UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA MESTRADO ACADÊMICO EM ENGENHARIA QUÍMICA

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA MESTRADO ACADÊMICO EM ENGENHARIA QUÍMICA METODOLOGIA PARA APLICAÇÃO DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA NUMA PLANTA INDUSTRIAL Autor: João Nery Souza Neto Orientador: Prof. Dr. Ricardo de Araújo Kalid Co-Orientador: Prof. Dr. José Geraldo Pacheco Filho Salvador Bahia Agosto / 2005

À Deus, pela grande Vida do Universo Aos meus pais Hermes e Raquél À minha esposa Maria da Conceição Aos meus filhos Joana e Lucas i

Agradecimentos Aos meus pais, Hermes e Raquél, que me deram as condições e o apoio para todas as minhas conquistas. À minha esposa Maria da Conceição, pela compreensão, estímulo e apoio. Aos meus filhos Joana e Lucas, pelo incentivo e apoio. Aos meus orientadores Prof. Dr. Ricardo de Araújo Kalid e José Geraldo Pacheco Filho, pela orientação e dedicação oferecidos no desenvolvimento deste trabalho. À Escola Politécnica da UFBA, em especial aos professores do Curso de Mestrado Acadêmico em Engenharia Química por terem me ajudado a galgar mais um passo na minha carreira profissional. Aos professores da Escola de Química da UFRJ, Eduardo Mach Queiroz e Fernando Luiz Pellegrini Pessoa, pela colaboração e sugestões. À POLITENO Indústria e Comércio S/A, em especial ao engenheiro Sebastião Luiz F. de Magalhães, pela disponibilidade de dados e informações, e pela confiança depositada. Ao colega Leandro dos Anjos Sacramento, pela ajuda e profissionalismo demonstrado durante a elaboração do estudo de caso que faz parte deste trabalho. Aos colegas do Mestrado, em especial a Lair de Souza Bartolomeu e Renato Mariano de Sá pelo companheirismo, apoio e colaboração. E a todas aquelas pessoas que, de alguma forma, contribuíram para a execução deste trabalho. ii

Fica evidente que os problemas sérios que a humanidade enfrentará no século XXI serão todos criados pela própria humanidade. Os problemas de poluição e meio ambiente que ficaram evidentes nos meados do século XX foram apenas o começo. A tecnologia científica está intimamente ligada à causa e à solução desses problemas. Portanto, na era da tecnologia científica, o desenvolvimento da mente construtiva e não destrutiva se tornará o fator preponderante e extremamente importante. Masanobu Taniguchi iii

Resumo Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia que fornece, de modo organizado e detalhado, todas as etapas necessárias na aplicação prática de integração energética para readaptação ( retrofit ) (IEPR) de plantas industriais existentes, através dos conceitos da tecnologia pinch. Esta técnica, leva à síntese de redes de trocadores de calor, com o propósito de minimizar o consumo de utilidades quentes e frias nos processos, implicando em operar as plantas com custos reduzidos e com diminuição das utilidades vapor, água de resfriamento e combustíveis, reduzindo assim, a queima de combustíveis fósseis e emissões atmosféricas de dióxido de carbono (causa primária do efeito estufa) e, também, os efluentes aquosos. Na literatura, métodos para aplicação de integração energética têm sido desenvolvidos e vários estudos têm sido feitos, mas estes não mostram, com detalhes, procedimentos para uso em casos práticos reais, ou seja, não apresentam as etapas de aquisição, verificação e validação de dados tomados das plantas. Também, não explicam, adequadamente, os problemas e dificuldades que são encontrados nestas etapas. Sabe-se que a confiabilidade dos dados é fundamental na obtenção dos resultados de uma rede de trocadores de calor. Dados de processo como vazões, temperaturas, pressões e composições das correntes envolvidas são obtidos da planta industrial. São calculadas as propriedades termodinâmicas e de transporte das correntes e em seguida é feita a reconciliação dos balanços de massa e energia, de modo a validar os dados para a aplicação da tecnologia pinch a fim de sintetizar redes de trocadores de calor. A metodologia desenvolvida foi aplicada a um estudo de caso numa planta industrial de produção de polietileno. Foram recomendadas modificações na rede de trocadores de calor existente. Os resultados deste estudo indicaram uma possível redução no consumo de utilidades quente e fria de 9 e 24%, respectivamente, com uma taxa interna de retorno do investimento de 39%. iv

Abstract A methodology to provide an organized and detailed procedure to apply energy integration to retrofit (EITR) industrial plants using the Pinch Technology concept was developed in this work. This technology propose a heat exchanger network to reduce the consumption of hot and cold utilities in the processes causing decrease in the operating costs by reduction of steam, water, fossil fuels burning and atmospheric carbon dioxide emissions (primary cause of greenhouse effect) and aqueous effluent too. Methods have been developed and several studies have been made but they do not present in detail practical procedures to apply the energy integration to retrofit industrial process plants, in other words, they do not present the steps to obtain, verify and validate data from process plants. In addition these methods do not adequately explain the problems and difficulties that are found in these steps. The confidence level of plant data is very important to obtain the results of a heat exchanger network. Process data such as flow rates, temperatures, pressures and compositions for the streams are obtained from an industrial process plant. Thermodynamic and transport properties for the process streams are calculated and data reconciliation is performed using the balances of mass and energy to provide data validation to apply the Pinch Technology to obtain heat exchanger network. The methodology developed was applied in a case study from an existing polyethylene production plant. It was recommended modifications in the existing heat exchanger network. The results of this study indicated possible reduction in plant consumption of hot and cold utilities by 9% and 24% respectively, with a return of investment rate estimated at 39%. v

METODOLOGIA PARA APLICAÇÃO DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA NUMA PLANTA INDUSTRIAL Índice 1 - Introdução 1 1.1 - Motivação para Aplicação de Otimização Energética em Processos Industriais 1 1.2 - Objetivos da Dissertação 3 1.3 - Estrutura do Texto 4 2 - Revisão Bibliográfica 5 2.1 - Integração de Processos 7 2.1.1 - Histórico 7 2.1.2 - Situação Atual da Integração de Processos 8 2.1.3 - Métodos para Integração de Processos 9 2.1.4 - Áreas de Aplicação de Integração de Processos 9 2.2 - Integração Energética 10 2.3 - Tecnologia "Pinch" 12 2.3.1 - Metas Referenciais 13 2.3.1.1 - Curvas Compostas 13 2.3.1.2 - Algoritmo Tabular (Cascata Energética) 15 2.3.1.3 - Número Mínimo de Unidades de Troca Térmica 15 2.3.1.4 - Área Global Mínima de Transferência de Calor 16 2.3.2 - Síntese de Rede de Trocadores de Calor 16 2.3.3 - Grande Curva Composta 19 2.3.4 - Análise Energética Global ( Total Site ) 21 vi

3 - Metodologia 23 3.1 - Sistema de Prospecção de Oportunidades (Banco de Idéias) 26 3.2 - Estudo do Processo 27 3.3 - Identificação e Caracterização das Correntes de Processo e de Utilidades 29 3.4 - Identificação dos Equipamentos de Troca Térmica 30 3.5 - Aquisição de Dados de Projeto para Escolha dos Modelos Termodinâmicos 30 3.6 - Aquisição de Dados de Planta para Vazão, Composição, Temperatura e Pressão 31 3.7 - Obtenção dos Dados de Propriedades Termodinâmicas e de Transporte, e Coeficientes de Transferência de Calor 33 3.8 - Validação e Consolidação dos Balanços Material e de Energia 35 3.9 - Criação da Tabela de Oportunidades (Tabela Problema) 37 3.10 - Cálculo das Metas Referenciais 38 3.11 - Síntese de Redes de Trocadores de Calor 39 3.11.1 - Rede com Mínimo Consumo de Utilidades 40 3.11.2 - Rede Final de Trocadores de Calor 41 3.12 - Avaliação Econômica da Rede Final 42 4 - Resultados 43 4.1 - Sistema de Prospecção de Oportunidades (Banco de Idéias) 43 4.2 - Estudo do Processo 44 4.3 - Identificação e Caracterização das Correntes de Processo e de Utilidades 46 4.4 - Identificação dos Equipamentos de Troca Térmica 47 vii

4.5 - Aquisição de Dados de Projeto para Escolha dos Modelos Termodinâmicos 47 4.6 - Aquisição de Dados de Planta para Vazão, Composição, Temperatura e Pressão 48 4.7 - Obtenção dos Dados de Propriedades Termodinâmicas e de Transporte, e Coeficientes de Transferência de Calor 48 4.8 - Validação e Consolidação dos Balanços Material e de Energia 49 4.9 - Criação da Tabela de Oportunidades (Tabela Problema) 50 4.10 - Cálculo das Metas Referenciais 52 4.11 - Síntese de Redes de Trocadores de Calor 54 4.11.1 - Rede de Trocadores de Calor Existente 54 4.11.2 - Rede com Mínimo Consumo de Utilidades 55 4.11.3 - Rede Final de Trocadores de Calor 56 4.12 - Avaliação Econômica da Integração Energética Global 59 5 - Conclusões e Sugestões 64 Referências Bibliográficas 67 Apêndice I 71 Apêndice II 72 viii

Nomenclatura Nomenclatura Letras latinas: A área de troca térmica, m 2 C Ccfria Ccquente constante de cálculo do coeficiente de transferência de calor curva composta fria curva composta quente C F custo fixo, R$ Cp Cp ef calor específico à pressão constante, J/kg. o C calor específico médio efetivo, J/kg. o C C V custo variável, R$ D DMT DTLN H h h ext h f h int diâmetro do tubo, m diferencial mínimo de temperatura, o C diferença de temperatura média logarítmica entalpia, kj/kg coeficiente de transferência de calor, J/s.m 2. o C coeficiente de transferência de calor no escoamento do ar sobre a superfície externa da tubulação, J/s.m 2. o C coeficiente de transferência de calor da corrente fria, J/s.m 2. o C coeficiente de transferência de calor no escoamento do fluido interno à tubulação, J/s.m 2. o C h k coeficiente de transferência de calor da corrente k, J/s.m 2. o C h q coeficiente de transferência de calor da corrente quente, J/s.m 2. o C I investimento fixo, R$ ix

Nomenclatura IEPR k integração energética para readaptação ( retrofit ) condutividade térmica, J/s.m. o C LB lucro bruto, R$ M m MCp N n N corr N f N' f Nq N'q N util PE PFD P&ID Q QI q k Q util vazão mássica, kg/s constante de cálculo do coeficiente de transferência de calor taxa de capacidade calorífica, J/s. o C número de variáveis envolvidas constante de cálculo do coeficiente de transferência de calor número de correntes número de correntes frias que tocam e estão posicionadas acima do PE número de correntes frias que tocam e estão posicionadas abaixo do PE número de correntes quentes que tocam e estão posicionadas acima do PE número de correntes quentes que tocam e estão posicionadas abaixo do PE número de correntes de utilidades ponto de estrangulamento energético ("pinch") fluxograma de processo fluxograma de engenharia calor trocado, kj/h Qualidade de Informação módulo da diferença de entalpia da corrente k, kj/kg carga térmica fornecida pela utilidade, kj/h x

Nomenclatura RESR REXIST RF RMCU rede evoluída sem restrições rede de trocadores existente rede final de trocadores de calor rede de mínimo consumo de utilidades R OP receita operacional, R$ SRTC T ar T E síntese de rede de trocadores de calor temperatura do ar ambiente, o C temperatura de entrada da corrente, o C TIR taxa interna de retorno, % T int T M temperatura do fluido interno à tubulação, o C temperatura meta da corrente, o C TMA taxa mínima de atratividade, % T sup U UF UQ UQ min UF min u min temperatura na superfície externa da tubulação, o C coeficiente global de transferência de calor, J/s.m 2. o C consumo de utilidade fria, kj/h consumo de utilidade quente, kj/h consumo mínimo de utilidade quente, kj/h consumo mínimo de utilidade fria, kj/h número mínimo de unidades de troca térmica VPL valor presente líquido, R$ X Mi X Ri valor medido da variável valor reconciliado da variável Letras Gregas: σ i 2 variância associada ao grau de incerteza do medidor xi

Nomenclatura ΔH FP ΔT ef ΔT diferença de entalpia de um fluido de processo, kj/kg diferencial médio efetivo das temperaturas das correntes quentes e frias ao longo da área de troca, o C diferencial de temperatura das correntes, o C Números Adimensionais: Pr Pr s Re número de Prandtl número de Prandtl, avaliado à temperatura de superfície externa do tubo número de Reynolds xii

Lista de Figuras Lista de Figuras Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 2.6 Figura 2.7 Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6 Figura 4.7 Figura 4.8 Figura 4.9 Modelo de um Sistema de Integração Energética Diagrama das Curvas Compostas Custos x Diferencial Mínimo de Temperatura Decomposição do PE Diagrama de Grade Diagrama da Grande Curva Composta Modelo de um Sistema Total Site Roteiro de Aplicação de Integração Energética em Plantas Industriais Sistema de Prospecção de Oportunidades Fluxograma simplificado do processo Fluxograma para integração energética Atribuição de valores para Qualidade de Informação (QI) Procedimento de Síntese de Rede de Trocadores de Calor Fluxograma Simplificado do Processo da Planta PEL Fluxograma Simplificado das Correntes de Processo Custo Total x Diferencial Mínimo de Temperatura Diagrama das Curvas Compostas Diagrama da Grande Curva Composta Rede de Trocadores de Calor Existente (REXIST) Rede de Trocadores de Calor Inicial (RMCU) Consumo de Utilidade Quente Consumo de Utilidade Fria xiii

Lista de Figuras Figura 4.10 Rede de Trocadores de Calor Final (RF) Figura 4.11 Integração Energética Global da Planta PEL xiv

Lista de Tabelas Lista de Tabelas Tabela 3.1 Constantes da Equação 3.2 para Cilindro Circular em Escoamento Cruzado Tabela 4.1 Tabela 4.2 Tabela 4.3 Tabela 4.4 Tabela 4.5 Reconciliação de Dados do Balanço de Massa das Correntes Tabela de Oportunidades para Aplicação da Tecnologia "Pinch" Custos das utilidades Custos Fixos Consumo de Utilidades e Avaliação Econômica Tabela 4.6 Taxa Interna de Retorno para a Integração Energética dos Sistemas xv

Capítulo 1 Introdução Capitulo 1 - Introdução 1.1 - Motivação para Aplicação de Otimização Energética em Processos Industriais O aumento da competitividade global e as crises do petróleo têm forçado a indústria a melhorar o desempenho dos seus processos, onde o custo da energia representa uma parcela considerável do custo final de seus produtos. Plantas industriais consomem grandes quantidades de energia. Tais consumos se tornam mais acentuados, principalmente nas plantas mais antigas, com pouca integração energética nos seus processos, ou seja, pouca recuperação de calor entre as correntes que compõem os mesmos. O objetivo de otimizar energeticamente os processos é minimizar o uso de energia e, conseqüentemente, minimizar a geração de resíduos e efluentes, implicando em operar as plantas com custos reduzidos e com redução das utilidades vapor, água de resfriamento e combustíveis. A sociedade tem pressionado constantemente pela melhoria do desempenho ambiental das indústrias. Para fazer frente a esta crescente demanda, novos enfoques têm sido desenvolvidos, tanto no campo tecnológico como no gerencial. Estes visam minimizar o impacto ambiental da atividade industrial a custos reduzidos. Mercados cada vez mais competitivos exigem a minimização dos custos e do impacto ambiental. Para tanto, têm sido construídas novas formas de combate ao desperdício de energia e à poluição industrial. Os resíduos industriais e o uso ineficiente de energia passam a serem vistos, não apenas como agentes poluidores, mas, também, como perdas econômicas a serem eliminadas através de uma ação integrada sobre a totalidade do processo produtivo, desde a compra da matéria prima até o descarte das correntes residuárias. 1

Capítulo 1 Introdução O custo da energia representa uma parcela considerável do custo final dos produtos químicos. A principal fonte de energia é aquela proveniente de combustíveis fósseis. A minimização do uso da energia não está apenas relacionada ao custo, mas também ao aumento da concentração de gases promotores do aquecimento global do planeta (efeito estufa). O dióxido de carbono, proveniente da queima de combustíveis fósseis, é um desses principais promotores. Contudo, o dióxido de carbono não é o único poluente gerado na queima de combustíveis. Os compostos de enxofre estão presentes e têm uma importante contribuição na poluição atmosférica. Na combustão estes são transformados em óxidos de enxofre, podendo causar a chuva ácida. O enxofre no combustível também tem um importante efeito na formação de particulados (ZANNIKOS, 1995). Além dos óxidos de enxofre, há outros importantes poluentes formados durante a combustão: os óxidos de nitrogênio. Estes são produzidos pela oxidação do nitrogênio presente no ar de combustão, principalmente a temperaturas acima de 1000 o C. Os óxidos de nitrogênio são formadores de chuvas ácidas e da névoa fotoquímica e também participam da formação de ozônio (BOTSFORD, 2001). Portanto, quanto menor for o consumo de energia, menor serão as emissões dos gases poluentes, tais como dióxido de carbono, óxidos de enxofre e óxidos de nitrogênio, que provocam enormes danos à natureza e à saúde humana. Um outro aspecto a ser considerado é que uma planta industrial, não otimizada energeticamente, necessita de grandes quantidades de água para resfriamento de correntes de processo, utilizando torres de resfriamento onde ocorre elevada evaporação de água. Somente as torres de resfriamento instaladas em Camaçari, Bahia, Brasil, por exemplo, provocam um lançamento na atmosfera, em forma de vapor, da ordem de milhares de metros cúbicos de água por dia, o que daria para abastecer a população de uma cidade de porte médio. O uso e tratamento desta água geram uma grande quantidade de efluentes. Portanto, uma planta energeticamente otimizada terá, também, consumo de água e seus efluentes aquosos minimizados. 2

Capítulo 1 Introdução Com a competição global e os altos preços da energia para os processos industriais, motivados principalmente pelas crises do petróleo, houve a necessidade de estudos sobre Integração Energética nos processos, de modo a permitir ganhos econômicos com a redução do consumo de utilidades. Surgiram então metodologias para a realização desses estudos. Como conseqüência da redução do consumo de utilidades isto implica, também, na redução da queima de combustíveis fósseis que emitem os chamados GEE s - gases do efeito estufa. Segundo JUNIOR (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 Kyoto desenhado em 1997 (em vigor a partir de 16 de fevereiro de 2005), que estabelece redução da emissão de GEE s na atmosfera por parte dos maiores poluidores do planeta, os países desenvolvidos. 1.2 - Objetivos da Dissertação Esta dissertação tem como: Objetivo geral - Desenvolver uma metodologia que apresente, de modo organizado e detalhado, as etapas necessárias à aplicação prática de integração energética para readaptação ( retrofit ) (IEPR) de plantas industriais existentes. Objetivos específicos - Aplicar a metodologia desenvolvida a um estudo de caso numa planta industrial de produção de polietileno, buscando uma maior eco-eficiência nos seus processos; - Auxiliar na aplicação dos conceitos da tecnologia pinch, levando à síntese de redes de trocadores de calor, para minimizar o consumo de utilidades quentes e frias nos processos químicos, e como conseqüência, reduzir a queima de combustíveis fósseis, que geram os gases do efeito estufa (GEE s) e também, os efluentes aquosos; 3

Capítulo 1 Introdução - Auxiliar engenheiros no uso de técnicas de integração energética, visando implementar melhorias no desempenho dos processos industriais. 1.3 Estrutura do Texto No Capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica pertinente ao assunto da dissertação, dando uma visão dos conceitos gerais de integração de processo, com um enfoque especial para a integração energética. No Capítulo 3 é apresentada a metodologia desenvolvida para aplicação de integração energética para readaptação ( retrofit ) (IEPR) de plantas industriais existentes, utilizando como ferramenta principal os conceitos da tecnologia pinch" para elaborar a síntese de rede de trocadores de calor. No Capítulo 4, utilizando a metodologia desenvolvida, são apresentados e discutidos os resultados de um estudo de caso, para uma proposta de retrofit na integração energética, efetuado na planta de produção de Polietileno Linear (PEL), integrante da POLITENO Indústria e Comércio S/A, situada no Pólo Petroquímico de Camaçari, no Estado da Bahia, Brasil. No Capítulo 5 são apresentadas as conclusões e sugestões. No Apêndice I é apresentado o modelo de planilha com o conjunto de dados necessários para a caracterização de uma corrente de processo. No Apêndice II é listado o arquivo de saída do programa VALI III para o balanço material do sistema de destilação da planta PEL. 4

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Capitulo 2 - Revisão Bibliográfica A necessidade de formar um grupo de especialistas na universidade e na indústria, capacitados para o uso de tecnologias de integração energética em plantas de processos da indústria do estado da Bahia, motivou a busca, em literatura, por métodos que pudessem facilitar a aplicação prática destas tecnologias em plantas de processos. O uso da tecnologia "pinch", apresentada por LINNHOFF et al. (1982) e LINNHOFF (1983), como ferramenta principal para realização de estudos de integração energética, tem sido encontrado na literatura num grande número de aplicações, principalmente, em readaptação ( retrofit ) de plantas existentes. A integração energética que ocorre entre as correntes de processo é efetuada através de redes de trocadores de calor (SRTC). A síntese de redes otimizadas gera referências importantes na análise de redes em operação. Os métodos de integração energética atualmente disponíveis podem ser divididos em dois grandes grupos: os baseados em técnicas heurísticastermodinâmicas e os baseados em programação matemática. Os métodos que utilizam a programação matemática formulam um problema onde todas as superestruturas possíveis da rede são analisadas (problema combinatorial), implicando num aumento de complexibilidade à medida que o número de correntes aumenta (BIEGLER, 1997, CIRIC e FLOUDAS, 1991 e YEE e GROSSMANN, 1990). Por outro lado, os métodos heurísticos, apesar de não garantir obtenção de ótimos do ponto de vista matemático, têm capacidade de gerar resultados aceitáveis em termos econômicos e simplicidade. O método de síntese de redes de trocadores de calor denominado método "pinch" é oriundo dos trabalhos de LINNHOFF e colaboradores (1982), 5

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica onde fundamentos termodinâmicos e regras heurísticas são utilizados. Outros métodos heurísticos são os propostos por RUDD et al. (1973) e, PONTON e DONALDSON (1974). LIPORACE (1996) modificou a regra tradicional da razão entre taxas de capacidades caloríficas (regra b) da tecnologia pinch", sugerida por LINNHOFF e HINDMARSH (1983), de modo a obter redes de menor consumo de utilidades, sem violar regras básicas da tecnologia, qualquer que seja o conjunto de correntes de processo. Esta nova regra é chamada de regra b1, a qual faz parte do algoritmo computacional utilizado no programa AtHENS, desenvolvido por LIPORACE (1996) (ver também LIPORACE et al. (1997), para síntese de redes de trocadores de calor baseado na tecnologia pinch. Métodos têm sido desenvolvidos e vários estudos têm sido feitos, mas estes não apresentam, com detalhes, procedimentos, para uso em casos práticos reais, de aplicação de integração energética para readaptação ( retrofit ) (IEPR) de plantas industriais existentes. Na literatura, LINNHOFF e FLOWER (1978), LINNHOFF e HINDMARSH (1983) aplicam a tecnologia pinch" a partir da Tabela Problema já pronta, sem apresentar as etapas antecedentes de aquisição, verificação e validação de dados tomados das plantas. AL-RIYAMI et al. (2001) desenvolveram, na área de integração energética, um estudo de caso em readaptação ( retrofit ) de plantas de processos existentes, com mais riqueza de informações. Mesmo assim, não apresentam de forma organizada e detalhada, uma metodologia de aquisição, verificação e validação de dados para a geração da Tabela Problema, além de não informarem os critérios de escolha dos modos (casos) de operação nos processos das plantas estudadas, nem explicam, adequadamente, os problemas e dificuldades que são encontrados durante as etapas de levantamento de dados. Vários estudos de caso têm sido feitos, principalmente em plantas de produção de amônia (LABABIDI et al. (2000) e WANG et al. (2003)) e em refinarias de petróleo (FONSECA et al. (1997)), também, sem apresentarem uma metodologia detalhada para uma aplicação prática. 6

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica A confiabilidade dos dados é fundamental na obtenção dos resultados de uma rede de trocadores de calor. MIRRE et al. (2001) mostram os efeitos de pequenas variações nas condições das correntes de processo na definição de metas que orientam a síntese de redes de trocadores de calor. Também, POLLEY (2002) mostra o efeito dos erros na predição das propriedades termodinâmicas e dos coeficientes de transferência ocasionados por variações nas temperaturas das correntes. Como parte da revisão bibliográfica serão abordados, nos itens seguintes, tópicos de integração de processo, de integração energética e da tecnologia "pinch". 2.1 - Integração de Processos Integração de Processos é um conjunto de métodos gerais e sistemáticos para o projeto de sistemas de produção integrados, desde processos individuais até complexos industriais, com ênfase especial no uso eficiente de energia e na redução de efeitos ao meio ambiente, segundo definição de GUNDERSEN (2002). Integração de Processos é um termo novo que surgiu nos anos 80 e tem sido amplamente usado para descrever sistemas com atividades definidas e está relacionada com a área de Projeto de Processo. Para alcançarem os objetivos da Integração de Processo, métodos tem sido desenvolvidos nas últimas duas décadas. Para DUNN (2001), o objetivo original desses métodos têm sido a identificação de conservação de energia, redução de resíduos e de emissões nos projetos de processo. Esses métodos foram usados para identificar oportunidades em muitos projetos de processo. 2.1.1 - Histórico Projeto de Processo tem evoluído através de distintas gerações. A primeira geração constou de invenções, baseadas em experimentos no 7

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica laboratório, as quais foram testados em plantas pilotos antes da construção das plantas industriais. A segunda geração foi baseada no conceito de Operações Unitárias, as quais deram origem à Engenharia Química como disciplina. As Operações Unitárias atuaram como estrutura básica para o engenheiro no Projeto de Processo. A terceira geração considerou a integração entre estas operações; por exemplo, recuperação de calor entre correntes de processo para economizar energia. 2.1.2 - Situação Atual da Integração de Processos A aplicação da integração de processos está crescendo bastante no campo da engenharia de processo. GUNDERSEN (2002) identificou mais de 35 universidades ao redor do mundo que estão envolvidas em pesquisa com Integração de Processos. Enquanto recuperação de calor foi o foco inicial da Integração de Processo, o escopo tem sido expandido consideravelmente durante as últimas duas décadas para abranger projetos de processo. O aspecto chave desta expansão tem sido o uso de conceitos básicos de Recuperação de Calor em outras áreas, através de uso de analogias. Isto tem, por exemplo, tornado possível utilizar as técnicas de recuperação de calor para estudar processos de transferência de massa em geral e gerenciamento do uso de água, em particular. O crescimento da Integração de Processos nos últimos 10 anos tem provocado um grande esforço no desenvolvimento de recursos apropriados para auxiliar os engenheiros, sendo os simuladores de processo, ferramentas imprescindíveis nas aplicações industriais. Atualmente, existe no mercado um grande número de softwares disponíveis. A integração de processos evoluiu de uma metodologia restrita a recuperação de calor nos anos 80, para tornar-se o que empresas industriais líderes nos anos 90 consideraram como principal tecnologia de estratégia de projeto e planejamento. Com esta tecnologia é possível reduzir significantemente os custos operacionais de plantas existentes, enquanto 8

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica novas plantas podem ser projetadas com reduções nos custos operacionais e nos custos de investimentos. 2.1.3 - Métodos para Integração de Processos As principais características dos métodos de integração de processo são o uso de regras heurísticas (conjunto de regras e métodos relacionados com a experiência), fundamentos termodinâmicos e técnicas de programação matemática. Existe uma significativa inter-relação entre os vários métodos e a tendência atual é o uso simultâneo dessas três técnicas. Apesar da tendência citada acima, a tecnologia pinch", surgida no final da década de 70, faz uso de fundamentos termodinâmicos e regras heurísticas sendo hoje, a ferramenta muito utilizada em estudos de integração energética para readaptação ( retrofit ) (IEPR) de plantas industriais. 2.1.4 - Áreas de Aplicação de Integração de Processos Áreas típicas para aplicação de Integração de Processos no campo da indústria são: - planejamento, projeto e operação de processos e de sistema de utilidades; - novos projetos; - projetos de readaptação ( retrofit ); - melhoria de eficiência (matéria prima e energia) e produtividade (aumento de capacidade); - integração entre processos; - integração entre processos e sistemas de utilidades; - integração entre sites industriais, centrais de utilidades e cidades (sistemas de aquecimento e refrigeração); 9

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica - problemas operacionais (flexibilidade, controlabilidade e comutabilidade); - minimização de resíduos; - maximização do reuso de águas; - redução de emissões para o meio ambiente. 2.2 - Integração Energética No campo da integração de processos, a aplicação de integração energética está relacionada com a recuperação de calor entre correntes de processo com o propósito de economizar energia. A importância da integração energética nos processos químicos das indústrias tornou-se evidente a partir do aumento do custo da energia, durante as décadas de 70 e 80 (crises do petróleo) e, atualmente, com a globalização da economia mundial. Isto forçou as empresas a buscar a diminuição dos seus custos, a fim de serem competitivas no mercado. A grande contribuição nesta diminuição é por conta da economia de energia (custos operacionais e fixos) nos processos. Num processo industrial existe um grande número de correntes de processo que necessitam ser aquecidas e/ou resfriadas através de equipamentos de troca térmica (trocadores de calor). A Figura 2.1 mostra de modo simplificado um sistema de integração energética, onde a recuperação de calor está relacionada com as possíveis combinações de troca de calor entre as correntes de processo, ficando o fechamento do balanço de energia por conta das utilidades quentes e frias. A redução no consumo de energia está associada com a recuperação de calor entre correntes de processo, ou seja, quanto maior esta recuperação menor o consumo de utilidades. 10

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Minimização do Consumo Utilidades Quentes Maximização da Recuperação de Calor Correntes Quentes PROCESSO Correntes Frias Minimização do Consumo Utilidades Frias Figura 2.1 Modelo de um Sistema de Integração Energética Além da diminuição dos custos operacionais, busca-se também, uma diminuição nos custos fixos (unidades de troca térmica), ou seja, esta integração procura minimizar o consumo de utilidades e o custo do capital. O resultado da aplicação de integração energética numa planta estará sempre entre os processos não-integrado e totalmente integrado, e o nível econômico da recuperação de calor para o processo é determinado pela melhor combinação dos custos operacionais e de capital. A recuperação ótima de calor entre as correntes não é um problema simples, devido ao grande número de possíveis combinações entre as mesmas. Portanto, deve-se encontrar, dentre as possíveis redes de trocadores, a que resulta em melhor benefício técnico-econômico, para a integração. Nos processos existem combinações que são proibidas e outras que são obrigatórias, em função de aspectos operacionais, de segurança e de controlabilidade. Dependendo das características dos processos, outros problemas devem ser observados como: as propriedades físicas das correntes que podem 11

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica ter uma grande dependência da temperatura, os trocadores de calor quanto ao tipo e materias de construção e limitações quanto à queda de pressão. Como pode ser visto, há uma certa complexidade para resolver um problema de integração energética, tornando necessário o emprego de métodos apropriados para a sua solução. Na literatura observa-se a utilização da tecnologia "pinch", apresentada por LINNHOFF et al. (1982) e LINNHOFF (1983) em um grande número de estudos de readaptação ( retrofit ) de plantas existentes em relação a integração energética. 2.3 - Tecnologia "Pinch" Segundo LINNHOFF et al. (1982), a tecnologia "pinch" tem como objetivo a síntese, a análise e a otimização de processos químicos, com relação à sua integração energética, através do uso de um conjunto de regras estabelecidas para a aplicação da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica. Nesta técnica, são identificadas as correntes quentes que precisam ser resfriadas e as correntes frias que precisam ser aquecidas com o objetivo de conduzir estas a atingir suas metas energéticas, da maneira mais econômica possível. Caso estas metas ainda não tenham sido atingidas ao final da integração energética entre as correntes de processo, são utilizadas utilidades quente e/ou fria para completar a energia necessária. As combinações efetuadas entre as correntes quentes e frias, geram uma rede de trocadores de calor. A primeira parte da Análise "Pinch" compreende a determinação das metas referenciais e a segunda parte a síntese de rede de trocadores de calor. Para o entendimento da metodologia é necessário o conhecimento de alguns conceitos e procedimentos que serão apresentados a seguir. 12

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 2.3.1 - Metas Referenciais A obtenção das metas referenciais é chamada na tecnologia "pinch" de supertargeting (LINNHOFF et al. (1982)) que compreende: o consumo mínimo de utilidades necessárias para o processo, o número mínimo de unidades de troca térmica e a área global mínima de transferência de calor, correspondente a um determinado diferencial mínimo de temperatura (DMT) entre as correntes quentes e frias envolvidas. O procedimento de determinação destas metas serão mostrados nos próximos sub-itens. 2.3.1.1 - Curvas Compostas A curva composta é uma representação do balanço de energia do processo (perfis de Temperatura versus Entalpia) através de um conjunto de correntes em uma só, sendo definida para as correntes quentes (curva composta quente) e frias (curva composta fria). A curva composta quente é obtida pela soma de todas as cargas térmicas de resfriamento, enquanto a curva composta fria é obtida pela soma de todas as cargas térmicas de aquecimento, disponíveis em cada intervalo comum de temperatura. Em PIRES (2003) e LIPORACE (1996) é apresentado de modo detalhado o procedimento de construção das Curvas Compostas (CC). No diagrama das Curvas Compostas a região vertical compreendida entre as curvas representa a possibilidade de recuperação de energia entre as mesmas e à medida que as curvas se aproximam horizontalmente uma da outra, maior será esta possibilidade de troca térmica, até o ponto onde as curvas atingem a menor distância vertical permitida entre as mesmas (diferença mínima de temperatura - DMT). Neste ponto, a energia restante para fechar o balanço térmico das correntes deve ser fornecida pelo sistema de utilidades e representa o consumo mínimo de utilidades quente e fria necessárias para o processo. 13

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica T UQ min ccquente Diferença mínima de temperatura (DMT) ccfria PE UF min Calor recuperado H Figura 2.2 - Diagrama das Curvas Compostas Um exemplo de Curvas Compostas é mostrado na Figura 2.2, onde ccquente é a curva composta quente, ccfria é a curva composta fria, UQ min é o consumo mínimo de utilidade quente, UF min é o consumo mínimo de utilidade fria, PE é o ponto de estrangulamento energético ("pinch") e DMT é o diferencial mínimo de temperatura entre as curvas. Esta representação permite obter as seguintes informações do processo: - localização do ponto de estrangulamento energético ("pinch"); - potencial de recuperação de calor dentro do processo; - metas de consumo mínimo de utilidades quente e fria. Como pode ser visto, o uso de utilidades está diretamente relacionado ao valor do DMT. Quanto maior este valor maior o consumo de utilidades quando as curvas se afastarem horizontalmente uma da outra. Por outro lado, o aumento do DMT faz com que a área de troca térmica dos trocadores diminua (para uma mesma carga térmica, um aumento na força motriz diminui a necessidade de área), diminuindo o seu custo. Logo, há um valor ótimo de DMT que forneça o menor custo total (somatório dos custos fixo e operacional). 14

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Figura 2.3 Custos x Diferencial Mínimo de Temperatura Como pode ser constatado, o DMT é uma das variáveis mais importantes na Análise "Pinch" e, sua escolha é baseada em critérios econômicos, como mostrado na Figura 2.3. 2.3.1.2 - Algoritmo Tabular (Cascata Energética) Uma forma alternativa de obtenção das metas de energia de um processo é através do Algoritmo Tabular Problem Table Algorithm (LINNHOFF e FLOWER, 1978). O método é desenvolvido através da construção de uma tabela, baseada na divisão do problema em intervalos de temperaturas, para posterior realização de balanço energético. Também, PIRES (2003) e LIPORACE (1996) apresentam de modo detalhado o procedimento de construção desta tabela. 2.3.1.3 - Número Mínimo de Unidades de Troca Térmica O número mínimo de unidades de troca térmica é calculado pela equação de HOHMANN (1971), umin = N corr + N util 1 (2.1) 15

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica onde, u min é o número mínimo de unidades de troca térmica, N corr o número de correntes de processo que precisam de aquecimento ou de resfriamento e N util o número de correntes de utilidades. A expressão acima pode ser utilizada para cada uma das regiões acima e abaixo do PE e o número mínimo provável de unidades para a rede completa, com a máxima recuperação de energia, será dado pela soma das unidades das regiões. 2.3.1.4 - Área Global Mínima de Transferência de Calor A área global mínima de transferência de calor é calculada pela equação de TOWNSEND e LINNHOFF (1984), baseado em HOHMANN (1971) que apresentou o conceito de transferência vertical de calor através das curvas compostas, sugerindo que se a energia for transferida dessa forma, a área global de troca térmica será mínima, devido a um melhor aproveitamento da força motriz existente. A área global mínima é dada pela seguinte expressão: Amin = j 1 ( DTLN ) j k q h k k (2.2) onde, DTLN é a diferença de temperatura média logarítmica; j o intervalo de entalpia; k a corrente que participa do intervalo j; q k o módulo da diferença de entalpia da corrente k, no intervalo j e h k o coeficiente de transferência de calor da corrente k. 2.3.2 - Síntese de Rede de Trocadores de Calor Após a determinação das metas referenciais (primeira etapa) é iniciada a síntese de rede de trocadores de calor (segunda etapa). O objetivo da síntese é obter redes para viabilizar o alcance de todas as metas definidas no processo. 16

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica A síntese é efetuada segundo um conjunto de regras estabelecidas pela tecnologia "pinch", onde as duas mais importantes, segundo LINNHOFF e HINDMARSH (1983), são apresentadas a seguir: a) Número de correntes O número de correntes quentes imediatamente acima do PE tem que ser menor ou igual ao número de correntes frias imediatamente acima do PE. Caso contrário, deve-se dividir corrente fria. O número de correntes frias imediatamente abaixo do PE tem que ser menor ou igual ao número de correntes quentes imediatamente abaixo do PE. Caso contrário, deve-se dividir corrente quente. b) Regra do MCp (taxa de capacidade calorífica) Para correntes combinadas imediatamente acima do PE o MCp da corrente quente tem que ser menor ou igual ao MCp da corrente fria (MCp q MCP f ) e para correntes combinadas imediatamente abaixo do PE o MCp da corrente fria tem que ser menor ou igual ao MCp da corrente quente (MCp f MCp q ). A síntese permite também a determinação dos custos totais das redes. Na montagem de redes de troca térmica, alguns procedimentos específicos e conceitos serão apresentados a partir deste momento. Para a Análise "Pinch" o diagrama das Curvas Compostas pode ser decomposto, segundo LINNHOFF e HINDMARSH (1983), conforme mostrado na Figura 2.4, em função do que será apresentado a seguir. A identificação do PE e as suas características permitem fazer as seguintes observações: a) é possível a divisão do problema em duas regiões: uma acima e outra abaixo do PE, sendo a região superior uma receptora (sorvedouro) de calor (somente utilidade quente é necessária) e a região inferior uma fonte de calor (somente utilidade fria é necessária), Figura 2.4 (a); 17

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica T UQ min DMT (a) (a) UF min UQ min T HQ HF T HQ HF 50 1000 160 3000 60 200 1200 175 3000 4600 100 900 1800 200 4100 6500 150 2100 2800 250 5250 160 2400 3000 270 Q=0 5500 160 2400 3700 175 3000 4600 175 3700 4600 (b) 200 4100 UF min 6500 250 5250 270 5500 UQ min + α α (c) UF min + α H Figura 2.4 - Decomposição do PE b) cada região é independente e equilibrada energeticamente (correntes de processo + utilidade), Figura 2.4 (b). Para a construção de uma rede que garanta as metas de consumo mínimo de energia, existem três regras básicas: b.1. não transferir calor do processo através do PE; b.2. não utilizar utilidade quente para correntes abaixo do PE; b.3. não utilizar utilidade fria para correntes acima do PE. c) caso haja desequilíbrio energético no projeto da rede, por determinada transferência de calor através do PE, este valor (α) incidirá no 18

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica mesmo acréscimo de utilidade quente e fria, acima do consumo mínimo, Figura 2.4 (c). As regras estabelecidas pela tecnologia "pinch" para a síntese podem acarretar no aparecimento de ciclos de trocadores de calor. Estes ciclos são laços de troca térmica. Um ciclo é formado quando uma corrente de processo quente e outra fria são combinadas duas vezes. O aparecimento de ciclos implica num número de unidades de troca térmica acima do mínimo. Para a representação de rede de trocadores de calor LINNHOFF et al. (1982) apresentam o Diagrama de Grade ( Grid Structure ), como uma maneira de facilitar a localização do PE, a divisão das duas regiões e a alocação de trocadores. A Figura 2.5 mostra a forma deste diagrama. # 1 # 2 Aquecedor # 3 # 4 Acima trocador processo-processo correntes frias Pinch (PE) Abaixo quente 1 correntes quentes quente 2 Resfriador fria 1 fria 2 Figura 2.5 - Diagrama de Grade 2.3.3 - Grande Curva Composta A Grande Curva Composta (GCC) é construída a partir das Curvas Compostas (CC), podendo ser usada como uma ferramenta de projeto para especificar as utilidades (LINNHOFF et al. 1982), com o objetivo de escolher, de modo mais apropriado, os seus níveis e cargas térmicas, a fim de minimizar os custos operacionais do processo. Na Figura 2.6 é mostrado um Diagrama da Grande Curva Composta. 19

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Esta curva indica de modo claro quanta energia tem que ser suprida pelos vários níveis de utilidades. Aqui são plotadas as disponibilidades (acima do PE) e as necessidades (abaixo do PE) de energia do processo, como função da temperatura. Os diversos níveis de temperaturas das utilidades disponíveis estão diretamente ligados aos seus custos. Normalmente, as utilidades quentes de maior temperatura e as utilidades frias de menor temperatura possuem um custo maior, ou seja, quanto mais afastada da temperatura ambiente, mais cara é a utilidade, sendo então preferível maximizar o uso de utilidades com temperaturas mais próximas à ambiente. UQ T VAP VMP VBP PE Calor recuperado AGR REF UF VAP - Vapor de Alta Pressão VMP - Vapor de Média Pressão VBP - Vapor de Baixa Pressão AGR - Água de Resfriamento REF - Refrigeração H Figura 2.6 - Diagrama da Grande Curva Composta A GCC permite uma análise do nível de temperatura necessário para cada trecho do processo, permitindo um uso mais racional das diferentes utilidades disponíveis. A GCC tem um número de aplicações industriais fortemente voltado para sistemas de utilidades e de geração de energia. A GCC, segundo HALL (1989), ajuda também na integração de utilidades com sistemas de gases de combustão de fornalhas e turbinas, 20

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica circuitos de fluidos de aquecimento (por exemplo, hot oil ), água de refrigeração, sistemas de refrigeração, sistemas de destilação, etc., de tal maneira que o custo total de utilidades seja minimizado. 2.3.4 - Análise Energética Global ( Total Site ) É a integração energética feita entre unidades de processo e o sistema de utilidades, onde o mesmo é considerado como parte do problema. O método do Total Site foi desenvolvido por DHOLE e LINNHOFF (1993). As unidades de processo são fisicamente separadas e independentes, mas interligadas pelas utilidades, como mostra a Figura 2.7. Sistema de Utilidades Unidade de Processo A Unidade de Processo B Unidade de Processo C Unidade de Processo D Figura 2.7 Modelo de um Sistema Total Site Os processos são de modo indireto integrados através dos sistemas de utilidades. Para cada unidade de processo do site são geradas as Curvas Compostas e a Grande Curva Composta. Aqui não se deseja trocas de calor entre as correntes de processo das unidades. Cada unidade é analisada de forma separada e depois é integrada. Isto geralmente é feito de modo que uma determinada utilidade gerada numa unidade podem ser consumida em outra. 21

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica A aplicação desse método para um complexo industrial, com vários processos produtivos, tem mostrado um maior potencial de ganho energético. Essa análise num site industrial é uma tarefa que requer significantes quantidades de mão-de-obra, tempo e capital. 22

Capítulo 3 Metodologia Capitulo 3 - Metodologia A metodologia desenvolvida neste trabalho fornece de modo organizado e seqüencial as etapas necessárias para obtenção, verificação e validação de dados, tomados de uma planta real existente, para ajudar engenheiros na análise de integração energética para readaptação ( retrofit ) (IEPR) de plantas industriais existentes, visando melhorias no desempenho energético dos processos. A metodologia adotada toma como base a comparação entre uma planta real existente e uma proposta oriunda de um procedimento de síntese de rede de trocadores de calor, na qual, a Tabela Problema, apresentada por LINNHOFF e FLOWER (1978), identificada na planta estudada neste trabalho é utilizada. A Tabela Problema será chamada aqui de Tabela de Oportunidades, por se considerar que as correntes de processo contidas na mesma, representam oportunidades de integração para incorporar melhorias no aspecto energético do processo. Adotando a Tecnologia "Pinch" para a síntese, a rede de mínimo consumo de utilidades (RMCU) obtida é comparada com a rede existente, visando identificar condições de semelhança ou impedimentos (restrições) de troca que devem ser levados em consideração na etapa seguinte de evolução da RMCU. Com estas restrições definidas, a partir da observação das estruturas das duas redes e, principalmente, através das discussões com os técnicos da planta, esta evolução é efetuada até a rede final (RF), tendo como função objetivo a minimização do custo total anual. Obtida a rede final, esta novamente é comparada com a rede existente e então as oportunidades de modificações são identificadas. A aplicação da metodologia requer uma equipe com conhecimento do processo e capacitação adequada para: 23

Capítulo 3 Metodologia - uso da Tecnologia "Pinch" e síntese de redes de trocadores de calor; - conhecimento na obtenção de propriedades termodinâmicas e de transporte; - uso de ferramentas de reconciliação de dados; - uso de simuladores de processos. A metodologia desenvolvida para aplicação de integração energética em plantas industriais de processos envolveu as seguintes etapas: A) Estudo do processo: realizado através dos fluxogramas de processo, dos manuais de operação e de reuniões com os técnicos das unidades operacionais da planta. B) Identificação e caracterização das correntes de troca térmica: feita a partir do levantamento das correntes quentes e frias existentes no processo e seus respectivos equipamentos de troca térmica. C) Aquisição de dados de vazão, temperatura, pressão e composição: adquiridos no sistema de informação disponível na planta e, quando necessário, por medição no campo com leitura de temperatura através de instrumentos portáteis, tais como pirômetro ótico da Raytek Corp. U.S.A, modelo Raynger ST80-IS. D) Cálculo de propriedades termodinâmicas e de transporte: realizado através de simulador de processos. No presente estudo de caso foi utilizado o HYSYS versão 1.5, com o modelo termodinâmico modificado de Peng Robinson (PRSV) para sistemas não-ideais. E) Definição da Qualidade de Informação: através da ferramenta de Qualidade de Informação (QI) apresentada por FONTANA et al. (2004), foram atribuídos valores de QI para os dados adquiridos, associando a estes um certo grau de incerteza relacionado com o método no qual estas informações foram obtidas na planta. F) Reconciliação de dados de vazão e temperatura: efetuada após a definição da Qualidade de Informação. Neste caso utilizou-se o software VALI III da 24