Processos Químicos Integração Energética em Reatores

[pic 1]Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Instituto de Química

Departamento de Processos Químicos

Processos Químicos III

Integração Energética em Reatores

Professor:

Marcelo Augusto Vieira de Souza

Alunos

Felipe Pinheiro de Lima

João Felipe de Castro Alves

Ray-anna Sant’Anna da Silva

Rio de Janeiro, 2018.

SUMÁRIO

1.        Introdução Teórica        2

1.1.        Tecnologia Pinch        2

2.        Integração energética em reatores        4

2.1.        Transferência direta de calor        6

2.2.        Transferência indireta de calor        7

3.        Referência bibliográfica        7

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1. Introdução Teórica

Um processo de fabricação utiliza, na maioria das vezes, recursos naturais como fonte de energia. Contudo, com o passar dos anos, o mercado internacional vem desfavorecendo o seu consumo devido as altas taxas associadas, assim como a elevação exacerbada do seu custo. Sendo assim, o consumo excessivo de energia nas industrias tornou-se uma preocupação.

Existem vários tipos de máquinas térmicas que operam comumente em uma planta industrial, como, por exemplo, podem ser citados os trocadores de calor, resfriadores e aquecedores. Os trocadores de calor são mais vantajosos quanto ao custo operacional, visto que não demandam uso de utilidades, pois seu princípio de funcionamento é baseado na recuperação de energia entre as correntes de processo. Enquanto isso, um resfriador, ou aquecedor, precisa de uma corrente auxiliar, ou seja, uma corrente externa ao processo associado a um determinado custo.

A fim de contornar tal problema, visto que o uso de máquinas térmicas apresenta grande influência no custo global do processo industrial, propostas de integração energética foram desenvolvidas. Esta metodologia é fundamentada pelo uso eficiente de uma fonte de energia, que será utilizada como geração de utilidades na planta. Essencialmente, o objetivo de uma integração energética consiste em combinar pares de correntes, tal que o máximo de energia possa ser aproveitado e a rede final seja ótima em relação ao custo. Contudo, nem todas as combinações geram o consumo mínimo de utilidades, por isso, um estudo de caso deve ser realizado.

1. Tecnologia Pinch

Na busca pela diminuição dos custos operacionais relacionados ao consumo de energia, engenheiros desenvolveram o método de abordagem sequencial, ou como é mais conhecido entre os alunos de engenharia química, o método da tecnologia Pinch. Esse método possui alguns elementos principais que visa realizar metas de otimização das trocas térmicas entre correntes de processo com objetivo de diminuir a necessidade do consumo de matérias-primas para aquecimento dos equipamentos. Dessa forma, deseja - se aproveitar ao máximo a energia das correntes quentes, muitas das vezes podendo recircular água como fonte de calor. Caso as metas estabelecidas não supram a necessidade do processo, são utilizadas utilidades frias ou quentes para suprir essa deficiência energética.

• Determinação do ponto Pinch:

Para se determinar o ponto pinch, utiliza-se de um método gráfico para análise do comportamento energético do processo, conhecido como Curva Composta, sendo esta, esboçada em diagrama de temperatura por entalpia, o que facilita a identificação e localização do ponto onde ocorre a melhor integração energética. Para que isso ocorra, não se deve transferir calor entre correntes que estão em regiões opostas ao ponto pinch, somente utilizar utilidades quentes na região acima do ponto pinch e somente utilidades frias abaixo do ponto pinch. Dessa forma, quando duas correntes trocam calor entre si, elas podem ser representadas pela curva composta como mostrado na figura 01.

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Figura 01: Curva composta.

Fonte: Souza, 2018.

Pela análise do método gráfico, a região onde ocorre a integração energética é representada pela sobreposição das retas que identificam as duas correntes, essa região é caracterizada pelo estrangulamento térmico, e possui a menor diferença de temperatura permitida entre as duas correntes (delta Tmin). O ponto onde está presente a menor diferença de temperatura entre as correntes quente e fria é chamado de ponto pinch.

1. Integração energética em reatores

O reator é um vaso de pressão, normalmente fabricado em aço, que é projetado para trabalhar em temperaturas e pressões previamente estabelecidas. Este é o equipamento onde ocorrem as transformações químicas e, por isso, é considerado o coração das unidades de fabricação. Este pode ser classificado de acordo com o modo de operação e configuração, ou geometria.

• Quanto ao modo de operação:

• Reator batelada:

- Reagentes são adicionados no início da operação;

- Reação termina quando atinge o grau de conversão;

- Operação com regime transiente;

- Aplicado à indústria de pequena escala.

• Reator contínuo:

- Reagentes são adicionados ao longo da operação;

- Produtos são retirados continuamente;

- Operação com regime estacionário;

- Aplicado à indústria de grande escala.

• Reator semi batelada:

- Operação entre os dois tipos anteriores;

- Variação da composição da massa reagente;

- Purga de produtos;

- Aplicado aos sistemas complexos.

• Quanto à configuração ou geometria:

• Tanque agitado: geralmente de forma cilíndrica, usados para as operações batelada (Batch) ou contínua com mistura (CSTR).
• Tubular: formato de tubo, usado em operações contínuas (PFR).

A escolha do reator é de suma importância, visto que é a partir dele que os demais parâmetros de processo serão definidos, como a necessidade de implantação de um sistema de controle para atender os requisitos de set point, por exemplo.