GABRIELLA LILA PÁLINKÁS ESTUDO DE CASO EM...
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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
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.
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
Dedico este trabalho à minha mãe, por toda uma
vida de dedicação, esforços e amor pura e simples-
mente a seus filhos.
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.
“A mente que se abre a uma nova ideia jamais
voltará ao seu tamanho original.”
Albert Einstein
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.
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.
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
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
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
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)
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
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
14
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.
15
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
16
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.
17
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-
18
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.
19
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.
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.
21
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
22
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.
23
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)
24
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:
25
“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.
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.
27
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
28
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
29
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.
30
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.
31
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
Nú
mer
o d
o F
luid
o
Temperature [•°C]
32
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.
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.
34
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]
35
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
Nú
mer
o d
a lin
ha
Temperatura [°C]
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
Nú
mer
o d
a lin
ha
Temperatura [°C]
37
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.
38
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.
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)
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.
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.
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]
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
Nú
mer
o d
a lin
ha
Temperatura [•°C]
H
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
Nú
mer
o d
a lin
ha
Temperatura [•°C]
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.
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.
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.
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]
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
Nú
mer
o d
a lin
ha
Temperatura [°C]
H
H
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
Nú
mer
o d
a lin
ha
Temperatura [°C]
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.
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]
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
Nú
mer
o d
a lin
ha
Temperatura [°C]
H
HH
HH
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
Nú
mer
o d
a lin
ha
Temperatura [°C]
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
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
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.
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.
59
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.
60
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]
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
Nú
mer
o d
a lin
ha
Temperatura [°C]
H
H
H
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
Nú
mer
o d
a lin
ha
Temperatura [°C]
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:
64
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:
65
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
66
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.
67
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