METODOLOGIA PARA AQUISIÇÃO E VALIDAÇÃO DE DADOS OPERACIONAIS PARA APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA PINCH NUMA PLANTA DE POLIETILENO.

Transcrição

1 METODOLOGIA PARA AQUISIÇÃO E VALIDAÇÃO DE DADOS OPERACIONAIS PARA APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA PINCH NUMA PLANTA DE POLIETILENO. João Nery Souza Neto 1, José Geraldo Pacheco 1, Leandro dos Anjos Sacramento 1, Ricardo Kalid 1, Sebastião Luiz F. de Magalhães 2, Eduardo Mach Queiroz 3, Fernando Luiz Pellegrini Pessoa 3 1-Departamento de Engenharia Química - Universidade Federal da Bahia - Escola Politécnica Rua Aristides Novis, nº 02, Federação - CEP: Salvador - BA - Brasil Telefone/Fax: (0xx71) gera@ufba.br 2- Politeno Rua Benzeno, 2391 Complexo Básico COPEC CEP: Camaçari - BA - Brasil Telefone: (0xx71) Fax(0xx71) sebastiao.luiz@politeno.com.br 3- Departamento de Engenharia Química Escola de Química - Universidade Federal do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia Bloco E Sala 209 Cidade Universitária - Ilha do Fundão - CEP: Rio de Janeiro RJ - Brasil Telefone/Fax: (0xx21) mach@eq.ufrj.br RESUMO - No presente trabalho foi desenvolvida uma metodologia de aplicação da tecnologia pinch numa planta industrial de produção de polietileno, visando à síntese de redes de transferência de calor para minimizar o consumo de utilidades quentes e frias. Dados de processo como vazões, temperaturas, pressões e composições das correntes de processo e utilidades envolvidas, foram obtidos da planta industrial. A partir daí, cálculos de propriedades termodinâmicas e de transporte das correntes, bem como reconciliações nos balanços de massa e energia foram feitos, de modo a validálos, a fim de serem utilizados para a aplicação da tecnologia pinch, onde o consumo mínimo de utilidades foi comparado com o consumo real da planta existente. Os resultados deste estudo de caso são promissores, mostrando que pode haver um benefício econômico por conta da possibilidade de redução no consumo de utilidades de 36%. PALAVRAS-CHAVE: integração energética, tecnologia pinch, polietileno. ABSTRACT - This work describes a methodology to apply Pinch technology to an industrial polyethylene production plant in order to build a heat exchange network to reduce the consumption of hot and cold utilities. Process data such as flow rates, temperatures, pressure and composition for the process streams and utilities involved were obtained from plant. After this the thermodynamic and transport properties for the process streams was calculated and data reconciliation was done to the mass and energy balance to provide the validation before to start up the Pinch technology application, where the minimum utilities consumption was compared with the existing plant consumption. The results of this case study are promisers showing that it is possible to get an economic benefit due to the possibility of an 36% energy saving. 1.INTRODUÇÃO Houve a necessidade de se realizar estudos de integração energética nos processos industriais, desenvolvendo-se procedimentos

2 para a síntese de novas redes de trocadores de calor, em função dos altos preços da energia para os processos industriais, principalmente a partir da década de 70, de modo a permitir ganhos econômicos com a redução do consumo de utilidades. Surgiu então a tecnologia pinch (Linnhoff, 1983) como uma poderosa ferramenta para a realização desses estudos. Grande número de aplicações em retrofit de plantas já existentes é encontrado na literatura. Além disso, a redução do consumo de utilidades resulta também na redução da queima de combustíveis fósseis que emitem os chamados GEE s - gases do efeito estufa e também resulta numa diminuição do consumo de água de na geração de efluentes líquidos. Segundo a Agência Reuters São Paulo - SP (2003), após a ECO-92, realizada no Rio de Janeiro, tornou-se cada vez mais presente a preocupação mundial no sentido de se encontrar soluções para o problema do aquecimento global que culminaram com o Protocolo de Quioto em 1997 para redução da emissão de GEE s na atmosfera (MCT, 2001). O presente trabalho mostra a metodologia utilizada para aquisição e validação de dados operacionais para aplicação da tecnologia pinch, numa planta industrial existente de produção de polietileno, visando à síntese de redes de transferência de calor, resultando na redução do consumo de utilidades quentes e frias da planta. A metodologia utilizada foi iniciada com revisão bibliográfica, a partir de Furman (2002), para obtenção de dados e informações disponíveis, desde o início da década de 80 até o presente momento. 2.METODOLOGIA A metodologia utilizada considerou os passos para aplicação da tecnologia pinch para integração energética de uma planta existente, segundo Linnhoff (1982). Foram necessários os estudos do processo, identificação das correntes continuas com troca térmica e seus respectivos equipamentos, aquisição de dados de vazão, temperatura, pressão e composição, cálculo de propriedades termodinâmicas e de transporte, reconciliação de dados de vazão e temperatura, construção dos balanços de massa e energia do processo, cálculo do consumo mínimo de utilidades e síntese da rede de trocadores de calor. A metodologia desenvolvida é um conjunto de etapas descritas a seguir: 2.1Estudo do processo Foram estudados os fluxogramas de processo e seus descritivos, visando elaborar fluxograma resumido mais adequado para aplicação da tecnologia pinch. Foi definida com os engenheiros da planta a condição de processo mais adequada para iniciar o estudo, já que uma planta de polímero opera em diversas condições distintas num mesmo mês. 2.2Identificação e caracterização das correntes de processo

3 Nesta etapa foram identificadas as correntes contínuas quentes que precisavam ser resfriadas e as correntes frias que precisavam ser aquecidas. Foram fundamentais as reuniões com o grupo de operação da planta, já que os fluxogramas existentes não distinguem as correntes intermitentes das contínuas. Foram também caracterizadas as utilidades disponíveis, incluindo correntes de vapor a diferentes temperaturas e pressão, correntes de óleo de aquecimento e correntes de água de resfriamento. Também, foram estabelecidas todas as restrições iniciais do problema de acordo com as características do processo em estudo. Tais restrições, para o estudo de caso, considerou que as correntes de processo para os refervedores - tipo termo-sifão, das colunas de fracionamento, não deveriam ser deslocadas para certas distâncias, devido às perdas de cargas envolvidas no escoamento, o que torna crítico para este tipo de equipamento. 2.3.Identificação dos equipamentos de troca térmica Todos os equipamentos que operam em regime contínuo foram identificados com suas respectivas funções e tipos de troca térmica. 2.4Aquisição de dados de projeto A partir da documentação existente, foram obtidos todos os dados de vazão, temperatura, pressão, composição e propriedades termodinâmicas das correntes, além de informações dos equipamentos de troca térmica. Estes dados serviram para validar os modelos termodinâmicos a serem usados na simulação do processo durante a etapa de cálculo das propriedades termodinâmicas e de transporte. 2.5Aquisição de dados da planta para vazão, temperatura e pressão Para a aquisição de dados das correntes de processo, foi feita a verificação de localização de instrumentos de vazão, de temperatura e de pressão, a partir de informações constantes nos fluxogramas de engenharia (P&I), das unidades e no sistema de aquisição de dados on line da planta. Para correntes que não possuíam medição de temperatura, utilizou-se uma medição indireta, através de aparelho portátil (pirômetro ótico) que faz a medição da temperatura da superfície externa da tubulação. Este valor foi então corrigido, a fim de representar a temperatura do fluido interno à tubulação com dados de diâmetro, vazão e propriedades termodinâmicas, e uso de correlações de coeficientes de transferência de calor (Incropera, 2003). 2.6Obtenção de dados das propriedades termodinâmicas e de transporte Em função da ocorrência de temperaturas diferentes observadas na planta, para as correntes do processo, com relação aos valores de projeto, tornou-se necessário estimar as propriedades nas condições reais. Isto foi realizado utilizando-se o simulador de processo HYSYS versão 1.5. Foram feitos cálculos das propriedades termodinâmicas e de transporte. Os coeficientes de transferência de calor nos trocadores de calor foram estimados com uso deste simulador e dados coletados de data sheet dos trocadores de calor usados na planta.

4 2.7Validação e consolidação dos balanços material e de energia Nesta etapa foi verificada a qualidade da informação de medição de temperatura e vazão, ou seja, a incerteza dos instrumentos de medição juntamente com os engenheiros e operadores responsáveis pela operação da planta. O software VALI III da Belsim S.A. foi utilizado para reconciliação de dados, de modo a permitir ajustes nos balanços de massa e energia. Com o diagnóstico resultante dessa reconciliação, foi possível identificar incertezas em alguns instrumentos, coincidindo com observações feitas na planta, além de verificar o impacto destas incertezas para a previsão das redes de trocadores. Em seguida foi recomendada a inclusão destes instrumentos num plano de inspeção. 2.8Criação da Tabela do problema A tabela do problema usada na tecnologia "pinch" foi denominada aqui de tabela de oportunidades, conforme mostrada na Tabela-1, onde os dados de temperaturas de entrada (Ti) e de saída (To), vazão mássica (m), calor específico (Cp) e coeficiente de transferência de calor (h) são apresentados. A partir deste momento, foram disponibilizados todos os dados necessários para aplicação da tecnologia "pinch". 2.9Aplicação da tecnologia pinch para cálculo das metas de consumo mínimo de utilidades A tecnologia Pinch, segundo Linnhoff e Hindmarsh (1983), define um conjunto de procedimentos que tem como objetivo a síntese, a análise e a otimização de processos químicos com relação à sua integração energética. Esta etapa envolveu a determinação das metas de quantidade mínima de utilidades necessária para o processo que representa o limite termodinâmico para o consumo de energia. 2.10Síntese e validação da rede de trocadores de calor A síntese da rede de trocadores de calor foi obtida utilizando-se o software AtHENS-UFRJ (2000). Sintetizou-se a rede de trocadores de calor com o mínimo consumo de utilidades. A partir desta rede mínima obtida, procedeu-se uma avaliação minuciosa do processo, juntamente com os engenheiros e operadores responsáveis pela operação da planta, para identificação das restrições e situações inadequadas com base na disposição física da planta e controlabilidade do processo. Para alguns trocadores foi considerado um modelo detalhado de projeto baseado em Mizutani (2003). Foi feita uma evolução da rede inicial até a síntese da rede adequada para mudança do processo industrial existente. 3.RESULTADOS Estudo de caso: integração energética de uma planta produtora de polipropileno Uma planta de polietileno opera sob diferentes condições operacionais durante o mes, produzindo diferentes tipos de resinas. Para o estudo de caso foram escolhidas as condições para resinas de maior demanda energética e as de maior duração de campanha mensal.

5 Neste processo foram identificadas 10 correntes continuas quente que necessitam ser resfriadas e 7 correntes frias para serem aquecidas. Foram identificadas diversas outras correntes quentes e frias de processo que operam de forma intermitente e, portanto não podem ser consideradas para integração energética pela tecnologia pinch. O processo atual apresenta um consumo de 1000 kw de utilidade quente na forma de fluido térmico e 1580 kw de utilidade fria na forma de água de resfriamento, ambos em unidades normalizadas. O processo atual utiliza 16 trocadores de calor e a diferença mínima de temperatura é de 1,8 ºC. Das 34 temperaturas das correntes levantadas, 29 foram obtidas no sistema de aquisição de dados da planta e 5 foram medidas no campo com pirômetro ótico e corrigidas. Os dados de vazão e temperatura apresentaram valores distintos dos dados de projeto. A reconciliação dos dados foi feita com balanços de massa e de energia. Dos instrumentos de vazão utilizados, 12 destes apresentaram valores distintos dos medidos, após reconciliação, com erro de medição entre 2,4 e 65 %. As propriedades termodinâmicas e de transporte foram obtidas com simulador de processos e os dados foram validados a partir de valores de propriedades obtidas no projeto original da planta. Estes dados foram organizados na forma de tabela do problema que denominamos de tabela de oportunidades, conforme mostrada na Tabela 1, com temperaturas inicial e final, vazão mássica, calor especifico e coeficiente convectivo de transferência de calor. Tabela 1: Tabela de oportunidades para aplicação da tecnologia "pinch". Corrente Tipo m (kg/s) cp (kj/kg C) h (W/m2 C) Ti ( C) To ( C) 1 q q q q q q q q q q f f f f f f f q - corrente quente f - corrente fria Especificou-se um diferencial mínimo de temperatura entre as correntes quentes e frias igual ao do processo atual, 1,8 ºC e com isto, identificou-se um ponto de "pinch" e as metas correspondentes de consumo mínimo de utilidades. Os resultados são mostrados na Tabela 2. Tabela 2. Consumo de utilidades no processo atual e as metas de consumo mínimo para diferença mínima de temperatura de 1,8 ºC. Processo Atual Consumo Mínimo Utilidade Quente (kw) Utilidade Fria (kw) Diferença mínima de temperatura ,8 ºC ,8 ºC

6 A Figura 1 mostra a rede de trocadores existente na planta, onde pode ser visto a integração energética envolvendo apenas duas trocas entre as correntes de processo, oito trocadores de calor para aquecer correntes com utilidade quente (fluido térmico) e seis trocadores de calor para resfriar correntes quentes com água de resfriamento. Corrente Corrente fria Corrente quente Figura 1: Rede existente de trocadores de calor Após a síntese da rede de trocadores de calor, chegou-se ao resultado mostrado na Figura 2, onde são mostradas oito trocas entre as correntes de processo, oito trocadores de calor para aquecer correntes com utilidade quente (fluido termico) e dois trocadores de calor para resfriar correntes quentes com água de resfriamento. Nota-se que na nova rede, o numero de trocadores de calor aumentou em dois, contudo esta rede comparada com a existente na planta leva a uma redução de no mínimo 36 % no consumo de utilidades. Corrente Corrente fria Corrente quente Figura 2: Rede de trocadores de calor com integração energética 4.CONCLUSÕES Com a metodologia adotada e as ferramentas utilizadas no estudo, foi possível com a síntese de rede, identificar o potencial de economia de energia do processo de produção de polietileno, mostrando que pode ultrapassar 36%, quando comparado com a rede de trocadores existentes. Com o diagnóstico resultante da etapa de reconciliação, foi possível identificar incertezas em alguns instrumentos, coincidindo com as observações feitas pelo pessoal da planta. Com isto, foi recomendada a inclusão desses instrumentos num plano de inspeção. A metodologia aqui apresentada fornece um roteiro detalhado para aplicar a tecnologia pinch para retrofit de plantas existentes de uma forma prática.

7 5.BIBLIOGRAFIA AGÊNCIA REUTERS, São Paulo SP, Global Warming Gas Seen Increasing Dramatically (19/11/2003). FURMAN, K.C.; SAHINIDIS, N.V. (2002), A Critical Review and Annotated Bibliography for Heat Exchanger Network Synthesis in the 20 th Century. Ind. Eng. Chem. Res., 41, INCROPERA, F., DEWITT, D. (2003), Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, Ed. LTC LINNHOFF, B. et al. (1982), User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy. The Institution of Chemical Engineers, Geo. E. Davis Building, Rugby, England. LINNHOFF, B. and HINDMARSH, E. (1983), The Pinch Design Method for Heat Exchanger Networks. Chem. Eng. Sci., 38(5): LIPORACE, F. S. (2000), Síntese de Redes de Trocadores de Calor: Proposta de um Procedimento Automático e Estudo da Influência da Presença de Misturas que Mudam de Fase, Tese de D. Sc., EQ/UFRJ, Rio de Janeiro RJ, 213 p. MCT Ministério da Ciência e Tecnologia Protocolo De Quioto, MIZUTANI, F.T.; PESSOA, F.L.P.; QUEIROZ, E.M. (2003) Mathematical Programming Model for Heat- Exchanger Network Synthesis Including Detailed Heat-Exchanger Designs. 1. Shell-and-Tube Heat-Exchanger Design. Ind. Eng. Chem. Res. 42, MIZUTANI, F.T.; PESSOA, F.L.P.; QUEIROZ, E.M. (2003) Mathematical Programming Model for Heat- Exchanger Network Synthesis Including Detailed Heat-Exchanger Designs. 2. Network Synthesis. Ind. Eng. Chem. Res. 42,