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INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS

Esta sebenta serve de base à disciplina de

Síntese e Integração de Processos

Mestrado Integrado em Engenharia Química

Maria Cristina S. Fernandes

Departamento de Engenharia Química

2011/2012

2

ÍNDICE

1. ENQUADRAMENTO 4

2. A IMPORTÂNCIA DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA ECONOMIA NACIONAL 5

2.1. PLANO NACIONAL DE ACÇÃO PARA A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA (PNAEE) 8 2.2. CONTEXTO E DEFINIÇÃO DE INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS 14

3. METODOLOGIAS DE INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS 16

3.1. CONCEITOS BÁSICOS DA ANÁLISE DO PONTO DE ESTRANGULAMENTO (APE) 17 3.2 OBTENÇÃO DE DADOS 20

4. CONSUMO MÍNIMO DE ENERGIA – METODOLOGIA DO PONTO DE ESTRANGULAMENTO 22

4.1. CONSTRUÇÃO DAS CURVAS COMPOSTAS 22 4.2. CONSTRUÇÃO DA CASCATA DE CALOR 26

5. ESCOLHA DO VALOR DE ∆∆∆∆TMIN ÓPTIMO 29

5.1. NÚMERO MÍNIMO DE UNIDADES 29 5.2. ÁREA TOTAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 31 5.3. MINIMIZAÇÃO DO CUSTO TOTAL 33 5.4. ópt

mín∆T DE PROCESSOS SEM PE: THRESHOLD PROBLEMS 35

6. CONSTRUÇÂO DA REDE PERMUTADORES DE CALOR CORRESPONDENTE AO MÍNIMO DE ENERGIA REQUERIDA (MER) 37

6.1. REDES SIMPLES 37 Zona acima do PE 38 Zona abaixo do PE 40

6.2. REDES COM DIVISÃO DE CORRENTES: STREAM SPLITTING 41 Zona acima do PE 43 Zona abaixo do PE 44

7. OPTIMIZAÇÃO ECONÓMICA DAS REDES DE PERMUTADORES DE CALOR 50

3

7.1. ESTRATÉGIA PARA A EVOLUÇÃO DA REDE (MER) 50 7.2. COMPARAÇÃO DE REDES DE PERMUTADORES DE CALOR 55

8. ESCOLHA ADEQUADA DE UTILIDADES E EQUIPAMENTO ENERGÉTICO 57

8.1. CURVA COMPOSTA GLOBAL 57 8.2. SISTEMA DE UTILIDADES 58

BIBLIOGRAFIA 60

4

1. ENQUADRAMENTO

A Integração de Processos pode ter diferentes significados. Este termo pode ser aplicado a um permutador de calor simples, que recupera o calor a partir de uma corrente de processo, ao calor residual obtido de uma turbina de gás, à optimização da programação de um reactor, à integração de várias unidades de produção de uma refinaria de petróleo, ou para a integração completa de um complexo industrial.

No presente documento, o "Processo de Integração termo" (PI), refere-se à análise e optimização de processos industriais. PI pode, portanto ser definido como:

Todas as melhorias feitas para sistemas de processo, suas operações unitárias constituintes, e suas

interacções para maximizar o uso eficiente de energia, água, e matérias-primas.

O principal benefício da Integração de Processos é reduzir significativamente os custos de produção, satisfazendo políticas de poupança energética e de matérias-primas, bem como, entre outros, redução de efluentes e subprodutos e minimização de emissões gasosas.

Nesta perspectiva, a Integração de Processos será uma estratégia de competitividade da Indústria actual. O interesse em promover integração em instalações fabris será, então, elevado, pelo que convém conhecer as técnicas disponíveis. A formação de especialistas nesta área é determinante no desempenho futuro da produção.

Esta sebenta foi concebida para fornecer aos alunos da disciplina de Síntese e Integração de Processos,

um manual sobre Integração de Processos onde se abordam os conceitos básicos recorrendo a exemplos de aplicação.

5

2. A IMPORTÂNCIA DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA ECONOMIA NACIONAL

Uma estratégia de utilização eficiente de energia é essencial para a competitividade económica de um

país. Portugal é um país com uma elevada intensidade energética. De acordo com os dados fornecidos pela ADENE/DGEG, 2009, entre 1997 e 2009 a evolução da intensidade energética em Portugal, expressa em consumo de energia primária final (tep) por unidade de Produto Interno Bruto (PIB em milhão de euros, a preços constantes de 2000), divergiu significativamente da média europeia, tal como se pode ver na Figura 1.

Figura 1- Evolução da intensidade energética em Portugal e na Europa

Assim, a economia portuguesa caracteriza-se por possuir uma intensidade energética elevada e uma

forte dependência da importação de energia primária, como se evidencia na Figura 2. Cerca de 85% da energia primária total necessária, é importada, com forte predominância no petróleo, no gás natural e no carvão, tal como se mostra na Figura 3.

A unidade tep corresponde a um hipotético petróleo que liberta na sua combustão um calor correspondente a 10 Gcal/ton, ou 41,868 GJ/ton, utilizando a conversão termodinâmica de tep em MJ utilizada pela Agência Internacional da Energia:

1 tep = 41868 MJ = 11630 kWh; 1 MJ = 23,88 x10-6 tep ou 1 kWh = 86x10-6 tep

Apresenta-se no Anexo I, os valores dos factores de conversão para tonelada equivalente petróleo

(tep) de teores em energia de combustíveis seleccionados para utilização final, bem como dos respectivos factores para cálculo da Intensidade Carbónica pela emissão de gases com efeito de estufa, referidos a quilograma de CO2 equivalente (kgCO2e). Estes valores constam do despacho Despacho n.º 17313/2008. A

6

electricidade, o vapor e outros fluidos térmicos são formas de energia resultantes da transformação de fontes de energia primária. Assim, a conversão para tep da energia eléctrica e da energia térmica do vapor e de outros fluidos térmicos gerados por fornecedores externos tem que ter em conta o rendimento do processo de transformação:

Para a produção de energia eléctrica: ηenergético = 0,4 (o rendimento eléctrico médio em Portugal das centrais termoeléctricas que usam combustíveis fosseis, pelo que:

1 kWhe = 3,6 MJ

Para a produção de energia térmica o valor de ηtérmico para as caldeiras de geração de vapor é igual

a 0,9,

Figura 2 – Percentagem da energia primária consumida

Figura 3 – Evolução do consumo de energia primária

O facto da economia portuguesa ser fortemente dependente da importação de energia primária, muito

em especial do petróleo e do gás natural, bem como o facto de, nos últimos anos, ter existido uma subida

energéticoη MJ

nalEnergia fix tep

×=

41868

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= x, MJ

MJ,ep/kWhe)éctrica (tEnergia El

9041868 , MJ

MJ/ton)do vapor (specifica entalpia eep/kWhe)éctrica (tEnergia El

×=

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Fonte: Balanços Energéticos (DGGE);INE

3,2%4,3%1,4%1,6%0,6%2000-2007

0,3%9,7%2,5%7,1%3,6%1995-2000

2,5%6,5%1,0%5,5%1,4%1990-1995

OutrosServiçosDomesticoTransportesIndustria

Taxa de Crescimento anual do consumo de energia

3,2%4,3%1,4%1,6%0,6%2000-2007

0,3%9,7%2,5%7,1%3,6%1995-2000

2,5%6,5%1,0%5,5%1,4%1990-1995

OutrosServiçosDomesticoTransportesIndustria

Taxa de Crescimento anual do consumo de energia

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

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2002

2003

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2005

2006

2007

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% v

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Outros

Serviços

Doméstico

Transportes

Indústria

%variação

do preço destes combustíveis, conduziu a uma perda de competitividade das empresas portuguesas. Assim, a utilização mais eficiente da energia, associada ao controlo e redução do consumo de energia para a mesma riqueza criada, é uma peça fundamental para o desenvolvimento industrial e o crescimento económico. O aumento da eficiência energética requer desenvolvimentos tecnológicos, bem como medidas que regulamentem o consumo energético e as emissões de gases com efeito de estufa e que estimulem em simultâneo a competitividade económica global das empresas portuguesas. A diminuição da intensidade energética também pode ser conseguida em alguns casos à custa da produção de bens de maior valor acrescentado.

A nível ambiental, a emissão excessiva de dióxido de carbono (CO2) e de outros gases com efeito de estufa, nomeadamente CH4 e NO2, pode estar relacionada com a falta de eficiência na combustão. De acordo com o Protocolo de Quioto, os países da UE-15 comprometeram-se a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa em 8 % por comparação com os níveis de 1990, Magueijo, 2009. O valor das emissões de CO2 em Portugal aumentou 2% entre 2003 e 2005, em contraste com a ligeira diminuição observada para os países UE-15. Além disso, o valor das emissões de CO2 em 2005 era de 85,5 Mt, encontrando-se 12,3 % acima do valor a atingir até 2012. Estes valores mostram que os esforços de Portugal para diminuir as emissões de CO2 têm sido muito infrutíferos, o que poderá causar prejuízos ambientais e económicos para Portugal.

A diminuição da intensidade energética na maioria dos países europeus deve-se à aplicação de medidas de eficiência energética em especial nos sectores com maiores consumos energéticos, nomeadamente, a indústria, os transportes e os serviços, tal como se mostra na figura Figure 4. No sector dos serviços, que tiveram um crescimento acentuado nas últimas décadas, a redução do consumo de energia deverá ter uma maior ênfase nos equipamentos eléctricos e na climatização de edifícios.

Figure 4 – Evolução do consumo de energia final nos vários sectores da economia nacional Assim, o Plano Nacional de Acção para a Eficiência Energética (PNAEE) propõe medidas de carácter

político e tecnológico. As primeiras devem regulamentar o consumo energético e as emissões dos gases de estufa, com o objectivo de fomentar/estimular a aplicação de medidas que poupem energia. As segundas, resultaram de estudos tecnológicos propondo diferentes alternativas com elevado potencial de poupança energética.

8

2.1. Plano Nacional de Acção para a Eficiência Energética (PNAEE)

A implementação deste Plano, delineado segundo 12 Programas, que constam da

Figura 5, permitiria, segundo as previsões, alcançar um aumento de 10% de eficiência energética até 2015, à custa de medidas com carácter tecnológico e inovador nos sectores de Transportes, Residencial

&Serviços, Indústria e Estado, bem como nas áreas de Comportamentos Sociais, Incentivos Financeiros e Fiscalidade.

Figura 5 – Estrutura do Plano Nacional de Acção para a Eficiência Energética (PNAEE) O consumo de energia final do sector Residencial e de Serviços, representa cerca de 30% do consumo

nacional. No entanto, este sector é fortemente dependente da energia eléctrica, já que é responsável por cerca de 65% do consumo nacional, tal como se apresenta na Figura 6. No sector doméstico verifica-se ainda, de acordo com a Figura 7, uma inversão no consumo de gás e de electricidade. Enquanto que na década de noventa o consumo de electricidade representava 46%, de 2000 a 2005 estes valores inverteram-se representando, agora, o consumo de energia eléctrica cerca de 55% do consumo total deste sector. Este facto deve-se a uma aumento da qualidade de vida, com a inerente compra de electrodomésticos.

Os objectivos do programa do sector doméstico e dos serviços são: � Tornar o parque de equipamentos domésticos (electrodomésticos e iluminação) mais eficiente

(substituição directa, desincentivo à compra de equipamentos com performances energéticas inferiores).

� Tornar os edifícios mais energeticamente eficientes, incentivando medidas de remodelação (janelas, aquecimento

� Melhorar o desempenho energético dos edifícios, através da melhoria da classe média de eficiência energética do parque edificado, mediante a implementação do Sistema de Certificação Energética:

o SCE - Sistema de Certificação de Edifícios (DL 78/2006 ) o RSECE - Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização de Edifícios (DL n.º

79/2006), aplica-se a edifícios de serviços grandes (>1000 m2 ou 500 m2); a pequenos com climatização, e/ou a edifícios de habitação com sistemas de climatização de P >25 kW

Transportes IndústriaResidencial e Serviços Estado

Comportamentos

Fiscalidade

Incentivos e Financiamento

Renove Carro1

Fundo de Eficiência Energética12

Mobilidade Urbana2

Sistema Eficiência Transportes3

Renove Casa & Escritório4

Sistema Eficiência Edifícios5

Renováveis na Hora e Programa Solar6

Sistema Eficiência Indústria7 E3: Eficiência

Energética Estado8

Programa Mais9 Operação E10

Fiscalidade Verde11

Tecno-logias

Compor-tamentos

9 10

12 grandes Programas do Portugal Eficiência 2015

9

o RCCTE - Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (DL n.º 80/2006), aplicável a todos os edifícios residenciais e a pequenos edifícios de serviços sem sistemas de climatização centralizados ou com sistemas com P<= 25 kW, Figura 8

� Melhorar o desempenho energético dos serviços, obrigando a: o Auditorias de energética para edifícios > 1000 m2; o Monitorização e gestão de energia obrigatória em equipamentos com potência >100kW

(monitorização) e 200 kW (gestão); o Cogeração para edifícios >10 000 m2 dos sectores de saúde, turismo e comércio

edifícios mais energeticamente eficientes, incentivando medidas de remodelação (janelas, aquecimento isolamento térmico).

� Promover a substituição do consumo de energia não renovável por energia renovável através da maior facilidade de acesso a tecnologias de micro-geração e de aquecimento solar, Figura 9.

Residencial e Serviços com forte impacto no consumo Energia Eléctrica

www.adene.pt

Residencial e Serviços com forte impacto no consumo Energia Eléctrica

www.adene.pt

Figura 6 – Estrutura do Plano Nacional de Acção para a Eficiência Energética (PNAEE)

Evolução do consumo doméstico por forma de energia (1990 -2005)

Nota: não inclui consumo de lenha e resíduos vegetaisFonte: Balanços energéticos; Análise ADENE/DGEG

Nos últimos 5 anos o peso da electricidade ultrapassou o do gás

Consumo de Energia – Sector Doméstico

0

500

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1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

k tep

Electricidade

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1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

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Electricidade

Gás

Outros

55%

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53%

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47%

52%

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51%

1%

Figura 7 – Evolução de consumo no sector doméstico, por forma de energia

10

Efeito do isolamento térmico

Figura 8 – Requisitos do Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios da Evolução de consumo no sector doméstico, por forma de energia

Termossifão Circulação forçadaTermossifão Circulação forçada

Figura 9 – Exemplos de utilização do solar térmico (termos sifão e circulação forçada) De acordo com os estudos realizados identificou-se a evolução dos consumos totais, por forma de

energia, directamente utilizada pela indústria entre 1990-2005, Figura 10, bem como os consumos de energia final nos vários sectores da economia portuguesa, tal como se mostra na Figura 11, Magueijo, 2009. Nesta figura é possível analisar os sectores com uma maior dependia energética.

As indústrias mais intensivas em termos de consumo energético são a cimenteira e a cerâmica, seguidas pela indústria química e plásticos e pela alimentação e bebidas. Apresenta-se na Tabela 1 uma distribuição das várias formas de energia mais utilizadas pelos diferentes sectores industriais. Os sectores industriais mais dependentes de máquinas são aqueles em que a electricidade é a forma de energia mais consumida. Nestes casos o aumento da eficiência energética está muito associado a uma análise e optimização do consumo nos vários equipamentos.

O PNAEE, no sector industrial visa promover o aumento da eficiência energética por via da modificação dos processos de fabrico, da introdução de novas tecnologias e da mudança de comportamentos. O Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE), aqui definido, impõe auditorias energéticas obrigatórias. Neste âmbito, é necessário o estabelecimento de metas relativas à intensidade energética e carbónica a atingir, e a obrigatoriedade de implementar medidas com payback mais curto (payback < 5 anos, para empresas com mais de 1000 tep/ano; e payback < 3 anos, para os restantes casos). Neste programa, para o reforço da competitividade industrial, foram sugeridas medidas de Poupança Transversais e medidas específicas em 12 sub-sectores industriais.

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0

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1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Consumos totais por forma de energiadirectamente utilizada pela indústria entre 1990-2005 (1)

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CarvãoPetróleo energéticoPetróleo não energéticoGás NaturalGases (outros derivados)ElectricidadeCalorRenováveis (sem hídrica)

(1) Fonte: Balanços Energéticos da DGEG; Análise IST

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Consumos totais por forma de energiadirectamente utilizada pela indústria entre 1990-2005 (1)

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(1) Fonte: Balanços Energéticos da DGEG; Análise IST Figura 10 – Consumo total por forma de energia utilizada na indústria

Figura 11 – Evolução do consumo total de energia por cada sector industrial

Tabela 1 – Formas de energia mais consumidas nos vários sectores industriais

12

As medidas do PNAEE na área da Indústria foram divididas em dois conjuntos classificados como

Medidas Transversais e Medidas Específicas de doze sectores identificados no estudo como sendo os mais relevantes na Indústria Transformadora (ex: Cerâmica, Cimento, Papel, Têxtil, Vidro e Químicos, Plásticos e Borracha, Figura 12.

Motores eléctricos

Produção de Calor e Frio

Iluminação

Eficiência do processo industrial / Outros

Medidastransversaisà indústria

Medidasespecíficas

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Medidastransversaisà indústria

Medidasespecíficas

do sector(12 sectores (1))

(1) Em relação ao balanço energético, juntaram-se os sectores do plástico e da borracha, e não foi considerado o sector outrosFonte: Análise IST/ADENE

7,3 %

0,8 %

6,5 %

% Total de

Potenciais de

Poupança

7,3 %

0,8 %

6,5 %

% Total de

Potenciais de

Poupança

Figura 12 – Medidas do PNAEE a aplicar à indústria

Segundo o documento PNAEE/Indústria, Magueijo, 2009 e de acordo com os documentos referentes às

BAT - Best Available Tecnologies, publicados anteriormente pela Comissão Europeia, as medidas transversais aplicáveis à realidade portuguesa, que podem conduzir a uma maior eficiência energética em todos os Sectores da Indústria Transformadora, foram agrupadas em quatro áreas tecnológicas de actuação:

1. Motores Eléctricos, 2. Produção de Calor e Frio, 3. Iluminação, 4. Eficiência do Processo Industria/ Outros

Estas medidas, listadas na

Tabela 2 foram agrupadas desta forma pelo facto de serem horizontais, isto é, da sua aplicabilidade ser generalizada em todos os doze sectores da Indústria Transformadora. De entre as várias medidas horizontais, destacamos neste texto aquelas que segundo o documento PNAEE/Indústria (Magueijo, 2009), mais contribuem para a redução dos consumos energéticos na indústria:

Optimização de motores Para aumentar a eficiência dos sistemas de potência nas indústrias têm sido desenvolvidas e aplicadas

várias tecnologias que incluem os motores eléctricos de alto rendimento, os variadores electrónicos de velocidade (VEVs), a melhoria do desempenho dos equipamentos utilizadores finais, a optimização dos sistemas de transmissão mecânica entre o motor e o equipamento utilizador final, etc. Os custos elevados da energia eléctrica fazem com que a eficiência dos motores e dos sistemas de potência de que fazem parte, seja um assunto premente.

As medidas para a optimização da eficiência energética dos motores eléctricos e sistemas de potência associados têm como objectivo a minimização das perdas energéticas inerentes. Neste âmbito, as medidas seguintes encontram-se entre as mais efectivas:

• Substituir os motores eléctricos convencionais avariados ou em fim de vida por motores mais eficientes;

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• Avaliar o potencial de utilização de variadores electrónicos de velocidade para ajustar a velocidade do motor de acordo com a carga;

• Utilizar arrancadores suaves para evitar picos de corrente durante o arranque; • Garantir a manutenção adequada dos motores; • Evitar o sobredimensionamento dos motores e desligar os mesmos quando estes não estão a ser

utilizados. Na indústria em Portugal, o sobredimensionamento de motores de indução é uma situação muito

frequente, porque por vezes não se sabe com rigor qual a carga que o motor vai ter de vencer. O sobredimensionamento excessivo (i.e., superior a 30 %) dos motores de indução conduz a um maior investimento inicial; uma diminuição do rendimento do motor; e uma diminuição do factor de potência da instalação, o que leva a um aumento da factura eléctrica.

A velocidade dos motores de indução é determinada pela frequência da tensão de alimentação, pelo seu número de pólos e pelo seu factor de carga (a velocidade decresce ligeiramente à medida que a carga aumenta). Assim, para controlar a velocidade dos motores sem recurso a dispositivos mecânicos externos, é necessário variar a frequência da tensão de alimentação.

Tabela 2 – Lista de algumas das medidas transversais identificadas

Transversais ou Horizontais

Âmbito Medida / Tecnologia

Optimização de motores

Sistemas de bombagem

Sistemas de ventilação

Sistemas accionados por motores eléctricos

Sistemas de compressão

Cogeração

Sistemas de combustão

Recuperação de calor Produção de calor e frio

Frio Industrial

Iluminação

Monitorização e controlo

Tratamento de efluentes

Integração de processos

Manutenção de equipamentos

Isolamentos térmicos

Transportes

Formação e sensibilização de recursos humanos

Eficiência do processo industrial / Outros

Redução da energia reactiva Cogeração Ao nível industrial, os principais benefícios da cogeração são a redução da factura energética, o

aumento da eficiência, a possibilidade de tornar a unidade energeticamente auto-suficiente em termos de calor e a capacidade de venda de electricidade à rede de distribuição nacional.

Sistemas de combustão Algumas das Melhores Técnicas Disponíveis (MTDs) para aumentar a eficiência energética em sistemas

de combustão estão relacionadas com a diminuição das perdas térmicas; a recuperação de calor nas correntes de purga e de gases de exaustão; a remoção preventiva de depósitos nas superfícies de transferência de calor; a utilização de vapor flash; o isolamento térmico das tubagens, entre outras.

14

Recuperação de calor As tecnologias mais comuns para a recuperação deste calor são: • Permutadores de calor para fazer uso directo do calor; • Bombas de calor e recompressão de vapor, que transformam o calor de modo a gerar trabalho mais

útil; • Operações multi-estágio, tais como evaporadores multi-efeito, expansão de vapor e combinações

das técnicas acima mencionadas. A optimização global encontra-se no âmbito da Integração Energética, um ramo extremamente

importante da Integração de Processos que conduz a reduções energéticas muito importantes. Devido à sua importância, esta temática será abordada especificamente na sessão seguinte.

De entre as medidas de eficiência do processo industrial listadas nas Medidas Horizontais do PNAAE/Indústria, a metodologia de Integração de Processos é uma das mais promissoras, podendo representar um potencial de poupança energética de cerca de 94 ktep/ano, Magueijo, 2009.

Complementarmente, para cada um dos doze sectores industriais, foram consideradas algumas Medidas Específicas que têm aplicação relevante nessas áreas industriais. Estas medidas foram profundamente analisadas pelas Confederações Industriais Portuguesas e pelas Associações Empresariais e posteriormente validadas pelo Grupo de Trabalho Indústria (Magueijo, 2009).

2.2. Contexto e Definição de Integração de Processos O funcionamento de uma Indústria Química pressupõe que um processo é implementado para produzir

um produto, com elevado rendimento, devido às condicionalidades do mercado. O conceito de Integração de Processos surgiu, no final da década de 70 na sequência da crise

petrolífera dessa década, como uma área científico-tecnológica que permita tornar os processos mais actuais e competitivos. A definição abaixo apresentada foi formulada em 1993 num encontro no âmbito da International Energy Agency (IEA):

Process Integration — Systematic and General Methods for Designing Integrated Production

Systems, ranging from individual Process to Total Sites, with special emphasis on the efficient

use of Energy and reducing Environmental Effects.

A Integração de Processos é uma abordagem sistemática utilizada na concepção e/ou optimização de

processos produtivos, com vista a uma adequada articulação intra e interprocessual que permita reduzir significativamente os custos de produção, satisfazendo políticas de utilização racional de energia e de matérias-primas, bem como, entre outros, a redução de efluentes e subprodutos e a minimização de emissões gasosas Relvas, 2004.

As metodologias de Integração de Processos mais utilizadas são as seguintes: • Análise do Ponto de Estrangulamento (Pinch Analysis); • Programação matemática; • Heurística; • Simulação; • Análise exergética. Uma importante área de utilização da Integração de Processos é a Integração Energética. A

metodologia da Análise do Ponto de Estrangulamento tem tido uma crescente utilização, devido à sua

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simplicidade e generalizada aplicabilidade, ao facto de ser uma ferramenta interactiva, de permitir a definição prévia dos objectivos a atingir e de poder considerar condicionantes como o controlo, a segurança, a incompatibilidade de substâncias e o layout.

As técnicas de Integração de Processos podem ser aplicadas em projectos feitos de raiz ou em fábricas já instaladas, em processos simples ou de elevada complexidade de funcionamento contínuo ou descontínuo. A aplicação desta metodologia demonstrou já a sua eficácia nos mais diversos sectores industriais: químico, celulose e papel, petroquímico, cimenteiro, agro-alimentar, têxtil, farmacêutico, produção de energia, tratamento de águas e efluentes.

Basicamente, a Integração de Energética de Processos, assegura que antes de se recorrer a fornecimentos externos de fontes de energia, sem utilizem e aproveitem de forma optimizada todos os recursos energéticos existentes no próprio processo.

Na sequência da participação Portuguesa no Acordo Internacional para a Integração de Processos, no âmbito da Agência Internacional de Energia (AIE), foi criado em 1995 o Grupo Nacional para a Integração de Processos (GNIP). O GNIP é um consórcio de instituições, empresas e universidades com o objectivo genérico de divulgar e promover as metodologias de Integração de Processos em Portugal e dar o apoio necessário à participação portuguesa no Acordo Industrial Energy related Technologies and Systems (IETS), que resultou da fusão, em 2005, dos anteriores acordos Process Integration e Pulp and Paper. O Grupo Nacional para a Integração de Processos (GNIP) tem também apoiado financeiramente o desenvolvimento de projectos de cooperação tecnológica entre a Universidade e a Indústria, com o objectivo de optimizar os consumos energéticos na Indústria Portuguesa, em variados sectores como: a química base, o têxtil, o vidro de embalagem, o papel, a madeira e combustíveis.

O contínuo desenvolvimento nesta área fez com que o conceito fosse estendido a outras áreas, por meio de analogias, como por exemplo entre transferência de calor e de massa: na primeira a força motriz é a diferença de temperaturas enquanto que na segunda é a diferença de concentrações. Assim surge o conceito de Ponto de Estrangulamento de massa. Uma aplicação específica deste conceito é o Ponto de Estrangulamento de água, que tem sido amplamente aplicado a sistemas de água de processo e aos efluentes aquosos para minimizar os consumos de água fresca através da reutilização, da regeneração e da reciclagem. No final da década de noventa este conceito foi expandido para a Integração na área das redes de Hidrogénio, aplicado às refinarias com o objectivo de optimização da sua formação/utilização, bem como às redes de Oxigénio em processos de tratamento de efluentes.

Nas raras situações em que a Integração de Processos não evidencie economias significativas resultará sempre um diagnóstico e um conhecimento acrescido dos equipamentos e das estruturas processuais da unidade de produção.

16

3. METODOLOGIAS DE INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS

Em muitas situações, é possível, sem a aplicação de qualquer metodologia específica, identificar

melhorias que atendam a necessidades imediatas, bem como reduzir os custos operacionais. A dificuldade reside em julgar quão boa uma solução realmente é. Por exemplo, pode haver uma série de projectos alternativos que resolveriam o problema com maiores poupanças ou menores investimentos. Torna-se necessário ter uma abordagem sistemática que permita a identificação não só de projectos individuais, mas também de combinações de projectos que atendam a objectivos de longo prazo. As soluções deverão provocar a minimização dos custos operacionais e/ou investimento de capital e do tempo de implementação e projecto.

Várias metodologias foram desenvolvidas de modo a melhorar e optimizar os processos químicos, tal como foi abordado na secção anterior.

O conceito de Integração de Processos ainda é mais abrangente: permitindo aumentar o grau de interligação entre os equipamentos. Uma correcta integração numa unidade fabril conduz a uma redução dos custos operatórios (energia e matérias primas) e dos custos de investimento (equipamento). Juntamente com os benefícios básicos da Integração de Processos, existem outras áreas que poderão revelar-se importantes: maximização da produção, redução de problemas operatórios, aumento da controlabilidade da fábrica, garantia de flexibilidade do processo ou minimização de emissões.

Uma vasta área de utilização da Integração de Processos é a Integração Energética. Muitos dos métodos de análise actualmente generalizados a várias áreas tiveram a sua origem em estudos baseados em sistemas de energia. O balanço de energia de um processo pode ser utilizado para optimizar o recurso às utilidades exteriores ao processo.

A maioria dos processos químicos quando representados por modelos matemáticos são casos de Programação Inteira-Mista Não-Linear (ou Mixed-Integer Non-Linear Programming, MINLP), porque existem quer variáveis inteiras quer expressões não-lineares. Estes problemas traduzem-se muitas das vezes em problemas complexos com limitações no que respeita quer ao tempo de computação (análise de inúmeras possibilidades) quer à obtenção da solução óptima global (problemas não-convexos podem geram soluções óptimas locais).

A metodologia do Ponto de Estrangulamento tem sido largamente difundida e tem encontrado elevada aplicabilidade em processos industriais, confirmando o seu elevado potencial, associado à sua simplicidade. No entanto, facilmente se apontam algumas limitações à utilização desta metodologia, motivando ou o emprego de outras técnicas, ou o complemento da análise recorrendo a outras técnicas.

A imposição de restrições às trocas de calor é um dos principais factores que estão na origem de alguns limites à Integração Energética. Por exemplo, não é viável a troca de calor entre duas correntes que por questões de layout exigem custos de bombagem e tubagem superiores à redução de custos energéticos é bastante simples, facilitando ainda a resolução do problema final (pois elimina opções). Talvez a maior limitação que se pode apontar à Programação Matemática seja a excessiva complexidade que alguns

17

modelos matemáticos que descrevem processos químicos possam tomar, não permitindo obter soluções plausíveis quer por limitação do processador quer por limitações de tempo de resolução.

As poupanças típicas inerentes à aplicação da metodologia do PE para os vários sectores industriais são:

� Refinação 10 a 25% � Petroquímico 15 a 25% � Química 15 a 35% � Alimentação e bebidas 20 a 35% � Pasta e papel 15 a 30%

Uma análise deste tipo acarreta outras poupanças adicionais da ordem de 5 a 15%. A monitorização

conduz a uma maior consciência para a poupança, evitando desperdício por parte dos operadores, e a detecção de ineficiências dos equipamentos (purgadores, caldeiras, afinação da queima, limpeza dos permutadores).

3.1. Conceitos Básicos da Análise do Ponto de Estrangulamento (APE) O funcionamento de um processo industrial requer a inclusão de utilidades. Incluem-se neste grupo as

utilidades quentes e frias que visam satisfazer as necessidades entálpicas do processo. As correntes processuais podem requerer aquecimento ou arrefecimento, pelo que se impõe uma troca entálpica. A figura 13 apresenta o esquema dum exemplo de aplicação (adaptado de Gundersen (2002a)), onde são evidenciadas as correntes sujeitas a integração e a utilização de utilidades exteriores ao processo.

Este exemplo consiste num reactor que recebe uma corrente de alimentação fresca que é submetida a um pré-aquecimento desde 50ºC até 210ºC. O efluente reaccional segue para separação utilizando uma coluna de destilação. A corrente de alimentação da coluna é previamente arrefecida desde a temperatura de reacção (270ºC) até à temperatura de entrada na coluna (160ºC). Ambos os produtos de topo e de fundo passam para etapas seguintes da produção. Devido ao gradiente descendente de temperaturas na coluna, o produto de fundo sai da coluna a 220ºC e é arrefecido até 60ºC. No topo da coluna o vapor sai a 130ºC e passa ao condensador, onde existe recirculação de uma fracção de líquido para a coluna. A fase gasosa segue para um processo de compressão, de onde sai a 160ºC e é em seguida aquecida até 210ºC, de modo a ser reciclada para o reactor.

18

Figura 13 – Exemplo de um processo com quatro correntes com uso exclusivo de utilidades exteriores

Na figura anterior identificam-se quatro correntes que necessitam de serem aquecidas ou arrefecidas usando utilidades exteriores. Desta figura é importante Numa primeira abordagem convém guardar alguns conceitos básicos:

i) Correntes Frias – Estas correntes recebem calor porque a sua temperatura precisa de

aumentar e/ou porque sofrem uma mudança de estado por absorção de calor. Estas necessidades são satisfeitas por um fluido de aquecimento.

ii) Utilidades Externas Quente – Fluido de aquecimento exterior ao processo que permuta directamente com as correntes frias de forma a fornecer-lhes calor (vapor de água, fluidos quentes, efluentes gasosos, gases de combustão, entre outros).

iii) Correntes Quentes – Estas correntes cedem calor porque a sua temperatura precisa de diminuir e/ou porque sofrem uma mudança de estado por libertação de calor. Estas necessidades são satisfeitas por um fluido de arrefecimento, usualmente água de refrigeração.

iv) Utilidades Externas Frias – Fluido de arrefecimento exterior ao processo que permuta directamente com as correntes quentes de forma a retirar-lhes calor (água de refrigeração, ar atmosférico, fluido de arrefecimento, entre outros).

v) mínT∆∆∆∆ - Diferença mínima de temperatura atingida entre duas correntes, entre as quais

ocorre troca de calor. Num permutador de calor (PC) em contra-corrente, e segundo os perfis de temperatura das correntes, numa das extremidades do PC a diferença entre a temperatura da corrente quente e da corrente fria é mínima. Este valor é uma imposição do projecto e tem influência nos custos de capital do processo.

19

Figura 14 – Exemplo da integração para diferentes valores de ∆Tmin A integração energética permite reduzir o consumo de utilidades exteriores ao processo aproveitando

os excessos entálpicos de correntes (correntes quentes) para fornecer às correntes com deficiência de entalpia (correntes frias). Assim, procede-se a uma troca de calor, onde a diferença de temperaturas é a força motriz. Na verifica-se que quanto mais exigentes somos em termos da diferença mínima requerida, menor é a quantidade de calor permutada (Q < Q1, na figura 14).

Após uma APE aplicada ao exemplo anterior, as correntes quentes e frias deixam de permutar calor apenas com utilidades externas e passam a permutar também entre si. A aplicação da Integração Energética ao processo anterior origina um novo diagrama do processo esquematizado pela figura 15.

Figura 15 – Diagrama do exemplo 1 após um estudo de integração de processos (PC a laranja – U. Quente; PC a azul –

U. Frias; PC a branco – permuta de calor entre correntes)

O processo integrado apresentado na Figura 15 apresenta sete permutadores de calor, em detrimento dos quatro apresentados na Figura 13. No entanto, o consumo total de energia reduz-se para 1,8 MW. Os custos totais apresentam uma redução de 50%. A questão neste ponto é como se obtém um processo integrado e optimizado, a partir do processo inicial Ao longo dos próximos capítulos apresentam-se metodologias que permitem transformar o processo da figura 13 no processo da figura 15.

Reactor

Coluna de Destilação

Condensador

Vaporizador

Compressor

Produto de Cauda

Alimentação do Reactor

130ºC

190ºC 177,6ºC

235,6ºC

160ºC

220ºC220ºC

180ºC

50ºC

160ºC

160ºC180ºC

270ºC

210ºC

210ºC

80ºC 60ºC

H

T

∆T mín = 20ºC

Q - Possível Recuperação de Calor

Corrente Quente

Corrente Fria

H

T

∆Tmín = 10 ºC

Q1 - Possível Recuperação de Calor

Corrente Quente

Corrente Fria

20

3.2 Obtenção de Dados

A primeira actividade em qualquer análise é a aquisição de dados e sua validação. Os dados podem ser

obtidos a partir de: 1. Medições na unidade actualmente em operação. Embora estes sejam os dados mais reais

muitas vezes as medições são inconsistentes entre si. 2. Simulações que proporcionam valores consistentes. É importante lembrar que a simulação

pode ser utilizada não só para fornecer dados, mas também para prever os impactos dos projectos recomendados na sequência da análise do Ponto de Estrangulamento.

3. Dados de projecto na inexistência de dados reais. Este tipo de dados deve ser usado com cuidado porque mutas vezes a unidade não funciona nas condições iniciais de projecto. Estrangulamento podem ser realizados com o equipamento existente, ou se será necessário equipamento adicional.

Nesta fase, a opinião dos operadores é crucial, porque podem validar alguns dos dados, com base na

sua experiência e porque permitem definir restrições específicas do processo (temperaturas/pressões máximas/mínimas, limitações às trocas de calor).

Uma análise do Ponto de Estrangulamento permite determinar as ineficiências do processo e por

simulação permite a previsão das consequências de cada alteração ao processo. Por exemplo, a alteração da pressão de operação de uma coluna de destilação para melhorar a recuperação de calor pode parecer uma ideia muito atraente, mas é importante verificar se nessas condições a coluna mantém o desempenho desejado.

Após a análise e a identificação das ineficiências torna-se necessário estabelecer os projectos que permitem alcançar essas melhorias. De entre os vários projectos a escolha recai sobre aqueles que têm menores tempos de retorno. Os projectos escolhidos devem também ter em consideração a capacidade do sistema de utilidades (caldeiras e torres de refrigeração).

A obtenção dos dados para o início da análise do Ponto de Estrangulamento requer na maioria dos

casos cerca de 30% do tempo do estudo. O primeiro passo consiste em identificar no processo as necessidades de aquecimento, arrefecimento, vaporização e condensação. Para esse efeito e para cada corrente de processo e utilidades exteriores disponíveis devem obter-se as seguintes propriedades:

� iT – Temperatura inicial;

� fT – Temperatura final;

� M – Caudal mássico; � Cp Calor específico médio (caso não se possa considerar constante, recorre-se à utilização de

vários intervalos de temperatura para os quais o seu valor possa ser considerado aproximadamente constante).

� MCp – Capacidade calorífica média (equivalente a M x Cp);

� vapH∆ – Entalpia de vaporização se ocorrer mudança de fase;

� h – Coeficiente de transferência de calor.

21

A obtenção de dados do processo é efectuada recorrendo a valores de projecto, bases de dados, registos obtidos através da sala de controlo, possíveis medições pontuais e/ou balanços mássicos e entálpicos às Operações Unitárias, através de folhas de cálculo ou simuladores.

Para o Exemplo de Aplicação apresentado anteriormente a Tabela 3 apresenta os dados necessários à sua integração energética.

Tabela 3 – Lista das correntes do processo e utilidades disponíveis referentes ao Exemplo de Aplicação, Gundersen

(2002ª)

iT fT MCp ∆TMCpQ ×= h Descrição (ºC) (ºC) (kW/ºC) (kW) (kW/m2/ºC)

Correntes

1 – Efluente Reaccional 270 160 18 1980a) 0,5 2 – Produto de Cauda 220 60 22 3520 a) 0,5 3 – Alimentação ao Reactor 50 210 20 3200 a) 0,5 4 – Recirculação 160 210 50 2500 a) 0,5

Utilidades Disponíveis

Vapor de alta pressão 250 250 - 5700 2,5 Água de refrigeração 25 30 - 5500 1,0

a) Para o processo químico sem integração energética, estes valores de calor trocado correspondem aos permutadores de calor representados na figura 13

Um factor importante no processo de Integração consiste no estabelecimento de objectivos: Consumo

Mínimo de Energia correspondente ao uso de utilidades exteriores para aquecimento ou arrefecimento, Número Mínimo de Unidades de Transferência de Calor como permutadores de calor, aquecedores ou refrigeradores, e Área Mínima Total de Transferência de Calor.

22

4. CONSUMO MÍNIMO DE ENERGIA – METODOLOGIA DO

PONTO DE ESTRANGULAMENTO

4.1. Construção das Curvas Compostas Segundo a metodologia do Ponto de Estrangulamento, o consumo mínimo de energia pode ser

calculado a partir de um método gráfico e de um algoritmo, antes do projecto da rede de permutadores. O cálculo gráfico exige, para um dado processo, e para cada intervalo de temperatura a adição das variações de entalpia referentes às correntes quentes e frias. Este procedimento pode ser representado num gráfico Temperatura vs Potência Térmica Disponível, onde são construídas as duas curvas compostas (uma para as correntes quentes e uma outra para as correntes frias). Estas curvas representam as necessidades globais do processo em termos de energia e de níveis térmicos.

A construção de cada uma destas curvas envolve a divisão do eixo das temperaturas em diferentes intervalos, definidos pelas temperaturas inicial e final das correntes. O MCp em cada intervalo é igual à soma dos MCp individuais das correntes quentes/frias existentes no intervalo. A título de exemplo ilustra-se na tabela 4 o cálculo da curva composta quente.

Tabela 4 – Construção da Curva composta quente referente ao Exemplo de Aplicação, Gundersen (2002ª)

Intervalo, i ∆∆∆∆Hi, kW ∆∆∆∆Hacum T, ºC

5500 270 III 18 x(270-220)=900 4600 220 II (22 + 18) x(220-160)=2400 2200 160

I 22 x(160-60)=2200 0 60

As figuras 16 e 17 representam este procedimento referente ao Exemplo de Aplicação:

23

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000Q (kW)

T (

ºC)

Corrente 1

MCp = 18 kW/ºC

Q = 1980 kW

Corrente 2

MCp = 22 kW/ºC

Q = 3520 kW

MCp = 22 kW/ºC

MCp = 40 kW/ºC

MCp = 18 kW/ºC

Curva Composta Quente

Figura 16 –Correntes quentes e Curva Composta Quente referentes ao Exemplo de Aplicação

0

30

60

90

120

150

180

210

240

0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000

Q (kW)

T (

ºC)

Curva Composta Fria

Corrente 4

MCp = 50 kW/ºC

Q = 2500 kW

Corrente 3

MCp = 20 kW/ºC

Q = 3200 kW

MCp = 20 kW/ºC

MCp = 70 kW/ºC

Figura 17 – Correntes frias e Curva Composta Fria referentes ao Exemplo de Aplicação A representação gráfica em simultâneo das curvas compostas quente e fria, para um determinado

valor de mínT∆ , definido pelo mínimo afastamento entre a temperatura das correntes quentes e frias, é

um dos métodos para a determinação dos objectivos energéticos. Para cada valor de mínT∆ , é possível por

leitura dos patamares de energia remanescentes, determinar a quantidade mínima de utilidades exteriores a utilizar. Assim através desta representação é possível determinar:

1. A quantidade máxima de energia que é possível recuperar por transferência de calor entre as

correntes do processo, recuperadoQ , representada a tracejado na figura;

2. A quantidade mínima de calor exterior a fornecer ao processo por uma utilidade quente: Q,mínQ

e a quantidade mínima de calor a retirar ao processo, utilizando uma utilidade fria: mínFQ , ;

3. Localizar o Ponto de Estrangulamento, para um dado mínT∆ .

24

Figura 18 –Curvas Compostas Fria e Quente

A representação, num mesmo diagrama, para mínT∆ = 20ºC, das curvas compostas referentes ao

exemplo 1, permite determinar o valor das metas (targets) potenciais:

� Temperatura da corrente Quente no PE = 180 ºC ;

� Temperatura da corrente Fria no PE = 160 ºC

� Ut. Quente mínima = 1000 kW

� Ut. Fria mínima = 800 kW

� Quantidade Máxima de Calor Recuperado = 4700 kW, este valor é calculado a partir do valor

de Ut. Quente requerido pelo processo sem integração, que consta da Tabela 3, e do valor

mínimo de Ut. Quente agora encontrado: (3200 + 2500) – 1000 = 4700 kW

O valor de mínT∆ é a menor diferença de temperaturas permitida entre as correntes quentes e frias.

Para fazer variar o valor de ∆Tmin na representação em simultâneo das duas curvas compostas, basta fazer

uma translação horizontal da curva composta fria. Para cada valor de ∆Tmin, é possível por leitura dos patamares de energia remanescentes, determinar a quantidade mínima de utilidades exteriores a utilizar.

A análise da variação de mínT∆ conduz às seguintes conclusões:

� Quanto menor for mínT∆ , maior é a transferência de calor entre as correntes do processo e,

consequentemente, menor é o consumo de utilidades exteriores; � A área de transferência de calor e o custo de equipamento associado diminui com um aumento

do mínT∆ ;

� O valor de 0=∆ mínT corresponde à quantidade máxima de calor que é possível trocar entre

as correntes de processo e a uma área de transferência de calor infinita pois, neste caso, a força motriz para transferência de calor é nula no PE (figura 19).

Verifica-se que existem várias condicionantes para fixar mínT∆ . É necessário estabelecer uma forma

de o determinar que entre em consideração com todos estes factores. Assim, o valor óptmínT∆ (diferença de

temperaturas mínima óptima) é determinado segundo uma optimização do Custo Total.

0

50

100

150

200

250

300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Q (kW)

T (ºC)

Q F,min

Q Q,min Q recuperado

∆ T min

PE

25

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000Q (kW)

T (

ºC)

1) 2) 3)

1) ∆Tmín = 0ºC; QUQ = 200 kW; QUF = 0 kW

2) ∆Tmín = 20ºC; QUQ = 1000 kW; QUF = 800 kW

3) ∆Tmín = 30ºC; QUQ = 1400 kW; QUF = 1200 kW

Figura 19 – Posicionamento da Curva Composta Fria face à Curva Composta Quente para vários valores de mínT∆ A identificação do PE do processo permite dividir o processo em duas zonas distintas: a zona acima do

PE e a zona abaixo do PE, conforme se esquematiza na figura 20.

Entalpia

Tem

pera

tura

Fonte de Calor

Absorvedora de Calor

Ponto de

Estrangulamento

Figura 20 – Representação do Ponto de Estrangulamento (PE), zona acima do PE ou zona absorvedora de calor e zona

abaixo do PE ou fonte de calor

Na zona acima do PE as correntes quentes são totalmente arrefecidas com as correntes frias do processo. A necessidade suplementar de aquecimento das correntes frias é obtida através de uma utilidade quente, pelo que esta zona se denomina por absorvedora de calor. Por outro lado, na zona abaixo do PE todas as correntes frias são aquecidas por transferência de calor com as correntes quentes do processo. Qualquer excesso de energia do processo é retirado através de uma utilidade fria. Esta zona denomina-se por fonte de calor.

26

Para garantir um consumo mínimo de energia é necessário ter em conta os seguintes princípios da Análise de Ponto de Estrangulamento:

1. Não se deve arrefecer na zona acima do PE

A saída de uma quantidade de calor Q1 da zona absorvedora de calor vai ter de ser reposta com um acréscimo dessa mesma quantidade na utilidade quente, para manter o balanço energético.

2. Não se deve aquecer na zona acima do PE A entrada de uma quantidade de calor Q2 da zona fonte de calor vai ter de ser compensada com um acréscimo dessa mesma quantidade na utilidade fria para manter o balanço energético.

3. Não se deve transferir calor através do PE.

Qualquer quantidade de calor Q que se transfira através do PE, implica que uma vez que há uma saída de

calor da zona absorvedora e uma entrada na zona fonte de calor. Isto implica um aumento dessa quantidade nas utilidades quentes e frias.

a) b)

Figura 21 – Formas de transgredir o PE: a) Transferência de calor no processo através do PE; b) Utilidade Fria acima do PE e/ou Utilidade Quente abaixo do PE

4.2. Construção da Cascata de Calor A determinação do consumo mínimo de utilidades externas a partir das curvas compostas é pouco

correcta pois baseia-se numa construção gráfica. Neste sentido, recorre-se a um algoritmo para essa determinação, a Cascata de Calor. Através deste método alternativo também é possível obter os consumos mínimos de utilidades e a localização do PE. A ideia base deste método é verificar, para cada intervalo de temperaturas, a quantidade entálpica disponível entre as várias correntes de processo aí existentes e transferir o excesso de entalpia de cada nível térmico para o nível imediatamente inferior.

1. O primeiro passo consiste em calcular as temperaturas corrigidas para correntes frias 'FT e para as

correntes quentes 'QT :

2' mín

FriaF

TTT

∆+=

Entalpia (kW)

Tem

pera

tura

(ºC

)

QUQ+Q

Q

QUF+Q

Existe transferência de calor Q através do PE

Entalpia (kW)

Tem

pera

tura

(ºC

)

QUQ+Q1

QUF+Q2

Uso inadequado de utilidades: -Arrefecimento acima PE - Aquecimento abaixo do PE

Q1

Q2

27

2' mín

QuenteQ

TTT

∆−=

A definição destas temperaturas permite garantir que em qualquer intervalo de temperatura as

temperaturas das correntes quentes e frias diferem de mínT∆ . Para o Exemplo de Aplicação, a tabela 5

resume as temperaturas corrigidas das correntes deste processo. A coluna 1 representa, por ordem

decrescente, as temperaturas corrigidas, definindo os intervalos i . A coluna 2 representa esquematicamente as correntes de processo, suas temperaturas corrigidas iniciais e finais e o valor de

MCp de cada uma delas.

Tabela 5 – Temperaturas corrigidas para as correntes de processo do Exemplo de Aplicação ( )CTmín º20=∆

iT fT 'iT

'fT

Corrente (ºC) (ºC) (ºC) (ºC)

1 270 160 260 150 2 220 60 210 50 3 50 210 60 220 4 160 210 170 220

2. O segundo passo consiste em, para os novos intervalos de temperaturas corrigidas, efectuar um

balanço de energia:

'

..i

QuentesCQ

FriasCFi TMCpMCpQ ∆

−= ∑∑

Nesta expressão, para o intervalo de temperaturas i , 'iT∆ é a diferença de temperaturas corrigidas e

iQ é o balanço de energia do intervalo. A grandeza representada entre parêntesis corresponde a iMCp∆

do intervalo i . Se as correntes frias predominarem sobre as correntes quentes, então existe um défice de

calor no intervalo em causa e 0>iQ . No caso das correntes quentes predominarem sobre as correntes

frias, então para esse intervalo existe um excesso de calor e 0<iQ . As colunas 3, 4 e 5 resultam da

aplicação da expressão anterior, explicitando, respectivamente, 'iT∆ , iMCp∆ , e iQ .

3. O terceiro passo consiste em realizar a cascata de calor. Obtidos os valores de iQ , e sabendo que,

como anteriormente referido, o excesso de calor no intervalo i pode suprimir/diminuir uma deficiência de

calor no intervalo seguinte, 1+i , procede-se à construção da cascata de calor. Numa primeira etapa

considera-se que nenhuma quantidade de calor externa é fornecida ao processo, ou seja, 0=UQQ , como

exemplificado na coluna 6. Os valores de Qi são então propagados a todos os intervalos. Uma vez que não é possível transferir calor de um nível térmico inferior para um intervalo superior, tal como sugerem os valores de entalpia acumulados negativos. Assim, estes valores devem ser eliminados, refazendo uma nova cascata, coluna 6, onde a quantidade de utilidade quente a fornecer ao processo deve ser igual, em valor absoluto, ao valor mínimo da.

28

A cascata de calor final permite tirar as mesmas conclusões que a construção das curvas compostas, tais como:

� O PE corresponde à temperatura corrigida para a qual não existe transferência de calor entre níveis térmicos. Para o Exemplo de Aplicação, o PE corresponde a uma temperatura corrigida de 170ºC, traduzindo-se em 160ºC para as correntes frias e em 180ºC para as correntes

quentes, dado que o CTmín º20=∆ .

� O valor mínimo de utilidade quente necessário ao funcionamento do processo é de 1000 kW e último nível térmico de 800 kW, corresponde ao valor utilidade fria mínima.

Para cada valor de mínT∆ , a obtenção dos consumos mínimos de utilidades externas e o PE do

processo, exige o cálculo de uma nova cascata de calor, através do algoritmo descrito anteriormente.

Tabela 6 – Cascata de Calor do Exemplo de Aplicação ( )CTmín º20=∆

1 3 4 5 6 8

T' ∆∆∆∆T'i ∆∆∆∆MCp ∆∆∆∆Qi

(ºC) (ºC) (kW/ºC) (kW)

260 1

220 720 1720

210 2 200 1200

170 4 -1000 0

150 -600 400

60 3 -420 580

50 -200 800

MCp (kW/ºC) 18 22 20 50 QUF = 800

-400

-180

-220

QUQ = 0

Cascata de Calor (kW)

-720

520

40

10

40 30

52

-18

2 7

10 -22

-2

-20

1200

QUQ = 1000

20

90

Q1=-720

Q2=520

Q3=1200

Q4=-400

Q5=-180

Q6=-220

?

29

5. ESCOLHA DO VALOR DE ∆∆∆∆TMIN ÓPTIMO

A escolha do valor de ∆Tmin pode ser obtida por análise da rede de permutadores existente na unidade industrial, por regras heurística ou por cálculo do seu valor óptimo pela determinação do custo total mínimo.

Através da cascata de calor ou das curvas compostas é possível calcular os consumos de utilidades mínimas quentes e fria e consequentemente os custos de energia. Uma vez obtida uma estimativa destes custos é necessário obter uma estimativa dos custos do equipamento. A optimização do processo deve ser conduzida pelo mínimo dos custos totais, definidos por:

oEquipament do Custo Energético Custo TotalCusto +=

Os custos de equipamento estão relacionados com vários factores, entre os quais o número total de

unidades na rede de permutadores de calor (RPC) e a área total de transferência de calor da rede. Para além destes dois factores, aqui analisados, outros também influenciam os custos de equipamento, tais como o número de caixas do Permutador de Calor, materiais de construção, tipo de equipamento, pressão de trabalho, Smith (1995).

Nas secções seguintes serão introduzidos os conceitos que permitem obter alguns dos valores referidos.

5.1. Número Mínimo de Unidades A Rede de Permutadores de Calor (RPC) inclui as unidades de permuta de calor entre correntes ou

entre correntes e utilidades. Nesta etapa interessa fazer uma estimativa do número de unidades de transferência de calor, através da regra de Euler. Esta regra, indica que o número de unidades mínimas de uma rede com integração é calculado por:

SLNU −+=

onde U representa o número de unidades, N é o número total de correntes e utilidades enquanto L é o

número de ciclos independentes e S o número de subsistemas independentes. A figura 4.7 apresenta um exemplo genérico, em que os círculos representam correntes de processo

ou utilidades, enquanto as linhas representam permutadores de calor. A zona superior é referente a correntes e utilidades quentes, enquanto a zona inferior é referente a correntes e utilidades frias. Na figura 4.7a , existem 8 correntes e utilidades e um ciclo fechado entre f3, f4, q3, q4, representado a vermelho. Por aplicação da regra de Euler U = 8 + 1 -1 = 8, logo existem 8 unidades de transferência, aqui

30

representado pelos traços que ligam os círculos. Na figura 4.7b , existem 8 correntes e utilidades, nenhum ciclo fechado, mas existem 2 processos. Por aplicação da regra de Euler, neste caso, U = 8 + 0 -2 = 6.

U = 8 + 1 -1 = 8 U = 8 + 0 -2 = 6 a) b)

Figura 22 –Representações esquemáticas de redes de permutadores de calor (adaptado de Smith (1995))

De forma a minimizar o número de unidades será desejável que na RPC final o número de ciclos L

seja nulo e que o número de subsistemas independentes S fosse maximizado. No entanto em casos reais, é

pouco provável que QMCp iguale FMCp , e assim sendo, assume-se que, em geral, apenas existe um

subsistema independente ( 1=S ). O cálculo do número de unidades mínimo é realizado por:

1−= NUmínimo

Assim basta saber o número de correntes e de utilidades para saber quantos PCs são necessários à

construção da RPC. Para minimizar o consumo de energia proveniente do exterior é necessário respeitar a divisão do

processo no PE. A rede de permutadores de calor será construída independentemente e, neste caso, tem-se

que o número de unidades de transferência é calculado por (considerando que 0=L ):

( ) ( ) PE AbaixoPE AcimaMER , SNSNUmínimo −+−=

MER,mínimoU representa o número mínimo de PCs que garante o Mínimo de Energia Requerida do

exterior (rede MER). O número de correntes e utilidades existentes acima e abaixo do PE, pode ser obtido através da observação da cascata de calor. A partir dos dados referentes ao Exemplo de Aplicação é

possível determinar mínimoU e MER,mínimoU :

Tabela 7 – Cálculo do número mínimo de permutadores de calor para o Exemplo de Aplicação

mínimoU = (4 + 2) – 1 = 5

MER,mínimoU = [(4 + 1) – 1] + [(3 + 1) – 1] = 7

O número de utilidades é contabilizado em função do tipo de utilidades a utilizar , por exemplo agua

de arrefecimento e fluido de refrigeração, indicariam que número de utilidades seria 2.

q 1 q 2 q 3 q 4

f 1 f 2 f 3 f 4

q 1 q 2 q 3 q 4

f1 f 2 f 3 f 4

31

5.2. Área Total de Transferência de Calor O custo de equipamento é não só função do número de unidades de transferência de calor, como

também da área de transferência de calor. Este cálculo constitui uma estimativa, já que é efectuado antes do projecto da rede.

Este processo envolve várias etapas: 1. Construção das Curvas Compostas Balanceadas (CCB), com a introdução das utilidades exteriores

nas curvas compostas. A figura 23 apresenta as Curvas Compostas Balanceadas referentes ao

Exemplo de Aplicação, para um mínT∆ de 20ºC, onde se evidencia a inclusão de vapor de alta

pressão e de água de refrigeração.

2. Divisão das CCB em intervalos verticais de potência térmica.

3. Para cada intervalo assume-se que existe transferência de calor vertical entre as correntes representadas nessa zona das curvas compostas, assinaladas pelo sentido das setas na figura 4.8. Neste caso optimizam-se as driving forces, minimizando a área de transferência de calor total.

Figura 23 –Curvas Compostas Balanceadas referentes ao Exemplo de Aplicação ( )CTmín º20=∆

4. Cálculo da área de transferência de calor total da RPC correspondente:

∑ ∑∑

+

∆=

K

k

J

j j

jI

i i

iRPC

h

q

h

q

TA

kln

1

em que a equação anterior RPCA é a área de transferência de calor total da RPC, I e J são o número total

de correntes quentes e frias no intervalo k , respectivamente, K é o número total de intervalos

entálpicos, ih e jh são os coeficientes de transferência de calor para cada corrente quente ( i ) ou fria

0

5

10

15

20

25

30

0 100

200

300

400

500

600

700 Entalpia (kW)

Tem

pera

tura

(ºC

)

Água de Arrefecimento

Vapor de Alta Pressão

32

( j ) no intervalo k , iq e jq são as variações de calor de cada corrente quente ( i ) ou fria ( j ) no

intervalo k e k

Tln∆ é a média logarítmica das temperaturas no intervalo k , definida pela expressão:

[ ] [ ]( )( )

−

−

−−−=∆

if

fi

iffi

k

FQ

FQ

FQFQ

TT

TT

TTTTT

ln

ln

As temperaturas na expressão anterior são definidas, para cada intervalo k , segundo a figura seguinte:

Entalpia

Tem

pera

tura

TQf

TFi

TFf

TQi

Intervalo k

Figura 24 – Definição de temperaturas para um intervalo entálpico genérico k.

Quando TQf – TFi = TQi - TFf , a expressão anterior será:

[ ]fik FQ TTT −=∆ ln

Sempre que os coeficientes de transferência de calor forem semelhantes, é possível usar um coeficiente global de transferência de calor para as correntes do processo:

∑ ∆=

K

k

kRPC

kTU

QA

ln

O cálculo da área de transferência de calor total da RPC correspondente ao Exemplo de Aplicação traduz-se em 640 m2. A tabela 8 e a Figura 25 apresenta os valores de calor trocado, diferença logarítmica de temperaturas e área parcial para cada intervalo k.

Tabela 8 – Cálculo da Área Total da RPC para o Exemplo de Aplicação, com ( )CTmín º20=∆

33

Figura 25 – Curvas balanceadas para o Exemplo 1, cálculo da área. Este método de cálculo, constitui uma estimativa grosseira, devido às aproximações relativas aos

coeficientes de transferência de calor e ao facto da transferência de calor vertical não ser válida, i. e., poder haver transferência de calor entre correntes/utilidades quentes e correntes/utilidades frias situadas em intervalos diferentes. Apesar da importância destas limitações, este método constitui uma aproximação razoável, com erros inferiores a 10 a 20%, sempre que os coeficientes de transferência de calor não diferem de uma ordem de grandeza.

5.3. Minimização do Custo Total O cálculo do custo total anual é baseado no custo correspondente ao consumo energético mínimo de

utilidades e no custo dos PC´s (função do número mínimo de permutadores de calor e da área de transferência de calor mínima). Para o cálculo dos valores anuais, é necessário conhecer também parâmetros económicos, como sendo:

� Período de retorno – tempo necessário para repor o investimento a partir das poupanças obtidas

� Taxa de rentabilidade – indicador da qualidade de desempenho do investimento efectuado; � Tempo de operação por ano – número total de horas que a unidade funciona no período de um

ano. A partir das curvas compostas balanceadas, assume-se que toda a área calculada distribui-se

igualmente por todos os permutadores de calor, calculando-se uma Área média por PC, Am (dado não se conhecer a real distribuição) e o seu custo é dado por:

( )cAmba +=PC do Custo

34

onde a , b e c são constantes da lei de custos e usualmente dependem do material de construção, gama

de pressões de trabalho e tipo de permutador de calor e Am é a área média de um permutador de calor.

Após o cálculo da área total mínima da RPC, Am é obtida dividindo RPCA pelo número de unidades

mínimo, MER,mínimoU . Neste caso, o custo do equipamento para a rede traduz-se por:

+=

c

mínimo

RPCmínimo U

AbaU

MER ,MER ,RPC da Custo

Os custos de equipamento podem ser anualizados por aplicação do seguinte factor:

( ) ( )( )

−++=

11

1PC R da CustotoInvestimen de anual Custo n

n

i

ii

Onde i é a taxa de rentabilidade do projecto e n é o número de anos referente ao período de retorno.

O custo total anual corresponde à soma dos custos anuais de investimento e dos custos anuais energéticos. Estes últimos são obtidos a partir dos custos unitários das utilidades e do consumo energético mínimo determinado pela cascata de calor.

Para o caso do Exemplo de Aplicação, a tabela seguinte resume os parâmetros referentes aos custos de equipamento e aos dados económicos a considerar. Os custos das utilidades são, respectivamente, 173,47 €/kW.ano e 3,06 €/kW.ano, para o vapor de alta pressão e a água de arrefecimento.

Tabela 9 –Parâmetros referentes aos custos totais, Exemplo de Aplicação

Para cada valor de mínT∆ é possível estimar o cálculo do custo total anual e obter o valor de óptmínT∆ .

Os custos energéticos, custos de equipamento e subsequentemente os custos totais para vários valores

de mínT∆ : de 5 a 40ºC, com um passo de 1ºC.

35

Figura 26 –Perfis de Custos considerados na resolução do Exemplo de Aplicação, a Custo Total Custo Equipamento Custo Energéticol

A observação da Figura 26 permite tirar algumas conclusões. O custo energético aumenta linearmente

com o aumento do valor de mínT∆ . Já o custo de equipamento apresenta uma variação diferente. Este

custo diminui com o aumento do valor de mínT∆ , uma vez que é necessário disponibilizar menos área para

a transferência de calor. O custo total apresenta um mínimo correspondente ao melhor compromisso entre o investimento em Área de Permutador de Calor e o consumo energético. No caso do exemplo 1, o valor de

∆Tminopt corresponde a 12 ºC e a um custo total de 279 781 €/ano.

5.4. óptmín∆T de processos sem PE: Threshold Problems

Existem processos para os quais não existe Ponto de Estrangulamento (PE), isto é, até determinado

valor de mínT∆ apenas se necessita de utilidade quente ou fria; este é denominado por transiçãoT∆ :

Utilidade QUF

QUQ

∆Ttransição

∆Tmín Figura 27 – Definição de transiçãoT∆

36

Na figura 28 apresentam-se as curvas compostas para um processo que necessita de utilidades quentes

ou de utilidades frias. Conforme as curvas compostas são movidas segundo a horizontal, as necessidades de

utilidades diminuem, até que se elimina o consumo de uma destas e se atinge o transiçãoT∆ , conforme

ilustrado na figura 28b. Nesta configuração, as curvas compostas encontram-se alinhadas no extremo de

localização de utilidade quente. A partir deste ponto, qualquer que seja o valor de transiçãomín TT ∆<∆ , o

consumo energético é constante, como apresentado na figura28c. Enquanto num dos extremos o consumo de utilidade fria diminui, no outro extremo aumenta na mesma proporção.

Processo possui PE;Necessárias ambas as utilidades.

Entalpia

Tem

pera

tura

∆∆∆∆Tmin >>>> ∆∆∆∆TTransição

Entalpia

Tem

pera

tura

∆∆∆∆Tmin >>>> ∆∆∆∆TTransição

Entalpia

Tem

pera

tura

∆∆∆∆Tmin ==== ∆∆∆∆TTransição

Entalpia

Tem

pera

tura

∆∆∆∆Tmin ==== ∆∆∆∆TTransição

Entalpia

Tem

pera

tura

∆∆∆∆Tmin <<<< ∆∆∆∆TTransição

Entalpia

Tem

pera

tura

∆∆∆∆Tmin <<<< ∆∆∆∆TTransição

Processo não possui PE;Consumo energético constante.

a) b) c)

Figura 28 – Diferentes utilizações de utilidades em processo com transiçãoT∆

Os custos energéticos são constantes para valores de mínT∆ inferiores a transiçãoT∆ , estes são

constantes. Para a curva de custos totais verifica-se que para casos como os aqui descritos, o mínimo se

situa num valor de transiçãomín TT ∆≥∆ , como apresentado na figura 29.

Cus

to

Total

Energético

Equipamento

∆Tmín∆Ttransição

Óptimo

Cus

to

Total

Energético

Equipamento

∆Tmín∆Ttransição

Óptimo

a) b)

Figura 29 – Custos totais, de equipamento e energéticos para Threshold problems

A figura anterior mostra que nestes casos o óptmínT∆ nunca pode ocorrer para valores de mínT∆ menores

que aquele.

37

6. CONSTRUÇÂO DA REDE PERMUTADORES DE CALOR CORRESPONDENTE AO MÍNIMO DE ENERGIA

REQUERIDA (MER)

6.1. Redes Simples

A figura seguinte apresenta as correntes do processo do Exemplo de Aplicação, com indicação do PE, temperaturas de entrada e saída e capacidades caloríficas.

Figura 30 – Diagrama de rede referente ao processo do Exemplo de Aplicação Descrevem-se de seguida as etapas para a construção da RPC (MER) correspondente a um consumo

mínimo de energia: 1. A rede é dividida na zona do PE, para evitar a transferência de calor através do PE que

acarretaria uma aumento do consumo de utilidades, tal como explicado no capítulo 4. 2. Na figura anterior, identifica-se a zona abaixo do PE na zona direita, enquanto a zona esquerda

representa a zona acima do PE. O PE identifica a região mais limitada do processo. Nas imediações deste, a diferença de temperaturas entre correntes quentes e frias é,

exactamente, mínT∆ . Por esta razão, as possibilidades de troca de calor nesta região são

severamente limitadas, pelo que a construção da rede deve ser efectuada a partir do PE. 3. A construção da rede nas zonas imediatamente acima e abaixo do PE devem obedecer-se às

seguintes regras, que constam da figura seguinte. As relações apontadas na tabela são

38

necessárias para garantir que no PE se verifica a menor diferença de temperaturas entre

correntes quentes e frias e que esta corresponde ao valor de mínT∆ .

4. Efectuam-se trocas de calor entre as correntes de processo, de modo a satisfazer a corrente com menor necessidade entálpica. Este procedimento visa diminuir o número de permutadores de calor da rede final, implicando menores custos de equipamento.

5. Para os permutadores de calor a colocar afastados da zona do PE é necessário considerar: A utilidade fria não deve ser usada acima do PE: todas as correntes quentes têm de ser arrefecidas até à temperatura do PE por troca de calor com as correntes frias; A utilidade quente não deve ser usada abaixo do PE: todas as correntes frias têm de ser aquecidas até à temperatura do PE por troca de calor com as correntes quentes.

Figura 31 – Esquematização das regras práticas para a construção da RPC na zona imediatamente junto ao PE

Zona acima do PE

No que respeita ao Exemplo de Aplicação, as possibilidades de troca de calor nesta zona, junto ao PE são:

Acima PE

?FQ NN ≤

FQ NN == 2

?FQ MCpMCp ≤

Ligações viáveis 18 ���� 20 18 � 50 22 ���� 50

Atendendo à tabela anterior as correntes 1 e 3 e 2 e 4 irão permutar entre si junto ao PE. Para decidir qual a quantidade máxima permutada é necessário calcular a quantidade de energia

envolvida em cada corrente nesta zona acima do PE, tal como consta da coluna 3 da Figura 32.

Abaixo do PE

NQ , NF - Número total de correntes quentes / frias na zona considerada.

MCpQ , MCpF - Capacidade calorífica global da corrente quente/fria

Acima do PE

NQ ≤ NF

MCpQ ≤ MCpF

∆∆∆∆Tmin

Entalpia

Temperatur

PE

∆∆∆∆T <

MCpQ > MCpF

∆∆∆∆Tmin

Entalpia

Temperatur

PE

∆∆∆∆T >

MCpQ <

NQ ≥ NF

MCpQ ≥ MCpF

∆∆∆∆Tmin

Entalpia

Temperatur

PE

∆∆∆∆T <

MCpQ <

∆∆∆∆Tmin

Entalpia

Temperatur

PE

∆∆∆∆T >

MCpQ >

39

Assim a o arrefecimento da corrente 2 será realizado com a corrente 4, sendo o valor da permuta o mínimo entre os 880 e 2500 kW.

MCp ∆T ∆H (kW/ºC) (ºC) (kW)

18 90 1620 22 40 880 20 50 1000 50 50 2500

Figura 32 – Zona acima da rede de permutadores A corrente 2 fornece toda a sua entalpia disponível à corrente 4, no entanto esta não satisfaz todas as

suas necessidades entálpicas. Assim sendo a temperatura da corrente 4 passará para:

( ) Cº6,177160T50880 4,f,4 =⇔−= fT

Quanto à permuta entre as correntes 1 e 3 a deficiência de calor da corrente 3 é totalmente

satisfeita:

( ) Cº6,235180T810001 1,i,1 =⇔−= iT

A restante rede é concluída introduzindo um PC entre 1 e 4, de modo a que a corrente 1 transfira o

restante excesso entálpico. Esta troca de calor já se situa afastada da zona mais condicionada, pelo que as condições das Regras Práticas não necessitam obrigatoriamente de ser verificadas.

( ) ( )( ) Cº1906,177T50620

kW6206,23527018

4,f,4

41

=⇔−==−=↔

f

PC

T

Q

Por fim, na zona acima do PE, figura 32, apenas a corrente 4 necessita ainda de receber mais calor. Dado que as correntes quentes já forneceram toda a sua entalpia disponível, resta introduzir uma utilidade quente externa ao processo:

( ) ( ) kW1000190210504 =−=↔UQPCQ

Figura 33 – Zona acima da rede de permutadores completa

40

Zona abaixo do PE No que respeita ao Exemplo de Aplicação, as possibilidades de troca de calor nesta zona, junto ao PE

são:

Abaixo PE

?FQ NN ≥

FQ NN =≥= 12

?FQ MCpMCp ≥

Ligações viáveis 22 � 20

MCp ∆T ∆H (kW/ºC) (ºC) (kW)

18 20 360 22 120 2640 20 110 2200

Figura 34 – Zona abaixo da rede de permutadores O mesmo procedimento é efectuado para a zona abaixo do PE. Neste caso, apenas existe uma corrente

fria (3) que, na zona junto ao PE, apenas pode permutar com a corrente 2. A necessidade entálpica da corrente 3 fica totalmente satisfeita por troca energética com a corrente

2:

( ) ( )( ) Cº80T-180222200

kW22005016020

2,f,2

32

=⇔==−=↔

f

PC

T

Q

Para concluir a rede, apenas as correntes quentes necessitam de trocar calor, pelo que se introduz a

água de refrigeração. Esta utilidade arrefece ambas as correntes quentes, como apresentado na Figura 34. Para a corrente 1 tem-se:

( ) ( ) kW360160180181 =−=↔UFPCQ

A corrente 2 libertará a sua restante entalpia também para a utilidade fria:

( ) ( ) kW4406080222 =−=↔UFPCQ

No total as necessidades de utilidade fria são:

kW800440360total , =+=UFQ

41

Figura 35 –Rede MER referente ao Exemplo de Aplicação ( )CTmín º20=∆

A rede obtida nesta fase requer os mesmos consumos energéticos que anteriormente foram previstos pelas curvas compostas e pela cascata de calor. Em alternativa outras redes MER podem ser obtidas, desde que cumpram as regras anteriormente descritas. A escolha entre várias redes diferentes é efectuada através de uma análise económica.

6.2. Redes com Divisão de Correntes: Stream Splitting No Exemplo de Aplicação facilmente se construiu na secção anterior uma rede MER em que se

verificam todas as regras e princípios. No entanto, outros casos surgirão em que não é possível cumprir as regras práticas da metodologia Figura 30, sendo necessário adoptar uma nova estratégia para a construção da RPC.

Considere-se um segundo Exemplo de Aplicação II cujas características das correntes constam da tabela 10.

Tabela 10 – Características das correntes do Exemplo de Aplicação II

A construção da cascata para um ∆Tmin de 20 ºC está ilustrada na Figura 36. Atendendo à

42

Figura 37 verifica-se que as regras enunciadas na Figura 31 não se verificam. Na zona acima do PE não é cumprida a regra do número de correntes e na zona abaixo não se verifica a regra do MCp. Em situações deste tipo, deve recorrer-se a um stream splitting, isto é, dividir uma corrente em dois ramos, de modo a

diminuir os valores de MCp .

Em seguida, apresentam-se os procedimentos a adoptar quando surgem casos em que não existem possibilidades de integração segundo as regras estabelecidas anteriormente.

Figura 36 – Cascata de calor referente ao Exemplo de Aplicação II( )CTmín º20=∆

43

Figura 37 – Estrutura inicial para a construção da rede MER referente ao Exemplo de Aplicação II

Zona acima do PE O procedimento a adoptar encontra-se esquematizado na Figura 38. Numa fase inicial faz-se o

levantamento do número de correntes quentes e frias e os respectivos valores de MCp na zona

imediatamente acima do PE. Nesta zona não é permitida a utilização de utilidade fria. Assim, quando a condição referente ao número de correntes quentes e número de correntes frias não é verificada Figura 39a , haverá correntes quentes que não poderão ser arrefecidas até à temperatura do PE, sem violar o valor de

mínT∆ . A solução reside em dividir uma corrente fria em dois ramos paralelos, conforme indicado na Figura

39b. Nesta nova situação, todas as correntes quentes têm uma corrente fria com a qual podem trocar calor, para arrefecerem até à temperatura do PE.

Análise de NQ,NF, MCpQ e deMCpF das

correntes no PE

DividirCorrente Fria

DividirCorrente Quente

Colocar PC

?FNQN ≤?FQ MCpMCp ≤Sim Sim

Não

Não

Figura 38 – Sequência a seguir na construção da rede MER quando não se cumprem as regras práticas e princípios básicos na zona acima do PE, Smith (1995)

44

1

2

3

4

5

PE

100ºC

100ºC

100ºC

90ºC

90ºC

T>90ºC

T>90ºC

1

2

3

4

5

PE

100ºC

100ºC

100ºC

90ºC

90ºC

a) b)

Figura 39 – Divisão de correntes no caso de se verificar que o número de correntes quentes é maior que o das frias Caso a condição do número de correntes se verifique, a análise seguinte consiste em verificar a

condição referente aos MCp . A Figura 40a exemplifica um caso em que esta não se verifica, Smith (1995).

Apesar de o número de correntes quentes ser inferior ao número de correntes frias, a única corrente

quente existente nesta zona apresenta um valor de MCp superior a qualquer um dos MCp das correntes

frias. A solução passa por dividir a corrente quente em duas, de modo que os valores de MCp das

correntes resultantes permitam as trocas de calor entre correntes quentes e frias Figura 40b .

1

PE

2

3

Cp

5

4

3

100ºC

90ºC

90ºC

1

PE

2

3

Cp

3

4

3

100ºC

90ºC

90ºC

2

QMCp

QN ≤≤ FMCp

FN

5 4 3

QMCp

QN ≤≤ FMCp

FN

3 2

4 3

a) b)

Figura 40 – Não cumprimento da regra do MCp implica uma divisão de correntes, Smith (1995)

Zona abaixo do PE

45

De um modo semelhante ao anteriormente descrito para a zona acima do PE, também a zona abaixo do PE poderá não satisfazer as regras de construção da RPC. Assim sendo, a metodologia a utilizar é a que se ilustra na

Figura 41.

Análise de NQ,NF, MCpQ e deMCpF das

correntes no PE

DividirCorrente Quente

DividirCorrente Fria

Colocar PC

?FNQN ≥?FQ MCpMCp ≥Sim Sim

Não

Não

Figura 41 – Sequência a seguir na construção da rede MER quando não se cumprem as regras

enunciadas para a zona abaixo do PE, Smith (1995) Na zona imediatamente abaixo do PE, o número de correntes frias deve ser menor ou igual ao número

de correntes quentes.

Figura 42 a exemplifica um caso em que tal não se verifica. A solução reside em dividir uma corrente quente em duas. Assim, todas as correntes frias possuem uma corrente quente com a qual podem permutar entalpia, evitando a introdução de utilidade quente na zona abaixo do PE.

1

2

3

4

5

PE

100ºC

100ºC

90ºC

90ºC

T>90ºC

T<100ºC

90ºC

T<100ºC 1

2

3

4

5

PE

100ºC

100ºC

90ºC

90ºC

T>90ºC

90ºC

a) b)

46

Figura 42 –Divisão de correntes no caso de se verificar que o número de correntes quentes é menor que o número de correntes frias na zona abaixo do PE, Smith (1995)

Seguindo a sequência do algoritmo apresentado, além da condição de número de correntes pode surgir

um outro impedimento no que diz respeito aos valores de MCp . A figura 43 exemplifica um caso em que a

condição aqui aplicável não se verifica, Smith (1995).

1

PE

2

3

Cp

5

4

7

100ºC

90ºC

100ºC

1

PE

2

3

Cp

5

4

3

100ºC

90ºC

4

100ºC

QMCp

QN ≥≥ FMCp

FN

5 4

7

QMCp

QN ≥≥ FMCp

FN

5 4

4 3

a) b)

Figura 43 – O não cumprimento da regra do MCp impõe a divisão de uma corrente fria, na zona abaixo do PE, Smith

(1995)

Apesar de na Figura 43 a número de correntes frias ser inferior ao número de correntes quentes, a

única corrente fria do processo apresenta um valor de MCp superior a qualquer uma das correntes

quentes. Assim sendo, não existe nenhuma possibilidade de permuta de calor, obrigando a construção da rede MER a uma divisão da corrente fria de modo que as duas correntes resultantes permitam permutar calor com as correntes quentes do processo, como apresentado na Figura 43 b.

Considere-se agora de novo o Exemplo de Aplicação II, anteriormente apresentado. Começando a

construção da rede MER pela zona abaixo, verifica-se que apesar de o número de correntes frias ser inferior, verifica-se uma impossibilidade de efectuar uma troca entálpica na zona imediatamente abaixo do PE que cumpra as condições indicadas anteriormente. Recorre-se neste caso a uma divisão da corrente fria.

a) b)

47

MCp ∆T ∆H (kW/ºC) (ºC) (kW) 1 20 20 400 23 90 24 110

Figura 44 – Rede abaixo do Pe correspondente ao Exemplo de Aplicação II

A corrente 4 é dividida de modo que ambas as fracções tenham um valor de MCp menor do que os

correspondentes às correntes quentes, tentando satisfazer totalmente uma das correntes frias para minimizar o número de permutadores de calor. Será necessário calcular o MCP do ramo 4.1 capaz de satisfazer totalmente a corrente 1:

( ) ( )( ) 27,750-160800

kW80014018020

1.41.4

1.41

=⇔==−=↔

MCpMCp

QPC

Assim a outra fracção da corrente 4 permuta com a corrente 2:

( ) ( )( )( ) Cº100TT-180231840

kW18405016027,724

f,2f,2

2.42

=⇔==−−=↔PCQ

O arrefecimento da corrente 2 até 70ºC é realizado por fim com água de refrigeração:

( ) kW690)70100(232 =−=↔ UFPCQ

48

MCp DT DH kW/ºC ºC kW

20 20 400

23 50

12 60

24 45

55 40

Figura 45 – Rede abaixo do PE correspondente ao Exemplo de Aplicação II

Atendendo à Figura 45, verifica-se que a regra do número de correntes não é cumprida. Nestas condições torna-se necessário, dividir a corrente fria com maior valor de MCp. A corrente 5 é dividida tentando satisfazer totalmente uma das correntesquentes, neste caso a corrente 3. Será necessário calcular o MCP do ramo 5.1 capaz de satisfazer totalmente a corrente 3:

( ) ( )( ) CkWMCpMCp

QPC

/º18160-200720

kW72018024012

1.51.5

1.53

=⇔==−=↔

Assim a outra fracção da corrente 5 permuta com a corrente 2:

( ) ( )( )( ) CTs

QPC

º1,191160-Ts371150

kW11501802301855

2

2.52

=⇔==−−=↔

O arrefecimento da corrente 1 até 180ºC é realizado por fim com a corrente 4:

( ) ( )( ) CTs

QPC

º7,176160-Ts24400

kW4001802002041

=⇔==−=↔

Nestas condições havendo que aquecer ainda ambas as correntes frias e já na ausência de qualquer corrente quente disponível, torna-se necessário calcular qual o consumo mínimo de utilidades quentes:

( )( ) kW330)1,191200(37

kW680)7,176205(24

5

4

=−==−=

↔

↔

UQ

UQ

PC

PC

Q

Q

A rede MER completa assim obtida encontra-se representada na figura 46:

49

Figura 46 – Rede MER referente ao Exemplo de Aplicação II

50

7. OPTIMIZAÇÃO ECONÓMICA DAS REDES DE PERMUTADORES DE CALOR

O capítulo anterior apresentou uma estratégia para a construção da rede que cumpre o Mínimo de

Energia Requerido (MER). Esta rede está optimizada do ponto de vista energético, mas envolve um elevado número de PC. No entanto, como a optimização de uma RPC pressupõe a minimização do custo total (custo energético + custo de investimento), esta rede MER deve evoluir no sentido de redistribuir as entalpias trocadas em cada PC, de forma a minimizar o número de PC. O facto da rede inicial conter vários ciclos implica maior investimento introduzindo. Estes ciclos têm origem no facto de haver correntes que, por exemplo, trocam calor abaixo e acima do PE, devido à construção da rede MER obrigar à divisão da rede no PE. No entanto a eliminação/quebra destes ciclos implica uma troca energética através do PE e traduz-se num maior consumo energético. A optimização visa então encontrar uma rede que por um lado tenha o menor número de PCs e que tente por outro minimizar também a área de transferência e o consumo de utilidades exteriores.

Neste capítulo apresenta-se a sequência de passos a adoptar de modo a optimizar a RPC.

7.1. Estratégia para a Evolução da Rede (MER) Nesta secção é apresentada a sequência de etapas para atingir uma rede com um número mínimo de

PC. Na secção seguinte será apresentada uma comparação das diferentes alternativas geradas de rede ao longo desta estratégia.

Apresenta-se na tabela 11 as etapas que devem ser seguidas na estratégia de evolução da rede MER com vista à obtenção da rede óptima do ponto de vista do custo total anualizado.

Para ilustrar esta estratégia, esta será aplicada ao Exemplo de Aplicação I. Em primeiro lugar, segundo a tabela 11, há que identificar os ciclos entre correntes de processo e/ou

utilidades identificados na rede MER, tal como se mostra na Figura34. Para isso é importante identificar o número de correntes e o número de tipos de utilidades que existem em ambas as zonas:

( ) ( ) 7113114 PE AbaixoPE AcimaMER , =−++−+=mínimoU

51114 =−++=mínimoU

Número PC´s a eliminar = Número ciclos a quebrar = 7 – 5 = 2

Em segundo lugar torna-se necessário identificar na rede MER, os ciclos entre correntes de processo

e/ou utilidades, tal como se mostra na Figura 47.

51

Os PCs que fazem parte de um ciclo podem ter uma alteração do valor da troca de calor associada a cada unidade sem afectar o balanço entálpico do processo.

2. A etapa seguinte é eliminar os ciclos da rede. O permutador de calor que deve ser eliminado em primeira escolha é aquele que irá causar a menor perturbação no sistema, ou seja, é o que envolve menor troca de calor dentro do ciclo. O acerto do calor trocado em cada PC dentro de um ciclo dá origem a um PC cuja troca energética se anula e, portanto, pode ser removido. Além disso, o ciclo quebrado em primeiro lugar não deve conter permutadores de calor que envolvam utilidades.

Tabela 11 – Etapas da evolução da rede MER

Etapa

1 Calcular o potencial de redução em termos do número de PC. O número de PC´s a eliminar corresponde ao número de ciclos a quebrar.

( ) ( ) PE AbaixoPE AcimaMER , SNSNUmínimo −+−=

1−= NUmínimo

Número PC´s a eliminar = Uminimo, MER – Uminimo

2

Identificar os ciclos da RPC, ou seja os caminhos fechados, entre correntes de processo e/ou utilidades.

3

Eliminar os ciclos da rede, removendo o permutador do ciclo que envolve a menor troca de

energia (α), ou seja aquele que irá causar a menor perturbação no sistema. Ao remover este PC torna-se necessário refazer o balanço de energia em cada corrente pertencente ao ciclo

(somando ou subtraindo o valor de α). O ciclo quebrado em primeiro lugar não deve conter permutadores de calor que envolvam utilidades, para não inviabilizar a etapa 4.

4 Recalcular as temperaturas das correntes envolvidas no ciclo, após a quebra do ciclo.

5

Calcular os ∆Τ em cada permutador da rede. Verificar se algum PC transgride o valor de

mínT∆ estipulado. Três situações podem ocorrer:

i) O valor de mínT∆ e ∆Τ <0, constituindo uma situação termodinamicamente

impossível e que obriga à execução da etapa 5;

ii) Verifica-se que 0< ∆Τ < mínT∆ . Neste caso, a força motriz é menor, conduzindo a

uma maior área para a transferência de calor. Terão de ser analisadas do ponto

de vista económico as duas hipóteses: rede com ∆Τ < mínT∆ e rede com a

reposição do mínT∆ , através da etapa 5.

6

Repor o valor de mínT∆ ou corrigir situações termodinamicamente impossíveis obriga a

identificar caminhos cujos extremos são utilidades, usualmente designados por Percursos de Relaxação. Os calores trocados nos PC pertencentes a este percurso devem ser alterados de

forma a manter o mínT∆ . Isso implica que as utilidades terão um incremento de um valor de

energia correspondente à Energia de Relaxação, ER .

52

Figura 47 – Identificação dos ciclos na Rede MER referente ao Exemplo de Aplicação I

A etapa seguinte é eliminar os ciclos da rede. O ciclo quebrado em primeiro lugar não deve conter

permutadores de calor que envolvam utilidades, Figura 47 b. O permutador de calor a eliminar primeiro é

a

b

c

d

53

aquele que irá causar a menor perturbação no sistema, ou seja, é o que envolve menor troca de calor dentro do ciclo. Eliminando este PC refaz-se o balanço entalpico aos PC´s que existem nesse ciclo.

Neste caso, o permutador de calor que envolve a menor troca energética é o PC2, que transfere 620 kW da corrente 1 para a corrente 4. Após o acerto do calor trocado em todos os PCs do ciclo, recalculam-

se as temperaturas das correntes envolvidas no ciclo. De seguida, torna-se necessário recalcular os ∆T

verificados em cada PC, para determinar se em algum deles existe um valor menos do que mínT∆ .O

cálculo das novas temperaturas intermédias das correntes de processo permite verificar que o PC entre as

correntes 2 e 4 transgride o valor de mínT∆ estipulado.

Nesta fase várias situações podem ocorrer:

i) O valor de mínT∆ é transgredido e a diferença de temperaturas é negativa constituindo uma

situação termodinamicamente impossível;

ii) O valor de T∆ é positivo mas menor do que o valor de mínT∆ . Neste caso, a força motriz é

menor, conduzindo a uma maior área para a transferência de calor. No entanto, poderão existir situações em que será vantajoso manter a rede com um PC transgredindo o valor de

mínT∆ .

iii) Todas as diferenças de temperatura são superiores a mínT∆ .

A evolução da RPC de forma a repor o valor de mínT∆ obriga a identificar caminhos entre as

utilidades quentes e frias, usualmente designados por Percursos de Relaxação. Este percurso entre utilidades terá de passar por uma das temperaturas do par de temperaturas que anteriormente

identificámos que não cumpria o mínT∆ . Esta temperatura será alterada para repor o valor de mínT∆ ,

modificando para tal, os calores trocados naquele percurso, o que irá implicar um aumento das

quantidades de utilidades exteriores de um valor denominado de Energia de Relaxação, ER . Apresenta-se em seguida os cálculos referentes ao Exemplo de Aplicação, através do percurso apresentado na figura 48.

Figura 48 – Identificação do percurso de relaxação após o a quebra do 1º ciclo

54

Para assegurar o mínT∆ de 20 ºC é necessário recalcular a temperatura à saída desse permutador (PC

1 na figura 48):

( )C180ºTQf,1 =→

∆=− mínQ TTPCf

160: 11

Conhecendo a nova temperatura da corrente 2 à saída do PC 1, determina-se o valor de 1ER :

( )kW 620ER1 =→

−=− 11, 150022022 ERTQf

Após actualizar os valores de calores permutados nos PCs incluídos no Percurso de Relaxação, é necessário recalcular as temperaturas afectadas por estes. Assim sendo:

( )( ) CTT

CTT

FfFf

QfQf

º60,177162021050

º18,108158018022

1,4,1,

4,4,

=→=−=→=−

Nesta fase, a rede actual apresenta 6 permutadores de calor. De modo a atingir o mínimoU é

necessário remover ainda mais um PC. Para tal quebra-se o segundo ciclo apresentado na figura 49.

Figura 49 – Identificação do 2º ciclo a quebrar O PC que envolve a menor troca energética é o que permuta entre a água de refrigeração (utilidade

fria) e a corrente 1. Refazendo o balanço, recalculam-se as temperaturas das correntes envolvidas. As

temperaturas a calcular são 4,QfT e 4,FfT :

( )( ) CTT

CTT

FfFf

QfQf

º111198021020

º54,124122018022

4,4,

4,4,

=→=−=→=−

A figura 50 apresenta os novos valores de calores trocados e respectivas temperaturas de correntes.

55

Figura 50 – Rede final com cinco unidades de transferência de calor (Umin)

Uma vez que todas as temperaturas respeitam o valor de mínT∆ , a rede apresentada na figura 50 é a

rede final correspondente ao Exemplo de Aplicação.

7.2. Comparação de Redes de Permutadores de Calor A comparação entre as várias RPCs apresentadas ao longo deste estudo é feita baseada nos custos

associados a cada uma delas. Para o efeito consideram-se as redes descritas na tabela 12:

Tabela 12 – Diferentes RPCs para o Exemplo de Aplicação

Rede URPC QUQ (kW) QUF (kW)

1 – Sem Integração 4 5700 5500

2 - Rede MER 7 1000 800

3 - Rede com 1 ciclo 6 1620 1420

4 - Rede sem ciclos 5 1620 1420

A comparação entre diferentes RPCs é feita considerando um período de retorno de 5 anos e uma taxa

de rentabilidade de 4%. Uma vez que se conhecem os calores trocados em cada PC ( )PCQ das redes, bem

como quais as correntes/utilidades envolvidas, é possível calcular a área relativa a cada um deles ( )PCA :

lnTU

QA PC

PC ∆= (7.1)

O coeficiente global de transferência de calor, U, é determinado através de:

FQ hhU

111 += (7.2)

em que Qh é o coeficiente de transferência de calor da corrente quente ou utilidade quente e Fh é o

coeficiente de transferência de calor da corrente fria ou utilidade fria. A diferença logarítmica de

temperaturas lnT∆ é calculada considerando o funcionamento dos PCs em contracorrente. A anualização é

feita conforme descrito anteriormente na secção 5.2.3. Os valores finais de custos obtidos encontram-se na tabela 13.

56

Tabela 13 – Diferentes RPCs para o Exemplo de Aplicação

A análise da tabela 13 mostra que todas as redes desenvolvidas na sequência introduzida na secção

7.1 apresentam custos mais baixos face à rede inicial. Apesar de esta rede apenas utilizar 4 permutadores de calor (baixos custos de equipamento), todas as necessidades entálpicas são satisfeitas recorrendo a utilidades exteriores, sendo o custo energético a maior contribuição para o custo total (82,6%). A rede obtida sem ciclos (figura 50) é a que apresenta menor custo. De facto, existe um equilíbrio entre custos energéticos e custos de equipamento. Entre a Rede MER e a Rede MER com 1 ciclo o custo é semelhante: a remoção de um permutador de calor reduz os custos de equipamento mas o custo energético vem penalizado por passar a introduzir incluir uma energética através do PE. Na tabela 14 apresentam-se as percentagens de redução de custos conseguidas. Em todos os casos, o custo foi reduzido mais de 50%.

Tabela 14 – Diferentes RPCs para o Exemplo de Aplicação

Rede Redução do Custo

Total (%)

1 -

2 50,96

3 50,89

4 52,95

De facto, e apesar da transgressão por transferência de calor através do PE, a remodelação da rede

MER permite reduzir os custos totais da RPC nas condições dos parâmetros económicos e leis de custos referidos anteriormente.

57

8. ESCOLHA ADEQUADA DE UTILIDADES E EQUIPAMENTO ENERGÉTICO

No final do capítulo 7 compararam-se diferentes redes que satisfazem as necessidades do processo do

Exemplo de Aplicação. Quando os consumos energéticos são conhecidos, é necessário determinar quais as utilidades externas mais adequadas. Numa unidade fabril usualmente há diferentes utilidades: termofluído quente, efluentes gasosos de fornalhas, vapor ou água de refrigeração, ar de arrefecimento, ar pré-aquecido antes de entrar para a fornalha. Este capítulo apresenta uma metodologia que permite estabelecer quais os níveis térmicos mais adequados para a introdução das utilidades, num determinado processo.

8.1. Curva Composta Global Apesar das curvas compostas, apresentadas anteriormente, permitirem o estabelecimento de

objectivos energéticos, estas não constituem uma ferramenta adequada para a escolha de utilidades. Para

tal constrói-se a Curva Composta Global (CCG) a partir das temperaturas corrigidas 'T e dos valores de entalpia acumulados obtidos através da cascata de calor. A CCG referente ao Exemplo de Aplicação está representada na Figura 51.

0

50

100

150

200

250

300

0 500 1000 1500 2000

Q (kW)

T' (

ºC)

QUF

QUQ

Trocas de energia entre as

correntes quentes e frias

Figura 51 – Curva Composta Global referente ao Exemplo de Aplicação para um consumo energético mínimo e

CmínT º20=∆

A CCG representa o fluxo de calor no processo em função das temperaturas corrigidas. Nesta

representação facilmente se identifica o PE do processo no ponto de intersecção com o eixo das

58

temperaturas corrigidas (a 170ºC o fluxo de calor é nulo). A zona acima do PE é caracterizada por três segmentos: dois de declive positivo e um de declive negativo. O declive positivo indica que nesse intervalo térmico existe uma deficiência de calor no processo, enquanto o declive negativo representa um excesso de entalpia que pode ser cedida a níveis térmicos inferiores, como indicado na figura 51. Entre os níveis térmicos de 220ºC e 270ºC existem correntes quentes com excesso de entalpia de 720 kW disponível para ser utilizado pelas correntes frias do processo que se situam entre os níveis térmicos de 203,3ºC e 220ºC. Na zona abaixo do PE existem três segmentos de declive negativo, ou seja, o processo precisa de ser arrefecido recorrendo a utilidade fria. As zonas abertas no topo e no fundo do diagrama correspondem aos consumos energéticos de utilidade quente e fria, respectivamente. A zona assinalada na zona direita da CCG é referente às trocas entre correntes de processo. Portanto, o perfil da CCG representa as necessidades residuais de aquecimento e arrefecimento após recuperação de calor por integração energética entre correntes do processo em níveis térmicos adequados.

8.2. Sistema de Utilidades Sobre a CCG podem representar-se as utilidades exteriores disponíveis. No caso do Exemplo de

Aplicação havia vapor saturado a 250ºC e agua de refrigeração de 25 a 30 ºC. A sua localização face à CCG apresenta-se na figura 52. No entanto, será que este conjunto de utilidades é o mais adequado?

0

50

100

150

200

250

300

0 500 1000 1500 2000

Q (kW)

T' (

ºC)

Vapor a 250ºC

Água de Arrefecimento

Consumos Energéticos e Caudais Mássicos:

Vapor a 250ºC/37,5 atm: 1000 kW/1,28 ton/h

Água de refrigeração: 800 kW/137,8 ton/h

Figura 52 – Localização das Utilidades Exteriores sobre a CCG do Exemplo de Aplicação

A CCG permite concluir que o fornecimento de 1000 kW de utilidade quente pode ser efectuado a

qualquer nível térmico superior ou igual a 213,3ºC1. Assim sendo, não existe necessidade de recorrer a vapor sobreaquecido a 250ºC. Neste caso como o PE está situado a 170ºC é possível usar como utilidade fria abaixo do PE, a geração de vapor. Torna-se então imprescindível a utilização da CCG para a escolha das utilidades exteriores.

Apresenta-se na figura 53 e na figura 54 duas alternativas para o fornecimento de utilidade quente

fria. No entanto, a tentativa de incluir utilidades em diferentes níveis térmicos poderá traduzir-se num aumento do custo de equipamento devido ao aumento da área de troca de calor e ao aumento do número de PCs. Além destes factores, também se introduzem novos Pontos de Estrangulamento de utilidades no processo.

1 Em termos da CCG, esta temperatura é de 203,3ºC, uma vez que esta é construída sob aplicação do conceito de temperaturas corrigidas

59

0

50

100

150

200

250

300

0 500 1000 1500 2000Q (kW)

T' (

ºC)

Vapor a 200ºC

Vapor a 250ºC

Figura 53 – Localização das Utilidades Exteriores sobre a CCG do Exemplo de Aplicação

0

50

100

150

200

250

300

0 500 1000 1500 2000Q (kW)

T' (

ºC)

Vapo ra 150ºC

Água de 15 a 20ºC

Figura 54 – Localização das Utilidades Exteriores sobre a CCG do Exemplo de Aplicação

A comparação e escolha entre diferentes cenários possíveis de satisfação das necessidades de utilidades externas baseiam-se numa análise económica. Além disso, importa recorrer a cenários que sejam compatíveis com as disponibilidades e características da unidade fabril e contexto envolvente.

60

BIBLIOGRAFIA Esta sebenta resulta de uma adaptação dos três documentos anteriores: C. Pedro Nunes, H. A. Matos, M. C. Fernandes, Integração de Processos, Uma Tecnologia de

Optimização Energética e Ambiental, 1ª edição, Programa Energia, Dezembro 1994; Henrique Anibal Santos de Matos , Vitor Manuel Magueijo , Maria Cristina de Carvalho Silva

Fernandes, Clemente Manuel Pedro Vicente Nunes , João Paulo Calau , Jorge Carneiro ,Fernando Oliveira, Medidas de eficiência Energética aplicáveis à indústria Portuguesa: um enquadramento

tecnológico sucinto, ADENE, 2010

Susana Relvas, Henrique Anibal Santos de Matos , Maria Cristina de Carvalho Silva Fernandes, Clemente Manuel Pedro Vicente Nunes, Integração de Processos – Uma metodologia de optimização energética e ambiental, POE, 2002

B. Linnhoff, G. T. Polley, V. Shadev, General Process Improvements through Pinch Technology,

Chemical Engineering Progress, 51-58, June 1988; B. Linnhoff, J. A. Turner, Heat-recovery networks: new insights yield big savings, Chemical

Engineering, 56-70, November, 2, 1981; B. Linnhoff, R. Smith, J. D. Williams, The Optimisation of Process Changes and Utility Selection in

Heat Integrated Processes, Trans IchemE, 68, Part A, May 1990; I. E. Grossmann, A. W. Westerberg, Research Challenges in Process Systems Engineering, AIChE

Journal, vol. 46, No. 9, September 2002; J. C. Charpentier, The Triplet “molecular processes-product-process” engineering: the future of

chemical engineering?, Chemical Engineering Science, 57 (2002), 4667-4690; J. M. Coulson, J. F. Richardson, Tecnologia Química – Vol VI – Uma Introdução ao Projecto em

Tecnologia Química, Fundação Calouste Gulbenkian, 1989; J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbot, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 5th

edition, McGraw-Hill, Inc., 1996. L. F. Afonso, M. C. Fernandes, H. A. Matos, Integração de Processos – Optimização Energética de uma

Unidade Industrial, Ingenium, 78-82, Dezembro 1996; R. Smith, Chemical Process Design, McGraw-Hill, Inc., 1995; T. Gundersen, A Process Integration PRIMER, 3rd edition, SINTEF Energy Research, April 2002; T. Gundersen, Briefing Package on the Nature and Advantages of Process Integration, SINTEF Energy

Research, Operating Agent for Annex I, 2002;