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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL/USP GABRIELLA LILA PÁLINKÁS ESTUDO DE CASO EM INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA UTILIZANDO METODOLOGIA PINCH Lorena 2014

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL/USP

GABRIELLA LILA PÁLINKÁS

ESTUDO DE CASO EM INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA

UTILIZANDO METODOLOGIA PINCH

Lorena

2014

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AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA AFONTE

Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,

com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

PALINKAS, GABRIELLA LILA ESTUDO DE CASO EM INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA UTILIZANDOMETODOLOGIA PINCH / GABRIELLA LILA PALINKAS;orientador ANTONIO CARLOS DA SILVA. - Lorena, 2014. 69 p.

Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaQuímica - Escola de Engenharia de Lorena daUniversidade de São Paulo. 2014Orientador: ANTONIO CARLOS DA SILVA

1. Rede de trocadores de calor. 2. Redução no usode utilidades. 3. Metodologia pinch. I. Título. II. DA SILVA, ANTONIO CARLOS, orient.

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GABRIELLA LILA PÁLINKÁS

ESTUDO DE CASO EM INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA

UTILIZANDO METODOLOGIA PINCH

Trabalho de conclusão de curso apresentado à Es-

cola de Engenharia de Lorena - USP.

Orientador: Prof. ANTONIO CARLOS DA SILVA

Lorena

2014

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Dedico este trabalho à minha mãe, por toda uma

vida de dedicação, esforços e amor pura e simples-

mente a seus filhos.

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AGRADECIMENTOS

À minha família, por todo apoio ao longo das dificuldades do curso de Engenharia

Química.

Ao prof. Antônio Carlos da Silva, pela orientação durante meu trabalho acadêmico de

monografia e conhecimentos fornecidos com ótima didática durante as disciplinas.

Aos meus orientadores dos estágios, Cassiana Perazolo, Wagner Antunes e Wilson

Vicente de Paula, por todos os conhecimentos e formação do caráter ético profissio-

nal.

Aos meu colegas com os quais convivi nos últimos anos, tornando-se minha família e

apoiando nos momentos de dificuldades.

À todos os docentes, mestres, doutores que colaboraram em minha formação aca-

dêmica, agradeço toda a estrutura construída junto ao auxílio deles ao longo desses

anos.

Ao Pedro Ivo, pelo apoio em cada escolha decisiva de minha vida.

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“A mente que se abre a uma nova ideia jamais

voltará ao seu tamanho original.”

Albert Einstein

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RESUMO

PÁLINKÁS, G.L. Estudo de caso em indústria alimentícia utilizando Metodologia Pinch. 2014. 68 f. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia Química) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.

Este trabalho foi dedicado ao desenvolvimento de uma avaliação da eficiência

energética, baseado nos princípios fundamentais da Termodinâmica, com o objetivo

de reduzir o consumo de energia em setores de uma planta industrial alimentícia de

produção de Glutamato Monossódico. Visto a preocupação atual com a redução do

impacto ambiental, otimização de processos e redução de custos, o uso de ferramen-

tas de auxílio na produção é um diferencial para uma maior competitividade no mer-

cado. Este estudo foi desenvolvido utilizando ferramentas e conceitos da Metodologia

“Pinch”. Para atender à proposta do trabalho, foi feito um estudo na literatura e elabo-

rada uma estrutura lógica para o desenvolvimento da análise. Para tal, foi necessária

a realização de um levantamento de dados do processo como: propriedades físico-

químicas (capacidade calorífica), vazões, temperaturas de entrada e saída das cor-

rentes, possibilitando o uso de balanços mássicos, energéticos e cálculo do potencial

de troca térmica para aplicação da Metodologia Pinch. Os métodos para aquisição,

verificação e validação dos dados foram desenvolvidos de acordo com os recursos

disponíveis, sendo de fundamental importância a confiabilidade dos dados obtidos

para o estudo de integração energética. Por fim, os resultados permitiram identificar

as oportunidades de aproveitamento de trocas energéticas, reduzindo assim o con-

sumo de utilidades.

Palavras-chave: Análise, Pinch, Integração energética, Energia.

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ABSTRACT

PÁLINKÁS, G.L. Case study in food industry using Pinch Methodology. 2014. 68 f. Monograph (Graduate Work in Chemical Engineering) – Escola de Engenharia de Lo-rena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.

This work is dedicated to the development of an energetic efficiency evalua-

tion, based on the principles of Thermodinamics, aiming to reduce the consume of

energy in departments of a food industry plant which produces monosodium glutamate.

Due to the current concern about the reduction of the environment impact, the optimi-

zation of processes and the reduction of costs, the use of support tools is a differential

for a higher market competitiveness. This study was developed by the use of tools and

concepts of the “Pinch” Methodology. To attend this purpose, a study was made on

the literature to provide a logic structure for the development of the analysis. For that,

it was need several data related to the process, such as: physical and chemical prop-

erties (heat capacity), flows, in and out stream Temperature, so it will be possible the

use of mass and energy balances, and the calculation of heat transfer potential for the

application of the Pinch Methodology. The methods for acquisition, verification and

validation of the data was developed according to the available resources, so it is of

high importance the reliability the data obtained for the study of energetic integration.

Finally, the results allow to identify the opportunities of better use of heat changes,

reducing the consume of utilities

Keywords: Pinch Analysis, energetic integration, maximum energy recover.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Reator com e sem integração energética. ............................................................... 19

Figura 2 – Diagrama de grades ilustrativo. ................................................................................ 21

Figura 3 - Curva composta ilustrativa ........................................................................................ 22

Figura 4 - Planilha interna com aplicação VBA. ........................................................................ 29

Figura 5 - Exemplo de Curva Composta .................................................................................... 31

Figura 6 – Exemplo de Diagrama de Grade ............................................................................... 31

Figura 7 - Curva Composta do setor A ...................................................................................... 34

Figura 8 - Diagrama de Grade do setor A .................................................................................. 35

Figura 9 - Diagrama de Grade da melhoria no setor A. ............................................................ 36

Figura 10- Fluxograma ilustrativo do evaporador “D”. ............................................................ 37

Figura 11 - Trocas de calor considerando “approach” de 3°C ................................................ 38

Figura 12- Fluxograma ilustrativo do resfriamento .................................................................. 39

Figura 13- Fluxograma ilustrativo do evaporador “E” ............................................................ 40

Figura 14 - Trocas de calor considerando “approach” de 3°C ................................................ 40

Figura 15 - Curva Composta do setor B. ................................................................................... 42

Figura 16 - Diagrama de Grade do setor B ................................................................................ 43

Figura 17 - Diagrama de Grade com melhorias para o setor ................................................... 44

Figura 18 – Fluxograma da rede de trocadores de calor para melhoria do setor B.............. 44

Figura 19 - Tabela de Economia anual. ...................................................................................... 45

Figura 20 – Fluxograma da recuperação de calor. ................................................................... 47

Figura 21 - Curva Composta para o setor C. ............................................................................. 48

Figura 22 - Diagrama de Grades do setor C. ............................................................................. 49

Figura 23 - Diagrama de Grade com melhorias para o setor C. ............................................. 50

Figura 24- Fluxograma da melhoria do setor C. ........................................................................ 50

Figura 25 - Curva Composta para integração B e C. ................................................................ 52

Figura 26- Diagrama de Grades da interação setor B e C. ....................................................... 53

Figura 27 - Diagrama de Grade com melhorias para interação B e C..................................... 54

Figura 28- Fluxograma da melhoria dos setores B e C. .......................................................... 55

Figura 29 – Fluxograma ilustrativo. ............................................................................................ 59

Figura 30 - Imagem ilustrativa da melhoria entre as correntes 13 e 14. ................................. 59

Figura 31 - Curva Composta para integração entre os setores A e B. ................................... 60

Figura 32 - Diagrama de Grades da integração dos setores B e C. ........................................ 61

Figura 33 - Diagrama de Grade com melhorias entre os setores A e B. ................................ 62

Figura 34 - Fluxograma da melhoria entre os setores A e B. .................................................. 62

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Cálculo do calor recuperado na melhoria das trocas de calor no evaporador “D”. .. 38

Tabela 2 - Cálculo da economia com vapor. .................................................................................... 38

Tabela 3 - Cálculo da economia com água de resfriamento (TW).................................................. 39

Tabela 4 - Cálculo da economia com vapor. .................................................................................... 40

Tabela 5 - Estimativa de consumo de utilidades dado pelo programa.......................................... 45

Tabela 6 - Tabela de Economia anual em consumo de utilidades. ................................................ 45

Tabela 1 - Estimativa de consumo de utilidades dado pelo programa.......................................... 45

Tabela 8 - Economia anual em consumo de utilidades. .................................................................. 51

Tabela 9 - Tabela de trocas de calor realizadas ............................................................................... 55

Tabela 10 - Estimava de consumo de utilidades dado pelo programa .......................................... 56

Tabela 11 - Tabela de Economia anual em consumo de utilidades. .............................................. 56

Tabela 12 – Calculo da economia de vapor a troca das correntes 11 e 18. .................................. 57

Tabela 13 - Estimava de consumo de utilidades dado pelo programa .......................................... 63

Tabela 14 - Tabela de Economia anual em consumo de utilidades. .............................................. 63

Tabela 15 – Economia das melhorias sugeridas ............................................................................. 65

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LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Linhas Frias (Cool Line) do setor A. .............................................................................. 30

Quadro 2 - Linhas Quentes (Hot Line) do setor A............................................................................ 30

Quadro 3 - Energia disponível para recuperação neste cenário. ................................................... 34

Quadro 4 - Energia disponível para recuperação neste cenário. ................................................... 42

Quadro 5 - Energia disponível para recuperação neste cenário. ................................................... 42

Quadro 6 - Estimativa de investimento e retorno referente a este cenário. ................................. 46

Quadro 7 - Tabela de Economia anual em termos de vapor. .......................................................... 47

Quadro 8 - Energia disponível para recuperação neste cenário .................................................... 48

Quadro 9 - Área que necessita de modificação e economia total da melhoria. ........................... 60

Quadro 10 - Energia disponível para recuperação neste cenário. ................................................. 60

Quadro 11 - Comparação de área de troca atual e necessária para a Corrente 16 ...................... 60

Quadro 12 - Comparação de área de troca atual e necessária para a Corrente 16 ...................... 60

Quadro 13 - Área de troca térmica necessária e economia de vapor ............................................ 58

Quadro 14 - Área de troca térmica necessária e economia de vapor. ........................................... 59

Quadro 15 - Energia disponível para recuperação neste cenário. ................................................. 60

Quadro 16 - Economia total e área de troca necessária. ................................................................ 63

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LISTA DE SIGLAS

Tin: Temperatura de entrada do fluido

Tout: Temperatura de saída do fluido

CW: Água gelada

HW: Água quente

PW: Água processo

TW: Água Torre

SH: Vapor Alta Pressão > 7Kg/cm²

SL: Vapor Baixa Pressão < 7Kg/cm²

VA: Vácuo

DR: Dreno (Geral)

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÂO .............................................................................................. 14

1.1 Justificativa ................................................................................................. 15

1.2 Objetivos ...................................................................................................... 16

1.2.1 Objetivo Geral ........................................................................................... 16

1.2.2 Objetivos Específicos .............................................................................. 16

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................... 17

2.1 Integração de Processos ............................................................................ 18

2.2 Métodos para Integração de Processos .................................................... 19

2.3 Aplicações de Integração de Processos ................................................... 20

2.4 Análise Pinch ............................................................................................... 20

2.4.1 Metas Referenciais ................................................................................... 21

2.4.2 Curvas Compostas ................................................................................... 22

2.4.3 Número Mínimo de Unidades de Troca Térmica .................................... 23

2.4.4 Área Global Mínima de Transferência de Calor ..................................... 24

2.4.5 Síntese de Rede de Trocadores de Calor ............................................... 24

3. METODOLOGIA ........................................................................................... 26

3.1 Método de Pesquisa.................................................................................... 26

3.2 Metodologia Aplicada ................................................................................. 26

3.3 Coleta e Compilação dos Dados ................................................................ 27

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................. 33

4.1 Análise Pinch no setor A ............................................................................ 33

4.2 Cenário de Melhoria no setor A ................................................................. 35

4.3 Cenário de Melhoria no evaporador “D” ................................................... 36

4.4 Cenário de Melhoria no evaporador “E” ................................................... 39

4.5 Análise Pinch Setor B ................................................................................. 41

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4.6 Cenário de Melhoria B ................................................................................ 43

4.7 Análise de melhoria fora do estudo Pinch para o setor B ....................... 46

4.8 Análise Pinch do setor C. ........................................................................... 47

4.9 Cenário de Melhoria no setor C. ................................................................ 49

4.10 Considerações ........................................................................................... 51

4.11 Análise Pinch da Integração entre os setores B e C. ............................. 52

4.12 Cenário de Melhoria entre os setores B e C. .......................................... 54

4.13 Discussões quanto às análises ............................................................... 56

4.14 Consideração 1 .......................................................................................... 56

4.15 Consideração 2 .......................................................................................... 56

4.16 Consideração 3 .......................................................................................... 57

4.17 Consideração 4 .......................................................................................... 57

4.18 Consideração 5 .......................................................................................... 58

4.19 Extensão para Melhoria entre os setores B e C. .................................... 59

4.20 Análise Pinch da Integração entre os Setores A e B.............................. 59

4.21 Considerações ........................................................................................... 63

4.21.1 Consideração 1 ....................................................................................... 64

4.21.2 Consideração 2 ....................................................................................... 64

5. CONCLUSÃO ................................................................................................ 66

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1. INTRODUÇÂO

As indústrias, em geral, apresentam preocupações quanto ao uso correto e

eficiente dos recursos enérgicos disponíveis em seus processos produtivos. Diferen-

tes metodologias, como a interação energética de correntes dos processos, têm sido

propostas para estudos de otimizações e melhorias contínuas, visando o aumento de

competitividade no mercado com redução de custos, maximização dos lucros e acom-

panhar a tendência atual de preservação ambiental. A crise energética, nos anos 70,

foi a grande propulsora do desenvolvimento de estudos para ampliação da eficiência

energética.

Muitas vezes, há dificuldades na identificação de oportunidades de melhorias

de processos sendo uma prática comum avaliar cada operação unitária de forma iso-

lada, deixando de abordar as interações entre essas operações.

Esta pesquisa foi realizada numa planta produtiva de glutamato monossódico

para o mercado interno e externo, empregando a metodologia Pinch. Esta metodolo-

gia é baseada em princípios termodinâmicos e forneceu uma sistemática de análise

térmica, gerando curvas e diagramas que facilitaram a análise da rede de trocadores

de calor, possibilitou integrar as operações, observar e sugerir melhorias em proces-

sos. Esses recursos foram aplicados as correntes visando verificar oportunidades de

redução no uso de utilidades identificando as correntes frias, que necessitam de aque-

cimento e quentes, que necessitam de resfriamento. Esta aplicação é indicada em

plantas já existentes e em nova plantas (definição de layout) para redução do uso de

utilidades como vapor, água de resfriamento, combustíveis e consequente redução de

custos, emissões atmosféricas e geração de efluentes. Portanto, a tecnologia Pinch

“permite o estabelecimento de metas de consumo e de custo, bem como regras para

a síntese sistemática de redes de trocadores de calor (RTC)”, Novazzi (2006).

Dentre as vantagens, a ferramenta, com o apoio de uma planilha com recur-

sos em macro, apresenta simplicidade nos cálculos para gerar uma representação

gráfica de fácil interpretação dos resultados.

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1.1 Justificativa

A competitividade define a permanência de uma empresa no mercado. Na

busca por diferenciais competitivos, uma produção de qualidade e de baixo custo é

um grande diferencial entre empresas. Para isto as empresas necessitam adotar me-

todologias de melhoria contínua.

O custo sobre utilidades consumidas em uma planta industrial representa uma

parcela considerável do custo dos produtos finais, principalmente nas plantas mais

antigas onde há pouca integração energética entre seus processos, ou seja, menor

eficiência na recuperação de calor entre as correntes.

A motivação do desenvolvimento deste trabalho é sugerir modificações para

reduzir o consumo de energia avaliando a eficiência energética, de três setores (setor

A, setor B e setor C) da unidade em estudo, através da metodologia Pinch. Conse-

quentemente, a redução no uso de utilidades no processo, com sugestões de intera-

ções entre as correntes, minimizará a geração de resíduos e efluentes. Os resíduos

industriais e o uso ineficiente de energia não só geram agentes poluidores, mas, tam-

bém, perdas econômicas em processos para o tratamento dos efluentes gerados.

A redução no consumo de energia está relacionada não só ao custo, mas

também à emissão de gases de efeito estufa, como por exemplo dióxido de carbono,

compostos de enxofre e óxidos de nitrogênio. Estes são emitidos durante a queima

dos combustíveis para geração de vapor que será utilizado como fonte de aqueci-

mento no processo produtivo. O enxofre no combustível também tem um importante

efeito na formação de particulados, Zannikos et al (1995). A oxidação do nitrogênio

presente no ar durante a combustão, sob temperaturas elevadas, formam chuvas áci-

das, névoa fotoquímica e influem na formação de ozônio, Botsford (2001). Portanto,

quanto menor o consumo de energia, menor serão também as emissões de gases

poluentes.

Outro fator a se considerar é que a maioria das plantas industriais apresenta

uma grande demanda de utilidades para resfriamento dos fluidos no processo, utili-

zando relevante quantia de água resfriada em torres de arrefecimento. Torre de arre-

fecimento é um dispositivo de remoção de calor usado para transferir calor para a

atmosfera, podendo utilizar elevada evaporação da água para remoção de calor em

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fluxo cruzado (fluxo de ar direcionado perpendicularmente ao fluxo da água) ou con-

tracorrente (fluxo de ar oposto ao fluxo de água). Um sistema de torres de resfriamento

pode provocar um lançamento para atmosfera, em forma de vapor, de milhares de

metros cúbicos de água por dia, suficiente para abastecimento de uma cidade de porte

médio. Portanto, o uso e o tratamento dessa água geram uma grande quantidade de

efluentes.

Assim, busca-se neste trabalho propor formas de otimização energética nas

unidades da planta industrial em estudo, reduzindo o consumo das correntes de utili-

dades e os efluentes gerados por esses.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo Geral

Analisar os processos de trocas de calor de uma indústria alimentícia, realizar

interações teóricas entre as operações da rede de trocadores de calor e sugerir me-

lhorias de integração energética e de readaptação.

1.2.2 Objetivos Específicos

Aplicar a metodologia Pinch para o estudo de caso em três setores produtivos

de uma indústria alimentícia de glutamato monossódico para o mercado interno e ex-

terno, mostrando a quantia mínima de fontes de energia necessárias, a quantia má-

xima teórica de energia passível de recuperação, realizar interações para análise dos

cenários de melhorias e propor otimizações na RTC para minimizar o consumo, e

consequentemente custos, de utilidades quentes e frias no processo produtivo. Rea-

lizar uma posterior verificação da viabilidade de implementação das melhorias sugeri-

das quanto às instalações físicas existentes na planta.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A constante busca por uso de tecnologias para otimização de integração ener-

gética em processos de indústrias, motivou a busca, em literatura, por métodos que

pudessem facilitar a aplicação prática de metodologias simplificadas. O uso da análise

"Pinch", apresentada em Linnhoff et al. (1982) e Linnhoff (1983), como ferramenta

para realização de estudos de redes de trocadores de calor tem sido encontrado na

literatura num grande número de aplicações, inclusive em readaptações (“retrofit”) de

instalações já existentes nas plantas.

A associação de redes otimizadas gera referências futuramente importantes

na análise de redes já em operação. Nos grupos principais de métodos de integração

energética, citados posteriormente, há as técnicas heurísticas que envolvem termodi-

nâmica e métodos que utilizam programação matemática onde são analisadas todas

as possibilidades, gerando maior complexidade à medida que o número de correntes

aumenta Biegler, 1997, Ciric e Floudas (1991) e Yee e Grossmann (1990). Os méto-

dos heurísticos geram resultados mais simples e economicamente aceitáveis para a

análise. Alguns métodos heurísticos são os propostos por Rudd et al. (1973) e, Ponton

e Donaldson (1974).

Na literatura, Linnhoff e Flower (1978), Linnhoff e Hindmarsh (1983) aplicam

a tecnologia “Pinch" a partir de uma Tabela Problema já pronta, sem apresentar as

etapas antecedentes de aquisição, verificação e validação de dados tomados das

plantas. Diversos outros casos foram levantamentos em refinarias de petróleo Fon-

seca et al. (1997) e processos de produção de amônia Lababidi et al. (2000) e Wang

et al. (2003) sem detalhamento da metodologia para a aplicação na prática.

Al-Riyami et al. (2001) desenvolveram, na área de integração energética, a

análise de um caso em readaptação de processos existentes com um maior detalha-

mento de informações. Contudo, há insuficiência de uma metodologia definida para

obtenção e verificação de dados para criar a Tabela Problema e de explanação dos

critérios utilizados na escolha dos casos estudados.

Novazzi (2006), em sua tese de doutorado, modelou e simulou trocadores de

calor de casco e tubos em regime permanente. Utilizando o método da efetividade,

desenvolveu um modelo não linear considerando variáveis do processo, como tempe-

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ratura, vazão e by-passes instalados. Este modelo é formado por equações diferenci-

ais parciais discretizadas e solucionadas pelo método de diferenças finitas. Utilizando

uma RTC e visando minimizar o consumo de utilidades, o autor demonstrou um estudo

de controle em malha aberta e fechada, baseada em controle ótimo. Simulações do

modelo desenvolvido foram realizadas em Matlab/Simulink.

Skogestad et al. (2007) propõe uma solução de sistema de controle capaz de

implementar a condição ótima da RTC com restrições dinâmicas, baseado num pro-

blema de programação linear inteira (ILP), com duas funções objetivo.

Num estudo testado em geradores eólicos, Garcia e Elso (2008) desenvolve-

ram um sistema de controle não linear baseado em “gain schedule”, relacionando di-

ferentes ganhos de forma estável, eficiente e rápida. A escolha dos parâmetros exis-

tentes foi realizada analisando a amplitude do erro da variável a ser medida.

Outro ponto com bastante relevância é a confiabilidade dos dados levantados,

influindo na análise da rede de trocadores de calor. Mirre et al. (2001) e Polley (2002)

demonstram os efeitos de variações e erros nas propriedades termodinâmicas levan-

tadas das correntes analisadas.

2.1 Integração de Processos

Integração de processos são métodos gerais e sistemáticos aplicados para o

projeto de sistemas integrados de processos individuais ou complexos industriais, com

ênfase especial no uso eficiente de energia e na redução de efeitos ao meio ambiente,

segundo definição de Gundersen (2002).

Integração de Processos é um termo novo que surgiu nos anos 80 e para

Dunn (2001), o objetivo original desses métodos têm sido a identificação de conser-

vação de energia, redução de resíduos e de emissões nos projetos de processo. Es-

ses métodos foram usados para identificar oportunidades em muitos projetos de pro-

cesso. A Figura 1 apresenta um exemplo de fluxos de correntes com (a) e sem (b)

interação.

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Figura 1 – Reator com e sem integração energética.

Fonte: elaborada pela autora

Atualmente, a integração de processos cresce expressivamente na área da

engenharia de processo. Gundersen (2002) identificou mais de 35 universidades do

mundo envolvidas em pesquisas sobre o tema. Enquanto recuperação de calor foi o

foco inicial da Integração de Processo, o escopo tem sido expandido consideravel-

mente durante as últimas duas décadas para abranger projetos de processo. O as-

pecto chave desta expansão tem sido o uso de conceitos básicos de Recuperação de

Calor em outras áreas, através de uso de analogias. Isto tem, por exemplo, tornado

possível utilizar as técnicas de recuperação de calor para estudar processos de trans-

ferência de massa em geral e gerenciamento do uso de água, existindo atualmente

no mercado uma grande quantia de água de resfriamento disponíveis.

2.2 Métodos para Integração de Processos

As principais características dos métodos de integração de processo são o

uso de regras heurísticas (conjunto de regras e métodos relacionados com a experi-

ência), fundamentos termodinâmicos e técnicas de programação matemática, propos-

tos por Rudd et al. (1973) e Ponton e Donaldson (1974). Existe uma correlação entre

os métodos citados e a tendência atual é utilizar as três técnicas simultaneamente.

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20

2.3 Aplicações de Integração de Processos

A metodologia Pinch é demonstrada por Linnhoff et al. (1982) e Linnhoff

(1983) como principal ferramenta no estudo de integração de processos. Algumas das

aplicações na área industrial são em projetos de definição de layout, de readaptação,

de otimização na eficiência e produtividade (reduzindo usos e aumentando a capaci-

dade produtiva), análise integrando diferentes áreas (setores) produtivos, maximizar

o reuso e redução de efluentes e resolução de problemas operacionais.

2.4 Análise Pinch

Segundo Linnhoff et al. (1982), a tecnologia "Pinch" objetiva sintetizar, anali-

sar e otimizar processos industriais, com relação à integração energética, por meio da

aplicação da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica.

A análise Pinch permite fazer a integração energética entre unidades de pro-

cesso e o sistema de utilidades, conhecido como método do “Total Site” e desenvol-

vido por Dhole e Linnhoff (1993). Para cada unidade de processo do “site”, são gera-

das as Curvas Compostas e a Grande Curva Composta, analisadas de forma sepa-

rada e depois integradas. Esse método aplicado numa indústria com vários processos

produtivos, mostra um maior potencial de ganho energético, porém necessitando de

maior dedicação nos levantamentos dos dados e na análise da viabilidade na prática.

No início da Análise "Pinch", determinam-se as metas para posterior síntese

da rede de trocadores de calor. São identificadas as correntes frias que necessitam

de aquecimento e as correntes quentes que necessitam de resfriamento visando rea-

lizar trocas térmicas entre elas, gerando uma rede de trocadores de calor e reduzindo

gastos com energia o máximo possível.

A metodologia Pinch usa de três princípios básicos:

Não deve existir fonte de aquecimento na Zona de Excesso de Calor;

Não deve existir fonte de resfriamento na Zona de Falta de Calor;

A linha de Troca não deve cruzar o Pinch Point.

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O “Pinch Point”, traduzido do inglês como ponto de estrangulamento (PE),

representa a região de temperatura onde teoricamente não há transferência de calor.

Portanto, justifica a imposição da terceira regra da análise Pinch a qual não pode ha-

ver troca cruzando a linha do “Pinch Point”. Caso ocorra transferência de calor atra-

vés do PE, este valor acrescentará consumo de utilidades quentes ou frias para com-

plementar suas trocas térmicas. A Figura 2 ilustra a aplicação das três regras da me-

todologia. As linhas azuis representam as correntes frias (letra “C” dentro de uma cir-

cunferência), as linhas rosas são as correntes quentes (letra “H” dentro de uma cir-

cunferência), o tracejado vermelho representa a temperatura de PE e a linha verde

representa a troca térmica entre as correntes.

Figura 2 – Diagrama de grades ilustrativo.

Fonte: acervo do autor.

Os diagramas de grades apresentados ao longo deste estudo seguirão o pa-

drão de cores e simbologia citados acima. Essa ferramenta é bastante útil na repre-

sentação visual das correntes e suas respectivas variações de energia, bem como as

trocas dentro da área utilizada.

2.4.1 Metas Referenciais

A obtenção das metas é conhecida na análise "Pinch" de “supertargeting”,

LINNHOFF et al. (1982), compreendendo o consumo mínimo de utilidades necessá-

rias para o processo, quantia mínima de unidades que realizam trocas térmicas e área

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global mínima de transferência de calor, correspondente a um determinado diferencial

mínimo de temperatura (DMT) entre as correntes quentes e frias envolvidas.

2.4.2 Curvas Compostas

A interação é simples quando se trata de apenas duas correntes térmicas,

tornando-se mais complexa quando o número de correntes aumenta. Semelhante ao

que se faz na integração entre apenas duas correntes, a curva composta (GCC) re-

presenta o balanço energético do processo sobrepondo as correntes quente e fria

numa única curva, limitada por uma diferença mínima de temperatura (DMT) de trans-

ferência de calor, e determina teoricamente a máxima recuperação de calor possível

no processo.

Em PIRES (2003) e LIPORACE (1996) é apresentado de modo detalhado o

procedimento de construção das Curvas Compostas (CC). A região vertical entre as

curvas mostra a disponibilidade teórica de recuperação de energia entre as correntes.

Quanto mais próximas horizontalmente as curvas estão uma da outra, maior será a

possibilidade de troca térmica, até o ponto onde as curvas atingem a menor distância

vertical permitida entre as mesmas, a DMT. Neste ponto, a energia restante para fe-

char o balanço térmico das correntes deve ser fornecida pelo sistema de utilidades e

representa o consumo mínimo de utilidades quente e fria necessárias para o processo.

A Figura 3 exemplifica uma representação de curvas compostas, conforme citado.

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Figura 3 - Curva composta ilustrativa

Fonte: acervo do autor

Como pode ser visto, o uso de utilidades está diretamente relacionado ao va-

lor do DMT. Quanto mais as curvas compostas estão afastadas, maior será necessário

o consumo de utilidades. Por outro lado, o aumento do DMT faz com que a área de

troca térmica dos trocadores diminua (para uma mesma carga térmica, um aumento

na força motriz diminui a necessidade de área), diminuindo o seu custo e havendo um

valor ótimo de DMT que forneça o menor custo total.

Outra forma de obtenção das metas de energia de processos é por meio do

Algoritmo Tabular – “Problem Table Algorithm” (LINNHOFF e FLOWER, 1978). O mé-

todo é desenvolvido através da construção de uma Tabela, baseada na divisão do

problema em intervalos de temperaturas, para posterior realização de balanço ener-

gético.

2.4.3 Número Mínimo de Unidades de Troca Térmica

O número mínimo de unidades de troca térmica pode ser calculado pela Equa-

ção 1 de Hohmann (1971).

� í = � + � � − 1 (1)

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u í : é o número mínimo de unidades de troca térmica; N : é o número de correntes que necessitam de troca térmica; N i i a : é o número de correntes de utilidades.

Esta Equação pode ser aplicada às regiões acima e abaixo do PE e para es-

timar o número mínimo de unidades para a rede completa. A máxima recuperação de

energia é fornecida pela soma das unidades das regiões.

2.4.4 Área Global Mínima de Transferência de Calor

A área global mínima de transferência de calor é calculada pela Equação de

Townsend e Linnhoff (1984), baseado em Hohmann (1971) que apresentou o conceito

de transferência vertical de calor através das curvas compostas, sugerindo que se a

energia for transferida dessa forma, a área global de troca térmica será mínima, devido

a um melhor aproveitamento da força motriz existente. A área global mínima é dada

pela Equação 2. � í = ∑ [( 1�� �) . ∑ ��ℎ� ] (2)

DTML: é a diferença média de temperatura logarítmica; j: é o intervalo de entalpia; K: é a corrente que participa do intervalo j; Q : é o módulo da diferença de entalpia da corrente k, no intervalo j; h : é o coeficiente de transferência de calor da corrente k.

2.4.5 Síntese de Rede de Trocadores de Calor

A síntese objetiva mostrar redes para alcançar todas as metas definidas no

processo e é aplicada segundo um conjunto de regras estabelecidas pela tecnologia

"Pinch", segundo Linnhoff e Hindmarsh (1983), onde as mais importantes são:

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“O número de correntes quentes imediatamente acima do Pinch Point tem que ser

menor ou igual ao número de correntes frias imediatamente acima do Pinch Point.

Caso contrário, deve-se dividir a corrente fria”.

“O número de correntes frias imediatamente abaixo do Pinch Point tem que ser

menor ou igual ao número de correntes quentes imediatamente abaixo do Pinch Point.

Caso contrário, deve-se dividir a corrente quente”.

As regras estabelecidas pela tecnologia "Pinch" para a síntese podem acar-

retar no aparecimento de ciclos de trocadores de calor. Um ciclo de trocadores de

calor é formado quando uma corrente de processo quente e outra fria são combinadas

duas vezes. O aparecimento de ciclos implica num número de unidades de troca tér-

mica acima do mínimo.

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26

3. METODOLOGIA

3.1 Método de Pesquisa

O método utilizado é o de pesquisa-ação que visa basicamente definir, medir

e diagnosticar um problema numa situação específica com a finalidade da implemen-

tação prática de modificações. Esse método apresenta quatro principais etapas, po-

dendo serem detalhadas dependendo da aplicação:

Planejamento: definição do problema, pesquisa preliminar, levantamento de hipóte-

ses, definição do plano-ação;

Implementação: desenvolvimento, validação e aplicação do método definido;

Relatório sobre os resultados;

Avaliação.

A escolha desse método de pesquisa foi feita por se adequar ao objetivo do

estudo de caso, focando na aplicação prática e permitindo avaliar as modificações ao

longo do processo de implementação.

3.2 Metodologia Aplicada

Dentre as ferramentas analisadas, foi escolhida a metodologia Pinch para di-

recionamento da pesquisa-ação. Essa escolha foi baseada na facilidade que a meto-

dologia apresenta para os cálculos, a organização dos dados de maneira visual e prá-

tica para observar as oportunidades de melhorias existentes nos processos.

Outro ponto relevante a ser observado para a escolha do estudo é que a apli-

cação das ferramentas da metodologia Pinch não só disponibiliza uma análise teórica

dos cenários de trocas de energia, mas também necessita muitas vezes que levanta-

mentos sejam realizados no campo. Esse acompanhamento dentro da área produtiva

abrange possibilidades de abordagens de melhorias que são visualizadas com muito

mais facilidade quando presente fisicamente nas instalações da planta.

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Inicialmente, foi necessário um levantamento e estudo das informações dis-

poníveis na literatura, principalmente referentes à metodologia Pinch, a fim de se vi-

sualizar as possibilidades de aplicação na pesquisa experimental para análise na uni-

dade produtiva em questão. Concomitante com essa análise inicial, organizou-se as

necessidades para a gestão das informações e do plano de ação para o estudo. Para

tanto, foram construídas planilhas para a inserção dos dados coletados e um crono-

grama para o acompanhamento das atividades.

3.3 Coleta e Compilação dos Dados

Visto a amplitude de dados para a fábrica como um todo, optou-se fazer o

estudo voltado a setores individualmente e, posteriormente, analisar as possíveis in-

terações entre todas as correntes avaliadas no planta produtiva.

Primeiramente, foram identificados os pontos de consumo de utilidades nos

fluxogramas dos setores. No entanto, alguns pontos de consumo foram descartados

devido a:

O consumo de utilidades não contínuo (processos descontínuos), usados somente

em casos de emergência, manutenção de temperatura ou para limpeza e esterilização

de equipamentos;

Equipamentos desativados temporariamente ou permanentemente.

Assim, visando maior simplicidade e objetividade, foram levados em conside-

ração os grandes consumidores de utilidades. As variáveis pertinentes que foram le-

vantadas para realização dos estudos são:

Temperaturas de entrada dos fluidos (antes da troca térmica);

Temperaturas de saída dos fluidos (após a troca térmica);

Vazão das correntes;

Densidade dos fluidos;

Calor específico de cada corrente.

Em conseguinte, parte da coleta de informações foi realizada acompanhando

o sistema de controle da produção utilizado na unidade, “Delta V”, onde há medições

online de algumas variáveis de processo relevantes para o estudo. Para coletar os

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dados que não são constantemente mensurados no sistema de controle, haverá ne-

cessidade de coleta em campo das variáveis necessárias para realizar o balanço más-

sico e energético das correntes. Visto a dificuldade de acesso e/ou medição, alguns

dados foram calculados por balanceamento mássico e energético baseados em infor-

mações do próprio sistema de controle e das medições realizadas.

As coletas das temperaturas dos fluidos foram, inicialmente, obtidas através

de coleta de amostras de fluidos e medição através de um medidor de temperatura

por contato. Alguns pontos não possuem pontos de dreno (coleta de amostra) e a

medição de temperatura na superfície externa das tubulações, através desse instru-

mento, poderiam gerar erros na obtenção dos dados pela influência do material na

transferência de calor (inclusive tubulações com isolamento). Além disso, algumas li-

nhas dos processos estão em locais de difícil acesso. Visto essas dificuldades, foi

disponibilizado um medidor de temperatura por irradiação térmica (pirômetro) que fa-

cilitou a obtenção dos dados em campo.

Outra dificuldade encontrada foi referente às vazões, pois algumas não são

monitoradas online pelo sistema de controle de processos e não possuem medidor de

vazão com indicação local. Para contornar essa dificuldade, foi utilizado um medidor

de vazão ultrassônico portátil. Foram levantadas informações do funcionamento e ma-

nuseio correto do instrumento para o levantamento adequado dos dados, evitando

erros.

As densidades foram determinadas através do método de análise em labora-

tório, medindo-se as massas de determinado volume de amostras e correlacionando

através da Equação 3.

� = (3)

Onde:

ρ: densidade (g/mL)

m: massa da amostra (g)

v: volume da amostra (mL)

Os calores específicos foram determinados anteriormente pelo setor de qua-

lidade da empresa, já estando disponibilizados para o estudo. Outro cuidado foi to-

mado durante a obtenção dos dados: foram realizadas médias de amostragens em

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diversos dias e períodos do dia, visando reduzir os impactos de ruídos sobre as vari-

áveis.

Para a construção das curvas compostas e diagramas de grade será utilizada

uma planilha interna, da indústria alimentícia alvo do estudo, com aplicação de macros

para a construção das mesmas, conforme Figura 4.

Figura 4 - Planilha interna com aplicação VBA para a construção das Curvas Compostas e Dia-

gramas de Grade.

Fonte: acervo do autor.

Nesta planilha, é necessário a introdução dos dados das correntes frias sepa-

radamente das correntes quentes e cada uma é nomeada. Esta nomeação é posteri-

ormente utilizada para correlacionar as interações entre correntes quentes e frias já

existentes. As correntes que não forem marcadas alguma interação são tratadas, au-

tomaticamente, como consumidoras de utilidades para o cenário atual de troca tér-

mica.

Os Quadros 1 e 2 são referentes às linhas frias e quentes que trocam calor,

já priorizadas através dos requisitos para a análise, e ilustram o método realizado para

mapear e correlacionar as linhas durante as análises desenvolvidas.

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Quadro 1 – Linhas Frias (Cool Line) do setor A.

Fonte: acervo do autor

Quadro 2 – Linhas Quentes (Hot Line) do setor A.

Fonte: acervo do autor

As linhas foram relacionadas com sua fonte de troca térmica, seja utilidades

como vapor (SL), água de torre (TW) e água gelada (CW) ou com outra corrente do

processo (linhas enumeradas de 1 a 20) para inserção dos dados no software.

O valor do ponto de estrangulamento (PE), as curvas compostas e os diagra-

mas de grades foram plotadas conforme gráficos gerados pela planilha interna, como

ilustrado nas Figuras 5 e 6.

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Figura 5 - Exemplo de Curva Composta plotada na planilha interna: a curva azul é referente à

linha fria e a rosa referente à linha quente.

Fonte: acervo do autor

Neste caso a curva composta destaca que o reaproveitamento de calor esta

próximo ao ideal, apresentando um PE próximo. A recuperação total possível é,

também, disponibilizado pela planilha em Mcal/h.

Figura 6 – Exemplo de Diagrama de Grade plotado pela planilha interna: as linhas azuis repre-

sentam as correntes frias, as linhas rosas representam as correntes quentes e a linha

tracejada vermelha representa o ponto de estrangulamento (Pinch Point).

Fonte: acervo do autor

0

20

40

60

80

100

120

0 5000 10000 15000 20000 25000

Tem

per

atu

ra [

•°C]

Entalpia [Mcal]

0123456789

1011121314151617181920212223242526

-20020406080100120140

mer

o d

o F

luid

o

Temperature [•°C]

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Após a verificação gráfica da situação atual, através desta planilha é possível

simular diversas interações energéticas até que seja obtido cenários adequados da

rede de trocadores de calor. A análise das correntes de setores pode ser facilmente

realizada de forma individual ou geral, estudando maiores aproveitamentos energéti-

cos.

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33

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Após o levantamento das linhas que realizam trocas térmicas em três setores

produtivos (setor A, setor B e setor C) e excluídas correntes que não atendem às

exigências para o estudo, como processos descontínuos, trocas de calor direta e equi-

pamentos desativados, iniciou-se o uso da metodologia sobre os dados obtidos. Por

meio das técnicas citadas acima, os dados referentes às linhas que efetuam trocas

térmicas foram correlacionados e, para tratamentos destes, foram construídas as cur-

vas e diagramas para algumas possibilidades de análise. Primeiramente, optou-se por

estudar cada um dos três setores isoladamente e, posteriormente, analisar interações

da rede de trocadores de calor entre os setores (setor A, setor B e setor C).

4.1 Análise Pinch no setor A

A Figura 7 apresenta a Curva Composta do Setor A. A curva composta

apresenta uma quantidade mínima necessária de utilidades de aquecimento de

1.460,85 Mcal/h, uma quantidade mínima necessária de utilidades de resfriamento de

25.398,41 Mcal/h e uma recuperação máxima disponível de 2.670,51 Mcal/h,

conforme os cálculos realizados no software, apresentados no Quadro 3.

O Pinch Point, ponto de maior aproximação entre as curvas compostas quente

e fria onde não há teoricamente trocas energéticas, foi calculado na região de

temperatura a 58°C e segue representado pelo tracejado vermelho na Figura 8.

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Figura 7 - Curva Composta do setor A: a curva azul representa a linha fria e a curva rosa repre-

senta a linha quente da curva composta gerada a partir dos dados do setor A.

Fonte: acervo do autor

Quadro 3 – Energia disponível para recuperação neste cenário.

Mínima fonte de aquecimento

Mínima fonte de resfriamento

Recuperação má-xima de calor

1.460,85 25.398,41 2.670,51

Pinch

Point Cool line 68

Heat line 58

Fonte: acervo do autor

O diagrama de grades da Figura 8 demonstra a situação atual de interação

energética no setor A.

Através desse diagrama foi possível verificar que não há correntes frias na

zona de falta de calor e correntes quentes na zona de excesso de calor que utilizam

utilidades para suas trocas. Porém, há trocas de calor que cruzam o PE, necessitando

de uma análise nas linhas (correntes) 1, 2, 5, 8 10, 11, 16 e 21.

0

20

40

60

80

100

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Tem

per

atu

ra [

°C]

Entalpia [Mcal]

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Figura 8 - Diagrama de Grade do setor A: as linhas azuis representam as correntes frias, as li-

nhas rosas representam as correntes quentes e a linha tracejada vermelha representa o ponto

de estrangulamento (Pinch Point).

Fonte: acervo do autor

4.1.1 Cenário de Melhoria no setor A

Foram simuladas interações de potenciais trocas entre linhas frias e quentes,

visando encontrar oportunidade de otimizar a troca de calor. O diagrama de grades

referente a mais adequada melhoria observada está na Figura 9.

Este cenário propõe inserção de outro trocador de calor adicional em cada

linha para evitar que as trocas térmicas cruzem o Pinch Point, porém essa modificação

necessitaria de um investimento alto com um retorno menos expressivo. Algumas des-

sas linhas utilizam serpentinas internas a tanques com agitação para realização dessa

troca, gerando certa dificuldade em passar um fluido do processo com uma viscosi-

dade elevada no interior dessas serpentinas e podendo gerar obstruções. Realizando

uma posterior análise da localização física dessas linhas na área produtiva, foram

identificadas quais melhorias seriam viáveis considerando a proximidade entre as li-

nhas com potenciais trocas de calor.

0123456789

1011121314151617181920212223

-20020406080100120

mer

o d

a lin

ha

Temperatura [°C]

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36

Figura 9 - Diagrama de Grade da melhoria no setor A.

Fonte: acervo do autor

Para analisar este setor de forma isolada, dedicou-se num levantamento mais

detalhado de uma oportunidade que a ferramenta possibilitou verificar. Essas se refe-

rem ao reaproveitamento de calor, não realizada atualmente, do concentrado nas sa-

ídas de dois evaporadores de múltiplos efeitos (evaporador “D” e evaporador “E”) para

pré-aquecimento de suas respectivas alimentações. Estas interações seguem ilustra-

das, assim como sua redução no consumo de utilidades.

4.1.2 Cenário de Melhoria no evaporador “D”

A Figura 10 ilustra um fluxograma referente à proposta de melhoria sugerida

no evaporador D.

0123456789

1011121314151617181920212223

-20020406080100120

mer

o d

a lin

ha

Temperatura [°C]

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Figura 10 - Fluxograma ilustrativo do evaporador “D”: as linhas em preto são as já existentes no físico, a linha vermelha é o trecho de tubulação que necessitará ser retirado, a linha azul

´novo a ser instalado e o círculo tracejado vermelho representa o trocador de calor necessário

para a melhoria.

Fonte: acervo do autor

Para futura análise da viabilidade econômica da melhoria sugerida, foi calcu-

lada a economia aproximada com utilidades. Utilizou-se uma média dos dados das

correntes para estimar a quantidade de calor necessária para a troca térmica por meio

do uso da Equação 4.

� = ��. �. ∆� (4)

Onde:

q: quantidade de energia

Qm: vazão mássica

c: calor específico ∆T: variação de temperatura

A Tabela 1 demostra os cálculos realizados para a estimativa de energia re-

cuperada.

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Tabela 2 - Cálculo do calor recuperado na melhoria das trocas de calor no evaporador “D”.

Linha Fria Linha Quente Qm [t/h] 15,3 4,5 Tin [°C] 60,0 76,0 Tout [°C] 63,4 63,0 ρ [t/m³] 1,2 1,3

c [Mcal/t.°C] 0,9 0,8 q [Mcal/h] 46,8 -46,8

Fonte: acervo do autor.

Os cálculos foram baseados visando o dimensionamento do trocador de calor

com uma folga (approach) de 3°C, diferença de temperatura considerada ideal pela

empresa na qual o estudo foi realizado. As temperaturas de entrada e saída dos flui-

dos quente e frio estão ilustradas na Figura 11.

Figura 11 - Trocas de calor considerando “approach” de 3°C para dimensionamento do troca-

dor de calor novo para a corrente de concentrado na saída do evaporador “D”.

Fonte: acervo do autor.

Com esses dados, foi possível levantar uma estimativa da economia anual,

considerando como 300 dias de produção ao ano, com vapor para uma posterior aná-

lise de viabilidade econômica da melhoria. O resultado desses cálculos é mostrado

na Tabela 2.

Tabela 3 - Cálculo da economia com vapor.

Quantidade de Vapor economizado Calor Latente

493,8 Mcal/ton (Vapor a 7 bar)

Economia de vapor 0,1 ton/h vapor Custo Aproximado do Vapor a 7 bar por tonelada R$ 40,0 Economia total anual, considerando 300 dias

produtivos/ano R$ 28.800

Fonte: acervo do autor.

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39

Após concentração no evaporador, o concentrado sofre resfriamento em um

trocador de calor antes de seguir pra reatores. Esta quantidade de água de torre utili-

zada no resfriamento deve, também, ser considerada para o cálculo da economia de

utilidades. A Figura 12 ilustra um fluxograma esquemático da situação atual desse

resfriamento.

Figura 12- Fluxograma ilustrativo da situação atual de resfriamento do concentrado da saída

do evaporador “D”.

Fonte: acervo do autor.

Através das vazões das correntes, os calores específicos e as temperaturas

de entrada e saída foi calculada a quantidade de energia que seria necessária para

redução da temperatura do concentrado e, então, calculado a economia de água de

resfriamento (água de torre) demonstrado na Tabela 3.

Tabela 4 - Cálculo da economia com água de resfriamento (TW).

Quantidade de ÁGUA DE RESFRIAMENTO economizado

Vazão mássica da linha 5,5 m³/h Custo médio da água de resfriamento por m³ R$ 0,7

Economia total anual, considerando 300 dias produtivos/ano R$ 17.500 ano

Fonte: acervo do autor.

4.1.3 Cenário de Melhoria no evaporador “E”

Analogamente, o estudo foi realizado para o reaproveitamento de calor no

segundo evaporador (evaporador “E”) que estava desativado e está em processo de

reativação para realizar a concentração de uma das matérias-primas, anteriormente

Tanque

Trocador de Calor

ENTRADA DA ÁGUA DE RESFRIAMENTO (TW)

RETORNO DA ÁGUA DE RESFRIAMENTO (TW)

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40

comprada externamente, do processo fermentativo. A Figura 13 ilustra o fluxograma

simplificado referente à proposta de otimização no evaporador E.

Figura 13- Fluxograma ilustrativo do evaporador “E”

Fonte: acervo do autor.

Para futura análise da viabilidade econômica da melhoria sugerida, foi calcu-

lada a economia aproximada com utilidades. Utilizou-se uma média dos dados das

correntes para estimar a quantidade de calor necessária para a troca térmica, calcu-

lada através da Equação 3 e demonstrada na Tabela 4.

Tabela 5 - Cálculo da economia com vapor.

Linha Fria Linha Quente Qm [t/h] 4,2 1,9 Tin [°C] 47,0 78,8 Tout [°C] 58,6 50,0 ρ [t/m³] 1,1 1,2

cp [Mcal/t.°C] 0,9 0,8 q [Mcal/h] 43,8 -43,8

Fonte: acervo do autor.

Os cálculos foram baseados visando o dimensionamento do trocador de calor

com uma folga (approach) de 3°C, análogo ao exemplo anterior do evaporador “D”, e

essas diferenças na temperatura de entrada e saída dos fluidos quente e frio seguem

ilustradas na Figura 14.

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41

Figura 14 - Trocas de calor considerando “approach” de 3°C para dimensionamento do troca-dor de calor novo para a corrente de concentrado na saída do evaporador “E”.

Fonte: acervo do autor.

Com esses dados, estimou-se a economia anual com utilidade de vapor para

uma posterior análise de viabilidade econômica da melhoria. Os cálculos simplificados

para estimativa da economia de vapor referente a esta melhoria, seguem demonstra-

dos no Quadro 4.

Quadro 1 - Cálculo da economia com vapor.

Calor latente do vapor a 1,8 bar 528,2 Mcal/t Vazão de vapor economizado 0,1 t/h vapor

Custo aproximado do vapor por tonelada R$ 52,00 Economia de vapor por hora R$ 4,40

Economia de vapor por dia R$ 105,80 Economia total por ano, considerando 300 dias

produtivos/ano R$ 34.900,00

Fonte: acervo do autor.

4.2 Análise Pinch Setor B

As curvas compostas da situação atual do setor B são mostradas na Figura

15.

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42

Figura 15 - Curva Composta do setor B.

Fonte: acervo do autor.

Neste caso, a curva composta destaca que o reaproveitamento de calor está

próximo ao ideal, apresentando uma recuperação total do setor de 9.352,0Mcal/h,

muito próximo ao máximo encontrado na curva composta conforme apresentado pelo

programa, apresentado no Quadro 5.

Quadro 2 – Energia disponível para recuperação neste cenário.

Mínima fonte de aquecimento

Mínima fonte de resfriamento

Recuperação má-xima de calor

2.074,53 9.819,73 9.385,71

Pinch Point

Cool line 66,5

Heat line 56,5

Fonte: acervo do autor.

O diagrama de grades construído pela planilha interna é apresentado na Figura

16, sendo seu pinch point destacado pelo tracejado vermelho.

0

20

40

60

80

100

120

0 5000 10000 15000 20000 25000

Tem

per

atu

ra [

•°C]

Entalpia [Mcal]

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43

Figura 16 - Diagrama de Grade do setor B

Fonte: acervo do autor.

O Diagrama confirma o reaproveitamento quase que completo no setor,

indicando a existência de apenas uma fonte de aquecimento, representados pela letra

H circundada, na zona de excesso de calor, porém, com poucas chances de

reaproveitamento.

4.2.1 Cenário de Melhoria B

O diagrama de grades da melhoria que eliminaria as fontes é apresentada na

Figura 17.

0123456789

1011121314151617181920212223242526

-20020406080100120140

mer

o d

a lin

ha

Temperatura [•°C]

H

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44

Figura 17 - Diagrama de Grade com melhorias para o setor

Fonte: acervo do autor.

As trocas sugeridas foram entre as correntes 11 e 14 e entre 8 e 14. Vale

observar que a corrente 6, embora a troca já seja feita de forma correta, cruza linha

do pinch point e a metodologia sugere que a troca seja feita até a temperatura do

pinch point. Assim, para a análise de melhoria foi necessária a sua divisão em mais

uma troca. O fluxograma da Figura 18 ilustra o cenário de melhoria:

Figura 18 – Fluxograma da rede de trocadores de calor para melhoria do setor B.

Fonte: acervo do autor.

Embora estas trocas representem a situação ideal na metodologia pinch, a

recuperação de calor poderá não justificar os investimentos visto que o setor já está

0123456789

1011121314151617181920212223242526

-20020406080100120140

mer

o d

a lin

ha

Temperatura [•°C]

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45

proximo da recuperação ideal, não sendo esta melhoria significativa ao ponto de

justificar o investimento .

Os consumos de utilidades calculado pelo programa são apresentados na

Tabela 5.

Tabela 6 – Estimativa de consumo de utilidades dado pelo programa.

Utilidade Antes

[Mcal/h]

Depois

[Mcal/h]

Quente 2.107,0 2.027,9

Fria 9.614,3 9.614,3

Fonte: acervo do autor.

No entanto, a proposta dada pelo cenário recuperaria cerca de 80 Mcal/h,

correspondente a 160 kg/h de vapor e representando uma economia anual de pouco

mais de R$46.658,60, como observa-se na Tabela 6.

Tabela 7 - Tabela de Economia anual em consumo de utilidades.

Utilidade R$ antes R$ depois % Redução R$/ano Redu-

ção

Vapor R$ 1.719.986,5 R$ 1.673.327,9 2,7 R$ 46.658,6

Torre R$ 311.674,1 R$ 311.674,1 0 0

Gelada - - - -

Fonte: acervo do autor.

A variação com o consumo de água de torre não foi estabelecida, embora o

programa calcule, pois a linha de resfriamento 14 foi inserida com a temperatura final

abaixo da temperatura medida em área a fim de se ter um efeito teórico de

reaproveitamento. Assim, estas não representam uma redução de consumo de água

de torre, mas sim uma redução operacional. A estimativa de investimento e retorno

são apresentados no Quadro 6.

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46

Quadro 3 - Estimativa de investimento e retorno referente a este cenário de melhoria.

Economia de Vapor anual

R$ 46.658,60

Área de troca necessária

0,94 m² + 1,8 m²

Fonte: acervo do autor.

4.2.2 Análise de melhoria fora do estudo Pinch para o setor B

O estudo pinch exije o cumprimento de regras para sua análise, levando em

consideração o sistema energético como um todo, ou seja, quando determinado o

pinch point para um mapeamento. Eliminando a corrente que apresenta a corrente de

maior quantidade de energia, vê-se que o pinch point se desloca para a próxima

corrente de maior energia existente. Portanto, com esta constatação, as trocas dentro

de um setor pode existir, ou não, dependendo da corrente que se torna referência na

determinação do pinch point.

Na construção das curvas e diagramas do setor B foi visualizada uma possível

melhoria, mas que, ao se determinar o pinch point do setor, a melhoria não seria

possível devido à quebra de uma das regras da metodologia. Neste caso, haveria o

cruzamento da linha de troca com a reta do pinch point. Porém, se a melhoria for

corretamente aplicada, a recuperação de calor é possível apresentando uma redução

relevante no consumo de utilidades. Portanto, sendo uma melhoria que foje à regra

da metodologia Pinch.

A perspectiva de melhoria é apresentada na Figura 19. Vale ressaltar que,

para efeito de ilustração, as trocas foram apresentadas em correntes paralelas. Mas,

na aplicação as trocas aconteceriam em contra-correntes.

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47

Figura 19 – Fluxograma idealizado para a recuperação de calor.

Fonte: acervo do autor.

Esta recuperação concentra-se no reaproveitamento do calor para o pré-

aquecimento de uma primeira corrente e, também, o pré-aquecimento de uma

segunda corrente. A economia do sistema idealizado é apresentada no Quadro 7.

Quadro 4 – Tabela de Economia anual em termos de vapor.

Economia de Vapor R$ 36.326,25

Área de troca necessária 4,6m² + 14,13m²

Fonte: acervo do autor.

4.3 Análise Pinch do setor C.

As curvas e diagramas do cenário atual do setor C são apresentados nas Fi-

guras 20 e 21.

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48

Figura 20 - Curva Composta para o setor C.

Fonte: acervo do autor.

Pela curva composta, o programa apresentou as características mostradas no

Quadro 8.

Quadro 5 - Energia disponível para recuperação neste cenário.

Mínima fonte de

aquecimento

Mínima fonte de

resfriamento

Recuperação máxima

de calor

0,119 0,027 0,014

Pinch Point

Cool line 29,9

Heat line 19,9

Fonte: acervo do autor.

0

20

40

60

80

100

120

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18

Tem

per

atu

ra [

°C]

Entalpia [Mcal]

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49

Figura 21 - Diagrama de Grades do setor C.

Fonte: acervo do autor.

Para o setor C, nota-se que duas correntes de aquecimento cruzam o Pinch

Point e apontando a existência de fontes de aquecimento em uma Zona de Excesso

de Calor.

4.3.1 Cenário de Melhoria no setor C.

Para este cenário preocupou-se com as trocas de calor das correntes 3, 4, 5

e 6. Estas correntes são as que apresentam a possibilidade de recuperação de calor

para a eliminação das fontes de aquecimento.

As correntes 5 e 6 correspondem ao Ar Frio utilizado na secagem de cristal

de um dos produtos de glutamato monossódico. O qual, primeiramente, o ar é desu-

midificado com água gelada atingindo a temperatura de 15°C e posteriormente aque-

cida até 28°C com vapor de caldeira. Assim, este cenário prevê a utilização do ar

resfriado para o pré-resfriamento da alimentação de ar. O diagrama deste cenário é

apresentado na Figura 22.

0

1

2

3

4

5

6

7

-20020406080100120140

mer

o d

a lin

ha

Temperatura [°C]

H

H

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50

Figura 22 - Diagrama de Grade com melhorias para o setor C.

Fonte: acervo do autor.

Neste caso, as trocas foram feitas entre as correntes 3 e 5, e entre as corren-

tes 4 e 6. O fluxograma ilustrativo para esta melhoria é apresentado na Figura 23.

Figura 23 - Fluxograma da rede de trocadores de calor para melhoria do setor C.

Fonte: acervo do autor.

0

1

2

3

4

5

6

7

-20020406080100120140

mer

o d

a lin

ha

Temperatura [°C]

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51

Os consumos de utilidades calculado pelo programa são apresentados na

Tabela 7.

Tabela 8 – Estimativa de consumo de utilidades dado pelo programa.

Utilidade Antes

[Mcal/h]

Depois

[Mcal/h]

Quente 523 470

Fria 162 109

Fonte: acervo do autor.

Para este cenário, em uma operação ideal, é esperada uma recuperação de

calor de 53 Mcal/h, o correspondente a uma economia de 100 kg/hora de vapor. Mais

detalhes sobre a aplicação pinch são apresentados na Tabela 8.

Tabela 9 - Economia anual em consumo de utilidades.

Utilidade R$ Antes R$ Depois % Redução R$/ano

Redução

Vapor R$ 427.751,75 R$ 383.670,46 10,31 R$ 44.081,29

Torre - - - -

Gelada R$ 26.438,40 R$ 17.788,80 32,72 R$ 8.649,60

Fonte: acervo do autor.

4.3.2 Considerações

A melhoria idealizada não leva em consideração os fatores físicos impostos

para a operação, bem como o layout do equipamento. Assim, a recuperação de calor

seria possível se o equipamento dispusesse de modificações internas para o desvio

da passagem de ar e, consequentemente, pré-resfriá-lo e retornar ao equipamento,

como apresentado no fluxograma.

No entanto, por uma estimativa de investimento baseado nos valores dos tro-

cadores atuais, têm-se os valores demonstrados no Quadro 9.

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52

Quadro 6 – Área que necessita de modificação e economia total da melhoria.

Economia Total

R$ 44.279,82

Área de Troca necessária

73 m² + 22,9 m²

Fonte: acervo do autor.

4.4 Análise Pinch da Integração entre os setores B e C.

Visto a complexidade das melhorias no setor C recorreu-se a análise do setor

B juntamente com o setor C, como uma rede de integração energética única. Assim,

a curva composta e o respectivo digrama para a integração dos dois setores são apre-

sentados nas Figuras 24 e 25.

Figura 24 - Curva Composta para integração entre os setores B e C.

Fonte: acervo do autor.

Pela curva composta o programa apresentou os dados demonstrados no Qua-

dro 10.

0

20

40

60

80

100

120

0 5000 10000 15000 20000 25000

Tem

per

atu

ra [

°C]

Entalpia [Mcal]

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53

Quadro 7 - Energia disponível para recuperação neste cenário.

Mínima fonte de

aquecimento

Mínima fonte de

resfriamento

Recuperação

máxima de calor

2.032,40 9.879,69 9.432,98

Pinch

Point

Cool line 66,4

Heat line 56,4

Fonte: acervo do autor.

Figura 25 - Diagrama de Grades da interação setor B e C.

Fonte: acervo do autor.

Nota-se que o Pinch Point não variou significativamente quando comparado

com a análise do setor B. Ao analisar os dois setores vê-se, então, que as correntes

11, 13, 14, 15 e 16 tornam-se fontes de aquecimento em uma zona de excesso de

calor, indicado pela letra H. Vale atentar que nenhuma troca de calor cruza a linha do

Pinch Point.

0123456789

1011121314151617181920212223242526272829303132

-20020406080100120140

mer

o d

a lin

ha

Temperatura [°C]

H

HH

HH

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54

Para tanto, foram elaborados possíveis cenários de melhoria conforme apre-

sentado nos cenários a seguir.

4.4.1 Cenário de Melhoria entre os setores B e C.

Visto que ao inserir o setor C na análise praticamente não se teve variação

significativa do pinch point, uma variação de 0,1°C, pode-se manter o cenário de me-

lhoria trabalhada para o setor B e inserir novas trocas as quais elimina as fontes inde-

sejadas relativas ao C, como determina a metodologia pinch.

O diagrama de grades construído para este cenário é apresentado na Figura

26.

Figura 26 - Diagrama de Grade com melhorias para interação B e C.

Fonte: acervo do autor.

As trocas idealizadas para a melhoria são apresentadas na Tabela 9.

0123456789

1011121314151617181920212223242526272829303132

-20020406080100120140

mer

o d

a lin

ha

Temperatura [°C]

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55

Tabela 10 – Tabela de trocas de calor realizadas.

Fonte: acervo do autor.

O fluxograma ilustrativo deste cenário é apresentado na Figura 27.

Figura 27 - Fluxograma da rede de trocadores de calor para melhoria dos setores B e C.

Fonte: acervo do autor.

Para este cenário, em uma operação ideal, é esperada uma recuperação de

calor de 170 Mcal/h, o correspondente a uma economia de 334 kg/hora de vapor,

conforme a Tabela 10 de dados obtida com o programa.

Tabela 11 – Estimava de consumo de utilidades dado pelo programa.

Utilidade

Antes [Mcal/h]

Depois [Mcal/h]

Quente

2.636,0

2.466,0

Fria 10.015,0 9.847,7

Fonte: acervo do autor.

Mais detalhes de economia são apresentados na Tabela 11.

Correntes Analisadas Corrente para interagir na troca

11 18

8 18

15 18

16 18

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56

Tabela 12 - Tabela de Economia anual em consumo de utilidades.

Utilidade R$ antes R$ depois % Redução R$/ano

Redução

Vapor R$ 2.151.819,85 R$ 2.012.937,41 6,45 R$ 138.882,44

Torre R$ 313.820,88 R$ 308.359,23 1,74 R$ 5.461,65

Gelada R$ 26.557,47 R$ 26.557,47 0,00 -

Fonte: acervo do autor.

4.5 Discussões quanto às análises

A melhoria apresentada foi construída conforme a teoria da Metodologia

Pinch, aplicando suas regras na determinação de melhorias. A seguir, são discorridas

algumas considerações utilizadas para a construção da melhoria e, também, conside-

rações quanto à aplicabilidade da melhoria.

4.5.1 Consideração 1

A corrente de número 18 é uma linha de condensado dos cristalizadores o

qual é enviado ao filtro biológico e seu resfriamento é realizado naturalmente pela

atmosfera nos taludes do Filtro Biológico. Assim, quanto maior o resfriamento antes

de seu envio, maior o ganho operacional. Portanto, este resfriamento foi trabalhado

para efeito teórico e, assim, o calor envolvido foi descartado considerando somente o

vapor envolvido na troca da outra linha.

4.5.2 Consideração 2

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57

Não se pensou em utilizar as correntes 20, 22, 25 ou 27 na recuperação de

calor, pois estes são evaporados dos cristalizadores obtidos sob vácuo que, para qual-

quer interação destes, requer altos investimentos visto a necessidade de tubulações

de grande diâmetro e trocadores de grande comprimento, o qual inviabiliza este tipo

de recuperação.

4.5.3 Consideração 3

As fontes indesejadas correspondentes às correntes de número 13 e 14 não

podem ser eliminadas vista a falta de correntes de resfriamento que possam ser utili-

zadas. Como explicado na Consideração 2, as correntes 20, 22, 25 e 27 não podem

ser utilizadas vista a dimensão para a troca de calor com estes evaporados. Também,

existiria a possibilidade da corrente de número 18 pré-aquecer as correntes 13 e 14.

Porém, esta interação apresenta um erro na programação o qual faz análise errônia

da situação levando as correntes 13 e 14 a temperaturas muito mais altas que o real.

Portanto, não foi possível estabelecer uma interação energética com tais correntes no

programa, mas um correto estudo desta interação é apresentado na seção 4.7.

4.5.4 Consideração 4

Pode-se eliminar da análise a troca de calor entre as correntes 11 e 18, pois

esta recuperação é significativamente pequena, apresentando uma baixa economia

em equiparação ao alto investimento esperado. A Tabela 12 mostra a economia apro-

ximada da melhoria analisada.

Tabela 13 – Calculo da economia de vapor a troca das correntes 11 e 18.

Calor recuperado 9,3 Mcal/h

Vapor economizado 0,02 ton/h

Custo reduzido por dia R$ 21,89

Fonte: acervo do autor.

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58

4.5.5 Consideração 5

Para a utilização de água de dreno (corrente 18) no resfriamento do ar de

secagem, pode-se pensar no envio direto do dreno para o equipamento de desumidi-

ficação de ar, sendo esta a opção mais simples. Porém, as necessidades de área para

a utilização do dreno vê-se que é requerida uma maior área de troca conforme os

Quadro 11 e 12.

Quadro 8 - Comparação de área de troca atual e necessária para a Corrente 16.

[Mcal/h] ΔTln Área x U

Atual 45,08

120,24 0,38

Necessário 41,85 1,08

Fonte: acervo do autor.

Quadro 9 – Comparação de área de troca atual e necessária para a Corrente 16.

[Mcal/h] ΔTln Área x U

Atual 117,65

120,24 0,98

Necessário 35,87 3,28

Fonte: acervo do autor.

Compreende-se que, para a troca, deve se ter o triplo da área existente. A

aquisição de novos trocadores de aquecimento de ar é a situação que exibe a maior

recuperação de calor. Assim, as necessidades de áreas e economia de vapor para tal

aplicação são apresentadas no Quadro 13.

Quadro 10 – Área de troca térmica necessária e economia de vapor.

Economia de Vapor

R$ 138.882,44

Área de Troca necessária

36,7m² + 16m²

Fonte: acervo do autor.

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4.6 Extensão para Melhoria entre os setores B e C.

Como mencionado na consideração 3, o programa não é capaz de estimar

uma correta troca, porém se corretamente dimensionado pode se ter uma boa recu-

peração de calor. A ilustração para as trocas de calor entre as correntes 13 e 14 com

o dreno das cristalizações é apresentada no fluxograma da Figura 28.

Figura 28 - Imagem ilustrativa da melhoria entre as correntes 13 e 14.

Fonte: acervo do autor.

Para os cálculos de dimensionamento foram considerados também a coloca-

ção de trocadores maiores para que fosse possível a troca com o dreno. Os valores

calculados são apresentados no Quadro 14.

Quadro 1114 - Área de troca térmica necessária e economia de vapor.

Economia de Vapor

R$ 208.694,52

Área de Troca necessária

36,7 m² + 16 m²

68,7 m² + 64,2 m²

Fonte: acervo do autor.

4.7 Análise Pinch da Integração entre os Setores A e B.

Utilizando-se dos dados coletados para a análise Pinch do setor A, analisou-

se a possibilidade da interação energética entre o setor B, já estudado. No entanto,

para esta análise utilizou-se das correntes que não fazem trocas dentro do próprio

setor, visando apenas a busca de potenciais de troca que apresentasse grande eco-

nomia.

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Após a seleção de dados a serem analisados, a curva composta obtida é

apresentada na Figura 29.

Figura 29 - Curva Composta para integração entre os setores A e B.

Fonte: acervo do autor.

Estão demonstrados no Quadro 15 os dados gerados pela curva composta no

programa.

Quadro 12 - Energia disponível para recuperação neste cenário.

Mínima fonte de

aquecimento

Mínima fonte de

resfriamento

Recuperação

máxima de calor

3.502,06 27.571,4 135,2

Pinch Point

Cool line 68,5

Heat line 58,5

Fonte: acervo do autor.

Nota-se que, energeticamente, existe a possibilidade de recuperação de calor.

Para esta análise temos o diagrama de grades na Figura 30:

0

20

40

60

80

100

120

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Tem

per

atu

ra [

°C]

Entalpia [Mcal]

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61

Figura 30 - Diagrama de Grades da integração dos setores B e C.

Fonte: acervo do autor.

No entanto, ao se trabalhar com o Diagrama de Grades, vê-se que poucas

correntes estão na região de troca, dificultando a elaboração de interações para a

recuperação de calor. Dentro da pequena região permanecem as trocas encontradas

no setor B, os quais são representadas pelos números 1 e 11, e uma possível integra-

ção dos setores entre as correntes 6 e 20. As trocas idealizadas são apresentadas na

Figura 31.

0123456789

101112131415161718192021222324252627

-20020406080100120140

mer

o d

a lin

ha

Temperatura [°C]

H

H

H

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62

Figura 31 - Diagrama de Grade com melhorias para a integração entre os setores A e B.

Fonte: acervo do autor.

O fluxograma ilustrativo deste cenário é apresentado na Figura 32.

Figura 32 - Fluxograma da rede de trocadores de calor para melhoria dos setores A e B.

Fonte: acervo do autor

0123456789

101112131415161718192021222324252627

-20020406080100120140

mer

o d

a lin

ha

Temperatura [°C]

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63

O consumo de utilidades apresentado pelo programa é apresentado na Ta-

bela 13.

Tabela 153 – Estimava de consumo de utilidades dado pelo programa.

Utilidade

Antes [Mcal/h]

Depois [Mcal/h]

Quente

3.637,0

3.521,4

Fria 27.730,0 27.569,0

Fonte: acervo do autor

Mais detalhes da economia anual são apresentados na Tabela 14.

Tabela 16 - Tabela de Economia anual em consumo de utilidades.

Utilidade R$ antes R$ depois %

Redução

Redução

[R$/ano]

Vapor

R$ 2.968.956,29

R$ 2.932.407,36

1,23

R$ 36.548,93

Torre R$ 852.156,96 R$ 848.383,77 0,44 R$ 3.773,18

Gelada R$ 31.987,20 R$ 31.987,20 0,00 R$ -

Fonte: acervo do autor

O Quadro 16 mostra a economia total para essa sugestão de melhoria e a

área de troca necessária.

Quadro 13 – Economia total e área de troca necessária.

Economia Total R$ 40.322,11 Área de Troca necessária 2,1 m² + 25 m²

Fonte: acervo do autor

4.7.1 Considerações

A melhoria apresentada foi construída conforme a teoria da Metodologia

Pinch, aplicando as regras impostas sem as considerações físicas para a interação

dos setores. Assim, foram feitas as seguintes considerações:

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4.7.2 Consideração 1

Para este cenário, também, foi considerado o resfriamento de alguns drenos

antes de seu envio para o filtro biológico, aumentando o ganho operacional. Portanto,

o calor envolvido para seu resfriamento foi descartado nos cálculos de economia anual

considerando somente o vapor envolvido na troca da outra linha.

4.7.3 Consideração 2

Na interação dos setores existe a implicação da transferência dos fluidos envolvidos

até o local de troca. A distância percorrida é relativamente grande o qual ocorreria a

perda de calor, sendo que este calor recuperável é baixo e necessitaria de isolamento

eficaz na linha para evitar a perda no deslocamento dos fluidos. A quantidade de calor

recuperável é de 15,0 Mcal/h, o correspondente a 30,0 kg/h de vapor, calor passível

de perda na transferência do fluido para outro local. Assim, diante das implicações, o

investimento necessita de avaliação para um retorno viável, analisando os materiais

construtivos para o trabalho com o fluido do setor A frente à recuperação de calor.

4.8 Comparação entre as interações dos setores A, B e C.

A tabela 15 resume as economias aproximadas com as melhorias levantadas

para cada interação:

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Tabela 175 – Economia das melhorias sugeridas

INTERAÇÃO

ECONOMIA ANUAL ESTI-

MADA SOBRE AS MELHO-RIAS PROPOSTAS

SETOR A R$ 83.300,00

SETOR B R$ 46.658,60

SETOR C R$ 44.279,80

INTEGRAÇÃO SETORES B e C R$ 208.000,00

INTEGRAÇÃO SETORES A e B R$ 40.322,10

Fonte: acervo do autor

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5. CONCLUSÃO

As economias anuais totais estimadas nas melhorias proposta no setor A e

no setor B, separadamente, são a segunda e terceira maiores, como observado na

tabela 22. Essas apresentam também menor complexidade na execução, necessi-

tando apenas da aquisição de novos trocadores, bem como seu funcionamento está

próximo à situação ideal de interação.

As melhorias propostas para o setor C necessitam de mudanças internas no

equipamento para o reaproveitamento, reduzindo a viabilidade da modificação.

Conforme visto, a interação dos setores B e C, o setor C não provoca maiores

efeitos sobre a análise devido às quantidades de energia envolvidas neste setor serem

relativamente pequenas quando comparadas ao setor B. Os cenários propostos ne-

cessitam de trocadores novos de maior área de troca para o reaproveitamento ener-

gético. A recuperação pode ser estendida para um maior uso do dreno, conforme visto,

porém, é necessária uma grande área de troca para a recuperação o que pode invia-

bilizar economicamente o cenário idealizado.

A interação entre o setor A e o setor B não mostra potencial de redução no

consumo de utilidades visto que a grande maioria das correntes não está em uma

região de troca que favorece a recuperação de calor. Dificilmente o investimento para

esta interação terá retorno viável visto às grandes implicações de aplicabilidade e ma-

teriais construtivos para essa melhoria.

A metodologia Pinch não avalia certos aspectos como, por exemplo, os fluidos

armazenados e resfriados naturalmente ou que são mantidos em certa temperatura.

Também, a determinação do pinch point sofre variações consideráveis quando se in-

sere ou retira alguma corrente de grande energia. Assim, certas correntes podem, ou

não, existir conforme a posição do pinch point. Os principais benefícios que a meto-

dologia Pinch apresentou ao longo do estudo foram suas ferramentas para cálculos

simples, gerando curvas que possibilitam organizar os dados e gerar informações grá-

ficas para uma boa avaliação da rede de interação de trocadores de calor.

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