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CAPÍTULO 8 SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA

CAPÍTULO 8 SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA. 29 DE OUTUBRO DE 2008. . Sub-tarefas:. Produto. Matéria prima. Separação. Processo Químico. Reação. Controle. Integração. (a) Reação: responsável pela modificação do conjunto de espécies,

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CAPÍTULO 8 SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA

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  1. CAPÍTULO 8 SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA 29 DE OUTUBRO DE 2008

  2. Sub-tarefas: Produto Matériaprima Separação Processo Químico Reação Controle Integração (a) Reação: responsável pela modificação do conjunto de espécies, fazendo aparecer o produto principal. (b) Separação: responsável pelo ajuste de composição das correntes, separando o produto dos sub-produtos e do excesso de reagentes. (c) Integração: responsável pela movimentação de matéria e ajustes de temperatura das correntes. (d) Controle:responsável pela operação segura e estável do processo.

  3. Separação Reação Controle Integração As Sub-Tarefas são executadas pelos Sub-Sistemasque compõem o Sistema

  4. FLUXOGRAMA EMBRIÃO Processo Químico Reação Separação S R M É o ponto de partida da geração de um fluxograma de processo Restrito às duas primeiras operações de cunho material

  5. O fluxograma-embrião estabelece as metas para os sistemasde separação, integração e controle. 186 A 11 B 286 A 11 B 100 A 11 B 100 C 100 C R M S 0,35 186 A 11 B 11 B 186 A 100 C 186 A100 C 100 C 286 A 11 B 100 A 11 B R M 0,35 186 A 11 B nC4H10 iC4H10[A] [C] [B] C5H12 (inerte) Sistema de Separação ? CAPÍTULO 7

  6. 186 A100 C Integração Energética ? 100 C 286 A 11 B R 104 32 [17] 104 82 [24] 27 0,35 74 37 11 B 186 A 11 B 186 A 11 B 186 A100 C 100 C 100 C 100 C 11 B 100 A 11 B R M 0,35 186 A CAPÍTULO 8 100 A 11 B 286 A 11 B M 32 104 82 27 186 A

  7. 1.6 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO/DISCIPLINA ANÁLISE SÍNTESE 2 6 INTRODUÇÃO À INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS SÍNTESE DE PROCESSOS 8 7 3 4 5 SÍNTESE DE SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA ESTRATÉGIAS AVALIAÇÃO SISTEMAS DE SEPARAÇÃO OTIMIZAÇÃO DE CÁLCULO ECONÔMICA 

  8. 8. SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA 8.1 Integração Energética. Redes de Trocadores de Calor. 8.2 O Problema de Síntese 8.2.1 Enunciado 8.2.2 Problema Ilustrativo 8.2.3 Solução 8.2.4 Natureza Combinatória: Multiplicidade de Soluções8.2.5 Restrições no Problema de Síntese8.2.6 Limites no Consumo de Utilidades 8.3 Representação do Problema 8.3.1 Representação por Árvore de Estado 8.3.2 Representação por Super-estrutura

  9. 8.4 Resolução pelo Método Heurístico 8.4.1 Regras Heurísticas para Redes de Trocadores de Calor 8.4.2 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico 8.5 Resolução pelo Método Evolutivo 8.5.1 Regras Evolutivas para Redes de Trocadores de Calor 8.5.2 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Evolutivo 8.6 Resolução pelo Modelo da Transbordo. Intervalos de Temperatura. Estrangulamento Térmico : “Pinch” 8.7 Resolução pelo Método da Super - estrutura

  10. Pré-requisitos para este Capítulo

  11. Transferência de Calor Termodinâmica FUNDAMENTOS Estudo dos fenômenos de interesse que ocorrem nos equipamentos Mecânica dos Fluidos Transferência de Massa Cinética Química (Modelos Matemáticos) CIÊNCIAS BÁSICAS FUNDAMENTOS

  12. Trocadores de calor ENGENHARIA DE EQUIPAMENTOS Projeto e Análise dos Equipamentos de Processo Reatores Separadores Torres de destilação Torres de absorção Extratores Cristalizadores Filtros Outros... Instrumentos de Controle Automático

  13. 8. SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA 8.1 Integração Energética. Redes de Trocadores de Calor 8.2 O Problema de Síntese 8.2.1 Enunciado 8.2.2 Problema Ilustrativo 8.2.3 Solução 8.2.4 Natureza Combinatória: Multiplicidade de Soluções8.2.5 Restrições no Problema de Síntese8.2.6 Limites no Consumo de Utilidades 8.3 Representação do Problema 8.3.1 Representação por Árvore de Estado 8.3.2 Representação por Super-estrutura

  14. 8.1 Integração Energética. Redes de Trocadores de Calor Correntes Quentes Correntes Frias Resfriamento: oferecem calor Aquecimento: demandam calor To Td Convenção To > Td To < Td To: Temperatura de Origem Td: Temperatura de Destino Td To Correntes Quentes e Frias em Processos

  15. O ajuste de temperatura é efetuado por Trocadores de Calor Q F WF, TSF Símbolo nos fluxogramas WQ, TEQ WQ, TSQ Corrente Quente Corrente Fria WF, TEF

  16. Oferta de Calor : Q = WQCpQ (TEQ - TSQ) Demanda de Calor: Q = WFCpF (TSF - TEF) WF, TSF WQ, TEQ WQ, TSQ Corrente Quente Corrente Fria WF, TEF Carga Térmica do Trocador: Q = Oferta = Demanda

  17. A área de troca térmica depende da diferença de temperatura entre os fluidos quente e frio. WF, TSF WQ, TEQ WQ, TSQ Corrente Quente Corrente Fria WF, TEF Esta diferença varia ao logo do trocador entre os limites 1e2 . Utiliza-se um  médio entre esses dois valores: 1 = TEQ - TFS “Approach” - aritmético: simples, porém grosseiro.- logarítmico: mais preciso. 2 = TSQ - TEF “Approach”

  18. T1 T B dT T2 To Tz TL dQ t2 +dt t t1 z 0 L dA= P dz dQ = U dA Tz dQ = WQ CpQ dT (fluido quente) dQ = WF CpF dt (fluido frio) Considerando os calores específicos constantes:

  19. Observa-se que no caso especial onde To = TL, a equação acima leva a uma indeterminação, que aplicando a regra de L’Hopital resulta em LMTD = To = TL. Neste caso, as médias aritmética e logarítmica são equivalentes. Caso contrário, a média LMTD é sempre menor que a média aritmética:

  20. Média Aritmética Média Logarítmica 1 = 2 A =  1 = 2 =   L = (0 / 0)  (indeterminação!) Seja 1 = a 2 (a > 1) Regra de L’Hôpital (derivando numerador e denominador) Por qualquer média, se 1 = 2 =  a média é  !!!

  21. O erro pelo uso da média aritmética aumenta com a diferença entre os T's de "approach".

  22. WF, TSF WQ, TEQ WQ, TSQ Corrente Quente Corrente Fria WF, TEF 1 = TEQ - TFS “Approach” 2 = TSQ - TEF “Approach” Modelo Matemático 1. Q – WQCpQ (TEQ – TSQ) = 0 (Q: oferta de calor) 2. Q – WFCpF (TSF – TEF) = 0 (Q : demanda de calor) 3. Q – U A Tml = 0 (Q: carga térmica do trocador) 4. Tml – (1– 2) / ln (1 / 2 ) = 0 (T médio logarítmico)

  23. INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA Consiste na troca térmica entre as correntes de um processo para aproveitar o potencial térmico das correntes quentes e economizar utilidades.

  24. 30 água 25 60 vapor 50 25 40 R 60 vapor 90 água R 90 30 INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA Exemplo:pré-aquecimento da alimentação e o resfriamento do efluente de um reator. Duas soluções plausíveis Melhor solução ? Análise de Processos ! (a) sem integração: aquecimento com vapor, resfriamento com água. (b) com integração: consome menos utilidades, mas utiliza um terceiro trocador (de integração).

  25. Q1 Q2 F1 F2 vapor Aquecedores água Resfriadores INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA DE DIVERSAS CORRENTES Trocadores de Integração Rede de Trocadores de Calor (RTC) (Configuração Idealizada)

  26. INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA DE DIVERSAS CORRENTES Q1 Q2 F1 Trocadores de Integração F2 vapor Aquecedores água Resfriadores Aquecedores e resfriadores podem ser colocados entre trocadores de integração

  27. 8. SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA 8.1 Integração Energética. Redes de Trocadores de Calor. 8.2 O Problema de Síntese 8.2.1 Enunciado 8.2.2 Problema Ilustrativo 8.2.3 Solução 8.2.4 Natureza Combinatória: Multiplicidade de Soluções8.2.5 Restrições no Problema de Síntese8.2.6 Limites no Consumo de Utilidades 8.3 Representação do Problema 8.3.1 Representação por Árvore de Estado 8.3.2 Representação por Super-estrutura

  28. 8.2 O PROBLEMA DE SÍNTESE 8.2.1 Enunciado Dados:(a) um conjunto de correntes quentes(b) um conjunto de correntes frias(c)e um conjunto de utilidadesdeterminar o sistema de custo mínimo capaz de conduzir as correntes das suas temperaturas de origem (To) as suas temperaturas de destino (Td). [outros critérios: segurança, controlabilidade, disposição, …]

  29. São considerados conhecidos: (a) as vazões, as propriedades físicas (Cp) e as temperaturas de origem e de destino das correntes (b) as condições e os preços unitários das utilidades (água e vapor, por exemplo) (c) os coeficientes globais de transferência de calor (U) (d) dados relativos ao preço de compra dos trocadores Neste Capítulo, para permitir uma visão abrangente do problema de síntese com um mínimo de detalhes de natureza estritamente computacional, Cp e U serão considerados constantes Assim sendo, na expressão da oferta e da demanda de calor Q = W Cp To produto (WCp) será uma constante característica de cada corrente.

  30. 8. SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA 8.1 Integração Energética. Redes de Trocadores de Calor. 8.2 O Problema de Síntese 8.2.1 Enunciado 8.2.3 Solução 8.2.4 Natureza Combinatória: Multiplicidade de Soluções8.2.5 Restrições no Problema de Síntese8.2.6 Limites no Consumo de Utilidades 8.2.2 Problema Ilustrativo 8.3 Representação do Problema 8.3.1 Representação por Árvore de Estado 8.3.2 Representação por Super-estrutura

  31. 8.2.2 Problema Ilustrativo Sistema de Correntes Corrente WCp To Td kW/ oC oC oC F1 5 60 150 F2 7 100 220 Q1 10 180 90 Q2 2 250 140 Simplificação: Cp constante Sistema de Utilidades

  32. 100 60 90 F2 Q1 F1 Q2 Q2 250 140 Q1 F1 F2 150 180 220 R TC ? Corrente WCp To Td kW/ oC oC oC F1 5 60 150 F2 7 100 220 Q1 10 180 90 Q2 2 250 140

  33. Coeficiente Global

  34. Avaliação Econômica(Pesquisa na Literatura) Wa = consumo total de água (kg/h) Wv = consumo total de vapor (kg/h) Ca = custo unitário da água = 0,00005 $/kg Cv = custo unitário do vapor = 0,0015 $/kg. Custo de Utilidades: Cutil = 8.500 (Ca Wa + Cv Wv) ($/a) Custo de Capital : Ccap = 130  Ai0,65 ($/a) CUSTO TOTAL : CT = Cutil + Ccap ($/a) Implícito nos parâmetros do investimento e nos custos unitários encontram-se pesos relativos entre custos de capital e de utilidades no ambiente em que se desenvolve a síntese.

  35. Q2 (vapor) 250 220 Q1 180 150 140 100 90 F2 60 F1 30 (água) Representação Gráfica do Sistema de Correntes e Utilidades Corrente WCp To Td kW/ oC oC oC F1 5 60 150 F2 7 100 220 Q1 10 180 90 Q2 2 250 140 Simplificação: Cp constante

  36. 8. SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA 8.1 Integração Energética. Redes de Trocadores de Calor. 8.2 O Problema de Síntese 8.2.1 Enunciado 8.2.2 Problema Ilustrativo 8.2.4 Natureza Combinatória: Multiplicidade de Soluções8.2.5 Restrições no Problema de Síntese8.2.6 Limites no Consumo de Utilidades 8.2.3 Solução 8.3 Representação do Problema 8.3.1 Representação por Árvore de Estado 8.3.2 Representação por Super-estrutura

  37. 8.2 O PROBLEMA DE SÍNTESE 8.2.3 Solução F2 100 Q2 250 1 140 F1 60 131,4 30 Q1 180 2 3 5 90 153 111,5 143 170 50 250 250 6 4 250 250 220 150 Uma das soluções ... do Problema Ilustrativo O que se deve observarem uma solução ?

  38. Relembrando do Capítulo 7 Exemplo: 3 componentes 2 processos plausíveis Diferenças Seqüência dos Cortes Tipo de Separador

  39. No caso das Redes de Trocadores de Calor F2 100 Q2 250 1 140 F1 60 131,4 30 Q1 180 2 3 5 90 153 111,5 143 170 50 250 250 6 4 250 250 220 150 Diferenças na Estrutura e nas Cargas Térmicas

  40. ESTRUTURA F2 100 Q2 250 1 140 F1 60 30 Q1 180 2 3 5 90 50 250 250 6 4 250 250 220 150 É o fluxograma sem as temperaturas intermediárias Revela a seqüência das trocas térmicas - troca inicial: Q2x F2. - seguem Q1x F2 e Q1x F1 - troca Q2x F1 desnecessária. Corrente WCp To Td kW/ oC oC oC F1 5 60 150 F2 7 100 220 Q1 10 180 90 Q2 2 250 140 Simplificação: Cp constante

  41. CARGAS TÉRMICAS F2 100 Q2 250 1 140 F1 60 30 Q1 180 2 3 5 90 50 250 250 6 4 250 250 220 150 Revela a quantidade de calor trocada em cada equipamento As cargas térmicas definem as áreas de troca térmica e as vazões de utilidades. Logo: o custo da rede. 220 kW - áreas dos trocadores  Custo de Capital - consumo de utilidades  Custo de Utilidades 270 kW 415 kW 215 kW 350 kW 35 kW

  42. F2 100 Q2 250 1 140 F1 60 131,4 30 Q1 180 2 3 5 90 153 111,5 143 170 50 250 250 6 4 250 250 220 150 Solução Completa Dados Físicos e Econômicos Trocador Carga Térmica Área Wa ou Wv (kW) (m2) (kg/h) 1 220 4,0 0 2 270 3,9 0 3 415 21,1 0 4 350 6,9 729 (v) 5 215 4,7 9.627 (a) 6 35 0,373 (v) Cutil = 14.165$/a Ccap = 3.186 $/a CT = 17.351 $/a

  43. Estrutura da Rede F2 100 Q2 250 1 140 F1 60 131,4 30 Q1 180 2 3 5 90 153 111,5 143 170 50 250 250 6 4 250 250 220 150 Uma mesma estrutura pode abrigar cargas térmicas e custos diferentes. Problema: encontrar o custo mínimo da estrutura 220 kW 270 kW 415 kW 215 kW 350 kW 35 kW

  44. Cálculo das vazões de água e de vapor Vazão de água Q = Wa CpaT = Wa Cpa (50 – 30)Wa = Q / [Cpa (50 – 30)] Vazão de vapor Q = WvWv = Q / 

  45. 8. SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA 8.1 Integração Energética. Redes de Trocadores de Calor. 8.2 O Problema de Síntese 8.2.1 Enunciado 8.2.2 Problema Ilustrativo 8.2.3 Solução 8.2.5 Restrições no Problema de Síntese8.2.6 Limites no Consumo de Utilidades 8.2.4 Natureza Combinatória do Problema 8.3 Representação do Problema 8.3.1 Representação por Árvore de Estado 8.3.2 Representação por Super-estrutura

  46. 8.2 O PROBLEMA DE SÍNTESE 8.2.4 Natureza Combinatória: Multiplicidade de Soluções Q F F1 T2 1 F1 F2 F2 F1 Q Q Q 1 2 2 1 F2 T3 2 O número de soluções cresce rapidamente com o número de correntes. apenas uma solução Uma corrente quente e uma fria: Uma corrente quente e duas frias: 3 soluções Trocas seqüenciais Trocas em paralelo (divisão de correntes)

  47. F1 F2 F3 Q 1 2 3 F1 F1 1 1 F3 Q Q F3 F2 F2 3 3 2 2 Uma corrente quentee três frias 3 exemplos típicos 18 soluções

  48. Duas correntes quentes e duas frias Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2 1 2 4 3 F1 F1 F1 F1 F1 F1 F1 F1 F1 F1 F1 F1 F1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 F2 F2 8 7 6 5 F1 F1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 F2 13 16 15 14 F1 Q2 Q1 Q2 Q1 12 11 Q2 Q1 Q2 Q1 10 9 16 soluções diferindo apenas pela inversão de uma das trocas

  49. Em cada um dos 16 blocos, podem ocorrer: Exemplo Q1 Q2 Exemplo Q1 Q2 F1 F1 F2 F2 (a) ausência de 0, 1, 2 ou 3 trocadores de integração (b) divisão de 1, 2, 3 e das 4 correntes (30 soluções) (15 soluções)

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