Niterói 2/2016

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE PETRÓLEO

ALANA RAPHAELLA CORREA SÁ

“AVALIAÇÃO DE UM TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBOS PARA MONITORAMENTO DO DESEMPENHO OPERACIONAL DE

UM PROCESSO INDUSTRIAL”

Niterói 2/2016

ALANA RAPHAELLA CORREA SÁ

“AVALIAÇÃO DE UM TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBOS PARA MONITORAMENTO DO DESEMPENHO OPERACIONAL DE

UM PROCESSO INDUSTRIAL”

Projeto Final apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Química, oferecido pelo departamento de Engenharia Química e de Petróleo da Escola de Engenharia da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Bacharel em Engenharia Química.

ORIENTADOR

Profo. Dr. Diego Martinez Prata

Ficha Catalográfica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de Computação da UFF

AGRADECIMENTO

Primeiramente, agradeço aos meus pais, Luiz e Rose, por sempre me incentivarem a

superar os desafios e também por todos os sacrifícios que eles fizeram, a fim de proporcionar

melhores oportunidades para o meu futuro.

Agradeço a toda a minha família pelo apoio, principalmente a minha irmã, Daniella, por

me aguentar nos momentos de dificuldade e aos meus tios, Márcia e Gustavo, por oferecerem

um lar durante a faculdade, diminuindo assim as distâncias e facilitando meu desempenho

durante esse período.

Agradeço às meninas da república, em especial a Maria e a Amanda, que sempre me

apoiaram e ajudaram a diminuir o fardo durante a Universidade, proporcionando momentos que

lembrarei para sempre.

Aos meus amigos que fiz no intercâmbio que fizeram parte de uns momentos mais

extraordinários da minha vida. Agradeço a University of Minnesota por toda a hospitalidade e

em especial ao ballroom competition team por ter me acolhido como parte da família e me

proporcionado a experiência sem igual de representar a universidade no campeonato nacional.

Agradeço ao Professor Christopher Macosko, pela imensa experiência e aprendizado

durante o estágio de verão realizado em seu laboratório e também a Saibom Park, por sua

paciência e grande habilidade de ensinar cada processo antes desconhecido por mim.

Agradeço à UFF por me desenvolver no âmbito acadêmico e pessoal durante os anos da

minha graduação e a todos os amigos que me acolheram durante essa caminhada.

Agradeço ao meu namorado Raphael, pois sem ele grande parte desse trabalho não teria

sido realizado, assim como todo o apoio emocional nos momentos em que pensei que não seria

capaz de prosseguir.

Agradeço à Braskem por ter ajudado a me desenvolver como profissional, bem como

por disponibilizar um equipamento para estudo, tema principal abordado nesse projeto.

Por último agradeço ao meu orientador professor Dr. Diego Prata, por ter me ajudado

no desenvolvimento desse projeto.

Alana Raphaella Corrêa Sá

RESUMO

Esse trabalho é voltado para o estudo de trocadores de calor e sua aplicabilidade na

indústria química. Esses equipamentos são utilizados a fim de realizar a troca térmica entre dois

fluidos, sendo um de trabalho e outro responsável pela troca requerida (quente ou frio,

dependendo da ação de interesse). Em posse dos dados da planta de polipropileno localizada

no Rio de Janeiro, realizou-se um estudo entre a folha de dados e simulações computacionais,

a fim de confirmar o projeto original. Esses valores mostraram-se não satisfatórios devido ao

superdimensionamento do equipamento no plano inicial. Dessa forma, criou-se um programa

responsável pela facilitação do acompanhamento do coeficiente de troca térmica, U, do trocador

crítico estudado nessa monografia.

Palavras-Chaves: Trocador de calor, Polipropileno, Simulação e Programação.

ABSTRACT

This work is aimed at the study of heat exchangers and its application in the chemical

industry. These devices are used to perform thermal exchange between two fluids, one is the

interest fluid and the other is responsible for the required exchange (hot or cold, depending on

the action of interest). In possession of the polypropylene industrial records located in Rio de

Janeiro, a study of the data sheet and computer simulations in order to confirm the original

design was carried out. These values proved to be unsatisfactory due to oversizing of the

equipment in the original plan. Thus, a software was developed to facilitate the monitoring of

the heat transfer coefficient, U, in the critical heat exchanger studied in this thesis.

Key words: Heat exchanger, Polypropylene, Simulation e Programming.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 16

1.1 CONTEXTO 16

1.2 OBJETIVO 18

1.3 ESTRUTURA

19

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 21

2.1 TROCADOR DE CALOR 21

2.2 TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO 27

2.2.1 Classificação dos trocadores casco e tubo baseados em sua construção 28

2.2.2 Esquema de tubos 31

2.2.3 Chicanas 33

2.2.4 Passes 34

2.2.5 Mudança de fase 34

2.3 PROJETO DE UM TROCADOR (MÉTODO KERN) 35

2.4 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL 43

2.4.1 Aspen 44

2.4.2 Minitab

45

3. O TROCADOR DE CALOR INDUSTRIAL 47

3.1 APRESENTAÇÃO 47

3.1.1 Especificação do equipamento 50

3.2 ESTUDO DAS CORRENTES 52

3.2.1 Fluido quente 52

3.2.2 Fluido frio 53

3.3 HISTÓRICO DE LIMPEZA 54

3.4 CRITICIDADE DO EQUIPAMENTO 56

3.5 DESAFIO 56

3.6 RESUMO DO PROCESSO 56

4. METODOLOGIA 58

4.1 DADOS DO PROCESSO 58

4.2 SOFTWARES E HARDWARES 60

5. RESULTADOS

62

5.1 CÁLCULOS DO PROCESSO 62

5.1.1 Balanço de energia 62

5.1.2 Cálculo do LMTD 63

5.1.3 Cálculo do U 66

5.2 SIMULAÇÃO - UNISIM 67

5.3 SIMULAÇÃO - ASPEN EXCHANGER DESIGN RATING 70

5.4 COMPARAÇÃO ENTRE AS SIMULAÇÕES 73

5.5 COMPARAÇÃO ENTRE DADOS REAIS E A SIMULAÇÃO 74

5.6 TRATAMENTO ESTATÍSTICO E ACOMPANHAMENTO AUTOMÁTICO

DO U

75

5.7 ACOMPANHAMENTO DO U 77

5.7.1 Proposta de monitoramento 78

6. CONCLUSÕES E SUGESTÕES 82

6.1 CONCLUSÕES 82

6.2 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS 84

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 85

APÊNDICE 91

LISTA DE FIGURAS

CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Figura 2.1 - Funcionamento no interior de uma torre de resfriamento 23

Figura 2.2 - Transferência indireta de calor de um fluido A para um B através de uma

parede

23

Figura 2.3 - Trocador de calor bitubular com escoamento paralelo 24

Figura 2.4 - Trocador de calor do tipo tubo e carcaça 25

Figura 2.5 - Serpentina de passe único 25

Figura 2.6 - Trocador de calor compacto 26

Figura 2.7 - Construção típica de um trocador a placas 26

Figura 2.8 - TEMA design para diferentes tipos de trocadores de calor 28

Figura 2.9 - Trocador de tubo fixo 29

Figura 2.10 - Trocador de calor do tipo U 29

Figura 2.11 - Trocador de calor do tipo TEMA S 30

Figura 2.12 - Trocador de calor do tipo TEMA T 30

Figura 2.13 - Tipo de passo 32

Figura 2.14 - Chicanas segmentadas 33

Figura 2.15 - Disposição dos tubos conforme número de passagens 34

Figura 2.16 - Perfil de condensação de um fluido quente 36

Figura 2.17 - Perfil de escoamento cocorrente 36

Figura 2.18 - Perfil de escoamento contracorrente 37

Figura 2.19 - Fatores de correção LMTD para trocadores 1-2 38

Figura 2.20 - Relação entre Reynolds (Re) e o fator de transferência de calor (Jh) 39

Figura 2.21 - Relação de hi a partir da velocidade de escoamento através dos tubos 42

Figura 2.22 - Fluxograma UNISIM 45

CAPÍTULO 3 – O TROCADOR DE CALOR INDUSTRIAL

Figura 3.1 - Esquemático simplificado do equipamento estudado 48

Figura 3.2 - Folha de dados do E-2402 50

Figura 3.3 - Temperatura de condensação 52

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS

Figura 5.1 - Esquemático de temperatura considerando escoamento cocorrente 63

Figura 5.2 - Esquemático de temperatura considerando escoamento contracorrente 64

Figura 5.3 - Diferença de temperatura entre os fluidos 64

Figura 5.4 - Simulação do trocador industrial no ambiente UNISIM 68

Figura 5.5 - Detalhamento do comportamento do fluido quente 69

Figura 5.6 - Performance global 69

Figura 5.7 - Projeto trocador 71

Figura 5.8 - Layout dos tubos no trocador 72

Figura 5.9 - Folha de dados projeto 73

Figura 5.10 - Acompanhamento do U 77

Figura 5.11 – Lógica SDCD 79

Figura 5.12 - Planilha Excel acompanhamento do U 80

Figura 5.13 - Planilha Excel acompanhamento do U -Alarme 80

Figura 5.14 - Lógica alternativa em VBA para Excel 81

Figura 5.15 - Pop up carga baixa 81

LISTA DE TABELAS

CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Tabela 2.1 - Fragmento dos dados sobre trocadores de calor e condensação

em tubos.

41

CAPÍTULO 3 – O TROCADOR DE CALOR INDUSTRIAL

Tabela 3.1 - Resumo das informações do equipamento E-2402 48

Tabela 3.2 - Descrição das correntes e propriedades do fluido quente 53

Tabela 3.3 - Descrição das correntes e propriedades do fluido frio 54

CAPÍTULO 4 – METODOLOGIA

Tabela 4.1 - Resumo das informações do equipamento E-2402 58

Tabela 4.2 - Descrição software simulação 59

Tabela 4.3 - Descrição software tratamento de dados estatísticos 60

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS

Tabela 5.1 - Resultados projeto x Folha de dados 67

Tabela 5.2 - Resultados Simulação 1 x Folha de dados 67

Tabela 5.3 - Resultados Simulação 2 x Folha de dados 70

Tabela 5.4 - Desvio resultados Simulação 2 x Folha de dados 70

Tabela 5.5 - Desvio entre as simulações 74

Tabela 5.6 - Resultados Simulação 2 x Dados reais 74

Tabela 5.7 - Desvio dados reais vs. Dados calculados pela correlação MINITAB 76

LISTA DE ABREVIATURAS

ABIPLAST Associação Brasileira da Indústria do Plástico

ASME American Society of Mechanical Engineers

GR&R Gauge Repeatability and Reproducibility

ONU Organização das Nações Unidas

SDCD Sistema digital de controle distribuído

SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial

SPC Statistical Process Control

STHE Shell-and-tube heat exchangers

TEMA Tubular Exchanger Manufacturers Association

UFF Universidade Federal Fluminense

VBA Visual Basic for Applications

LISTA DE SÍMBOLOS

ΔH Variação de entalpia do fluido

Δt Diferença de temperatura (Saída – entrada)

∅E Correção da viscosidade

μ Viscosidade do fluido

ρ Massa específica

A Área

ɑs Área de escoamento no casco

ɑt Área de escoamento nos tubos

ɑ’t Área por ft lienar

B Espaçamento das chicanas

c Calor específico do fluido na temperatura média de operação.

C’ Passo – diâmetro dos tubos

D Diâmetro dos tubos

d0 Diâmetro externo

De Diâmetro equivalente

DI Diâmetro interno do casco

FC Controlador de vazão

Ft Fator de correção para LMTD

FW Vazão do fluido frio

Gs Fluxo mássico do fluido no casco

Gt Fluxo mássico do fluido nos tubos

he Coeficiente de calor para o fluido externo

hi Coeficiente de calor para o fluido interior

hi0 Valor de hi referente ao diâmetro externo do tubo

CONTINUAÇÃO DA LISTA DE SÍMBOLOS

Jh Fator de transferência de calor

K Condutividade térmica

LC Controlador de nível

LMTD Média logarítmica da diferença de temperatura

LMTDp Média logarítmica da diferença de temperatura ponderada

n Número de passes no fluido dos tubos

Nt Número de tubos

PC Controlador de pressão

PI Indicador de pressão

PI Plant Information System

Pt Passo

Q Calor total

Q1 Calor latente

Qs Calor sensível

Re Número de Reynolds

Tcond Temperatura de condensação

te Temperatura de entrada do fluido frio

Te Temperatura de entrada do fluido quente

TI Indicador de Temperatura

ts Temperatura de saída do fluido frio

Ts Temperatura de saída do fluido quente

U Coeficiente de troca térmica

Uc Coeficiente global de polimento

Ud Coeficiente de projeto

CONTINUAÇÃO DA LISTA DE SÍMBOLOS

v Velocidade

W Vazão do fluido quente

16

CAPÍTULO 1

1 INTRODUÇÃO

1.1 CONTEXTO

O aumento da população mundial tem se mostrado significativo nos últimos anos. A

previsão da ONU é de que a população mundial atinja 8,5 mil milhões até 2030, o que

acarretaria em um aumento de demanda energética e do consumo de produtos fornecidos pelas

indústrias (UNRIC, 2015). Como consequência desse aumento, as indústrias mostram-se cada

vez mais preocupadas em manter sua produtividade elevada através de melhorias contínuas e

gestão estratégica de custos. Assim, no cenário atual, deve-se estudar cada etapa do processo

detalhadamente a fim de mantê-lo otimizado (DEWAN et al., 2004).

Na área industrial, o setor de engenharia dos plásticos é um dos que mais cresce

segundo a Associação Brasileira de Plástico (ABIPLAST, 2014). Por esse motivo, o processo

o qual este trabalho faz referência é o de produção de polipropileno.

O polipropileno é obtido através da polimerização do gás propileno utilizando

catalisadores do tipo Ziegler-Natta, onde o monômero é obtido através do craqueamento

catalítico do petróleo, na indústria de primeira geração. Seus respectivos tipos são

homopolímero, copolímero alternado e copolímero randômico (MONTENEGRO et al., 1996).

Na produção de polipropileno, o produto final são os pellets, ou seja, trata-se de uma indústria

de segunda geração, que engloba a produção de resinas ou intermediários. Os seus clientes são

as indústrias de terceira geração, onde podem ser utilizados na fabricação de embalagens,

fraldas, sacarias e peças automotivas (SATO e OGAWA, 2009).

17

Dessa forma, ao se analisar um processo produtivo, os processos de troca térmica

ganham relevância. O processo de transmissão de calor estuda a energia em trânsito devido à

diferença de temperaturas (BELL, 2003). Adicionalmente, segundo a primeira lei da

termodinâmica, o calor manifesta-se como uma forma de energia que possibilita a conversão

entre trabalho e calor (MANJUNATH e KAUSHIK, 2014).

Um dos equipamentos mais comuns para realizar essa transferência de energia sob a

forma de calor, é o trocador de calor, onde há a presença de dois fluidos a diferentes

temperaturas apresentando um contato direto ou não (BELL, 2003). Os trocadores de calor

podem ser aplicados em diferentes operações, sendo elas, aquecimento, resfriamento,

condensação, evaporação, entre outras. Essas incontáveis aplicações levam uma necessidade de

classificação dos trocadores (BOLMSTEDT, 2002).

No presente trabalho, dentre essas operações supracitadas como possíveis em um

trocador de calor, encontram-se presentes o resfriamento do fluido de trabalho, sua consequente

condensação e seu subresfriamento dentro do trocador. O trocador de calor escolhido é um

trocador de calor casco e tubo, amplamente utilizado na indústria petroquímica. Esses são mais

versáteis, devido à fabricação, custos e desempenho térmico (ASADI et al., 2014).

As variáveis do processo em um dimensionamento de trocador de calor a serem

consideradas são: temperaturas de operação, pressão de operação, velocidade de escoamento,

perda de carga admissível, fator de sujeira e localização dos fluidos (YANG et al., 2014). Esse

último, para um trocador casco e tubo, é uma das decisões mais importantes a ser tomada no

início do projeto, ou seja, deve-se definir qual dos fluidos deve circular pelo lado interno (tubos)

e qual pelo lado externo (casco). Uma localização mal feita, implica num projeto não otimizado

e em uma possível operação com problemas frequentes (BELL, 2003).

Além disso, deve-se considerar os aspectos básicos, dentre eles se destacam a limpeza

do equipamento, a manutenção, problemas decorrentes de vazamento e a eficiência de troca

térmica. Por essa razão, a água é muito utilizada como fluido de resfriamento (apresenta

coeficiente de troca térmica muito elevado). Quanto a escolha da localização dos fluidos, leva-

se em consideração a tendência de incrustação, corrosividade, velocidade de escoamento e grau

de periculosidade (BOLMSTEDT, 2002).

As demais variáveis são fatores essenciais e calculadas durante um projeto de trocador

(velocidade de escoamento, perda de carga admissível...). Um dos métodos mais utilizados para

dimensionamento de um trocador casco e tubo, é o método de Bell-Delaware. Este, consiste no

18

cálculo de fatores que descrevem a transferência de calor e a perda de carga em um feixe de

tubos modificados (SERTH e LESTINA, 2014). Outro método muito utilizado é o método

Kern, onde é realizado o cálculo do coeficiente global combinando a área de troca térmica e a

taxa de calor trocado, baseando-se na diferença logarítmica da temperatura (KERN, 1980).

Além do projeto, uma ferramenta importante para um resultado mais rápido e eficiente

é a simulação computacional. Sua utilização pode ocorrer de diferentes formas de acordo com

a demanda específica: otimização, no projeto de equipamentos, além de validação de variáveis

de fluidos através de diferentes pacotes termodinâmicos (YANG et al., 2014). Os softwares

mais utilizados para desenho e simulação de plantas industriais (químicas e petroquímicas) são

o Aspen/HYSYS e o UNISIM®.

Por último, após o dimensionamento e simulação, deve-se comparar o que se espera,

com o cenário real. Tal comparação é importante, a fim de identificar possíveis erros de projeto,

otimizações e comportamento das variáveis durante a operação deste equipamento (ASADI et

al., 2014).

Nesse contexto, a motivação desse trabalho consiste na indicação do comportamento

de um trocador de calor em uma indústria petroquímica, bem como uma análise de seu

desempenho real comparado com os valores de referência apresentados pela folha de dados do

equipamento, pelos dados calculados em seu projeto e pelos resultados indicados no software

UNISIM e Aspen Plus1.

1.2 OBJETIVO

Este trabalho visa o dimensionamento de um trocador de calor casco e tubo para que

a corrente polimérica de uma unidade de produção de polipropileno seja resfriada de 110°C a

50,7°C. Os dados de processo referem-se a um trocador existente numa planta industrial

localizada no Rio de Janeiro, propriedade da empresa Braskem2.

1 O software Unisim é licenciado para a Universidade Federal Fluminense, enquanto que o software

Aspen Plus utilizado é licenciado para a utilização pela empresa Braskem.

2 A autorização para a utilização dos dados reais de produção de modo normalizado, está anexada ao

final do presente trabalho

19

Os resultados obtidos foram comparados com a avaliação térmica do trocador em

operação na planta. Essa avaliação foi realizada a partir da folha de dados do equipamento,

contida no capítulo 3.

Além disso, avaliou-se o trocador de calor via simulação computacional e dados reais

para monitoramento do desempenho operacional de um processo na indústria de polimerização.

Como objetivo específico, desenvolveu-se uma planilha de acompanhamento com as

principais variáveis e métrica de previsão de manutenção deste equipamento com base em

dados de projeto. A planilha será utilizada pelos operadores e engenheiros para auxiliar no

processo de tomada de decisão, ou seja, na retirada do trocador de calor para limpeza.

Finalmente, desenvolveu-se também uma sugestão de lógica para acompanhamento

automático no painel de controle através de pequenas mudanças na planta.

1.3 ESTRUTURA

Além desta introdução, que apresenta a contextualização, cenário atual, motivação e

os objetivos, este trabalho apresentará a seguinte estrutura:

Capítulo 2: é realizada uma revisão bibliográfica sobre trocadores de calor, seus tipos

e definições de projeto. Além de apresentar o processo industrial que esse trocador está inserido,

e discussão dos fluidos inseridos nesse contexto. Por último, esse capítulo explicita a

importância da simulação no projeto do trocador de calor e na avaliação de adequação ou não

do projeto através de software.

Capítulo 3: é apresentado os detalhes do processo, o histórico do equipamento

estudado, sua criticidade, a folha de dados utilizada como recurso principal no

dimensionamento do equipamento e as variáveis calculadas.

Capítulo 4: é apresentada a metodologia empregada no formato de tabelas, o software

utilizado, incluindo os critérios de avaliação de desempenho para a simulação.

Capítulo 5: são apresentados e discutidos os resultados do projeto, simulação,

comparação com os dados reais normalizados apresentados e as lógicas sugeridas.

20

Capítulo 6: são apresentados a conclusão do trabalho, bem como sugestões para

desenvolvimento de trabalhos futuros.

Finalmente são apresentadas as referências bibliográficas consultadas e citadas durante

o trabalho.

Este trabalho foi desenvolvido como projeto final do curso de graduação do

Departamento de Engenharia Química e de Petróleo da Universidade Federal Fluminense –

UFF e está inserido nas linhas gerais de modelagem, simulação, programação, controle e

desenvolvimento de processos.

21

CAPÍTULO 2

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 TROCADOR DE CALOR

Trocador de calor é o dispositivo utilizado quando se deseja realizar troca térmica entre

dois fluidos em diferentes temperaturas e em diferentes fases, gasosa ou líquida (KREITH et

al., 2011). Este equipamento pode ser utilizado na recuperação de calor, na produção de energia,

nos processos químicos, entre outros.

Os trocadores de calor mais comuns são aqueles em que os fluidos se encontram

separados por meio de uma parede, por onde o calor é transferido, sendo tais equipamentos

denominados recuperadores. Existe uma grande variedade na forma a qual estes equipamentos

são construídos, variando do simples, tubo no interior de outro, até os condensadores e

evaporadores de superfície complexa. Nessa gama, está presente o conjunto de trocadores de

calor do tipo tubulares, que são largamente utilizados devido à possibilidade de serem

construídos com grandes superfícies de transferência de calor, porém em um volume

relativamente pequeno. Além disso, há a possibilidade da fabricação com ligas metálicas

resistentes à corrosão e que podem ser melhor adaptadas para o aquecimento, resfriamento,

evaporação e condensação de diferentes fluidos (LIENHARD IV e LIENHARD V, 2008).

O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em três partes principais:

22

i. Análise Térmica – Essa etapa tem como foco principal, a determinação da área

de troca térmica necessária para condições de temperaturas e escoamento de

fluidos pré-definidas;

ii. Projeto Mecânico Preliminar – Precisa-se conhecer características como as

temperaturas, pressões de operação, as propriedades corrosivas de um ou de

ambos os fluidos, a relação de troca de calor, as tensões térmicas, e as

expansões térmicas relativas;

iii. Projeto de Fabricação – É necessário conhecer as características físicas e as

dimensões da unidade. Esta pode ser fabricada a baixo custo (dependendo dos

tipos de materiais), e os procedimentos da fabricação devem ser definidos.

A maioria das indústrias adota linhas padrões para a produção de trocadores de calor.

Isso ocorre devido a uma maior economia, tendo em vista que as características como diâmetro

dos tubos e relações de pressão utilizadas são realizadas através de desenhos e procedimentos

de fabricação padrão. Apesar disso, os trocadores não são necessariamente retirados de uma

prateleira; o tipo de serviço deve ser considerado. Desse modo, a seleção é realizada por um

engenheiro especialista em instalações dos equipamentos de troca térmica em unidades de

energia, onde o mesmo seleciona a unidade que mais se adequa ao processo específico. A

escolha do equipamento requer uma análise térmica, a fim de determinar se a unidade

padronizada (que é mais barata) com tamanho e geometria especificados, pode preencher os

requisitos de aquecimento ou resfriamento de um dado fluido. Adicionalmente, para esse tipo

de análise, deve ser levado em consideração o custo do equipamento, levando em conta sua

vida útil, facilidade de limpeza e seu espaço necessário, respeitando sempre os requisitos do

código de segurança da ASME (CHEREMISINOFF, 2000).

Atualmente, existem vários tipos de configurações de trocadores de calor no mercado,

sendo que cada uma apresenta características diferentes. As configurações mais simples

consideram somente o mecanismo de transferência de calor, o arranjo do escoamento e o tipo

de construção (LIENHARD IV e LIENHARD V, 2008). Considerando o primeiro, mecanismo

de transferência, o trocador de calor pode apresentar contado direto ou indireto. Segundo

Bolmstedt (2002), no caso de contado direto, o intermediário utilizado para a troca térmica é

23

misturado com o produto, este processo é usualmente aplicado para aquecer água, onde uma

corrente de vapor é injetada diretamente no fluido, e na fabricação de alguns tipos de produtos

lácteos, a fim de esterilizar o leite (através da injeção de vapor na corrente ou infusão do produto

no vapor). A Figura 2.1 ilustra um exemplo de um trocador de contato direto, especificamente

em uma torre de resfriamento.

Fonte: Hall (2012)

Figura 2.1: Funcionamento no interior de uma torre de resfriamento.

Já o trocador de calor de contato indireto é o mais comumente utilizado. Seu processo

consiste em um mediador, como demonstrado na Figura 2.2, que realizará a troca térmica, sem

que haja o contato entre as duas correntes (SERTH e LESTINA, 2014).

Fonte: Adaptado de Bolmstedt (2002)

Figura 2.2: Transferência indireta de calor de um fluido A para um B através de uma parede.

24

Adicionalmente, nesse tipo de trocador é levado em consideração vários fatores, como

a velocidade das correntes na parede e no meio da tubulação, a temperatura de parede e no meio

da corrente, a perda de calor da parede, entre outros (BOLMSTEDT, 2002).

A troca da temperatura de entrada é escolhida de acordo com o mediador, e sua

eficiência em transferir o calor (BOLMSTEDT, 2002). Por esse motivo, um fator de extrema

relevância nessa escolha é o coeficiente de troca térmica k, tendo em vista que é através dele

que se mede a eficiência na operação de transferência de calor. Esse fator indica quanto de calor

passa através de 1m² para cada 1ºC de temperatura diferencial, assim, quanto maior for o valor

de k, melhor será a troca térmica. O coeficiente de temperatura depende de:

Viscosidade do liquido;

Forma, espessura e material da divisão;

Presença de contaminante;

Queda de pressão das correntes.

O segundo deles, arranjo do trocador, pode ser classificado de três maneiras:

escoamento paralelo, contracorrente ou de fluxo cruzado. Na Figura 2.3, pode-se observar o

escoamento paralelo, onde os fluidos entram pelo mesmo lado do trocador de calor, e escoam

paralelamente até o ponto de saída.

Fonte: Adaptado de Lienhard IV e Lienhard V (2008)

Figura 2.3: Trocador de calor bitubular com escoamento paralelo.

O modelo em contracorrente é similar ao mostrado na Figura 2.3, porém deve-se

inverter o sentido de um dos fluidos (fluxo). Esse trocador é muito utilizado, pois apresenta

maior eficiência de troca térmica entre os fluidos. Isso ocorre, pois o gradiente de temperatura

entre os fluidos na entrada e na saída do trocador são menores e assim, a troca de calor é mais

homogênea ao longo de todo o trocador (KAKAÇ e LIU, 2002).

25

Já o fluxo cruzado, ocorre quando um dos fluidos apresenta fluxo espiral e o outro

fluxo cruzado. Pode ser utilizado quando um fluido apresenta uma vazão muito maior que o

outro (SERTH e LESTINA, 2014).

Com relação ao tipo de construção, pode-se ter o trocador de calor de tubos duplos

(um tubo dentro do outro, cada um deles transportando um dos fluidos de trabalho, vide Fig.

2.3), o trocador de tubos e carcaça, como indicado na Figura 2.4, além da serpentina na Figura

2.5 e os trocadores compactos, que têm uma grande área de troca de calor, conforme ilustrado

na figura 2.6 (KAKAÇ e LIU, 2002).

Fonte: Adaptado de Kern (1980)

Figura 2.4: Trocador de calor do tipo tubo e carcaça.

Fonte: Adaptado de Arnold e Stewart (1999)

Figura 2.5: Serpentina de passe único

26

Fonte: Adaptado de Gut (2003)

Figura 2.6: Trocador de calor compacto

O trocador de calor compacto, também conhecido como trocador de placas pode ser

utilizado com diferentes tipos de fluidos (mesmo aqueles com alta viscosidade), e apresenta três

classes diferentes: espiral, lamela e circuito impresso (GUT, 2003). Por ter tamanho pequeno e

possibilitar fácil limpeza, este equipamento é muito utilizado na indústria alimentícia,

principalmente para a pasteurização (BELL, 2003).

A Figura 2.7 ilustra a construção típica desse tipo de trocador, que consiste em placas

de metal onduladas e prensadas encaixadas entre um fino frame de aço carbono. Cada canal da

placa é selado com uma gaxeta (podendo apresentar uma combinação dos dois tipos).

Normalmente, um trocador de placa pode apresentar um coeficiente de transferência de calor

de três à cinco vezes maior do que em um trocador de casco e tubo (HASLEGO e POLLEY,

2002).

Fonte: Gut (2003)

Figura 2.7: Construção típica de um trocador a placas

27

2.2 TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO

Os trocadores de calor casco e tubo são equipamentos que consistem em um casco

cilíndrico e tubos em seu interior. Com esta configuração, um dos fluidos de trabalho escoa

pelo casco, enquanto o outro pelos tubos do feixe. A troca térmica é realizada através da parede

dos tubos, ou seja, apresenta uma troca através de um contato indireto (SOUZA, 2013).

Na indústria, os trocadores de calor são amplamente utilizados como refrigerador de

óleo, gerador de vapor em usinas nucleares, e em indústrias químicas. Diferente de vários outros

tipos de trocadores de calor, o casco e tubo pode ser modificado para qualquer tipo de

capacidade e condição de operação (KAKAÇ e LIU, 2002).

Ao projetar-se este tipo de trocador deve-se considerar uma série de fatores

importantes a fim de maximizar sua eficiência e manter sua eficácia, destacando-se dentre eles

os seguintes (EDWARDS, 2008):

Tipo de fluido e localização (casco ou tubo);

Seleção de temperatura nas correntes;

Limites de velocidades e pressões de operação no casco e no tubo;

Coeficiente de incrustação;

Número de passagens;

Comprimento de tubulação;

Material.

Além disso, de acordo com Bolmstedt (2002), deve-se realizar um estudo aprofundado

sobre cada um dos parâmetros de operação. Normalmente na indústria, a configuração

geométrica é recomendada ser analisada no primeiro momento. Na segunda etapa, os valores

teóricos de operação são ajustados de acordo com as especificações anteriormente definidas.

No final são realizados testes para verificar a eficiência do processo e ajustar quaisquer valores

que desviaram do projeto inicial (YANG et al., 2014).

Nesse sentido, a “Standards of the Tubular Exchancher Manufacturers Association”

(TEMA), criou uma designação dos trocadores de calor multitubulares, considerando números

e letras. A designação dos tipos de equipamentos deve ser realizada por letras, que indicam a

natureza do carretel, do casco e da extremidade oposta ao carretel, nesta ordem específica,

conforme ilustra a Figura 2.8 (TOWLER e SINNOTT, 2013).

28

Fonte: Adaptado de Perry (1997)

Figura 2.8: TEMA design para diferentes tipos de trocadores de calor.

2.2.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES CASCO E TUBO BASEADOS EM SUA

CONSTRUÇÃO

Como explicitado na Figura 2.8, existem vários tipos de configuração de trocadores de

calor, sendo que cada um apresenta características diferentes.

O primeiro a ser considerado é o trocador de tubo fixo, vide Figura 2.9, e é constituído

de uma tubulação reta presa no casco. Devido a tubulação ser fixa, o custo de construção do

trocador fica muito barato, podendo ser classificado como o mais barato de todos. Além disso,

os tubos do trocador podem ser limpos de forma mecânica e a vazão no interior do casco é

29

minimizada pois não há juntas flangeadas (MUKHERJEE, 1998). Entretanto, devido ao design

de tubos fixos, o exterior desses não pode ser limpo mecanicamente. Mais ainda, se houver uma

larga diferença de temperatura entre o casco e o tubo, o trocador não será capaz de absorver o

estresse gerado, sendo necessário a incorporação de juntas, que aumentariam o custo

(CHEREMISINOFF, 2000).

Fonte: Adaptado de Mukherjee (1998)

Figura 2.9: Trocador de tubo fixo.

Em segundo têm-se os trocadores de tubo em forma de “U”, que como o nome sugere,

são moldados em um formato que se assemelha a letra U, como mostra a Figura 2.10. Esses

trocadores apresentam somente uma malha de tubos em seu interior, mas mesmo assim, o custo

para modelar o tubo e em alargar o diâmetro do casco fazem ele comparável com o tubo fixo

(MUKHERJEE, 1998). Esse tipo de trocador apresenta uma vantagem de que uma das suas

extremidades está livre, podendo assim ser expandido quando necessário. Porém, por causa do

seu formato a limpeza de seu interior é muito complicada, necessitando de equipamentos

especiais para isso.

Fonte: Adaptado de Mukherjee (1998)

Figura 2.10: Trocador de calor do tipo U.

30

Por último existem os trocadores de flange com tampo flutuante, esses trocadores são

considerados os TEMA mais versáteis, além dos mais em conta. Seu design é composto de uma

malha de tubos fixada no casco, e uma outra malha que fica suspensa no casco. Isso permite

tanto uma expansão livre dos componentes no tubo, quanto a fácil limpeza de ambos os tubos

interiores e exteriores (MUKHERJEE, 1998). Existem vários tipos de flange com tampo

flutuante, porém as duas configurações mais comuns são o TEMA S e o TEMA T, como

ilustrado, respectivamente, pelas Figuras 2.11 e 2.12.

Fonte: Adaptado de Mukherjee (1998)

Figura 2.11: Trocador de calor do tipo TEMA S.

Fonte: Adaptado de Mukherjee (1998)

Figura 2.12: Trocador de calor do tipo TEMA T

O trocador do tipo TEMA S é o mais utilizado nas indústrias de processos químicos.

A cobertura da tampa flutuante é presa na malha flutuante mantendo-a segura através de um

31

anel de suporte. Para desmontar o trocador, é necessário primeiramente remover a cobertura do

casco, depois o anel de apoio, e então remover a cobertura da tampa (CHEREMISINOFF,

2000). Já os trocadores do tipo TEMA T apresentam a vantagem de que os componentes do

tubo podem ser removidos do casco sem ter que retirar o tubo ou a cobertura da tampa flutuante,

assim reduzindo o tempo de manutenção (CHEREMISINOFF, 2000). Esse design é

particularmente favorável para refervedores que apresentam um aquecimento médio sujo,

porém devido ao seu tubo alargado, esta construção apresenta o maior custo entre todos os

trocadores.

Além das configurações explicitadas anteriormente, deve-se levar em consideração

alguns componentes extras que podem ser adicionados ao trocador, modificando assim sua

eficiência no processo de troca térmica. Dentre eles, pode-se destacar o esquema de tubos e as

chicanas.

2.2.2 ESQUEMA DOS TUBOS

Para construir um trocador de calor casco e tubo, é necessário conhecer o número de

tubos que podem encaixar dentro do trocador para um diâmetro específico (TOWLER e

SINNOTT, 2013). O número de tubos no interior do trocador depende de fatores como:

Diâmetro do casco;

Diâmetro externo dos tubos;

Padrão da tubulação;

Tipo de trocador;

Número de passes;

Presença e tipo de chicana.

O padrão dos tubos é um dos fatores mais importantes, pois o trocador é construído

para arranjar o maior número de tubos em seu interior, assim, atingindo a maior área de

transferência de calor. Existem quatro tipos de padrões para a tubulação de um trocador de

calor, triangular (30°), triangular girado (60°), quadrado (90°) e quadrado girado (45°), como

ilustrado na Figura 2.13 (THULUKKANAM, 2013).

32

Fonte: Adaptado de Thulukkanam (2013)

Figura 2.13: Tipo de passo

A escolha do tipo de padrão depende dos seguintes parâmetros:

i. Compactação;

ii. Transferência de calor;

iii. Queda de pressão;

iv. Acessibilidade para limpeza mecânica;

v. Mudança de fase;

Adicionalmente, cada tipo de padrão apresenta uma vantagem em relação aos outros,

assim, é possível determinar o melhor tipo para uma aplicação específica. Como exemplo, os

padrões triangulares conseguem acomodar um maior número de tubos no interior do trocador,

provocam um regime mais turbulento em seu interior (aumentado o coeficiente de troca

térmica), porém devido ao seu formato os padrões triangulares apresentam limpeza mecânica

mais complexa (MUKHERJEE, 1998).

Entretanto, os padrões quadráticos são melhores para serviços mais sujos, mas

produzem menor turbulência. Assim, segundo Thulukkanam (2013), sugere seu uso para as

seguintes aplicações:

i. Se a queda de pressão é constante no lado do casco, o padrão quadrado de 90°é

usado para o regime turbulento, pois este apresente uma transferência de calor

superior com menor queda de pressão.

ii. Para refervedores, o padrão quadrático é preferencial para melhor estabilidade, pois

este permite que haja um escape para o vapor.

33

2.2.3 CHICANAS

As chicanas são normalmente utilizadas no casco como suporte para os tubos, manter

o espaçamento e para direcionar o fluido do casco no interior do trocador (ou entre os tubos)

(LEI et al., 2008). Existem diversos números e tipos de chicanas que promovem diferentes

padrões de correntes para aplicações específicas.

Os tipos de chicanas que são mais utilizadas são em formato de bastão ou chapa. Além

disso, as chicanas podem ser de segmento simples, duplo, ou triplo, conforme indicado na

Figura 2.14 (MUKHERJEE, 1998).

Fonte: Adaptado de Mukherjee (1998)

Figura 2.14: Chicanas segmentadas

O espaçamento das chicanas é o parâmetro mais vital no design do STHE (“shell and

tube heat exchanger”), sendo que o padrão TEMA, especifica que o espaçamento mínimo da

chicana é de 1/5 do diâmetro interno do casco, ou 2 polegadas, qual for o maior

(THULUKKANAM, 2013). Um espaçamento muito próximo resultará em uma penetração

muito baixa pelo fluido no casco e dificuldades para limpeza do equipamento. Porém, um

espaçamento largo, provocará uma predominância da corrente longitudinal (que é menos

eficiente do que uma corrente cruzada) e apresentará um número muito grande de tubos sem

suporte, o que pode provocar a quebra do equipamento devido à vibração do fluido

(THULUKKANAM, 2013). Dessa maneira, de acordo com Towler e Sinnott (2013), o

espaçamento ótimo da chicana em relação ao diâmetro no interior do casco está entre 0,3 e 0,5.

34

2.2.4 PASSES

O fluido no interior do tubo geralmente é obrigado a fluir para trás e para frente, através

de grupos de tubos dispostos em paralelo, em um número específico de passes, que faz com que

o comprimento que fluido circula seja maior (TOWLER e SINNOTT, 2013). O número de

passagens é selecionado de acordo com a velocidade definida no projeto para realizar a troca

térmica (COKER, 2015). Além disso, o número de passes de um trocador pode variar entre 1

até 16, e os tubos são dispostos de acordo com o número de passagens necessárias ao dividir o

número de canais (cabeçote do trocador) pela placa de partição, como indica a Figura 2.15

(COKER, 2015).

Fonte: Adaptado de Towler e Sinnott (2013)

Figura 2.15: Disposição dos tubos conforme número de passagens

2.2.5 MUDANÇA DE FASE

A mudança de fase já foi investigada em diversos estudos que visavam o seu design,

otimização, comportamento transiente e a sua performance na indústria. Tais pesquisas foram

realizadas focando a produtividade, concentração e resolução da mudança de fase específica

dos materiais e substâncias, além de características de novos materiais (AGYENIM et al, 2010).

Na condensação e na vaporização, podem ocorrer variações significativas do

coeficiente de transferência de calor com mudança de fase e, caso a resistência térmica

correspondente seja relevante, a hipótese de coeficiente global constante fica

prejudicada, podendo comprometer a acurácia dos resultados obtidos (SILVA et al.,

2005, p.02)

35

2.3 PROJETO DE UM TROCADOR (MÉTODO KERN)

O método de KERN (KERN, 1980) tem como objetivo o cálculo do coeficiente total

de transmissão de calor. Para obtê-lo, deve-se primeiramente calcular o calor trocado entre as

correntes (fluidos), respeitando as seguintes considerações:

Em todo comprimento da trajetória o coeficiente total de transmissão de calor é

constante;

A influência do calor específico na temperatura é desprezada pois este é constante

em todos os pontos da trajetória;

As perdas de calor são desprezíveis.

As propriedades do fluido fornecidas para um projeto de trocador calor casco e tubo

são: temperatura de entrada do fluido quente (Te), temperatura de condensação do fluido quente

(Tcond), temperatura de saída do fluido quente (Ts), temperatura de entrada do fluido frio (te),

temperatura de saída do fluido frio (ts), vazão mássica do fluido quente (W), vazão mássica do

fluido frio (FW), calor específico do fluido (c), viscosidade (µ) e variação de entalpia (ΔH).

O calor sensível Qs pode ser representada conforme Equação (2.1):

𝑄𝑠 = wcΔt (2.1)

Na Equação (2.1), o parâmetro Δt é definido como a diferença ente as temperaturas

inicial e final.

Quando há uma mudança de fase no fluido quente, condensação ou vaporização, deve

se considerar também o calor latente. Para isso, esse calor pode ser representado conforme a

Equação (2.2).

𝑄𝑙 = wΔH (2.2)

Cabe salientar também que devido a essa mudança de fase, o calor total Q (que é a

soma dos calores sensíveis com o latente) deve ser calculado. Assim, o calor sensível é

determinado até que este atinja a temperatura de condensação ou vaporização, em seguida

calcula-se o calor latente e por último o calor sensível responsável pelo subresfriamento do

condensado, ou superaquecimento do vapor. O perfil de mudança de fase para o primeiro deles

é apresentado pela Figura 2.16.

36

Figura 2.16: Perfil de condensação de um fluido quente

Com os valores do calor total, calcula-se a diferença de temperatura média logarítmica

(LMTD). Essa diferença é somente utilizada quando os valores das temperaturas dos fluidos

em questão são conhecidos, conforme Equação (2.3).

LMTD = ∆Tmax − ∆Tmin

ln∆Tmax

∆Tmin

(2.3)

Na Equação (2.3), ΔTmax e ΔTmin representam as diferenças de temperatura máxima e

mínima, respectivamente. Essas diferenças podem ser alteradas de acordo com o tipo de

escoamento considerado, cocorrente ou contracorrente, ambos demonstrados nas Figuras 2.17

e 2.18, respectivamente.

Figura 2.17: Perfil de escoamento cocorrente

37

Figura 2.18: Perfil de escoamento contracorrente

Além disso, quando ocorre a mudança de fase de um dos fluidos, a LMTD também

deve ser separada da mesma maneira que o calor total (Q). Por esse motivo, a LMTD final

considerada deverá ser a LMTD ponderada, caracterizada pela Equação (2.4).

LMTDp = Q

∑Qi

LMTDini

(2.4)

Na Equação (2.4) o subscrito “i” representa o índice característico de cada etapa

representada no processo, ou seja, resfriamento, condensação e subresfriamento.

O valor da LMTD ponderada refere-se ao valor final de LMTD. Porém, deve-se

considerar a correção do valor encontrado pela Equação (2.4), por meio dos valores de S e R

obtidos através das Equações (2.5) e (2.6), respectivamente.

S = ts − teTs − te

(2.5)

R = T𝑒 − T𝑠

ts − te (2.6)

Em posse dos valores de R e S, deve-se utilizar a Figura 2.19, para fazer a correção da

LMTD. Além disso, como apresentado nessa figura, é possível estimar o valor do fator de

correção Ft. Assim, o valor final para a LMTD após a correção é dado pela Equação (2.7).

LMTD = LMTDp . Ft (2.7)

38

Fonte: Kern (1980)

Figura 2.19: Fatores de correção LMTD para trocadores 1-2

Após realizar a estimativa da LMTD, inicia-se a etapa para o cálculo de projeto do

trocador. Esse deve ser dividido em três etapas principais: cálculo do coeficiente de película

externo, he (casco), cálculo do coeficiente de película interno corrigido pelo diâmetro externo

do tubo, hio (tubos) e cálculo do coeficiente global de troca térmica (U). Além disso, pode-se

calcular a perda de carga admissível.

Considerando inicialmente o casco, o primeiro fator a ser calculado é a área de

escoamento, ɑs. Tal área é obtida através da Equação (2.8).

ɑs = DI.(C′. B)

144. Pt (2.8)

Onde:

DI = Diâmetro interno do casco;

B = Espaçamento das chicanas;

Pt = Passo;

C’ = Passo – diâmetro dos tubos.

39

O segundo fator a ser calculado é o fluxo mássico, Gs, conforme Equação (2.9):

𝐺𝑠 = 𝑊

𝑎𝑠 (2.9)

É necessário realizar o cálculo do fluxo mássico, pois com ele pode-se obter o valor

do número de Reynolds (Re), que define o tipo de escoamento do fluido (laminar ou turbulento),

informação de extrema relevância para o projeto. O cálculo do número Re é realizado de acordo

com a Equação (2.10).

Re = DeGs

μ (2.10)

O valor do diâmetro equivalente (De) pode ser obtido de duas maneiras. A primeira

delas utiliza-se a tabela presente na Figura 2.20. Já a segunda, é baseada de acordo com o passo

dos tubos, apresentada de duas maneiras diferentes, já que existem duas possibilidades de passo,

triangular e quadrado, conforme as Equações (2.11) e (2.12), respectivamente.

Fonte: Kern (1980)

Figura 2.20 Relação entre o número de Reynolds (Re) e o fator de transferência de calor (Jh).

40

𝐷𝑒 = 1

3.

[ (0,44. 𝑃𝑡

2 − 𝜋. 𝑑𝑜

2

8 )

0,5. 𝜋. 𝑑𝑜

]

(2.11)

𝐷𝑒 = 1

3.

[ (𝑃𝑡

2 − 𝜋. 𝑑𝑜

2

4 )

𝜋. 𝑑𝑜

]

(2.12)

Na Equação (2.11) e (2.12) do representa o diâmetro externo.

Em posse do número de Reynolds, pode-se obter o valor de Jh, que é o fator de

transferência de calor. A correlação entre eles é obtida graficamente conforme Figura 2.20 e

pode ser utilizada para fluidos como: hidrocarbonetos, compostos orgânicos, água, soluções

aquosas e gases.

Com o valor de Jh definido, e os valores de calor específico (c), condutividade térmica

(k), diâmetro equivalente (De) e viscosidade (µ), o cálculo final do casco, he, pode ser obtido

pela Equação (2.13).

he = jh.k

De. (

c. μ

k)1/3

. ∅e (2.13)

Na Equação (2.13) o fator ∅e, representa uma correção da viscosidade, mas como

medida para facilitar os cálculos, este valor pode ser aproximado para 1.

Considerando os tubos, deve-se calcular a área de escoamento. Para isso, utiliza-se a

Equação (2.14). Nessa equação, o parâmetro ɑ’t é utilizado. Esse valor pode ser obtido na quinta

coluna da Tabela 2.1 e corresponde a área de escoamento por tubo em polegadas ao quadrado.

𝑎𝑡 = 𝑁𝑡. 𝑎′𝑡/144𝑛 (2.14)

O valor de Nt faz referência ao número de tubos;

O valor de n refere-se ao número de passes do fluido nos tubos.

41

Tabela 2.1: Fragmento dos dados sobre trocadores de calor e condensação em tubos.

Fonte: Kern (1980)

Da mesma forma que no casco, a área de escoamento é utilizada a fim de se obter o

fluxo mássico, portanto segue a mesma equação que o caso anterior, Equação (2.9),

substituindo-se apenas o ɑs por ɑt.

Obtendo-se o valor de fluxo mássico e de massa específica do fluido (ρ), pode-se

calcular a velocidade do fluido no interior dos tubos, v, conforme a Equação (2.15).

v = Gt

3600. ρ (2.15)

Além da velocidade, o fluxo mássico é utilizado no cálculo do número de Reynolds.

Diferentemente do caso anterior o valor a ser utilizado para o diâmetro é o parâmetro D. Esse

valor pode ser obtido através da Tabela 2.1, na coluna DI. Assim, a formulação final para o

número de Reynolds é dada pela Equação (2.16).

Re = D. Gt

μ (2.16)

O cálculo de hi depende do fluido de escoamento. Assumindo-se que o fluido de

escoamento dentro dos tubos é a água, o valor de hi é obtido diretamente pela Figura 2.21.

42

Fonte: Kern (1980)

Figura 2.21: Relação de hi a partir da velocidade de escoamento através dos tubos

Finalmente, o último fator a ser considerado no tubo, é a correção do hi em função do

diâmetro externo, hio, conforme Equação (2.17).

hio = hi.D

De (2.17)

Após a determinação dos fatores nas duas primeiras etapas, os parâmetros calculados

em ambas, he e hio, são utilizados para o cálculo do coeficiente global de polimento (Uc),

Equação (2.18).

Uc = hi0

. he

hi0+ he

(2.18)

O coeficiente global de projeto é calculado pela Equação (2.19), onde:

43

A = área total [Nt x comprimento x área por ft linear externa (Tabela 2.1)]

∆t= LMTD

Q = calor total trocado

𝑈𝐷 = 𝑄

𝐴. ∆𝑡 (2.19)

O método Kern, pode ser calculado quando se trata de um trocador conhecido, ou por

um método iterativo, quando não se têm todos os parâmetros. Dessa maneira, é utilizado o

seguinte método, para a determinação de seus valores:

Dadas as condições de processo: Te, Ts, te, ts, vazões, perdas de carga admissíveis e

fatores de incrustação disponíveis de acordo com os fluidos utilizados. O comprimento do tubo,

o diâmetro externo do tubo e o passo serão especificados pela prática de projetos.

i. Calcular a taxa de transferência de calor por meio de balanço de energia (Eq. 2.1);

ii. Calcular a diferença de temperatura média logarítmica (LMTD) (Eq. 2.3);

iii. Supor um número de passagens nos tubos (n);

iv. Obter a correção da diferença de temperatura para o arranjo considerado, Ft (Figura

2.19), considerando os valores dos parâmetros R e S;

v. Estimar o valor de Ud, o coeficiente global de projeto;

vi. Cálculo da área total, A (Equação 2.19) e o número de tubos;

vii. Selecionar um trocador para o número mais próximo de tubos de acordo com a

contagem de tubos;

viii. Corrigir o valor de Ud para a área correspondente ao número real de tubos que

podem estar contidos no casco.

As iterações devem ocorrer até o valor de Ud corrigido apresentar uma diferença (erro)

aceitável em relação ao estimado. Caso isso não ocorra, deve-se retomar ao passo cinco com o

valor Ud corrigido tomando-o como nova estimativa.

2.4 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

A simulação computacional tem como uma de suas finalidades reproduzir a realidade

física de um determinado sistema em uma plataforma digital, sem a necessidade do gasto de

44

material, e por um valor monetário menor (ESTEVES, 2009). Além disso, através dessa

simulação é possível conhecer melhor a planta industrial ou equipamento, identificando

gargalos de produção ou possíveis melhorias no sistema (ESTEVES, 2009).

2.4.1 ASPEN

Aspen Plus é um software produzido pela Aspen Technology Inc. que é um programa

utilizado na simulação computacional de processos industriais. Na maioria dos processos

químicos e petroquímicos, há o uso de componentes que estão sujeitos ao tratamento químico

ou físico, em diversas etapas na operação, bem como sujeitos às leis da termodinâmica. O

programa é capaz de realizar diferentes tipos de simulações para um componente especifico

para diferentes parâmetros de operações e com alta confiabilidade (SANDLER, 2015).

O programa é relativamente simples de usar, e de acordo com Al-Malah (2016) pode-se

realizar uma simulação seguindo as seguintes etapas:

i. Especificar os componentes do processo.

ii. Especificar os pacotes termodinâmicos que representam os componentes já

escolhidos. Esses modelos já estão inclusos no programa Aspen Plus.

iii. Constrói-se fluxograma do processo.

a. Define-se as unidades de operação no processo.

b. Define-se as correntes de entrada e saída no processo.

c. Seleciona-se os modelos da biblioteca do Aspen Plus para descrever cada unidade

de operação (ou síntese) e os adicionam a simulação.

d. Nomeia-se cada tipo de corrente ou operação que faz parte do processo e conecta-

se os equipamentos as correntes.

iv. Especificar as taxas das correntes (alimentação) dos componentes, levando em

consideração as propriedades termodinâmicas (temperatura, pressão, composição,

entre outros).

v. Especificar as condições de operação para todas as unidades (blocos), até zerar os

graus de liberdade, ou seja, obter um modelo de processo com condições

necessárias e suficientes para sua solução.

45

Depois de construir o modelo de operação padrão, o qual está em operação, pode-se

modificar as propriedades físico-químicas das correntes e compará-las com o modelo atual.

Assim, têm-se melhor controle de quaisquer modificações em etapas, verificando se há

possibilidade de realizar otimização do processo (AL-MALAH, 2016).

A simplicidade e as etapas de elaboração da simulação do Aspen Plus são similares

para o software Aspen Hysys e o UNISIM. Por esse motivo, a Figura 2.22 apresenta o

fluxograma deste como exemplo de resposta de um software de simulação computacional.

Fonte: UNISIM

Figura 2.22: Fluxograma UNISIM

2.4.2 MINITAB

Minitab é um software muito utilizado nas indústrias, pois consegue realizar diversos

tipos de análises estatística, planejamento de experimentos, tratamento de dados, incluindo

análises de regressão. De acordo com Mathews (2004), o programa mesmo não sendo robusto,

apresenta uma interface muito simples e fácil de usar, tornando-se a melhor escolha para várias

empresas. Além disso, o software traz várias vantagens conforme:

i. O programa suporta diversos métodos avançados;

ii. Além das ferramentas básicas para o tratamento de dados e experimentos, o Minitab

tem suporte para a maioria das análises e métodos que o usuário possa precisar. Como

46

SPC (Statistical Process Control), estudos GR&R (Gauge Repeatability and

Reproducibility), confiabilidade de dados, capacidade do processo, entre outros;

iii. O programa apresenta um motor gráfico muito robusto e fácil de trabalhar. A maioria

dos gráficos gerados podem ser configurados e editados pelo usuário pelo próprio

programa, eliminando, assim, o uso de softwares de tratamento de imagens

adicionais;

iv. Há integrado no software ferramentas que possibilitam o cálculo de superfície e de

amostragem;

v. É possível criar subprogramas na forma de “macros”, o que facilita o usuário na hora

de trabalhar com dados diários de uma planta ou operação;

vi. O programa é relativamente livre de bugs e erros (com uma saída de dados precisa);

vii. Possui uma base de dados e informações online muito grande, com guias, e

assistência técnica.

47

CAPÍTULO 3

3 O TROCADOR DE CALOR INDUSTRIAL

3.1 APRESENTAÇÃO

O trocador de calor ao qual esse trabalho faz referência, trata-se de um trocador casco

e tubo real, localizado em uma planta industrial de polipropileno no estado do Rio de Janeiro.

O trocador apresenta o tag de E-2402 e localiza-se na área 24. Esse trocador comporta-se como

um resfriador, ou seja, o fluido de trabalho é o fluido quente, e há um fluido de resfriamento

adequado. O fluido de trabalho é o propileno, enquanto o fluido de resfriamento escolhido é a

água, pois possui grande coeficiente de troca térmica.

Como ponto de partida, aborda-se a definição do trocador, além de suas variáveis de

auxílio utilizadas no projeto. A Figura 3.1, mostra o esquemático do trocador, acompanhado da

instrumentação que auxilia no cálculo e acompanhamento do coeficiente de troca térmica (U)

do E-2402.

Todos os tags utilizados nessa monografia foram modificados dos tags reais, para se

manter o sigilo requerido referente ao processo industrial.

48

Figura 3.1: Esquemático simplificado do equipamento estudado

Para execução do método Kern, os dados mais importantes do projeto são as vazões e

as temperaturas de entrada e saída dos fluidos, pois é com elas, que pode-se obter o calor

trocado, Q e a diferença de temperatura logarítmica, LMTD. A seguir, segue a listagem dessas

variáveis (Tabela 3.1) com os seus respectivos tags representativos nesse trabalho, conforme

apresentado na Figura 3.1.

Tabela 3.1: Resumo das instrumentações do equipamento E-2402

Temperaturas

Entrada do fluido quente – TI2403 + TI24073

Saída do fluido quente – TI2402

Entrada do fluido frio – TI34014

Saída do fluido frio – TI2401

As limitações quanto a coleta dessas temperaturas no cotidiano da planta, são listadas

conforme:

3 O TAG TI2407, na verdade trata-se de uma média entre as temperaturas de dois equipamentos que

antecedem a entrada do E-2402, tendo em vista que o mesmo não possui indicação na linha.

4 Esta temperatura é considerada a mesma da de saída da torre de resfriamento, ou seja, considera-se

que não há variações significativas de temperatura na tubulação até a entrada efetiva do trocador

49

- Não há um medidor de temperatura que englobe a corrente de entrada do fluido

quente como um todo. Portanto esse cálculo é realizado pela média ponderada das temperaturas

correntes indicadas na Tabela 3.1, tags TI2403 e TI2407, e suas respectivas vazões, tags

FC2406 e FC2402, conforme a Figura 3.1.

- A temperatura de saída do fluido frio, tag TI2401, bem como a temperatura da

corrente lateral do fluido quente TI2407, não possuem indicação no software de

acompanhamento da planta, PI (Plant Information System). Por esse motivo, o

acompanhamento do U não pode ser feito de maneira automática e em tempo real, deve-se

então, ir na área coletar os valores representados nesses indicadores de temperatura.

Ao se considerar as vazões, a vazão de propeno é obtida pela soma entre as correntes

de entrada (FC2406 e FC2402).

Já a vazão de água (FW), não possui medidor, sendo portanto calculada através do

balanço de energia. Esse, é realizado igualando-se o calor recebido pelo propeno e utilizando-

se a Equação 2.1 a fim de obter a vazão da água.

Apesar dessa não indicação, as vazões a princípio não se apresentam como um

empecilho para automatização do processo de acompanhamento, considerando que todas as

vazões do propeno são obtidas pelo software PI. Embora não seja interpretada como um

potencial problema, tendo em vista que a temperatura de saída também não é realizada de

maneira automatizada, deve-se estudar qual variável é mais interessante prever de maneira

automática a fim de facilitar o balanço de energia e consequentemente o cálculo do U do

trocador.

Embora o instrumento de nível LC2402 não seja utilizado diretamente no cálculo do

projeto do trocador, esse controlador é de extrema importância para o processo. Isso ocorre pois

quando a eficiência de troca térmica não é atingida, esse controlador, que opera em

configuração “cascata”, é utilizado para variar o nível de fluido no interior do casco, ou seja,

aumentando ou diminuindo o nível de propileno. Com isso, a área de troca térmica também

varia.

Após apresentadas as variáveis de cálculo, outra importante ferramenta neste trabalho

é a folha de dados do equipamento apresentada na Figura 3.2, pois é nela que se encontra o

dimensionamento e dados de projeto relevantes do trocador avaliado.

50

Fonte: Data book E-2402

Figura 3.2: Folha de dados do E-2402

3.1.1 ESPECIFICAÇÃO DO EQUIPAMENTO

Após a explicação a despeito da instrumentação presente no trocador casco e tubo,

deve-se descrever o equipamento de maneira que todo o seu funcionamento seja conhecido.

51

Toda a caracterização foi realizada com o auxílio da folha de dados, Figura 3.2 e o Databook

do equipamento, presente na planta.

O material do E-2402 para ambos os lados, casco e tubo, é o aço acalmado. Esse

material foi escolhido devido a sua homogeneidade de estrutura e de composição química, onde

um agente antioxidante reduz o nível de oxigênio e consequentemente, não ocorre sua reação

durante a sua solidificação (SENAI-SP, 2015)

Além do material de fabricação, é importante ressaltar o tipo TEMA desse trocador e

suas características. O equipamento em questão é do tipo BEU. Considerando a classificação

explicitada na Figura 2.8, a letra B refere-se ao carretel com tampo inteiriço, a letra E ao casco

de um passe, e por último, o U faz referência ao feixe tubular em forma de U. Esse último,

levou-se em consideração a necessidade do grande gradiente de temperatura necessário,

explicado pelo fato de ocorrer mudança de fase no fluido quente.

O fluido quente, propeno, entra como gás nesse trocador de calor e na saída encontra-

se como líquido na pressão de operação, ou seja, esse equipamento opera como um

condensador. Sua principal função é recuperar o propeno gás não convertido na reação, que é

utilizado como fluido de arraste para o pó formado no reator, e retornar ao ambiente reacional.

Por esse motivo, denomina-se condensador de reciclo. Sem esse equipamento, o gás propeno,

principal matéria-prima da planta, seria descartado, obtendo uma menor eficiência tanto

energética quanto econômica. Além disso, já na forma gasosa esse propileno seria

provavelmente enviado para queima na tocha, aumentando a emissão de CO2.

Outro componente presente nesse trocador é a chicana. O passo utilizado é o triangular

visando acomodar um maior número de tubos no interior do trocador e consequentemente, uma

maior troca térmica. As chicanas são segmentadas e apresentam configuração vertical. O

espaçamento entre as chicanas é de 15,5 polegadas (39,37 cm). A última informação relevante

referente a esse componente é a porcentagem de corte, sendo esta de 28%. Esse valor é obtido

através da razão entre a altura do segmento da janela e o diâmetro interno do casco.

As principais informações para se definir o E-2402 em termos estruturais são as já

consideradas nessa seção. As demais informações relevantes citadas na Figura 3.2 e referentes

a operação e propriedades dos fluidos, serão explicitadas nas próximas seções e/ou capítulos.

52

3.2 ESTUDO DAS CORRENTES

3.2.1 FLUIDO QUENTE

Na pressão e temperatura de operação, o fluido quente propileno, encontra-se como

um gás e durante o processo de troca térmica, sofre condensação, para ao final, ocorrer um

subresfriamento do fluido.

A temperatura de condensação não é fornecida pela folha de dados, Figura 3.2. Por

esse motivo, a determinação dessa variável foi realizada no software UNISIM com base na

curva de uma corrente de propileno para as variações de entalpia e temperatura, conforme

indicado na Figura 3.3.

Fonte: UNISIM

Figura 3.3: Temperatura de condensação

Como pode ser observado na Figura 3.3, o software UNISIM indicou graficamente

como temperatura de condensação, aproximadamente 59°C, temperatura bem próxima do valor

considerado de 58,7°C. Esse último foi encontrado baseado na variação de temperatura, ou seja,

considerou-se a variação de temperatura na pressão fixa de operação até que a mesma indicasse

como fração de vapor um valor diferente de 1. Isso indicaria que a temperatura em questão é a

temperatura de condensação do propileno naquela determinada pressão, tendo em vista que o

53

gás agora se apresentaria parcialmente como líquido. Cabe salientar que esse valor sofreu

aproximação em termos de diminuição de casas decimais apresentadas. A composição do

propeno considerada foi de 100% e o pacote termodinâmico utilizado foi o Peng-Robinson.

A Tabela 3.2 considera as principais propriedades do polipropileno nas condições de

trabalho do trocador E-2402.

Tabela 3.2: Descrição das correntes e propriedades do fluido quente

Casco: Propeno – Fluido quente

Te, temperatura de entrada

Ts, temperatura de saída

Tcond, temp. de condensação

ΔH, calor latente

W, vazão mássica do fluido

W1, vazão mássica de propeno que entra no casco

W2, vazão mássica de condensáveis que sai do casco

W3, vazão mássica de vapor incondensável que sai do casco

kv, condutividade térmica do fluido – vapor

kl, condutividade térmica do fluido – líquido

cv, calor específico do fluido – vapor

cl, calor específico do fluido – líquido

110,0

50,9

58,7

61,4

24610

24610

24610

0

24,8.10-3

79,1.10-3

50,7.10-2

81,4.10-2

°C

°C

°C

kcal/kg

kg/h

kg/h

kg/h

kg/h

kcal/h·m·°C

kcal/h·m·°C

kcal/kg·°C

kcal/kg·°C

3.2.2 FLUIDO FRIO

O fluido frio é a água. Diferentemente do fluido quente, esse não sofre mudança de

fase. A Tabela 3.3 demonstra as características do fluido e suas condições de operação.

54

Tabela 3.3: Descrição das correntes e propriedades do fluido frio

Tubo: Água – Fluido frio

te, temperatura de entrada 34,0 °C

ts, temperatura de saída 41,0 °C

FW, vazão mássica de água que entra nos tubos 329503 kg/h

kc, condutividade térmica do fluido frio

cc, calor específico do fluido

0,7

1,0

kcal/h·m·°C

kcal/kg·°C

3.3 HISTÓRICO DE LIMPEZA

Nesta seção, é exposta o histórico de limpeza do equipamento e também as condições

do mesmo após sua abertura. Em ordem cronológica:

27/12/2004

- Condições Físicas: Por ocasião de parada de operação da planta foi realizada

inspeção visual interna e verificou-se alvéolos próximos a sede de vedação do

espelho lado cabeçote, embora com a ocorrência o resultado é satisfatório, demais

partes não apresentam não conformidade.

- Conclusão: Equipamento liberado para mais uma campanha.

15/05/2006

- Condições Físicas: Exame visual interno constatou grande acúmulo de resíduos de

água de resfriamento nos tubos e espelhos do feixe tubular. Após hidrojatemaneto foi

observada perda de espessura por corrosão preferencial nas soldas de selagem dos

tubos com espelho, no feixe tubular. Sete tubos da periferia do feixe apresentaram

deformação proveniente da remoção inadequada do feixe tubular, ocorrida na

intervenção anterior. O casco e demais regiões apresentam bom estado físico.

- Conclusão: Equipamento apresenta estado físico satisfatório para operação.

11/04/2008

55

- Condições Físicas: Feixe: Após remoção do tampo foi detectado no espelho e tubos

do feixe, um acúmulo de resíduos e detritos trazidos pela água de refrigeração. Após

remoção do feixe foi realizado uma limpeza. Durante a inspeção no espelho e tubos

foi verificado na solda de selagem dos tubos pequena corrosão preferencial da solda

com espelho e alvéolos esparços na região do espelho, sem comprometer a operação

do feixe. Casco: Após a remoção do feixe, foi encontrado uma pequena camada de

pó de produto na parede do equipamento, com maior acúmulo de produto na região

na região do fundo geratriz inferior. Foi realizada limpeza e após inspeção o

equipamento foi liberado.

- Conclusão: O equipamento apresenta boas condições físicas e operacionais.

17/02/2013

- Condições Físicas: Espelho e Feixe. Espelho foi detectado algumas partes com

perdas de belzona, feita a recomendação para a sua reposição. O feixe foi todo

hidrojateado, internamente e externamente para retirada de qualquer anormalidade.

- Conclusão: de acordo com inspeções o equipamento encontra-se aprovado com nota

de recomendação para parada de 2014. Reparo de belzona.

A belzona citada durante o histórico de limpeza, trata-se de um produto que segundo

a Hita Comércio e Serviços Ltda (2016), reconstrói e protege espelhos de tubos

erodidos/corroídos, reconstrói barras divisórias e faces de vedação, protege caixas de água e

tampas de fechamento contra corrosão, repara revestimentos existentes, repara e veda carcaças

perfuradas, veda tubos com vazamento e vazamentos em juntas flangeadas. Portanto, sua perda

significaria que suas funções protetoras estariam prejudicadas.

A última limpeza no E-2402, ocorreu em 2013. Por esse motivo, há dificuldade na

detecção de um padrão de limpeza, pois o acompanhamento do U do equipamento só passou a

ser realizado a partir de dezembro de 2015, e como fator agravante, o processo não é

automatizado devido à falta de conexão entre toda a instrumentação necessária e o software de

acompanhamento da planta.

56

3.4 CRITICIDADE DO EQUIPAMENTO

O trocador de calor em questão é definido como crítico no processo produtivo. Tal

equipamento é caracterizado dessa maneira, pois é de vital importância para a manutenção e

funcionamento da planta. Na seção 3.1.1 foi explicitado que esse trocador aumenta a eficiência

do processo. Isso ocorre devido ao reciclo do fluido quente para a reação. Mais relevante ainda

é que na sua ausência ou na sua retirada de operação, a planta não possui autonomia para

permanecer operando, ocorrência que maximiza sua criticidade.

Cabe também salientar que ao se observar o fluxograma de processo, não há a

possibilidade de By-pass do equipamento.

3.5 DESAFIO

O principal desafio a ser resolvido nesse trabalho é a elaboração do acompanhamento

do U do trocador E-2402 de maneira automatizada e verificar as diferenças de um projeto

realizado no software, no PI e utilizando o método Kern.

3.6 RESUMO DO PROCESSO

O método utilizado para o projeto é o método Kern. Como o trocador em questão trata-

se de um trocador já existente, em outras palavras, todas as condições de temperatura, vazão e

outras necessárias para o projeto já eram conhecidas, o primeiro método foi escolhido como

mais pertinente para esse trabalho, método não-iterativo. Esse cálculo foi utilizado de maneira

adaptada como uma forma de confirmação dos dados fornecidos pela folha de dados, Figura

3.2.

A segunda parte do projeto foi realizada utilizando dois programas licenciados pela

Aspen Tech. O primeiro deles é o UNISIM. Com esse software, foi realizado a análise do

trocador casco e tubo, bem como o gráfico que auxiliou na determinação a temperatura de

57

condensação do fluido nas condições de operação indicadas no projeto. Já o segundo foi o

Aspen exchanger design and rating, de maneira similar ao primeiro, foi realizado o

dimensionamento do trocador de calor nas condições explicitadas na figura 3.2. Como esse

último é um programa especializado em design de trocadores de calor, os resultados oferecidos

foram mais detalhados, onde foi possível obter uma folha de dados padrão similar a já existente.

Esse fato, facilita a comparação entre os resultados adquiridos.

Finalmente, em posse de todos os resultados anteriores, os dados da planta industrial

normalizados foram demonstrados a fim de se comparar esse último com o esperado pelo

projeto do trocador de diferentes maneiras. Além disso, pôde-se escolher o melhor método, ou

seja, o que mais se aproximou da realidade e identificar as vantagens e desvantagens de cada

um deles.

Por último, foi realizado o estudo de automatização do processo de obtenção do U. De

maneira que não seja mais necessário a ida na área para obter informações de temperatura. Para

isso, contou-se com o auxílio do programa Minitab, a fim de obter uma boa correlação entre as

variáveis e também uma adequação das informações ainda não fornecidas no PI.

Toda o procedimento resumido nesse capítulo, juntamente com seus resultados serão

informados e descritos no Capítulo 5 referente aos resultados.

58

CAPÍTULO 4

4 METODOLOGIA

Esse capítulo consiste no resumo da metodologia aplicada para o desenvolvimento

desse trabalho. Todas as informações serão apresentadas em forma de tabela a fim de facilitar

o entendimento.

4.1 DADOS DO PROCESSO

A Tabela 4.1 caracteriza o trocador de calor estudado nesse trabalho, ou seja, suas

dimensões e características relevantes são destacadas.

Tabela 4.1: Resumo das informações do equipamento E-2402

Casco Tubo

Diâmetro interno (DI) = 25 in Número de tubos = 228

B (espaço da chicana) = 15,5 in Comprimento = 236,2 in

Passagens = 1 Diâmetro externo (DE) = 7,5.10-1 in

Comprimento = 236,2 in Passo= 93,7.10-2 in DI = 5,8.10-1 in

Passagens = 2

59

Com o auxílio das informações apresentadas nas Tabelas 4.1 e o método explicitado

no Capitulo 2, o projeto do trocador de calor pode ser realizado.

Prosseguindo, as simulações do equipamento nos softwares têm seu resumo

apresentado na Tabela 4.2. Além disso, também são demonstradas as comparações realizadas

nesse trabalho, juntamente com o valor da métrica considerada como aceitável.

Tabela 4.2: Descrição software simulação

Descrição

Equipamento: Trocador de calor apresentado no capítulo 3 (E-2402)

Software para Simulação: UNISIM e Aspen Exchanger design rating

Operação em estado estacionário: Sim

Alimentação: Propeno puro (casco), Água de resfriamento (tubos)

Simulação 1: Projeto trocador E-2402 utilizando o UNISIM

Simulação 2: Projeto utilizando o Aspen exchanger design rating

Pacote termodinâmico: Peng-Robinson

Dados experimentais reais (industriais): Sim

Comparação 1: Folha de dados x Projeto método Kern

Comparação 2: Folha de dados x simulação 1

Comparação 3: Folha de dados x simulação 2

Comparação 4: simulação 1 x simulação 2

Comparação 5: Dados reais5 x simulação6

Métrica: 10%

Por último, deve ser considerado um resumo do software utilizado para o tratamento

dos dados reais e facilitação do cálculo do U em oportunidades futuras, conforme Tabela 4.3.

5 Os valores considerados como dados reais são obtidos a partir da média de n pontos na planilha de

acompanhamento do U, tratando-se apenas como um valor de referência a fim de realizar a comparação 5.

6 A comparação com os dados reais será realizada considerando somente a simulação que mais se

aproximar do valor de projeto explicitado na folha de dados.

60

Para realização do tratamento de dados, foi analisada a variável mais pertinente para tal

avaliação.

Tabela 4.3: Descrição do software para tratamento de dados estatísticos

Descrição

Equipamento: Trocador de calor (E-2402)

Software: Minitab

Operação em estado estacionário: Sim

Alimentação: Propeno puro (casco), Água de resfriamento (tubos)

Simulação 1: Viabilidade do cálculo da variável temperatura de saída da água

Dados experimentais reais (industriais): Sim

Comparação: Dados industriais x simulação

A comparação apontada na Tabela 4.3 será realizada de maneira que a relação

escolhida apresente o menor erro possível em relação aos dados reais selecionados. Os

resultados obtidos, assim como a lógica sugerida para o cálculo automático do U do trocador,

serão apresentados no Capítulo 5.

4.2 SOFTWARES E HARDWARES

Neste presente trabalho foram utilizados os softwares: UNISIM®, da Honeywell, Aspen

Exchanger design rating, da Aspen Tech Inc., Minitab e Excel® e Word®, da Microsoft. Os

dois primeiros foram empregados na realização da simulação do trocador de reciclo de

polipropileno. O terceiro foi empregado para a elaboração da correlação que prevê a

temperatura de saída do fluido frio. O quarto foi utilizado para a realização da planilha de

acompanhamento alternativa, além de ter sido utilizado para a geração dos diversos tipos de

gráficos e tabelas. O último foi empregado na edição do texto. O sistema operacional (também

software) Windows® 8.1, da Microsoft foi utilizado para o gerenciamento dos demais

softwares.

61

A configuração de Hardware apresenta um processador Intel® Core™ i7 a 2,0 GHz,

disco rígido de 1 TB e 5400 rpm (convencional), além de uma memória de 8 GB DDR 3 de

1333 MHz.

Desta forma são apresentadas as partes integrantes da metodologia de estudo utilizada

neste trabalho. Os resultados e discussões são tratados no próximo capítulo.

62

CAPÍTULO 5

5 RESULTADOS

Neste capítulo são apresentados os resultados a partir dos dados de projeto e das

simulações baseadas nas informações obtidas pela Figura 3.2 e tabelas presentes no capítulo 4.

Além disso, são expostos os resultados do software Minitab que prevê os valores das variáveis

que não estão presentes no software PI para acompanhamento automático do U do trocador.

5.1 CÁLCULOS DO PROCESSO

Os fluidos de trabalho do serviço são a água e o propileno. A função do trocador no

serviço é resfriar o resíduo à temperatura de 50,7°C.

5.1.1 BALANÇO DE ENERGIA

Cálculo do calor recebido pela água no tubo utilizando a Equação (2.1):

Q = 329503 x 1 x (41 − 34) = 2306521 kcal/h

Cálculo do calor perdido pelo gás:

63

Como ocorre mudança de fase no fluido durante o processo, o calor perdido foi

dividido em dois subitens indicados a seguir:

Calor sensível (Equação 2.1)

Cálculo do calor perdido pelo resfriamento do quente:

Q1 = 24610 x 0,507 x (58,7 − 110) = −640084 kcal/h

Cálculo do calor perdido pelo subresfriamento do condensado:

Q2 = 24610 x 0,814 x (50,9 − 58,7) = −156254 kcal/h

Calor latente (Equação 2.2)

Este cálculo visa avaliar o calor latente que é perdido pelo gás que está no casco do

trocador.

Q3 = 24610 x (−61,4) = −1511054 kcal/h

Como não há saída de gás do trocador, o cálculo de Q2 em relação à Q3 retoma o valor

zero, portanto o calor total perdido resume-se à:

Q = Q1 + Q2 + Q3 = −2307392 kcal/h

5.1.2 CÁLCULO DO LMTD

O fluido pode ser avaliado de duas maneiras, sendo eles um escoamento cocorrente e

um escoamento contracorrente, conforme indicado nas Figuras 5.1 e 5.2, respectivamente.

Figura 5.1: Esquemático de temperatura considerando escoamento cocorrente

64

Figura 5.2: Esquemático de temperatura considerando escoamento contracorrente

A Figura 5.3 apresenta a síntese das diferenças entre as temperaturas dos fluidos

considerando o escoamento contracorrente ilustrado na Figura 5.2.

Figura 5.3: Diferença de temperatura entre os fluidos

Assim, as temperaturas t1, tint e ts podem ser calculadas pela Equação (2.1) isolando-se

a temperatura de saída.

t1 =(FW∙ Te−Q3)

FW=

329503 ∙34+156254

329503 = 34,47°C

tint =(FW∙T1−Q2)

FW=

329503 ∙ 34,47+1511054

329503= 39,06°C

ts =(FW∙ tint−Q1)

FW=

329503 ∙ 39,06+640084

329503= 41,00°C

Este último, confirmando o valor apresentado na folha de dados, Figura 3.2.

Como há condensação do fluido no casco, o valor da LMTD, assim como o do calor

total, deve ser dividido em três etapas considerando a fórmula da LMTD, Equação (2.3).

Para o LMTD1, os valores considerados para o cálculo são:

∆Tmax = Te − ts

∆Tmax = 110 − 41 = 69°C

∆Tmin = Tcond − tint

Propileno

110 58,7 58,7 58,7 58,7 50,9

Água

41,00 tint=39,06 tint=39,06 t1=34,47 t1=34,47 34,0

ΔT: 69,0 19,6 19,6 24,2 24,2 16,9

Q1 Q2 Q3

65

∆Tmin = 58,7 − 39,06 = 19,64°C

O valor da temperatura de condensação não é fornecido na folha de dados, portanto

foi considerado um valor fixo, respeitando a curva de entalpia por temperatura, Figura 3.3.

LMTD1 = 16,9 − 24,23

ln16,924,23

LMTD1 = 39,28°C

Para o LMTD2, os valores considerados para o cálculo são:

∆Tmax = Tcond − t1

∆Tmax = 58,7 − 34,47 = 24,23°C

∆Tmin = Tcond − tint

∆Tmin = 58,7 − 39,06 = 19,64°C

LMTD2 = 24,23 − 19,64

ln24,2319,64

LMTD2 = 21,85°C

Para o LMTD3, os valores considerados para o cálculo são:

∆Tmax = Tcond − t1

∆Tmax = 58,7 − 34,47 = 24,23°C

∆Tmin = Ts − te

∆Tmin = 50,9 − 34 = 16,9°C

LMTD3 = 24,23 − 16,9

ln24,2316,9

LMTD3 = 20,35°C

O valor do LMTD total do trocador pode portanto, ser calculado pela média ponderada

do LMTD individual (LMTDp) como indicado na Equação (2.4). Substituindo-se os respectivos

valores obtemos:

LMTDp = 2307392

15625439,28 +

151105421,85

+64008420,35

= 24,78°C

66

Após o cálculo do LMTD total, deve-se considerar a correção desse valor. Por este

motivo o S e o R são calculados pelas Equações (2.5) e (2.6), respectivamente.

S = 41 − 34

110 − 34= 0,092

R = 110 − 50,9

41 − 34= 8,44

Com esses resultados de R e S e observando Figura 2.19 para correçao de LMTD

obtem-se o valor de 0,96 para o fator de correção Ft. Portanto, o valor final para a LMTD (Eq.

2.7) é de:

LMTD = 0,96.24,78 = 23,79°C

5.1.3 CÁLCULO DO U

Para o cálculo do valor de U deve-se considerar os dados do processo. Esses podem

ser observados nas tabelas apresentadas nas Tabelas 4.1 e 4.2.

Nesse trabalho, apenas o cálculo do coeficiente de troca térmica global de projeto será

avaliado. Para esse cálculo, a Equação 2.19 deve ser considerada.

Área total, A = 2.Nt.comprimento.a”

O valor de a” pode ser obtido pela sexta coluna da Tabela 2.1, Área por ft linear, ft2

externa. Além disso, como o tubo apresenta a configuração da letra “U”, a área de troca térmica

apresenta duas vezes o comprimento fornecido na folha de dados. Por esse motivo, o fator dois

foi considerado na fórmula de área.

A = 2. 228.6.0,0598 = 163,613 𝑚2

UD = 2307392

163,613.23,79= 592,802

kcal

h ∙ °C ∙ m2

A Tabela 5.1 demonstra os resultados obtidos pelo método Kern, assim como os

desvios associados a cada cálculo realizado, considerando a folha de dados como parâmetro.

67

Tabela 5.1: Resultados projeto x Folha de dados

Resultados – Variáveis Simulação Folha de dados Desvio

U (kcal/h·m2·°C) 592,80 627,80 5,6%

Área (m2) 163,61 166,70 1,9%

Temperatura de saída água (°C) 41,00 41,00 0,0%

LMTD (°C) 23,79 22,04 -7,9%

Os desvios considerados na Tabela 5.1, assim como todos os demais desvios

apresentados nesse trabalho, respeitam a Equação (5.1).

Desvio = (Folha de dados − Projeto

Folha de dados) ∙ 100 (5.1)

5.2 SIMULAÇÃO - UNISIM

A Tabela 5.2 apresenta um resumo dos resultados obtidos pela simulação no software

UNISIM, bem como o resultado compilado da folha de dados.

Tabela 5.2: Resultados Simulação 1 x Folha de dados

Resultados – Variáveis Simulação Folha de dados

U (kcal/h·m2·°C) 1131,18 627,80

Área (m2) 81,87 166,70

Temperatura de saída água (°C) 40,82 41,00

LMTD (°C) 34,99 22,04

Calculando-se o desvio para cada equipamento variável calculada temos:

Desvio U:

U =(627,8 − 1131,18)

627,8. 100 = −80,2%

68

Desvio área (A):

A =(166,7 − 81,87)

166,7. 100 = 50,9%

Desvio Temperatura (ts) de saída do fluido frio (água):

t𝑠 =(41 − 40,82)

41. 100 = 0,4%

Desvio LMTD:

LMTD = (22,04 − 34,99)

22,04. 100 = −58,8%

Considerando uma métrica estipulada de 10% para o desvio máximo admissível, o

modelo foi considerado não satisfatório ao representar o equipamento dimensionado na folha

de dados.

Apesar de não ser considerado satisfatório, são apresentadas as imagens obtidas pela

simulação computacional. A Figura 5.4 ilustra o trocador de calor simulado e seus principais

resultados.

Figura 5.4: Simulação do trocador industrial no ambiente UNISIM

Além disso, é importante destacar o comportamento do fluido quente ao longo da

passagem no casco do trocador, tendo em vista que esse equipamento se comporta como um

condensador, ou seja, ocorre mudança de fase, conforme Figura 5.5.

69

Figura 5.5: Detalhamento do comportamento do fluido quente

Finalmente, a Figura 5.6 apresenta o calor total trocado, bem como os resultados do

cálculo da LMTD e seu fator de correção encontrado Ft.

Figura 5.6: Performance global

O elevado desvio associado ao cálculo do valor da LMTD, aproximadamente 60%,

pode ser explicado pela mudança de fase ocorrida no equipamento, conforme ilustrado na

Figura 5.5. Quando há mudança de fase esse cálculo deve ser realizado por etapas, sendo

considerada uma LMTD ponderada.

Tal procedimento foi explicado no capítulo 2 e executado no início desse capítulo.

Para comprovar isso, ao se realizar o cálculo tradicional, considerando somente as variações

das temperaturas inicial e final, 110°C e 50,9°C para o fluido quente e 34°C e 41°C para o

fluido frio, e auxiliada pela Equação (2.3), o valor obtido é de 32,4°C, o que reduziria o desvio

entre a LMTD e o valor obtido pela simulação, 34,99°C, para 8%, valor aceitável para a

tolerância admissível. Observa-se também, que esse desvio em módulo, é idêntico ao contido

no projeto utilizando o método Kern, vide página 67 desse capítulo.

70

5.3 SIMULAÇÃO – ASPEN EXCHANGER DESIGN RATING

A Tabela 5.3 apresenta um resumo dos resultados obtidos pela simulação no software

Apen Exchanger design rating, bem como o resultado da folha de dados apresentado na Figura

3.2.

Tabela 5.3: Resultados Simulação 2 x Folha de dados

Resultados – Variáveis Simulação Folha de dados

U (kcal/h·m2·°C) 1113,50 627,80

Área (m2) 85,20 166,70

Temperatura do propeno saída (°C) 50,68 50,90

LMTD (°C) 24,12 22,04

Número de tubos em U 239 228

Velocidade casco (m/s) 8,94 1,47

Velocidade tubo (m/s) 2,23 2,44

A Tabela 5.4 apresenta os desvios encontrados para as variáveis, tomando como base

a folha de dados e utilizando a Equação (5.1).

Tabela 5.4: Desvio resultados Simulação 2 x Folha de dados

Variáveis Desvio

U (kcal/h·m2·°C) -77,4%

Área (m2) 48,9%

Temperatura do propeno saída (°C) 0,4%

LMTD (°C) -9,4%

Número de tubos em U -4,8%

Velocidade casco (m/s) -508,2%

Velocidade tubo (m/s) 8,6%

71

Assim como no tópico anterior, considerando a tolerância admissível para o desvio de

10%, o modelo foi considerado não satisfatório ao representar o equipamento dimensionado na

folha de dados. Retomando-se o método Kern, pode-se observar que a área é um fator

considerado tanto no cálculo do U quanto no da velocidade, e por esse motivo, ao se apresentar

uma área bem menor que o previsto pela folha de dados, as demais variáveis citadas,

consequentemente, também apresentam valores fora do esperado. Tomando como exemplo o

valor do coeficiente de troca térmica (U), que é inversamente proporcional ao da área, isso pode

ser comprovado. Ao se multiplicar o valor do U pela área fornecida na simulação e dividindo-

se pelo valor da folha de dados, ou seja considerando a nova área calculada pela simulação

como igual à da folha de dados. O valor obtido é de 569,107 kcal/h·m2·°C, o que diminui o

desvio para apenas 9,3%. Esse desvio resultante pode ser explicado pelo desvio da LMTD

apresentado na Tabela 5.4.

A Figua 5.7 apresenta o dimensionamento sugerido pela simulação para o trocador que

se adequa as características de troca térmica, vazão e pressão requeridas pelo projeto.

Figura 5.7: Projeto trocador

72

A Figura 5.8 define o número de tubos, bem como sua configuração no interior do

casco.

Figura 5.8: Layout dos tubos no trocador

Como pode ser observado na figura 5.8, a simulação considerou passo triangular, e

também um trocador BEU, TEMA B. Esse último é classficado para aplicações

químicas/petroquímicas, caso que ocorre no processo avaliado nesse trabalho.

Outra importante informação que facilita a comparação entre os dados obtidos por essa

simulação e os demais, é a folha de dados fornecida pelo programa segundo o padrão TEMA,

conforme Figura 5.9.

73

Figura 5.9: Folha de dados projeto

5.4 COMPARAÇÃO ENTRE AS SIMULAÇÕES

Ao se comparar o resultado entre ambas as simulações apresentadas nos tópicos 5.2 e

5.3, observa-se os desvios apresentados na Tabela 5.5.

74

Tabela 5.5: Desvio entre as simulações

Variáveis Simulação 1 Simulação 2 Desvio

U (kcal/h·m2·°C) 1131,18 1113,50 -1,6%

Área (m2) 81,87 85,20 3,9%

LMTD (°C) 34,99 24,12 -45,1%

Verifica-se que ambas as simulações apresentaram valores similares de U e área,

porém o valor da LMTD foi o fator determinante para indicar a simulação 2 como a mais

adequada para o processo. Considerando que o software utilizado na segunda simulação é um

software específico para design de trocadores de calor casco e tubo, esse pode apresentar o

cálculo da LMTD de maneira ponderada, caso que foi comentado no tópico anterior.

5.5 COMPARAÇÃO ENTRE OS DADOS REAIS E A SIMULAÇÃO

A Tabela 5.6 resume os valores de referência para o processo atual e os da simulação 2.

Tabela 5.6: Resultados Simulação 2 x Dados reais

Variáveis Dados reais Simulação 2

Vazão propeno (kg/h) 31131,7 24610

Vazão água (kg/h) 410378 329503

Temperatura do propileno saída (°C) 42,05 50,68

Temperatura da água saída (°C) 37,04 41,00

U (kcal/h·m2·°C) 687,74 1113,5

Observa-se na Tabela 5.6 que houve um aumento na carga em relação ao projeto

inicial. Como o trocador estava superdimensionado se comparado ao valor indicado pela

simulação, o trocador de calor E-2402 permanece eficiente para a troca térmica requerida. Esse

fato pode ser comprovado levando em conta que o equipamento ainda apresenta uma

temperatura de saída do propeno mais baixa que o projeto, ou seja, o resfriamento do fluido

75

quente e consequentemente a troca térmica, ainda ultrapassam os valores esperados pela Figura

3.2.

O valor das vazões da água e do propileno sofreu um incremento de aproximadamente

27% se comparado ao valor apresentado pela simulação 2, enquanto que as temperaturas de

saída do propileno e da água sofreram uma redução de 15% e 7%, respectivamente. Por último,

o U também sofreu uma redução de 37%.

5.6 TRATAMENTO ESTATÍSTICO E ACOMPANHAMENTO AUTOMÁTICO

DO U

Com o auxílio do software MINITAB e dos dados reais de operação presentes em uma

planilha de acompanhamento do U pôde-se obter uma correlação de R2=97,3 para o cálculo da

temperatura de saída da água. O modelo encontrado é apresentado na Equação (5.2).

ts=4,02 + 0,795.te + 0,0548.Ts + 0,000127.W + 0,0311.Te (5.2)

A tabela 5.7 apresenta os desvios percentuais encontrados no cálculo da temperatura

de saída do fluido frio, água, e do U do trocador, ao se utilizar os dados reais nas Equações (5.2)

e de U, respectivamente. Cada ponto é correspondente a uma data distinta de coleta das

variáveis no processo.

Considerando-se o desvio padrão das temperaturas de saída da água dos pontos

considerados na Tabela 5.7, obteve-se o valor de 1,93°C. Ao analisar-se os desvios

apresentados, nota-se que o maior apresentado foi de 1,59% (em módulo), e por esse motivo,

tal correlação foi considerada como satisfatória, podendo ser aplicada futuramente como

método facilitador para o cálculo do U do trocador.

Após a obtenção da temperatura de saída do fluido frio, conforme Equação 5.2, o

cálculo proposto nas lógicas a serem implementadas indicaria o valor da vazão de água presente

nos tubos. Essa estimativa só seria possível, se for considerado que o valor do calor total do

propeno já pode ser calculado em conjunto com a variação da temperatura da água supracitada.

76

Tabela 5.7: Desvio dados reais vs. Dados calculados pela correlação MINITAB

Ponto Desvio Tsaída_H2O Desvio U

1 0,16% 0,1%

2 -0,11% -0,07%

3 -0,44% -0,27%

4 0,92% 0,53%

5 -1,59% -1,07%

6 0,68% 0,45%

7 -0,32% -0,18%

8 0,48% 0,31%

9 -0,47% -0,23%

10 -0,07% -0,05%

11 0,49% 0,24%

12 1,49% 0,83%

13 -0,12% -0,97%

14 -1,53% -0,72%

15 -0,11% -0,06%

O procedimento do cálculo do U torna-se semelhante ao do projeto sugerido por Kern,

onde calcula-se a LMTD ponderada para finalmente obter o valor do coeficiente U. Apesar da

área variar conforme o tempo de operação do trocador (incrustações, corrosão, etc.), tais

fenômenos foram desconsiderados e a área considerada para o cálculo é sempre a área efetiva

demonstrada na folha de dados, 166,7m2.

Observando a Tabela 5.7, nota-se, ainda, que ao se calcular o valor do U utilizando o

valor da temperatura de saída da água pela Equação (5.2), obtém-se um desvio muito pequeno

quando se comparado ao valor calculado pela temperatura de saída real encontrada pelos

medidores presentes na área.

77

A planta pode apresentar erros grosseiros ao se considerar seus dados reais. Portanto,

é necessário implementar futuramente o procedimento de reconciliação de dados (PRATA,

2009).

Todos esses resultados foram obtidos considerando que o valor da temperatura de

entrada do fluido quente seria obtido diretamente pelo software PI. Para que isso ocorra, a

temperatura da corrente lateral TI2407 terá seu sinal cadastrado e transmitido para o software

de acompanhamento da planta. Essa temperatura, é obtida pela média da temperatura de dois

compressores presentes na área, que já possuem fornecimento digital.

Finalmente, após essas etapas o acompanhamento já pode ser realizado pelo painel de

controle de maneira instantânea e automática.

5.7 ACOMPANHAMENTO DO U

Primeiramente, a Figura 5.10 apresenta os dados do acompanhamento atual realizado

em Excel, onde a data, a temperatura de saída do fluido frio e a temperatura de entrada da

corrente lateral devem ser inseridos para que o cálculo seja realizado. Todos os dados foram

normalizados a fim de preservar os dados reais da planta de produção de polipropileno, devido

às condições de confidencialidade. Além disso, apenas o perfil é relevante a fim de se estudar

a representação do U ao longo do tempo.

Figura 5.10: Acompanhamento do U

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

U (kcal/h·m

2·°C)

U sujo

U limpo

U trocador

78

Pode-se verificar na Figura 5.10, que o acompanhamento não é contínuo e possui

pontos espaçados. Isso ocorre devido ao fato da impossibilidade de ir na área para a coleta de

dados devido as tarefas diárias ou a uma possível redução da carga da planta. Esse último,

influencia diretamente no cálculo do U do trocador podendo indicar uma falsa necessidade de

abertura do E-2402 para limpeza.

A influência da vazão nesse cálculo afeta diretamente os cálculos das temperaturas t1,

tint e ts, que apresentam valores menores em carga baixa e como consequência, valores de

LMTD maiores. Cabe destacar que LMTD e U são inversamente proporcionais, portanto ao se

aumentar a LMTD, o valor de U diminui. Essa diminuição, já destacada no parágrafo anterior,

não é necessariamente verdadeira.

5.7.1 PROPOSTA DE MONITORAMENTO

A proposta sugerida nesse trabalho trata-se de uma lógica implementada diretamente

no sistema digital de controle distribuído (SDCD), onde quando o U ultrapassar o valor do

limite inferior da Figura 5.10, Usujo, um alarme seria acionado para o operador e o mesmo

poderia acrescentar na programação de manutenção uma inspeção em uma próxima parada de

oportunidade, e se necessário, realizar uma limpeza através de hidrojateamento.

A Figura 5.11 apresenta a lógica para implementação no PI. Como a lógica não foi

implementada ainda, não há como oferecer um histórico de acertos nesse acompanhamento, e

nem os agentes de cada alarme acionado, ou seja, qual o motivo de o trocador ter sujado, ou a

frequência com que isso ocorre e suas possíveis causas para abertura do E-2402.

Além disso, o valor da temperatura de entrada do fluido quente ainda não se encontra

cadastrado no SDCD, fato que inviabiliza essa automatização do processo. Por esse motivo,

esse trabalho também apresenta uma lógica no software Microsoft Excel em VBA apresentando

uma maneira mais eficiente no cálculo que a atual e alternativa, inserindo apenas a data da

análise e o valor da temperatura em questão.

79

Figura 5.11: Lógica SDCD

80

A lógica em VBA presente na planilha de acompanhamento vai ser demonstrada

através de Figuras (5.12, 5.13, 5.14 e 5.15) e deve ser realizada como alternativa até que a

corrente lateral seja cadastrada no sistema. Cabe salientar primeiramente, que como método

alternativo, esse será realizado manualmente e com acompanhamento semanal. Além disso, os

valores de vazão e temperatura já presentes no software PI possuem fórmulas específicas já

“inseridas” nos suplementos oferecidos pelo programa Excel, e portanto, serão suprimidas a

fim de preservar os tags e informações da planta. Assim, aparecerão somente como valores nas

células preenchidas.

Figura 5.12: Planilha Excel acompanhamento do U

Além do cálculo do U, ao se obter um valor menor que o valor do U sujo, aparece uma

mensagem de alerta na tela, juntamente com o preenchimento em vermelho da célula do

resultado do U como demonstrado na Figura a 5.13.

Figura 5.13: Planilha Excel acompanhamento do U -Alarme

A lógica em VBA, Figura 5.14, linguagem do programa Excel apresenta-se de maneira

similar a fornecida anteriormente para o SDCD, admitindo somente adequações para a sua

execução.

81

Figura 5.14: Lógica alternativa em VBA para Excel

Como observa-se na Figura 5.14 na primeira cláusula “If” da lógica, o cálculo só pode

ser realizado se a planta estiver operando com uma carga maior que 20t/h, caso contrário um

outro tipo de mensagem de alerta aparece na tela indicando que o cálculo não deve ser realizado

devido carga baixa na planta. A figura 5.15, demonstra tal ação no Excel.

Figura 5.15: Pop up carga baixa

Dessa forma, o monitoramento e controle do U do trocador pode ser realizado, mesmo

que de forma alternativa, com as devidas mensagens para a tomada de decisão.

82

CAPÍTULO 6

6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES

Este capítulo final apresenta as conclusões e sugestões para trabalhos futuros

relacionados ao estudo de automatização do cálculo do coeficiente de troca térmica de

trocadores críticos.

6.1 CONCLUSÕES

Os trocadores de calor são equipamentos essenciais na indústria, principalmente no

setor petroquímico. Definir o tipo de equipamento e suas respectivas propriedades como vazão,

temperatura e fluidos adequados de trabalho é fundamental a fim de garantir o funcionamento

conforme esperado da planta e maximizar seu potencial energético, minimizando os gastos

econômicos.

A primeira etapa desse trabalho consistiu na verificação do coeficiente de troca térmica

do trocador E-2402 através da reprodução do método Kern. O equipamento já possuía suas

características definidas e com isso teve sua LMTD calculada obtendo o valor de 23,79°C,

diferindo-se em 7,9% do valor explicitado na folha de dados, 22,04°C. Além disso, obteve-se

também os valores da área total de troca térmica, 163,61 m2 e do coeficiente de transferência

térmica de serviço (sujo), 592,802 kcal/h·m2·°C. Os desvios associados foram de

respectivamente 1,9% e 5,6%.

83

Em seguida, realizou-se uma simulação utilizando o software UNISIM. Nessa

simulação, comprovou-se a temperatura de condensação utilizada no dimensionamento do

equipamento de 58,7°C, além de ter encontrado uma LMTD com o valor de 34,99°C, 58,8%

acima do fornecido pela folha de dados. O desvio elevado foi explicado devido ao software não

calcular a LMTD de forma ponderada. Os dois últimos valores fornecidos por essa simulação

foram a área e o U do trocador, 81,87m2 e 1131,18 kcal/h·m2·°C, com os desvios em módulo

de 50,9% e 80,2%.

Adicionalmente, uma segunda simulação foi realizada utilizando o software Aspen

Heat Exchange Design. Esse software é especializado em projeto de trocador de calor casco e

tubo, portanto seus resultados foram mais detalhados que o anterior. Obteve-se como valores

de LMTD, área e U do trocador os valores, respectivamente de 24,12°C, 85,2m2 e 1113,5

kcal/h·m2·°C, com os desvios de 9,4%, 48,9% e 77,4% na mesma ordem.

Comparou-se então as duas simulações a fim de determinar a que mais se aproximava

dos valores fornecidos pela folha de dados original. Ao se considerar o cálculo da área e do U

do trocador, ambas apresentaram valores próximos de desvio. O fator determinante para a

escolha da segunda simulação foi o cálculo da LMTD, pois essa apresentou desvio pequeno, o

que o tornou similar ao desvio do projeto, demonstrando que o cálculo foi realizado de maneira

ponderada como o esperado. Além disso, como ambas as áreas foram menores que a folha de

dados independentemente do método utilizado para seu cálculo, concluiu-se que o equipamento

fornecido na folha de dados estava superdimensionado.

Os melhores resultados foram por fim comparados com os dados reais da planta. Com

isso, observou-se um aumento na carga em relação ao projeto indicado na folha de dados de

27%, enquanto as temperaturas reduziram-se em torno de 15% para o fluido quente e 7% para

o fluido frio. Verifica-se ainda que, o valor do U apresentou um valor 50% abaixo da simulação.

Finalmente, utilizando o histórico lançado em uma planilha de acompanhamento do

coeficiente de troca térmica do E-2402, foram criadas duas lógicas para o auxílio desse

monitoramento. A primeira delas em VBA para Excel, com o objetivo de ser utilizada de

maneira temporária enquanto a temperatura da corrente lateral não é cadastrada no painel de

controle e a segunda para ser utilizada de maneira definitiva. Essa última, seria realizada de

maneira automática, auxiliando os operadores e equipe de engenharia no controle do trocador

crítico, E-2402.

84

6.2 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS

Como próximos passos, espera-se que um “ponto” seja criado conectando as variáveis

fornecidas digitalmente nos compressores em área ao painel de controle. Com isso, o cadastro

das temperaturas poderá ser realizado no SDCD e consequentemente, o download do programa

fornecido pela lógica apresentada na Figura 5.11. Recomenda-se também a realização de testes

a fim de detectar qualquer erro nessa lógica antes de iniciar o acompanhamento de maneira

automática, implementando concomitantemente uma reconciliação de dados para este

equipamento, tal qual realizada por Prata.(2009) para o reator dessa mesma unidade industrial,

aumentando assim a credibilidade dos dados medidos e consequentemente, a estimativa de U e

das ações de controle.

Além disso, como o E-2402 não é o único trocador crítico da planta, sugere-se um

estudo quanto a instrumentação de cada um desses trocadores, de maneira que toda a

instrumentação e correlações necessárias sejam desenvolvidas para finalmente adaptar a lógica

apresentada para cada trocador específico. As mudanças ocorreriam principalmente no cálculo

da LMTD e do calor total trocado, dependendo do fluido sofrer ou não mudança de fase durante

o processo. Dessa maneira, a unidade se tornaria mais estável ao se considerar os equipamentos

de troca térmica, não precisando parar a operação após um longo período de operação com o

equipamento sujo.

Como proposta final, sugere-se a criação de um histórico de limpeza após a

implementação do acompanhamento e o desenvolvimento de uma correlação ou lógica que

preveja a data ou período de operação do equipamento, até sua possível saturação e necessidade

de parada e abertura para limpeza.

85

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