ESTUDO DA INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA DE PROCESSOS QUÍMICOS UTILIZANDO SIMULADORES COMPUTACIONAIS

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1 ESTUDO DA INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA DE PROCESSOS QUÍMICOS UTILIZANDO SIMULADORES COMPUTACIONAIS L. ALBERTO 1, N. G. SOUSA 1, A. A. PFEIFER 1 1 Universidade Federal do Triângulo Mineiro, Instituto de Ciências Tecnológicas e Exatas, Departamento de Engenharia Química para contato: adriene_br@yahoo.com.br RESUMO Visando à redução de custos operacionais, a abordagem do gerenciamento e redução de utilidades na indústria deve ser feita com base na metodologia da integração energética, que permite o desenvolvimento de novos arranjos do processo. O objetivo deste trabalho foi demonstrar a característica combinatória na busca de uma configuração ótima dos elementos estruturais, além de propor a síntese de novas redes de trocadores de calor, fundamentada na metodologia de estrangulamento térmico, com o auxílio de simuladores computacionais (COCO, HINT), para o fluxograma de separação de hidrocarbonetos numa indústria siderúrgica e para a etapa de destilação na produção de álcool a partir da cana de açúcar. A integração energética, utilizando a metodologia Pinch, mostrou-se viável para a análise de diferentes estruturas de processos químicos, obtendo resultados de bom desempenho, tanto na redução da área de troca térmica quanto no consumo energético. 1. INTRODUÇÃO Com o intuito de reduzir o emprego de insumos energéticos e tendo em vista a perspectiva de sustentabilidade, a integração energética consiste no aproveitamento do calor liberado durante o arrefecimento das correntes quentes para o concomitante aquecimento das correntes frias (PERLINGEIRO, 2005). Este processo justifica-se pelo crescente desenvolvimento industrial e tecnológico, no qual, o setor energético tornou-se foco de pesquisas que visam o melhor aproveitamento do potencial térmico das cadeias produtivas, propondo modificações que buscam minimizar o custo total anual da estrutura de processo utilizada, selecionando a melhor relação entre o custo operacional e o custo fixo, na busca de um ponto ótimo, tais como o consumo mínimo de utilidades, área global mínima de troca térmica e número mínimo de unidades de troca térmica (QUEIROZ; PESSOA, 2005). A abordagem do potencial energético de um determinado processo previamente dimensionado pode ser satisfatoriamente analisada utilizando simuladores computacionais, que auxiliam na previsão do comportamento físico, químico e econômico, além de permitirem que seja avaliado o impacto ambiental do uso das utilidades, sem comprometer a segurança operacional. O monitoramento do processo contribui para a identificação de pontos da instalação que podem sofrer modificações positivas, obtendo um método de gestão de

2 recursos mais eficaz, o que é de fundamental importância na redução de custos operacionais na indústria e no alcance de benefícios ambientais (SMITH, 2005), como a prevenção do esgotamento de fontes de energia primária. Sendo assim, diante da intensa aplicabilidade e importância do gerenciamento de energia, este trabalho tem a finalidade de aplicar a técnica de integração energética em etapas de processos químicos reais utilizando a metodologia do estrangulamento térmico, mais conhecido como Pinch. O emprego deste método visa à redução do consumo de utilidades e, consequentemente, a recuperação de energia e a diminuição de custo total de diferentes plantas, tal como na etapa de destilação na produção de álcool a partir da cana de açúcar. O estudo tem o intuito de analisar alternativas viáveis tecnicamente, utilizando simuladores que preveem o comportamento de diversas variáveis do processo em resposta à exposição a novas condições de operação. 2. INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA A técnica de integração aborda basicamente a síntese de uma rede de trocadores de calor - RTC (em inglês, heat exchanger networks synthesis (HENS)) (ROSSI, 1995), cuja solução na busca de uma rede ótima é considerada de natureza combinatória, devido ao grande número de possibilidades de associação dos elementos estruturais, correspondentes aos pares de correntes e sequências de trocas (PERLINGEIRO, 2005). Nos métodos que utilizam os conceitos de termodinâmica, destaca-se a resolução por estrangulamento térmico, mais conhecido como Análise Pinch, desenvolvida por Linnhoff e Flower (1978). De acordo com Gundersen (2000), esta alternativa de integração energética deve ser executada em quatro fases sequenciais: coleta de dados que caracterizem o processo e o sistema de utilidades, determinação das metas energéticas de desempenho, projeto inicial de uma rede de trocadores de calor e otimização da rede, simplificando-a e melhorando-a estrutural e economicamente. Com o intuito de atingir uma condição ótima do ponto de vista energético, é válido, então, assegurar que, na temperatura Pinch, não pode haver troca de energia, enquanto que, acima desta, energia proveniente das utilidades quentes é adicionada de forma a suprir as necessidades do processo e, abaixo, energia deve ser removida empregando utilidades frias (SEIDER et al., 1999). A construção de um diagrama em cascata, como ilustrado na Figura 1, abrange o conceito do ponto de estrangulamento e a quantidade de calor requerida em cada intervalo.

3 Figura 1 - Esquema geral do diagrama em cascata Fonte: TURTON et al. (2012) Após a estimativa da quantidade mínima de utilidades que satisfaz o requisito energético da planta, determinam-se, rotineiramente, duas redes de trocadores de calor: uma acima e outra abaixo do Pinch (SEIDER et al., 1999). Os processos que não possuem o ponto de estrangulamento, de modo que apenas uma utilidade, quente ou fria, é requerida, são encontrados na literatura como Threshold problems (TURTON et al., 2012). O simulador de processos computacional utilizado neste trabalho para o desenvolvimento de estudos de caso foi o CAPE-OPEN to CAPE-OPEN (COCO) (COCO, 2014). A utilização deste simulador requer que, inicialmente, o fluxograma do processo seja devidamente identificado no ambiente COFE, incluindo as operações unitárias, as correntes, as condições de operação e quaisquer parâmetros e coeficientes que necessitem ser estimados previamente. Quanto à termodinâmica, um pacote deve ser escolhido ou criado, a partir do qual se selecionam os componentes presentes no fluxograma de produção, concomitantemente ao modelo que melhor representa as características do processo. O software Hint (HEAT, 2011) também foi utilizado, porém com o intuito de efetuar o estudo energético dos processos químicos, utilizando a metodologia Pinch. Gratuito e de interface simples, exige apenas a inserção das temperaturas de entrada e saída de cada corrente, além das vazões capacidades caloríficas. A partir destes dados, o software disponibiliza vários gráficos, tais como o diagrama em cascata, as curvas compostas de temperatura-calor, a grande curva composta, o gráfico da temperatura Pinch de acordo com a variação de temperatura mínima adotada, entre outros. 3. METODOLOGIA Neste trabalho, a fim de realizar estudos de casos de processos químicos, de forma a aplicar o conceito de integração energética e suas respectivas técnicas de análise, foram executadas etapas sequenciais para casos de aplicação real na indústria química. Inicialmente, foram construídos os fluxogramas no simulador de processos químicos COCO e realizou-se o mapeamento das principais variáveis envolvidas em todas as correntes e equipamentos, tais como temperatura, pressão, vazão e composição, além da escolha do pacote termodinâmico. Além disso, esta primeira etapa contemplou a definição das condições e parâmetros previamente estabelecidos como meta energética.

4 Vale ressaltar que o método de integração energética utilizado é o de estrangulamento térmico, mais conhecido como Pinch. Esta etapa foi realizada com o auxílio do software Hint, que permitiu a visualização do Pinch pelos métodos gráficos e algébricos, para que, posteriormente, fosse possível a idealização de uma nova rede. Com base neste resultado, redefiniu-se o fluxograma representativo do processo no COCO, com o devido gerenciamento dos insumos energéticos, propiciando a comparação deste com o apresentado na primeira fase do procedimento, a partir da qual foi feita uma avaliação da viabilidade de mudança na estrutura do processo. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Produção de álcool comercial Conforme adaptado de Himmelblau (2006) e ilustrado na Figura 2, no estágio de destilação do processo de produção de álcool a partir da cana de açúcar, o mosto fermentado é alimentado através de um trocador de calor, sendo aquecido até 349,8 K. O álcool é removido como 60% em peso de álcool da primeira coluna, aproximadamente, e os produtos de fundo não contêm álcool. Na segunda coluna, o álcool é fracionado ainda mais, produzindo uma corrente com cerca de 80% de álcool e outra essencialmente de água pura. Ambos os alambiques operam a uma razão de refluxo de 3:1 e a pressão no processo foi adotada como constante e igual a 1 atm. Os dados operacionais completos encontram-se na Tabela 1. Figura 2 - Etapa de destilação no processo de produção de álcool a partir da cana de açúcar TC Torre I 5 9 TC Torre II 17 TC TC TC612

5 Tabela 1 - Dados operacionais da etapa de destilação na produção de álcool. Corrente Temperatura Vazão mássica Fração mássica Fração mássica do (K) (kg.s -1 ) da água etanol 1 299,80 1,26 0,80 0, ,80 1,26 0,80 0, ,00 12,60 1,00 0, ,00 0,66 0,61 0, ,40 0,66 0,61 0, ,00 12,60 1,00 0, ,20 12,60 1,00 0, ,50 0,60 1,00 0, ,00 0,60 1,00 0, ,50 12,60 1,00 0, ,10 12,60 1,00 0, ,40 0,31 0,19 0, ,90 0,31 0,19 0, ,80 12,60 1,00 0, ,50 12,60 1,00 0, ,50 0,34 1,00 0, ,00 0,34 1,00 0, ,00 12,60 1,00 0, ,90 12,60 1,00 0, ,00 12,60 1,00 0,00 Com o intuito de integrar o processo energeticamente, aplicando a metodologia Pinch, foi construído o diagrama em cascata, demonstrado na Figura 3, para uma diferença de temperatura mínima de 10 K. Como pode ser analisado, o processo requer uma quantidade mínima de 2,79 kw de utilidade quente e 29,45 kw de utilidade fria e a temperatura média de estrangulamento térmico é igual a 342,37 K. A partir das condições energéticas obtidas com o auxílio do software Hint, uma rede de número mínimo de trocadores de calor foi construída para o processo, como ilustrada na Figura 4, mantendo-se os dados iniciais apresentados na Tabela 1. O novo fluxograma do processo desenvolvido no software COCO, na Figura 5, evidencia a real possibilidade de aplicação desta rede, que obedece às condições operacionais e com economia dos equipamentos. Uma melhor comparação com o utilizado inicialmente pode ser visualizada na Tabela 2. A área de troca térmica foi obtida no COCO, adotando-se um coeficiente global de transferência de calor constante e igual a 1000 W.m -2.K -1.

6 Figura 3 - Diagrama em cascata da etapa de destilação na produção de álcool. Figura 4 - Rede de número mínimo de trocadores de calor C Tabela 2 - Comparação de diferentes arranjos da etapa de destilação na produção de álcool. Estrutura Número de trocadores Área de troca térmica Vazão de utilidade total de calor total (m²) (kg.s -1 ) Figura 2 5,00 71,36 63,00 Figura 5 3,00 4,17 12,60 Figura 5 - Novo fluxograma da etapa de destilação no processo de produção de álcool TC1 4 Torre I 5 TC2 8 6 Torre II TC Neste estudo de caso, compararam-se duas estruturas: a inicial e a modificada após a aplicação da integração energética. A princípio, havia 5 trocadores de calor, com área total de

7 troca térmica igual a 71,36 m², e a quantidade de utilidade total requerida para suprir a energia do processo foi calculada como sendo igual a 63 kg.s -1. A integração energética foi promissora e acarretou numa redução de unidades de troca térmica, que passou a ser igual a 3, além de a área de troca térmica total e a quantidade de utilidade requerida serem menores que no caso anterior, quantitativamente expressos como sendo 4,17 m² e 12,60 kg.s -1, tornando-se a melhor opção de estrutura de processamento para a produção de álcool. 5. CONCLUSÃO De acordo com os objetivos do trabalho, foi explorada a multiplicidade de soluções na busca de um arranjo ótimo dos elementos estruturais, além da síntese de novas redes de trocadores de calor, utilizando a metodologia Pinch, com o auxílio de simuladores computacionais. No caso da produção de álcool comercial, os resultados da integração energética realizada foram vantajosos em todos os aspectos, quando comparados à estrutura inicial, o que pode ser visualizado através dos valores representados na Tabela 2. Nota-se que, para a rede construída, o número de trocadores de calor foi menor, bem como a área de troca térmica total e a quantidade de utilidade requerida. As metas propostas no início do trabalho foram alcançadas, sendo possível avaliar possibilidades de integração material e energética, sendo esta última baseada na metodologia Pinch. A utilização desta técnica do estrangulamento térmico mostrou-se viável para a análise de diferentes fluxogramas de processos químicos, englobando as características de capacidade de troca térmica, dimensão dos trocadores de calor, além da quantidade de utilidade requerida em cada sistema. 6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPEMIG pelo apoio financeiro concedido (Projeto de Participação Coletiva em Evento PCE ). 7. REFERÊNCIAS ARCURI, Arline Sydneia Abel; COSTA, Danilo; POSSEBON, José; KANASAWA, Kátia Cheli; TARDINI, Laura Isora Naldi; CONSTANTINO, Léa; COSTA, Leila Maria Tavares; CARDOSO, Luiza Maria Nunes; GELBER, Marcia Azevedo; YASSUDA, Nancy; INAMINE, Rosemary. Benzeno. [S.l.]: [s.n.], COCO Cape Open to Cape Open, Simulation Environment. Disponível em: < Acesso em: 05 jun GUNDERSEN, Truls. A Process Integration PRIMER. Trondheim, Norway: SINTEF Energy Research, HEAT Integration. Disponível em: < Acesso em: 05 jun HIMMELBLAU, David Mautner; RIGGS, James B. Engenharia Química: Princípios e Cálculos. Tradução de Ofélia de Queiroz Fernandes Araújo e Verônica Calado. 7.ed. Rio de Janeiro: LTC, LINNHOFF, B.; FLOWER, J. R. Synthesis of heat exchanger networks. I: Systematic generation of energy optimal networks, AIChE J, 24(4): II: Evolutionary

8 generation of networks with various criteria of optimality, AIChE J, 24(4): PERLINGEIRO, Carlos Augusto G. Engenharia de Processos: Análise, Simulação, Otimização e Síntese de Processos Químicos. São Paulo: Blucher, QUEIROZ, Eduardo Mach; PESSOA, Fernando Luiz Pelegrini. Integração de Processos: Uma Ferramenta para Minimizar o Consumo Energético e o Impacto Ambiental. In: MELO JUNIOR, Príamo Albuquerque. Fronteiras da engenharia química 1. Rio de Janeiro: E-papers Serviços Editoriais, cap. 8. ROSSI, Luciano Fernando dos Santos. Otimização energética de redes de trocadores de calor industriais: aplicações em engenharias de petróleo, alimentos e química. Campinas, SP: [s.n.], SEIDER, Warren D.; SEADER, J. D.; LEWIN, Daniel R. Process Design Principles: Synthesis, Analysis, and Evaluation. New York: John Wiley & Sons, Inc, SMITH, Robin. Chemical Process Design and Integration. Chichester, UK: John Wiley and Sons, TURTON, Richard; BAILIE, Richard C.; WHITING, Wallace B.; SHAEIWITZ, Joseph A.; BHATTACHARYYA, Debangsu. Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes. 4. ed. [S.l.]: Prentice Hall, 2012.