1991). Strategies for improved cooling tower economy. Cooling Technology Institute. 2. Ávila, S. (2010). Auditoria em TRGs em Petroquímica. Salvador - BA. 3. Ávila, S. (2009). Auditoria em Torres no projeto Energiba/TECLIM. Salvador - BA. 4. Ávila Filho, S. (2006). Cooling Tower Mass Balance at Industry. CHISA Ávila Filho, S., Pessoa, F. P., & Kalid, R. (n.d.). Cooling Water System and Tower Audit. 6. Bloemkolk, J. W., & Schaaf, R. J. (1996). Design alternatives for use of cooling water in the process industry: minimization of the environmental impact from cooling systems. Elsevier, Buhrmann, F., Waldt, M. V., Hanekom, D., & Finlayson, F. (1999). Treatment of industrial wastewater for reuse. Elsevier, Campagne, W. V. (1984). Integration of the cooling tower in the chemical processing plant. Cooling Technology Institute 9. Casetta, E., & Mansur, W. (2009). Torres de Resfriamento de Água. 10. Cassetta, E. (2004). Workshop sobre Torres de resfriamento. Salvador: TECLIM. 11. Castro, M. M.; Song, T.W.; Pinto J. M. (2000). Minimization of operational cost in cooling water systems. Trans IChemE, v.78, part A p. 12. Cortinovis, G. F., & Song, T. S. (2006). Funcionamento de uma Torre de Resfriamento de Água. 13. Evans Jr., F. L. (1980). Equipment design handbook for refinaries and chemical plants. Houston, Gulf Publishing Vol p. 14. James P. Mclntyre, P. E. (n.d.). Industrial Water Reuse and Wastewater Minimization. 15. Mello, L. C. (2008). Influências de variáveis de processo no desempenho de torre de resfriamento. São Paulo. 16. Moretti, J. P., Corazzini, L., & Pegan, R. (2006). Transmissão de Calor e Meio Ambiente: Torres de Resfriamento e suas Decorrências. 17. Trovati J., (2004). Tratamento de Água de Resfriamento. 18. Pannkoke, T. (1996). Cooling tower basic. Journal HPAC Engineering.

43 Referências Bibliográficas Petrobras (1998). Avaliação/Simulação do Sistema de Distribuição de Água de Resfriamento 20. Reis, J. A., Silveira, J. L., & Domeni, P. E. ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA EM TORRES DE RESFRIAMENTO. Guaratinguetá. 21. Santiago, P. S., & Santos, R. P. Major Improvements in cooling system performance at an ammonia/urea plant. 22. Smith, R. (2005). Chemical Process Design and Integration. Manchester: John Wiley & Sons, Ltd. 23. Waki, R. (2009). Montagem e avaliação de uma torre de resfriamento para uso em atividades de graduação. Campinas (n.d.). Acesso em: 04 de abril de (n.d.). Acesso em: 15 de abril de Acesso em: 09 de maio de Zhelev, T. K. (2005). Water conservation through energy management. Journal of Cleaner Production.