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EQE-723 EQE -723 Integra Int egrac ç ˜ ao de Processos, TPQB, 2017-2

´ ANALISE CRÍTICA ITICA DO ARTIGO: ”Biodiesel production process from microalgae oil by waste heat recovery and process integration” ˜ Pedro Souza de Oliveira1 * Joao Resumo ˜ a realizar uma avaliac ˜ cr´ O trabalho desenvolvido se prop oe avalia ç ao cr´ıtica ıtica dos resultados encontrados no artigo ”Biodiesel production process from microalgae oil by waste heat recovery and process integration ” quanto a ˜ fornecida para o sistema de integra ç ao ˜ energetica ´ configurac configura ç ao a ser implmentado no processo examinado. ˜ empregam um procedimento de otimiza ç ao ˜ para o processo considerando as Os autores desta publicac publica ç ao ˜ que o consituem. Para tanto, desempenham a minimiza ç ao ˜ da taxa de exergia. Sua inten ç ao ˜ principais sec seç oes ˜ t ecnico-econˆ ´ ˆ ˜ de calor residual a partir consiste em favorecer a viabilizac viabilizaç ao ecnico-econ omica do processo pela recuperac recupera ç ao das correntes de vapores nos destilados de tanques flash e e de colunas de fracionamento. Contudo, restringiram ˜ energetica ´ ` porc ˜ individuais do processo, o que impossibilita o desempenho de uma rotina a integrac integraç ao as porç oes ˜ que conduza a` soluc ˜ mais promissora. Uma estrat egia ´ ˜ compartimentalizada de otimizac otimizaç ao soluç ao preliminar n ao ˜ de custos de capital e de utilidades, apontando o requisitode somente utilidade fria a temperatura indica reduc reduç ao ambiente, menos onerosa do que utilidades quentes dadas por vapores a altas temperaturas. Palavras-chave ´ ico — Inte ˜ de Processos ˜ Energetica ´ Pinch Termico erm I ntegrac graç ao Processo s — Integraç ao 1

Tecnologia de Processos Processo s Qu´ımicos ımicos e Bioqu´ımicos, ımicos, Universidade U niversidade Federal do Rio Ri o de Janeiro, Janeir o, Rio de Janeiro, Janei ro, Brasil ˆ *Correio eletronico : [email protected]

1. In Intro trodu duc ç ˜ ao e Objetivos

´ Sumário Sum 1 Int I ntro rodu duc ç ˜ ao e Objetivos

1

2 Des D escr cric iç ˜ ao do Processo

2

3 Metodologia

3

3.1 Tabela de Oportunidades . . . . . . . . . . . . . . . 3 ´ 3.2 Tecnologia Pinch Termico . .. .. .. .. .. .. . 3 Otimizaç ao ınimo de temperatura • Diagrama ˜ do diferencial m´ınimo de Cascata de Calor • Grande Curva Composta • Curvas Compostas • Rede de M´ınimo ınimo Consumo Co nsumo de Ut ilidades

´ 3.3 Metod etodos os Heur´ısticos ısti cos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 ´ ´ ´ Metodo RPS 1 • M etodo RPS 2 • M etodo PD

˜ Economica ˆ 3.4 Avali Ava liac aç ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4

˜ Resultados e Discuss Discuss ˜ ao

5

4.1 Tabela de Oportunidades . . . . . . . . . . . . . . . 5 ´ 4.2 Tecnologia Pinch Termico . .. .. .. .. .. .. . 6 Otimizaç ao ınimo de temperatura • Diagrama ˜ do diferencial m´ınimo de Cascata de Calor • Grande Curva Composta • Curvas Compostas • Rede de M´ınimo ınimo Consumo Co nsumo de Ut ilidades

´ 4.3 Metodos Heur´ısticos Heur´ ısticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 ´ ´ ´ Metodo RPS 1 • M etodo RPS 2 • M etodo PD

˜ Economica ˆ 4.4 Avali Ava liac aç ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 ˜ 5 Conclus Conclus ˜ ao e Suges Sugestt ˜ oes ˆ Referências Refer

10 10

Com o presente trabalho, tem-se a finalidade de desenvolver uma avaliac avaliaç ao a˜ o cr´ cr´ıtica ıtica do estudo empreendido pelos autores do artigo selecionado, publicado no peri odico o´ dico Bioresource Technology da revista Elsevier e entitulado: ” Biodiesel production process from microalgae oil by waste heat recovery and process integration ”. Inicialmente, vaise apresentar o processo em considerac consideraç ao a˜ o e a estrat´ estrategia e´ gia de otimizac otimizaç ao a˜ o empregada no artigo. Subsequentemente, tratase da abordagem alternativa proposta, a qual se pauta na realizac realizaç ao a˜ o da integrac integraç ao a˜ o energ´ energetica e´ tica da planta em an´ analise a´ lise pelas metodologias baseadas na aplica ç ao a˜ o da tecnologia Pinch e das regras heur´ heur´ısticas ısticas PD e RPS, considerando o cen´ cenario a´ rio de o total de correntes quentes e frias das distinatas sec seç oes o˜ es do processo se encontrar dispon´ dispon´ıvel ıvel para troca t´ termica e´ rmica e, portanto, renunciando ao tratamento compartimentalizado originalmente originalmente utilizado. O processo examinado se destina a` produc produç ao a˜ o de biodiesel por meio de uma rota alternativa tanto ` tanto à convencional convencional àque petroqu´ petroqu´ımica ımica quanto quanto ` aquela la que que usa usa óleo oleo vegetal vegetal virgem, virgem, partindo de ´ de óleo oleo de microalgas microalgas como mat eria-prima. e´ ria-prima. Mostra-se, Mostra-se, desta forma, em conson ancia aˆ ncia com os crescentes esforc esfor ç os associados ` sociados à pesquisa e desenvolvimento de biocombust´ biocombust ´ıveis ıveis e de viabilizac viabilizaç ao a˜ o de sua fabricac fabricaç ao a˜ o em escalas cada vez maiores, de maneira a contribuir para que estes se tornem alternativas competitivas competitivas às as fontes f ´ f osseis o´ sseis de energia, recur-

´ ANALISE CRÍTICA DO ARTIGO: ”Biodiesel production process from microalgae oil by waste heat recovery and process integration” — 2/10

sos finitos e de forte impacto negativo sobre o ambiente. Em relaça˜ o ao fator econ oˆ mico, a utilizaça˜ o de o´ leo de microalgas como material de partida em substituiça˜ o ao óleo vegetal virgem constitui uma estratégia potencial para reduça˜ o de dispêndios relacionados à matéria-prima do processo, dado os elevados custos do u ´ ltimo. As principais vantagens de tal o´ leo advindo de microalgas em comparaça˜ o ao vegetal compreendem a alta eficiência fotoss´ıntética das primeiras, expressiva produça˜ o lip´ıdica, rápido crescimento, não competiça˜ o com outras culturas e maior fixaça˜ o de dióxido de carbono. No entanto, apesar dos pontos favoráveis levantados, o referido material possui um conteúdo siginifcativo de a´ cidos graxos livres, o que o faz inapropriado, na aus eˆ ncia de um pré-processamento, para a via tradicional de obtença˜ o de biodiesel por catálise alcalina; este fato se deve a` s reaço˜ es de saponificaça˜ o decorrentes, conduzindo à diminuiça˜ o de eficiência catal´ıtica por comprometimento dos catalisadores e ampliaça˜ o da viscosidade da mistura, e sendo resultado l´ıquido dado por ´ portanto, requerido preju´ızo ao rendimento de biodiesel. E, uma etapa prévia de esterificaça˜ o dos ácidos graxos sucedida pela transesterificaça˜ o propriamente dita. A rota por o´ leo microalgal ainda se exibe custosa frente à tradicional por derivados de petr o´ leo como consequência, também, dos gastos atrelados ao processo produtivo, fazendo sua possibilidade de realizaça˜ o dependente de aprimoramentos da fabrica ça˜ o.

2. Descriç ˜ ao do Processo Os autores da publicaça˜ o que se analisa otimizaram o processo de produça˜ o de biodiesel a partir de óleo de microalga lançando mão da abordagem de integraça˜ o de processos no sentido de recuperaça˜ o de calor residual incorporado às correntes envolvidas nas seço˜ es de uso intensivo de energia, que são: esterficaça˜ o, transesterificaça˜ o e purificaço˜ es de biodiesel e glicerol. O processo em questão se inicia com a esterificaça˜ o da fraça˜ o do o´ leo de microalga alimentado correspondente a a´ cidos graxos livres, a qual e´ conduzida por catálise ácida; assim, encaminham-se correntes de ácido ´ sulf u´ rico, metanol (reciclo e make-up) e oleo a um reator (R-1), cujo efluente segue para um separador por extraça˜ o l´ıquido-l´ıquido (S-1) onde se emprega como solvente glicerol (co-produto da transesterificaça˜ o) para recuperaça˜ o de metanol, sendo reciclado. A fase org aˆ nica composta majoritariamente pelos triglicer´ıdeos e biodiesel proveniente dos a´ cidos livres e´ dirigida para a etapa de transesterificaça˜ o, em cujo reator (R-2) se inserem também metanol e soda cáustica para promoça˜ o de catálise básica; tal qual no passo anterior, faz-se a recuperaça˜ o de metanol para reaproveitamento. O produto cru obtido e´ , então, levado a etapas de purificaça˜ o de ambas as fases que o compõem ricas, cada uma, em biodiesel e glicerol, separadas em um extrator com a´ gua como solvente, utilizando-se colunas de destilaça˜ o e tambores flash para recolhimento de correntes purificadas de metanol, glicerol e biodiesel. Na figura 1, fornece-se o esquema representativo do processo.[4]

Figura 1. Processo Otimizado

A soluça˜ o implementada pelos autores para integraça˜ o energética se fundamenta no aproveitamento do calor carreado pelas correntes de produto de topo das colunas de destilaça˜ o e/ou dos separadores flash para aquecimento das respectivas cargas, mitigando, em dada extens a˜ o, o emprego de utilidades para suprimento dos requisitos energéticos, o que, então, contribui para ocorrência de menores custos operacionais. Nas quatro principais porço˜ es do processo otimizado de uso intensivo de energia, conforme identificadas pelos autores, tem-se, a priori das trocas t e´ rmicas por integraça˜ o inicialmente mencionadas, a submissão a compressores dos fluxos de vapores destilados para eleva ça˜ o de ˜ e, consequentemente, temperaturas; tal etapa, suas pressoes mediante ao exposto no artigo, amplia a taxa de exergia (máximo trabalho u´ til) destes. Desta maneira, são conseguidas reduço˜ es das cargas t e´ rmicas que devem ser providas por refervedores, condensadores e pré-aquecedores das cargas alimentadas aos equipamentos de destilaça˜ o em u´ nico ou múltiplos estágios, dimuinuindo-se, portanto, o disp eˆ ndio de utilidades quentes e frias no processo.[4] Em particular, nas subseço˜ es de recuperaça˜ o de ma˜ de esterificaça˜ o e de transesterificaça˜ o e tanol das seçoes purificaça˜ o, tanques flash responsabilizam-se pela operaça˜ o de separaça˜ o, sendo os gastos de energia limitados aos compressores, ao passo que, nas subseço˜ es de purificaça˜ o de biodielsel e de glicerol, empregam-se colunas de destilaça˜ o fracionada, havendo demandas de energia para um refervedor, dois condensadores e um pré-aquecedor. Especificamente


no tratamento para obten ça˜ o de glicerol, a implanta ça˜ o dos trocadores de integra ça˜ o elimina a necessidade de referevedor para a corrente de fundo do destilador. Isto não é o caso para a purificaça˜ o do biodiesel presente na fase org aˆ nica do efluente da reaça˜ o de transesterificaça˜ o, pois, dada a suscetibilidade à degradaça˜ o térmica do produto de interesse, limita-se a extensão da compressão promovida da corrente de topo para evitar o alcance de temperaturas proibitivamente altas, o que se reflete em restriço˜ es à implementaça˜ o do potencial de transferência de calor que se conseguiria nos trocadores de integraç a˜ o na ausência destas.[4] Na tabela 2.1, encontram-se sumarizados os requisitos de energia nas unidades do processo otimizado, incluindo-se aqueles destinados a operaço˜ es que não sejam as de compressão ou de permutaç a˜ o t e´ rmica.

Seç ˜ ao - Unidade

Pot ência gasta (kW) Esterificaç a˜ o - Pré-aquecedor 72 Esterificaç a˜ o - Reator 63 Esterificaç a˜ o - Compressor 13.9 Transesterificaç a˜ o - Reator 81 Transesterificaç a˜ o - Compressor 53.8 Purificaç a˜ o do Biodiesel - Refervedor 153 Purificaç a˜ o do Biodiesel - Compressor 25.4 Purificaç a˜ o do Glicerol - Pré -aquecedor 15 Purificaç a˜ o do Glicerol - Compressor 21.1 Total 498.1 Tabela 1. Requerimentos de energia para o processo otimizado

u´ nico exibindo configuraça˜ o de escoamento em contracorrente. Sucedem-se aplicaço˜ es de um algoritmo com o qual seleciona-se o par de correntes de cada trocador de calor e calcula-se a respectiva carga térmica, compondo-se a rede até esgotamento das possibilidades de integraça˜ o energética, quando recorre-se às utilidades para fins de complementaça˜ o. Evidentemente, as duas classes de métodos mencionadas e que serão aplicadas no presente trabalho não encerram todo o conjunto de ferramentas existentes, sendo importante destacar os métodos que se pautam em programaça˜ o matemática para otimizaça˜ o, bem como os evolutivos, que, por meio de modificaçoes ˜ nas redes obtidas heuristicamente, podem vir a gerar resultados de maior desempenho.[ 2]

3.1 Tabela de Oportunidades Uma vez esquematizado e descrito o processo a ser tratado, parte-se para a identificaça˜ o das correntes que necessitam de aquecimento e de resfriamento, designadas, respectivamente, de quentes e frias. As taxas de transferência de calor ou cargas térmicas que devem ser estabelecidas para conduzir tais correntes de suas temperaturas de origem para as de destino (ou metas) podem ser tomadas como potenciais de oferta e demanda de energia térmica, de tal forma que apropriadas combinaço˜ es de fluxos quentes e frios em trocadores de calor definidos como sendo de integra ça˜ o permitem encurtaço˜ es dos custos de operaça˜ o em funça˜ o do menor emprego de utilidades para suprimento ou sorvimento das taxas térmicas. Ao se listarem as correntes quentes e frias explicitando suas temperaturas de partida e de chegada, vazões e capacidades calor´ıficas, resulta o que se denomina de tabela-problema ou tabela de oportunidades, a partir da qual inicia-se o desenolvimento dos diferentes algoritmos poss´ıveis para a elaboraça˜ o de redes de trocadores de calor.[1]

3.2 Tecnologia Pinch Térmico A metodologia baseada na tecnologia Pinch aplicada à s´ıntese de redes de trocadores de calor permite a determinaça˜ o 3. Metodologia de configuraço˜ es de sistema que conduzam à minimizaça˜ o do uso de utilidades quentes e frias. Para tanto, mediante o Neste cap´ıtulo, abordar-se- a˜ o os procedimentos que deemprego de passos especificados, identificam-se as m´ınimas vem ser aplicados para a determinaça˜ o de redes de trocacargas térmicas a serem providas por utilidades, encontradores de calor alternativas àquela fornecida na publicaça˜ o se o ponto de estrangulamento (ou de Pinch) do chamado avaliada segundo as metodologias estruturadas com base na diagrama de cascata de calor e, então, empreende-se a tecnologia Pinch e em regras heur´ısticas. As distintas estratégias caracterizam-se por suas especificaço˜ es construça˜ o da rede de trocadores considerando individualmente os subsistemas resultantes da definiça˜ o do Pinch de rotinas para a s´ıntese de redes de permutadores t e´ rmicos. térmico, valendo-se de um conjunto de regras para tal.[ 1] ˜ heur´ısticas para a De maneira comum, partem de condiçoes definiça˜ o inicial do problema: troca térmica somente entre 3.2.1 Otimizaç ˜ ao do diferencial m´ınimo de temperatura uma corrente quente e outra fria, devendo-se ter a temeperatura de origem da primeira superior a da segunda; carga As diferenças entre as temperaturas dos fluidos quente e térmica do trocador de calor limitada pela menor das cifrio nas extremidades do trocador de calor afeta a extensão fras para as taxas térmicas correspondentes a demanda da da troca térmica entre as correntes segundo uma corresfria e oferta da quente; diferença de temperaturas nas expondência inversa, isto é, quanto menor for, maior deverá tremidades dos trocadores maiores ou iguais ao valor de ser a carga térmica do trocador que se considera. Por outro ∆T de approach; trocadores do tipo casco e tubo de passo lado, valores expressivamente reduzidos de ∆ T de approach


acarretam a´ reas de transferência de calor e, consequentemente, custos de capital proibitivamente elevados, inviabilizando o processo economica e, at e´ mesmo, tecnicamente. Em meio a tal cenário, tem-se um problema de otimizaça˜ o, constituindo-se como uma fundamental etapa a definiça˜ o apropriada da m´ınima diferença de temperatura. 3.2.2 Diagrama de Cascata de Calor Para a elaboraça˜ o do diagrama de cascata de calor, tratamse os dados disponibilizados na tabela de oportunidades em conformidade com os seguintes passos: •

•

•

Traçam-se dois eixos verticais paralelos para disposiça˜ o das temperaturas referentes a` s correntes quentes e frias separadamente em ordem descrescente de cima para baixo. Emparelham-se os pontos sobre cada eixo com os que resultam do acréscimo (correntes frias) ou desconto (correntes quentes) do valor da variaça˜ o m´ınima de temperatura (∆T de approach) no outro eixo, o que leva a` definiça˜ o dos intervalos de troca térmica, cada um dos quais compreendido entre dois pares de temperaturas nos eixos. Identificam-se as correntes quentes e frias sobre a estrutura do diagrama constru´ıda por meio de representaço˜ es por setas que se estendem, para cada corrente, do valor de temperatura de orgiem para o de temperatura de destino. Calculam-se as cargas térmicas referentes a` oferta e a` demanda para cada intervalo de troca térmica, dadas, respectivamente, pelos somat o´ rios das taxas de transferência de calor disponibilizado pelas correntes quentes e requisitado pelas correntes frias no intervalo considerado

N q,i

Qoferta,i =

∑ (mcp q,i

∗

∆T i )

(1)

j =1

N f ,i

Qdemanda ,i =

∑ (mcp f ,i

∗

∆T i )

(2)

j=1

em que Qoferta,i e Qdemanda,i denotam oferta e demanda térmicas para o i-ésimo intervalo, N q,i e N f ,i , os n u´ meros de correntes quentes e frias no intervalo tomado e ∆ T i a diferença de temperaturas correspondente. Avaliam-se, também, as cargas l´ıquidas, que definem-se como sendo res´ıduos R i para cada intervalo i quando O fertai > Demandai . •

Somam-se as cargas l´ıquidas negativas para fornecimento da taxa térmica a ser suprida por utilidade quente. Acrescentando esta ao primeiro intervalo, procede-se avançando ao longo do diagrama com a

adiça˜ o na carga l´ıquida de cada intervalo do res´ıduo daquele antecedente. Onde ocorre a anula ça˜ o da carga te´ rmica, tem-se o ponto de estranguamento ou Pinch. O calor remanescente ao final do diagrama corresponde à carga a ser absorvida por utilidade fria. 3.2.3 Grande Curva Composta Plotar a grande curva composta (GCC) permite especificar os n´ıveis de utilidades demandados para a condu ça˜ o do processo submetido ao emprego de integraça˜ o energética, em que se identificam as condiço˜ es para as utilidades compat´ıveis com as distintas faixas de temperaturas e cargas térmicas envolvidas, evitando-se, desta forma, dispêndios excessivos. Para tanto, a partir do diagrama de cascata de calor (ou de transbordo) elaborado, relacionam-se graficamente as temperaturas médias dos intervalos de troca térmica determinados, que se vinculam ao valor de ∆ T de approach considerado, com as respectivas cargas térmicas l´ıquidas (saldos ou déficits) acumuladas, isto e´ , somadas desde o primeiro intervalo at e´ o atual em cada ponto.[1] O gráfico que então resulta compreende o ponto de estrangulamento térmico, situado sobre o eixo das ordenadas (onde se da´ a anulaça˜ o da taxa de transfereˆ ncia l´ıquida acumulada), e as regiões acima e abaixo deste, nas quais são realizadas as aplicaço˜ es de utildiades quentes e frias, respectivamente. Em ambas as porço˜ es, tem-se a determinaça˜ o dos trechos de integraça˜ o de energia como sendo aqueles definidos entre dois segmentos da GCC com inclinaço˜ es negatia e positiva no sentido de crescimento da carga t e´ rmica ´ importante ressaltar que, quanto no eixo das abscissas. E maior o desvio, seja ele positivo ou negativo, em rela ça˜ o à temperatura ambiente, maior o custo para sortimento das utilidades. Sob tal contexto, ratifica-se a relevância de se lançar m a˜ o de tal tipo de ferramenta, uma vez que fornece as extensões de fato necessárias das utilidades mais onerosas para o processo(vapores a altas temperaturas ou fluidos refrigerantes a reduzidas temperaturas). 3.2.4 Curvas Compostas As curvas compostas se tratam de representaço˜ es gráficas dos balanços de energia térmica para as correntes quentes e frias. Geradas separadamente para as quentes e frias, tais curvas decorrem da plotagem em um diagrama de temperatura contra taxa térmica correspondente à soma vetorial dos segmentos retil´ıneos ou vetores relativos às correntes individuais, o que também equivale a relacionar as temperaturas médias dos intervalos do diagrama de cascata com oferta ou demanda de calor acumulada, a depender se est a˜ o sendo tratadas as correntes quentes ou frias. Em posse do gr a´ fico obtido, consegue-se identificar os requisitos m´ınimos de utilidades quentes e frias para o valor de diferencial m´ınimo de temperaturas tomado, bem como estimar a área m´ınima global de troca térmica ao se valer do conceito de transfer eˆ ncia de calor vertical. Esta determinaça˜ o se dá particionando as curvas compostas em regio˜ es delimitadas a cada mudança de inclinaça˜ o em uma delas, o que se refere a` inclusão ou


exclusão de uma ou mais correntes, e, ent a˜ o, calculando as a´ reas respectivas que, ao final, s a˜ o somadas.[1] 3.2.5 Rede de M´ınimo Consumo de Utilidades Para concepça˜ o de uma rede de permutadores de calor que satisfaça as metas de consumo m´ınimo de utilidades determinadas com os passos anteriores, podem ser empregadas regras heur´ısticas atreladas ao método de s´ıntese pautado na tecnologia Pinch. Separadamente, constroi-se cada uma das sub-redes envolvendo as porço˜ es das correntes quentes e frias situadas nas regiões acima e abaixo do ponto de estrangulamento segundo um conjunto de crit e´ rios particular. Objetivando promover o uso exclusivo utilidades quentes na parte acima do Pinch e frias na seça˜ o abaixo, segue-se que, na região superior, deve haver um maior nu´ mero de correntes frias do que de quentes e se promover trocas das u´ ltimas com frias que possuam maior valor de produto m ∗ cp, e, na região inferior, o cenário oposto ao descrito. Fixam-se as temperaturas de sa´ıda das quentes e de entrada das frias no Pinch na s´ıntese acima, e as temperaturas de entrada das quentes e sa´ıda das frias no Pinch na s´ıntese abaixo. Por fim, admite-se violaça˜ o a` s regras mencionadas quano se está afastado do ponto de Pinch como alternativa a` s eventuais soluço˜ es de divisão ou mistura de correntes para se forçar a satisfaça˜ o, o que elevaria os custos associados a` movimentaça˜ o dos fluidos com bombeamento em funça˜ o de maiores perdas de carga que ocorreriam na presença de um alto numero ´ de divisores e misturadores de correntes.

3.3 Métodos Heur´ısticos As abordagens heur´ısticas para obtença˜ o de redes de trocadores de calor definem critérios distintos para seleça˜ o dos pares de correntes a` medida que se estrutra o sistema de integraça˜ o energética nas aplicaço˜ es da rotina de s´ıntese. Em todos os casos, tem-se os seguintes passos conforme colocado em Perlingeiro(2005)[2]: •

Definiça˜ o do par de correntes quente e fria para troca térmica utilizando o crit e´ rio estabelecido para tal.

•

Ajuste das metas para as correntes selecionadas de maneira a se respeitar o diferencial m´ınimo de temperaturas nas extremidades do trocador considerado.

•

Calculam-se as cargas térmicas referentes à oferta e a` demanda, determinando a taxa de transferência do trocador como o m a´ ximo poss´ıvel, dado pelo m´ınimo entre os valores aferidos.

•

Ajusta-se a temperatura (de entrada ou sa´ıda) ou da corrente fria quando a demanda e´ menor que oferta ou da quente no caso oposto.

´ 3.3.1 Metodo RPS 1 A metodologia heur´ıstica de Rudd, Powers e Siirola (RPS) compreende dois cr´ıtérios para escolha do par de correntes quente e fria. Em um deles, a cada iteraça˜ o, tomam-se as correntes com maior temperatura de origem, fixando-se

as metas para temperaturas de entrada de ambas, ou seja, são permitidos ajustes apenas nas temperaturas de sa ´ıda das correntes. 3.3.2 Método RPS 2 No segundo critério do método RPS, são selecionadas as correntes com menores temperaturas de origem. A fixaça˜ o de metas se dá tal qual anteriomente descrito. 3.3.3 Método PD Por sua vez, a metodologia heur´ıstica de Ponton e Donaldson corresponde ao crit e´ rio de seleça˜ o dado pelas maiores temperaturas de origem da corrente quente e de destino da corrente fria, sendo fixadas as metas para a admissão da quente e sa´ıda da fria. No caso de ser necess a´ rio ajuste da entrada da corrente fria para atendimento de ∆T de approach, faz-se o emprego de um aquecedor.

ˆ 3.4 Avaliaç ˜ ao Economica A análise econômica constitui a etapa subsequente a` s´ıntese dos sistemas de troca de energia, tendo como fim a comparaça˜ o das redes geradas para indicaça˜ o daquela que acarreta em menores custos. Em um tratamento preliminar, avaliam-se dois tipos de custos sob base anual: de capital, correspondendo aos gastos referentes ao investimento para instalaça˜ o das unidades de troca térmica, e de utilidades, associado ao suprimento de utilidades em aquecedores e resfriadores. No presente texto, é feita uma avaliaça˜ o econoˆ mica simplificada, não fornecendo resultados quantitativos acurados, pois são assumidos valores estimados e uniformes para os coeficientes globais de transfer eˆ ncia de calor para os tr eˆ s tipos de trocadores (integraça˜ o, aquecimento e resfriamento), assim como para os custos unit a´ rios de utilidades quentes e frias.

4. Resultados e Discuss ˜ ao 4.1 Tabela de Oportunidades


4.2 Tecnologia Pinch Térmico 4.2.1 Otimizaç ˜ ao do diferencial m´ınimo de temperatura

10o C exibe-se razoável para a realizaça˜ o de uma avaliaça˜ o de caráter preliminar.

Figura 2. dt minimo 4.2.2 Diagrama de Cascata de Calor

Uma vez que se atinge o m´ınimo de utilidades para valores de ∆ T de approach decrescentes a partir de cerca de 25o C, segue que a adoça˜ o do valor comumente empregado

Figura 3. Diagrama de Cascata de Calor 4.2.3 Grande Curva Composta

´ ANALISE CRÍTICA DO ARTIGO: ”Biodiesel production process from microalgae oil by waste heat recovery and process integration” — 7/10 Figura 4. Grande Curva Composta

Analisando a grande curva composta traçada, constatase a ocorrência de extensas regiões de integraça˜ o, dadas pelas porço˜ es das curvas com formato do s´ımbolo de ”maior que”. Ainda, identifica-se como limite superior para o n´ıvel de utilidade fria, em termos de temperatura que respeita o diferencial m´ınimo de temperatura de 10 o C, como sendo por volta de 250o C. Portanto, e´ assegurado que o emprego de a´ gua a temperatura ambiente mostra-se compat´ıvel para a

complementaça˜ o de troca térmica requisitada pelo processo. Selecionou-se água l´ıquida indo de 30o C a 50o C como fluido de refrigeraç a˜ o. Uma vez que as redes encontradas com os métodos heur´ısticos podem vir a suscitar aquecimento complementar de correntes frias já submetidas a` s poss´ıveis integraço˜ es, deve-se também definir o n´ıvel para utilidades quentes. Para fins de cálculos, empregar-se-á vapor saturado a 270 o C. 4.2.4 Curvas Compostas

Figura 5. Curvas Compostas

As curvas compostas exprimem de forma gráfica os resultados já obtidos com o diagrama de cascata de calor, permitindo que se conclua por n a˜ o se demandar utilidade quente, mas sim apenas fria, o que se encontra expresso no fato de a parte inicial da curva composta fria n a˜ o estar

situada sob uma parcela correspondente da curva composta quente, sendo sua extensão no eixo horizontal coincidente com o m´ınimo de utilidade fria determinado, aproximadamente 112kW . 4.2.5 Rede de M´ınimo Consumo de Utilidades

´ ANALISE CRÍTICA DO ARTIGO: ”Biodiesel production process from microalgae oil by waste heat recovery and process integration” — 8/10 Figura 6. Rede com M´ınimo Consumo de Utilidades

4.3 Métodos Heur´ısticos 4.3.1 Método RPS 1

Figura 7. RPS: QMTO x FMTO ´ 4.3.2 Metodo RPS 2

Figura 8. RPS: QmTO x FmTO

´ ANALISE CRÍTICA DO ARTIGO: ”Biodiesel production process from microalgae oil by waste heat recovery and process integration” — 9/10 ´ 4.3.3 Metodo PD Obteve-se uma rede indêntica àquela com consumo m´ınimo de utilidades.

ˆ 4.4 Avaliaç ˜ ao Economica

Figura 9. Relaça˜ o de Custos

´ importante ressaltar que as cifras resultantes da an a´ lise E econoˆ mica conduzida não dispo˜ em de acurácia significativa em funça˜ o das diversas hipóteses simplificadoras das quais se lançou m a˜ o, sendo as mais importantes: aproximaça˜ o do comportamento da temperatura das correntes quentes dadas por vapores, que sofrem condensaça˜ o nos trocadores além

de variaço˜ es térmicas sens´ıveis, por perfis lineares ao se determinar valores médios para os seus produtos m*cp com a divisão da carga térmica pela variaça˜ o de temperatura; partiça˜ o da carga térmica no trocador HX-5 do processo otimizado entre as duas correntes quentes envolvidas com base na suposiça˜ o de razão entre valores de m*cp constante


para pressões de operaça˜ o diferentes da que se encontram no processo, usando-se os valores de capacidade calor´ıfica a pressão atmosf e´ rica das espécies presentes nas correntes envolvidas em Smith et. al. (2000)[3]; e tomada da carga térmica do pré-aquecedor na etapa de esterificaça˜ o, interpretado como sendo o trocador que integra o efluente do reator R-1 e a alimentaça˜ o de óleo de microalga, como coincidente com a taxa térmica provida por utilidade quente mencionada na publicaça˜ o original (72 kW). Os fatores que justificam o uso de tais recursos de simplificaça˜ o atrelam-se a` s premissas para as correntes e trocadores das metodologias de s´ıntese de redes de permutadores utilizadas neste trabalho e a` s limitaço˜ es de disponibilidade de dados a respeito das ˜ existentes no artigo em exame. correntes e condiç oes Como resultados gerais, tem-se, para as bases de custos unitários assumidas e demais aproximaço˜ es realizadas, menores custos de capital para as redes sintetizadas pelas vias heur´ısticas em compara ça˜ o àquela otimizada no artigo avaliado. Faz-se tal observaç a˜ o mesmo negligenciando nos cálculos uma unidade separada para representaça˜ o do préaquecedor no passo de esterifica ça˜ o, já que não se encontra explicitamente colcada no fluxograma de partida. Frente à u´ tlima consideraça˜ o, os custos de utilidades para o sistema otimizado exibem-se com menor valor em relaça˜ o aos demais gerados. No entanto, ao se supor que, no processo apresentado originalmente, a etapa de pré-aquecimento a qual se faz referência inclui tanto a troca integrada quanto o suprimento de calor por utilidade de quente em valores iguais, de 72 kW, as redes heur´ısticas passam a possuir custos de utilidades inferiores. Mediante a tais inferências e constataço˜ es, é poss´ıvel afirmar que, por conduzirem o processo de otimiza ça˜ o segundo uma abordagem compartimentalizada, isto é, restringindose a integraça˜ o de correntes a` s seço˜ es do processo individuais, os autores obtiveram uma soluça˜ o que não deve corresponder a de maior desempenho no sentido de gastos dispendidos. Com a estratégia preliminar aproximada empregada no presente trabalho desconsiderando limitaço˜ es a` s poss´ıveis trocas, já se conseguiu encontrar soluço˜ es alternativas que reduzem ou eliminam a aplicaça˜ o de utilidades quentes e permitem o emprego de a´ gua a temperatura ambiente (mais baixo custo unit a´ rio, portanto) como utilidade fria, além de levarem a requisitos inferiores de a´ rea de transferência de calor, diminuindo custo associados ao investimento nos equipamentos. Contudo, vale notar que está se fornecendo proposiço˜ es ao subsistema de integraça˜ o energética somente dentre todos os demais componentes do processo global, sendo importante que se proceda, subsequentemente, análises mais acuradas e de otimizaça˜ o global (ou pelo menos incluindo todos os subsistemas com suas respectivas restriç o ˜ es), tal qual a feita no artigo original.

5. Conclus ˜ ao e Sugest ˜ oes Apresentando como principal finalidade a aplicaça˜ o de abordagens alternativas para s´ıntese do sistema de integraça˜ o

energética para o processo considerado, otimizado no artigo ”Biodiesel production process from microalgae oil by waste heat recovery and process integration” , o presente trabalho forneceu relevantes apontamentos e infer eˆ ncias. Constatou-se que as estratégias heur´ısticas e a baseada na Tecnologia Pinch, fundamentadas no emprego de regras de caráter heur´ıstico na rotina de geraça˜ o de redes de trocadores de calor, ao considerarem as correntes quentes e frias independentemente de suas respectivas seço˜ es de origem, conduziram à indicaça˜ o de requerimentos totais (Tecnologia Pinch) ou majoritários (métodos RPS) de utilidades frias, de mais baixo custo unitário do que as quentes. Dessa forma, torna-se evidente que, em face às restriço˜ es impostas pelos autores da publicaça˜ o analisada quanto à combinaça˜ o de pares de correntes (compartimentalizada), limita-se o processo de otimizaça˜ o a um sub-conjunto que n a˜ o necessariamente contempla as possibilidades mais promissoras de redes de permutadores para recuperaç a˜ o de calor residual. Trabalhos futuros devem lançar mão de estimativas de maiores acurácias para as propriedades das correntes envolvidas no processo e dos parâmetros relativos a` avaliaça˜ o econômica. Ainda, com as redes obtidas heuristicamente e a de m´ınimo consumo de utilidades sendo tomadas como ˜ iniciais, proceder a busca por redes de maior desemsoluçoes penho por via evolutiva, em que se aplicam procedimentos algor´ıtmicos de divisão e inversão de correntes e de inclusão e remoça˜ o de trocadores, bem como pela otimizaça˜ o do processo por algoritmos de programaça˜ o matemática adequados.

Referências [1]

M. Beninca. Integraça˜ o energética de uma planta de eteno com aspectos de flexibilidade: Aplicaça˜ o da análise pinch em conjunto com a otimizaça˜ o matemática. 2008.

[2]

C. A. Perlingeiro. Engenharia de processos: analise, ´ ˜ otimizaçao ˜ e s´ simulaçao, ıntese de processos qu´ ımicos. Edgard Blücher, 2005.

[3]

J. M. Smith, H. C. Van Ness, and M. M. Abbott. Introduçao da engenharia qu ´ ımica. ˜ a` termodinamica ˆ LTC, 2000.

[4]

C. Song, G. Chen, N. Ji, Q. Liu, Y. Kansha, and A. Tsutsumi. Biodiesel production process from microalgae oil by waste heat recovery and process integration. Bioresource technology, 193:192–199, 2015.

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