CAPÍTULO 8 SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA

1. ENGENHARIA DE PROCESSOS Análise, Simulação e Otimização de Processos Químicos CAPÍTULO 8 SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA 22 de outubro de 2014

2. REVISÃO

3. Do ponto de vista da Engenharia de Processos (“Process Systems Engineering”) o Processo Químicoéum Sistema cuja Tarefa(“task”) é produzir um produto químico em escala industrial de forma econômica, segura e limpa. Produto Matériaprima Processo Químico Esta Tarefa é composta de Sub-Tarefas

4.  As 4 Sub-tarefas são executadas por 4 Sub-Sistemas: Produto Matériaprima Separação Reação Processo Químico Controle Matériaprima Produto 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.

5. OS SUB-SISTEMAS TOTALMENTE INTEGRADOSFORMANDO O PROCESSO Integração Separação Reação Controle

6. FLUXOGRAMA EMBRIÃO Processo Químico Reação Separação S R M É o ponto de partida da geração de um fluxograma de processo Um Diagrama de Blocos

7. Os blocos do Fluxograma Embrião são subsequentemente detalhados chegando-se ao fluxograma completo. EXEMPLO A + B  C + D

8. A B C D E P R1 -1 -1 +1 +1 0 0 R2 0 0 -1 +1 -1 1 G - 1 - 1 0 + 2 - 1 1 150 A 100 C 150 B 100 D 250 B250 A 100 A100 B 100 D S1 R1 M1 150 A 100 B 100 C 100 C S2 100 P 25 C100 D 25 E R2 M2 125 E125 C 100 P 100 E 25 C 25 E 100 D

9. 04 150 A T4 03 01 To2 02 Td2 To3 Td3 100 A100 B 250 A250 B 150 A100 C150 B100 D R1 R2 T1 1O0 C150 B100 DT5 M2 M1 D3 D2 D1 D4 D5 05 07 150 BT7 150 B100 DT6 06 09 Detalhando os Sistemas de Separação 100 CT9 08 100 DT8 25 C25 ET13 13 10 11 Td11 Td12 To12 To11 15 100 E T10 125 C125 E 12 100 P T15 25 C25 E100 P100 D 14 100 P100 DT14 16 100 DT16

10. 04 150 A T4 01 To2 Td2 To3 Td3 03 100 A100 B 02 T1 1O0 C150 B100 DT5 05 07 150 BT7 150 B100 DT6 06 09 100 CT9 08 100 DT8 25 C25 ET13 13 To12 To11 10 Td11 Td12 15 100 E T10 12 100 P T15 11 14 100 P100 DT14 16 100 DT16 R2 R1 Acrescentando Trocadores de Calor M2 M1 D2 D1 D4 D5 D3

11. 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 

12. ESTRUTURA DO CAPÍTULO 8

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. 8.4 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 de Transbordo. Intervalos de Temperatura. Estrangulamento Térmico : “Pinch”. 8.7 Resolução pelo Método da Super - estrutura

15. Pré-requisitos para este Capítulo

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

17. 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 Trocadores de calor

18. 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

19. 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 Quase todo processo apresenta Correntes Quentes e Frias

20. 04 150 A T4 01 To2 Td2 To3 Td3 03 100 A100 B 02 T1 1O0 C150 B100 DT5 05 07 150 BT7 150 B100 DT6 06 09 100 CT9 08 100 DT8 25 C25 ET13 13 To12 To11 10 Td11 Td12 15 100 E T10 12 100 P T15 11 14 100 P100 DT14 16 100 DT16 R1 R2 No exemplo... M1 M2 D3 D2 D1 D4 D5 Quentes: 3 e12 Frias: 2 e 11

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

22. 30 água 25 60 Exemplo clássicopré-aquecimento da alimentação e o resfriamento do efluente de um reator. vapor 50 25 40 R 60 vapor 90 água R 90 30 Duas soluções plausíveis Melhor solução ? Análise de Processos ! (b) com integração: consome menos utilidades, mas utiliza um terceiro trocador (de integração). (a) sem integração: aquecimento com vapor, resfriamento com água.

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

24. 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 ou antes de qualquer troca

25. O ajuste de temperatura é efetuado por Trocadores de Calor Q WF, TSF F Símbolo nos fluxogramas WQ, TEQ WQ, TSQ Corrente Quente Corrente Fria WF, TEF TSF Ex.: Trocador tipo casco-e-tubo passo simples, contra-corrente WQ, TEQ TSQ WF, TEF

26. DETALHES SOBRE TROCADORES DE CALOR RELEVANTES PARA ESTE CAPÍTULO

27. WF, TSF WQ, TEQ WQ, TSQ Corrente Quente Corrente Fria WF, TEF Oferta de calor pela corrente quente = WQ CpQ (TEQ - TSQ) Demanda de Calor pela corrente fria = WF CpF (TSF – TEF) Carga Térmica do Trocador (isolado): Q = Oferta = Demanda

28. A área de troca térmica depende da diferença de temperatura entre os fluidos quente e frio. Q WF, TSF F WQ, TEQ WQ, TSQ Corrente Quente Corrente Fria WF, TEF TSF Esta diferença varia ao logo do trocador entre os limites 1e2. WQ, TEQ TSQ WF, TEF 1 = TEQ - TFS “Approach” 2 = TSQ - TEF “Approach” 1 = TEQ - TFS 2 = TSQ - TEF

29. WF, TSF WQ, TEQ WQ, TSQ Corrente Quente Corrente Fria WF, TEF Para o cálculo da área, utiliza-se um  médio entre esses dois valores: 1 = TEQ - TFS “Approach” - aritmético: simples, porém grosseiro.- logarítmico: rigoroso (demonstração nas últimas telas). 2 = TSQ - TEF “Approach” Modelo 1. Q – W CpQ (TEQ – TSQ) = 0 (Q: oferta de calor pela corrente quente) 2. Q – W CpF (TSF – TEF) = 0 (Q : demanda de calor da corrente fria) 3. Q – U A Tml = 0 (Q: carga térmica do trocador) 4. Tml - (1 - 2) / ln (1 / 2 ) = 0 (T médio logarítmico)

30. ALERTA SOBRE O ÓBVIO Se1 = 2 =  qualquer valor médio de  será  Elaborando ...

31. Média Logarítmica Média Aritmética Se 1 = 2 =   A =  Se 1 = 2 =  L = (0 / 0) (indeterminado !) “Levantando a indeterminação” ... Seja 1 = a 2 (a > 1) Regra de L’Hôpital derivando numerador e denominador e levando ao limite a  1

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

33. 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

34. O problema de síntese de uma rede de trocadores de calor se origina na evolução do fluxograma embrião

35. A B C D E P R1 -1 -1 +1 +1 0 0 R2 0 0 -1 +1 -1 1 G - 1 - 1 0 + 2 - 1 1 150 A 100 C 150 B 100 D 250 B250 A 100 A100 B 100 D S1 R1 M1 150 A 100 B 100 C 100 C S2 100 P 25 C100 D 25 E R2 M2 125 E125 C 100 P 100 E 25 C 25 E 100 D

36. 04 150 A T4 03 01 To2 02 Td2 To3 Td3 100 A100 B 250 A250 B 150 A100 C150 B100 D R1 R2 T1 1O0 C150 B100 DT5 M2 M1 D3 D2 D1 D4 D5 05 07 150 BT7 150 B100 DT6 06 09 Detalhando os Sistemas de Separação 100 CT9 08 100 DT8 25 C25 ET13 13 10 11 Td11 Td12 To12 To11 15 100 E T10 125 C125 E 12 100 P T15 25 C25 E100 P100 D 14 100 P100 DT14 16 100 DT16

37. 04 A T4 To2 01 02 Td2 To3 03 Td3 A B A B A B C D T1 B C DT5 05 07 BT7 B DT6 06 09 CT9 08 DT8 C ET13 13 10 Td11 To11 Td12 To12 15 11 E T10 12 PT15 C E C E P D 14 P DT14 16 DT16 R1 R2 D1 M2 D4 D5 M1 D2 D3 Para identificar as correntes quentes e frias, é necessário determinar as temperaturas To2 e To11 BALANÇOS DE ENERGIA

38. 04 150 A T4 03 01 To2 02 Td2 To3 Td3 100 A100 B 250 A250 B 150 A100 C150 B100 D T1 1O0 C150 B100 DT5 05 07 150 BT7 150 B100 DT6 06 09 100 CT9 08 100 DT8 25 C25 ET13 13 10 11 Td11 Td12 To12 To11 15 100 E T10 125 C125 E 12 100 P T15 14 100 P100 DT14 16 100 DT16 R1 R2 M1 M2 D2 D1 D4 D5 D3 Exemplo: Misturador M1 [(100)(0,03 )+(100)(0,026)]T1 + (150)(0,03)T4 + (150)(0,026)T7 – [(250)(0,03) + (250)(0,026)] To2 = 0 25 C25 E100 P100 D

39. No Exemplo: 04 150 A T4 03 01 To2 02 Td2 To3 Td3 100 A100 B 250 A250 B 150 A100 C150 B100 D T1 1O0 C150 B100 DT5 05 07 150 BT7 150 B100 DT6 06 09 100 CT9 08 100 DT8 25 C25 ET13 13 10 11 Td11 Td12 To12 To11 15 100 E T10 125 C125 E 12 100 P T15 14 100 P100 DT14 16 100 DT16 R2 R1 M1 M2 D1 D4 D2 D5 D3 Quentes: 3 e 12 Frias: 2 e 11

40. 04 150 A T4 01 To2 Td2 To3 Td3 03 100 A100 B 02 T1 1O0 C150 B100 DT5 05 07 150 BT7 150 B100 DT6 06 09 100 CT9 08 100 DT8 25 C25 ET13 13 To12 To11 10 Td11 Td12 15 100 E T10 12 100 P T15 11 14 100 P100 DT14 16 100 DT16 R2 R1 Resultado M2 M1 D2 D1 D4 D5 D3

41. 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

42. 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 utilidades determinar o sistema de custo mínimo capaz de conduzir as correntes das suas temperaturas de origem (To) às suas temperaturas de destino (Td). [outros critérios: segurança, controlabilidade,…]

43. São considerados conhecidos: (a) as vazões, as propriedades físicas (Cp) e as temperaturas de origem e de destino das correntes. (b) o critério para avaliação econômica (c) as condições e os preços unitários das utilidades (d) o preço de compra dos trocadores em função da área (e) os coeficientes globais de transferência de calor (U) 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.

44. 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

45. 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

46. Coeficiente Global

47. Avaliação Econômica 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 = 0,1 I ($/a) I = 1.300  Ai0,65 ($) CUSTO TOTAL : CT = Cutil + Ccap ($/a) Implícito nos parâmetros do Investimento e nos custos unitários encontra-se um peso relativo entre custos de capital e de utilidades no ambiente em que se desenvolve a síntese.

48. REPRESENTAÇÕES DE UM SISTEMA DE CORRENTES TABELA Corrente WCp To TdOferta/Demanda kW/ oC oC oC kW F1 5 60 150 450 F2 7 100 220 840 Q1 10 180 90 900 Q2 2 250 140 220 Constam os WCp's, as To's, as Td's, a oferta de calor das quentes e a demanda de calor das frias.

49. DIAGRAMA Q2 (vapor) 250 220 Q1 180 150 140 100 90 F2 60 F1 30 (água) 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 Permite observar os níveis de temperatura e o potencial de troca térmica entre as correntes. Ex.:Não é possível aquecer F2até 220 com Q1 nem resfriar Q1 até 90 com F2

50. 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