1.1 Introdução
1.2 Eficiência Energética
1.1 Introdução
A redução dos consumos energéticos e a diminuição do impacto das actividades humanas no meio ambiente encontram-se no centro das atenções de todos, no início do século XXI. Nos processos químicos, grandes consumidores típicos destes recursos, existem habitualmente enormes oportunidades de melhoria que podem ser identificadas de modo eficiente, através da aplicação de metodologias sistemáticas de análise e síntese de redes de transferência de calor e massa. Este texto tem como principal objectivo fornecer uma introdução sucinta à aplicação destas técnicas, nomeadamente através da descrição da metodologia de identificação de pontos de estrangulamento, conhecida também internacionalmente como “pinch analysis”.
::: Início :::
1.2 Eficiência energética
De uma forma geral a redução dos consumos energéticos consegue-se utilizando equipamentos e processos com maior eficiência energética. Esta eficiência caracteriza a razão entre a energia mínima necessária e a energia consumida, numa dada tarefa
estando portanto sempre limitada na gama 0 ≤ η ≤ 1.
Num processo químico, composto por diferentes unidades físicas interligadas entre si, formando um sistema complexo, a eficiência energética global vai depender simultaneamente:
- Da eficiência energética individual de cada unidade onde existe geração, consumo ou transferência de calor (por exemplo, caldeiras de produção de vapor, reactores químicos, colunas de destilação, permutadores de calor, tubagens com isolamento térmico, etc.).
- Da eficiência do modo de interligação das diversas unidades.
Deste modo, a optimização energética de um processo requer simultaneamente a optimização individual de cada unidade presente, e a optimização do arranjo global de unidades, através da escolha cuidadosa das interligações entre estas. A primeira tarefa requer conhecimentos específicos sobre a construção e os princípios de funcionamento de cada unidade (caldeira, permutador de calor, etc.), sendo portanto objecto de estudo específico no domínio de cada tipo de equipamento. A segunda tarefa pode ser analisada numa perspectiva geral de optimização de processos, usando como dados as necessidades energéticas específicas de cada operação, que se supõe terem sido previamente optimizadas, e que nesta fase irão permanecer como dados do problema (fixos, portanto).
O exemplo apresentado na Figura 1 ilustra este facto. No caso (a), as correntes do processo que necessitam de ser arrefecidas (aqui designadas por correntes quentes) foram desenhadas em linhas horizontais, tendo sido registadas as suas temperaturas de entrada e de saída, bem como as suas capacidades caloríficas totais (CP). Para efeito desta análise define-se a capacidade calorífica total de uma corrente (CP) através da razão:
Nos processos químicos, as quantidades de calor envolvidas são habitualmente expressas através de variações de entalpia das correntes em causa. Por exemplo, para a corrente Q3, a potência envolvida (quantidade total de calor necessária por unidade de tempo) é de:
O sinal negativo corresponde a uma libertação de calor para o exterior (da corrente). Neste exemplo, as correntes que necessitam de ser aquecidas foram desenhadas na vertical (correntes frias).
Figura 01: Modelos de interligação possíveis entre correntes de um processo com trocas de calor (Kemp, 2007): (a) Consumo máximo de utilidades. (b) Minimização do consumo de utilidades, através do emparelhamento de correntes.
Para suprir as necessidades de aquecimento e de arrefecimento nos processos químicos são usadas correntes especiais (denominadas como utilidades). Exemplos de utilidades usadas para aquecimento (aqui designadas utilidades quentes) são vapor de água (disponível habitualmente a diferentes temperaturas), óleos térmicos e gases de combustão. Como utilidades usadas para arrefecer correntes do processo (utilidades frias) temos a água de arrefecimento proveniente das torres de refrigeração, salmouras, e o arrefecimento por geração de vapor.
Uma vez que a finalidade das correntes de utilidades é apenas suprir as necessidades energéticas das restantes correntes do processo, podemos pensar em usar utilidade fria (neste caso água de arrefecimento) para satisfazer as necessidades das correntes Q1, Q2 e Q3. O consumo total de energia para arrefecer o processo será neste caso de 300 kW. Um raciocínio idêntico poderá em seguida ser usado para determinar o consumo de vapor necessário para aquecer as correntes F1, F2 e F3, obtendo-se neste caso 300 kW. Esta solução está representada no esquema (a) da Figura 1, correspondendo à configuração mais simples do processo: recorrer a uma utilidade do tipo correspondente, sempre que é necessário aquecer ou arrefecer uma corrente do processo.
Como alternativa à configuração anterior, é apresentado o esquema (b) na Figura 1. Neste caso, é investigada em primeiro lugar a possibilidade de trocar calor entre as diversas correntes do processo com necessidades recíprocas. Isto corresponde ao chamado emparelhamento de correntes, introduzindo o conceito de integração de processos: uma corrente quente pode ser emparelhada com uma corrente fria (necessidades recíprocas), se as temperaturas respectivas permitirem a troca de calor entre elas, de acordo com a segunda lei da Termodinâmica. Neste procedimento, apenas se recorre ao uso de utilidades após esgotadas as possibilidades de troca entre correntes do processo.
Esta metodologia tem como consequência directa a redução do consumo de utilidades, e portanto menores consumos energéticos globais do processo, continuando a satisfazer todas as necessidades individuais identificadas na definição do problema, e atingindo portanto uma maior eficiência de interligação. Uma potencial desvantagem do seu uso (em larga escala) é a introdução de interdependências múltiplas (i.e., interacções) entre diversas correntes do processo. No limite, a controlabilidade e a operabilidade do processo poderão ser afectadas pela introdução destas interdependências, razão pela qual qualquer esquema de integração deve ser avaliado quanto a estas características antes de poder ser aceite como solução implementável.
Apesar de parecer simples (por exemplo através da observação da Figura anterior), e algo semelhante à solução de um puzzle, a investigação directa de todas as possibilidades de integração energética entre correntes é habitualmente um procedimento complexo, devido
ao enorme número de possibilidades de interligação existentes (estabelecimento da malha), e ao facto do número de combinações crescer exponencialmente com o número de correntes do problema; basta pensar apenas na possibilidade de divisão de correntes, para facilitar o emparelhamento. A solução eficaz deste problema depende portanto da aplicação de metodologias sistemáticas, abordadas na próxima Secção.
::: Início :::
